解析の概要
パイプや丸棒などの加熱工程において、コイル内を連続移動する金属ワークの温度分布や加熱効率を精度よく予測することは、最適な製造条件の確立に不可欠です。
本解析例では、円形コイルの中心を円筒導体が直線移動しながら加熱されるプロセスを対象に、周波数応答磁場解析ソフト「PHOTO-EDDYjω」と熱伝導解析ソフト「PHOTO-THERMO」を連成させ、移動に伴う渦電流の変化と発熱分布を計算した事例をご紹介します。
これらのソフトを組み合わせることで、移動速度の違いが熱分布に与える影響の比較や、材料の温度依存性を考慮した高度な過渡解析にも柔軟に対応可能です。実機試験では測定が困難な内部の昇温挙動を可視化し、効率的なプロセス設計を支援します。
円筒導体を移動させ、誘導加熱によって、導体全体を加熱する事例です。
交流電源に接続されたコイルの中心を通過することにより、導体表面に渦電流が流れ、発熱します。表面から温度が上昇し、内部に熱が伝導します。
このモデルは軸対称形状のため、2次元軸対称解析で解析可能です。従って、プレート要素を使用します。
円筒導体内部の発熱分布・温度分布を把握するには有限要素法による磁場-熱連成解析が有効です。
図１．円筒導体の誘導加熱解析の概要図
解析モジュール ： PHOTO – EDDYjω & THERMO
解析条件
周波数を1[kHz]として、コイルに電流密度を設定しました。
特に、今回の事例では、被加熱体の円筒導体を移動させるため、並進速度を設定しました。
電流密度や並進速度の設定値を変更することにより、均一に加熱するための最適的な条件を探すことができます。
解析結果
渦電流による発熱密度分布および、温度分布の結果を、それぞれ図２および図３に示します。
表皮効果に起因する表面への発熱密度の集中と、導体の移動に伴う動的な発熱挙動をPHOTO-EDDYjωおよびPHOTO-THERMOで捉えています。これにより、移動速度に応じた加熱ムラの予測や最適な加熱条件の検討が可能です。
図２．結果図 発熱密度分布[W/m^3]
図３．温度分布アニメーション[度]
誘導加熱の基礎原理については、[誘導加熱の磁界シミュレーション]をご覧ください。
解析ソフト導入・受託解析のご相談
本事例のような移動体の解析や、複雑な形状の誘導加熱シミュレーションについても、弊社の技術者がお客様の課題に応じた最適な解析手法をご提案いたします。ソフト導入から受託解析まで、開発元ならではの高度な専門知見でお客様の設計課題解決を強力に支援いたします。