Wpływ koncentratora pola magnetycznego na proces hartowania indukcyjnego

• Autorzy: Legutko Piotr

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2023.05.36

Warianty tytułu

EN

The influence of a magnetic field concentrator on the induction hardening process

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule przedstawiono i omówiono wyniki sprzężonej symulacji modelu obwodowego przekształtnika rezonansowego z modelem MES układu grzejnego wzbudnik-wsad dla kilku wariantów nagrzewania indukcyjnego. Ponadto, przedstawiono wpływ zastosowania w układzie grzejnym wzbudnik-wsad dodatkowego koncentratora pola magnetycznego wykonanego z materiału magnetycznie miękkiego (Fluxtrol LFM). Wsad w postaci koła zębatego został zamodelowany ze stopu stali konstrukcyjnej (C45) używanej powszechnie do produkcji tego typu elementów mechanicznych. Przekształtnik energoelektroniczny o mocy 3 kW został zamodelowany w postaci mostkowego falownika rezonansowego zasilanego z sieci 3×400 V poprzez prostownik z filtrem RC i obciążonego szeregowo-równoległym obwodem rezonansowym. W wyniku badań symulacyjnych sprzężonych modeli uzyskano rozkłady pola magnetycznego i gęstości energii na powierzchni wsadu, charakterystyki gęstości energii w płaszczyźnie poprzecznej pojedynczego zęba oraz wartości temperatury zarejestrowanej na wierzchołku zęba (w połowie jego wysokości) dla kilku wariantów pracy układu grzejnego i przyjętych w analizie częstotliwości prądu wzbudnika.

EN

This paper presents a co-simulation FEM of induction heating of gears. The co-simulation was made in ANSYS software used a circuit model (resonant inverter with MOSFET SiC transistors) and FEM model (coil, magnetic field concentrator and gear). The circuit model was built in a bridge structure of inverter with a series-parallel resonant circuit. The output power of inverter was 3 kW and the drain efficiency was equal to 96%. The co-simulation of models was made for C45 alloy steel of gear, and two type of induction heating of gear (with magnetic field concentrator and without him) at three operating frequency (MF, HF and 2F). Additionally, in this paper presents a distribution of magnetic induction in the gear, energy density in the gear, the characteristics of energy density in a single tooth on the length 8 mm and the temperature of tooth tip for two type of induction heating.

Słowa kluczowe

PL

nagrzewanie indukcyjne; analiza MES; koncentrator pola magnetycznego; koło zębate; falownik rezonansowy

EN

induction hardening; FEM analysis; magnetic field concentrator; gear; resonance inverter

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 99, nr 5
• Strony: 207--213
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Legutko Piotr

• Politechnika Śląska, Katedra Energoelektroniki, Napędu Elektrycznego i Robotyki, ul. Bolesława Krzywoustego 2, 44-100 Gliwice

• https://orcid.org/0000-0002-7892-8859

Bibliografia

• [1] Balabozov I., Brauer H.,Yatchev I., "Modelling of magnetic concentrators in induction heating systems," 2017 15th International Conference on Electrical Machines, Drives and Power Systems (ELMA), 2017, pp. 453-456,
• [2] Baldan M., Cetin M., Nikanorov A., Nacke B., "Optimal Design of Magnetic Flux Concentrators in Induction Heating," 2019 XXI International Conference Complex Systems: Control and Modeling Problems (CSCMP), 2019, pp. 203-207,
• [3] Barglik J., Nagrzewanie indukcyjne wsadów płaskich w polu poprzecznym. Symulacja komputerowa i weryfikacja doświadczalna. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Hutnictwo z.65, Gliwice 2002
• [4] Barglik J., Induction hardening of steel elements with complex shapes, Przegląd Elektrotechniczny nr 4/2018, ISSN: 0033- 2097, str.51-54
• [5] Barglik, J., Smalcerz, A.: Influence of the magnetic permeability on modeling of induction surface hardening, COMPEL, 2017, 36, (2), pp. 555–564
• [6] Bokota A., Parkitny R., Modelowanie zjawisk cieplnych, strukturalnych i mechanicznych procesów hartowania elementów stalowych. Informatyka w technologii metali. Monografia, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2003
• [7] Davies E.J., Induction Heating handbook, Mc-Graw-Hill, New York 1979
• [8] Dobrzański L. A., Podstawy nauki o materiałach i materiałoznawstwo, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2002 r.
• [9] Frączyk A., Jaworski T., Urbanek P., Kucharski J., The design for a smart high frequency generator for induction heating of Leeds, Przegląd Elektrotechniczny nr 90 (2), 2014, ISSN: 0033- 2097, p.20-23
• [10] Kasprzak M., Falowniki rezonansowe klasy D i DE o częstotliwościach pracy do 13,56 MHz, Monografia Habilitacyjna, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, ISBN 978-83-7880-037-8, Gliwice 2013
• [11] Kierepka K., Legutko P., Szeregowy, dwuczęstotliwościowy falownik do nagrzewania indukcyjnego z pojedynczym mostkiem tranzystorowym typu H - problemy komutacji nieoptymalnych, Przegląd Elektrotechniczny nr 5/2018, ISSN: 0033-2097, str.169-172
• [12] Legutko P., Wpływ parametrów materiałowych stali stosowanych w produkcji kół zębatych na proces hartowania indukcyjnego, Przegląd Elektrotechniczny nr 5/2021, ISSN: 0033-2097, str.20-27
• [13] Legutko P., Symulacje MES procesu nagrzewania koła zębatego dla jednoczesnego, dwuczęstotliwościowego falownika rezonansowego, Przegląd Elektrotechniczny nr 10/2020, ISSN: 0033-2097, str.1-8
• [14] Maikut S., Bashkatov Y., Tsybulsky L., Kuzmichev A., Simulation of induction evaporator with magnetic field concentrator, 2014 International Conference on Numerical Electromagnetic Modeling and Optimization for RF, Microwave, and Terahertz Applications (NEMO), 2014, pp. 1-4,
• [15] Skoć A., Świtoński E., Przekładnie zębate. Zasada działania. Obliczenia geometryczne i wytrzymałościowe., Wydawnictwo Naukowe PWN 2016r., ISBN: 9788301189006
• [16] Smalcerz A., Modelowanie zjawisk zachodzących podczas procesu hartowania indukcyjnego kół zębatych, Monografia Habilitacyjna, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, ISBN 978-83-7880-341-6, Gliwice 2015
• [17] Zhu T., Feng P., Li X., Li F., Rong Y., The Study of the Effect of Magnetic Flux Concentrator to the Induction Heating System Using Coupled Electromagnetic-Thermal Simulation Model, 2013 International Conference on Mechanical and Automation Engineering, 2013, pp. 123-127,
• [18] Zimoch P., Legutko P., Kierepka K., Kasprzak M., Dual-frequency Induction Heating for Gear Hardening: Converter, Resosant Circuit and FEM Modelling, IET Power Electronics, 11/2018, ISBN 1755-4535, str. 2396-2402,
• [19] Dokumentacja techniczna tranzystora SCH2080KE dostępna pod adresem: www.rohm.com
• [20] Dokumentacja techniczna koncentratorów pola magnetycznego dostępna pod adresem: www.fluxtrol.com