Thermal analysis of magnetic shields for induction heating

ABSTRACT

For the design of magnetic shields for induction heating, it is useful to analyze not only the magnetic field reduction, but also the temperature behaviour of the shield. The latter is heated by its electromagnetic losses and by thermal radiation from the workpiece. A coupled thermal-electromagnetic axisym metric finite element model is used to study the temperature of a shield for an axisymmetric induction heater, highlighting the effect of the radius, height, thickness and material of the shield on its temperature and magnetic shielding factor. Also the effect of the frequency and the workpiece dimensions is investigated. The model is validated by measuring the magnetic induction, the induced currents in the shield and the temperature of the shield on the experimental setup. The temperature is unacceptably high for shields close to the excitation coil, especially if the shield height is lower than the workpiece height. Although the study is carried out for one specific induction heater geometry, the paper indicates the effect on the shield temperature of parameters such as geometry, material and frequency so that the results are useful also for other induction heating configurations .

INTRODUCTION

In magnetic shield design problems, the optimization goals are usually the minimization of the field in a predefined area – the target region – and the minimization of the electromagnetic losses in the shield . However, it is also useful to include thermal aspects: a shield may obtain a high temperature due to electromagnetic losses and heat radiation from the workpiece. In section II, the steady-state temperature of the workpiece is simulated and experimentally validated for the unshielded case by a coupled thermal- electromagnetic finite element model (FEM). In section III, a simplified thermalelectromagnetic FEM calculates the temperature of the shield as a function of the radial position and height of the shield. In section IV, the temperature and shielding performance are studied for several shield thicknesses, material properties (conductivity, permeability), frequencies, and workpiece geometries. In section V, the shield is optimized to obtain a given shielding efficiency without exceeding a limit temperature.

چکیده

برای طراحی سپرهای مغناطیسی برای گرمایش الکتریکی مفید است که نه تنها کاهش میدان مغناطیسی بلکه همچنین رفتار دمای سپر را نیز تحلیل کنیم. دومی با تلفات الکترومغناطیسی و تابش حرارتی از قطعه کار گرم می شود. یک مدل عنصر محدود عددی سنجی حرارتی الکترومغناطیسی همراه شده برای مطالعه دمای یک سپر برای یک بخاری القایی محوری، با تاکید بر اثر شعاع، ارتفاع، ضخامت و ماده سپر بر دمای آن و ضریب محافظتی مغناطیسی. همچنین اثر فرکانس و ابعاد قطعات مورد بررسی قرار گرفته است. این مدل با اندازه گیری القای مغناطیسی، جریان القایی در سپر و دمای سپر در تنظیم تجربی معتبر است. درجه حرارت غیر قابل قبول برای سپرهای نزدیک به سیم پیچ تحریک، به ویژه اگر ارتفاع سپر پایین تر از ارتفاع قطعه کار است. اگرچه مطالعه برای یک هندسه الکتریکی القایی خاص انجام شده است، مقاله نشان می دهد که اثر بر روی دمای سپر از پارامترهای مانند هندسه، مواد و فرکانس به طوری که نتایج نیز مفید است برای سایر تنظیمات گرمایش القایی است.

مقدمه

در مسائل طراحی سپر مغناطیسی، اهداف بهینه سازی معمولا به حداقل رساندن میدان در یک منطقه از پیش تعیین شده – منطقه هدف – و به حداقل رساندن ضرر الکترومغناطیسی در سپر است. با این حال، این نیز مفید است که شامل جنبه های حرارتی: سپر ممکن است به علت تلفات الکترومغناطیسی و تابش گرما از قطعه کار به دست آوردن درجه حرارت بالا. در بخش دوم، دماي ثابت حالت قطعه شبیه سازی شده و به صورت آزمایشی برای مورد بی نظیر توسط یک مدل عنصر محدود الكترو مغناطيسی همراه (FEM) تأیید می شود. در بخش سوم، FEM ترموالکتریک ساده درجه حرارت سپر را به عنوان تابع موقعیت شعاعی و ارتفاع سپر محاسبه می کند. در بخش چهارم، درجه حرارت و مقاومت محافظتی برای چندین ضخامت سپر، خواص مواد (هدایت، نفوذ پذیری)، فرکانس ها و هندسه های قطعه کار مورد بررسی قرار گرفته است. در بخش V، سپر برای به دست آوردن یک کارآیی محافظ داده شده بدون بیش از یک دمای محدود، بهینه شده است.

Year: 2007

Publisher : IEEE

By : Peter Sergeant, Dietrich Hectors , Luc Dupre , and Koen Van Reusel