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F-MAG:誘導加熱解析

キーワード) 渦電流 表皮効果 表皮層 磁束密度 発熱密度

事例概要

交流電源に接続されたコイルから発生する変動磁界の中に金属等の導体を置くと、コイルと導体は離れているにもかかわらず導体の表面が発熱します。
 これは表皮効果により導体の表面に高密度の渦電流が発生し、そのジュール熱で導体の表面が発熱したからです。  本事例では、右図のようなコイルと金属で構成される基本的なモデルでこの渦電流の発生状態をシミュレーションしました。

誘導加熱モデル外観図

形状および磁界分布の対称性を利用し、下図のような四分の一モデルとし、コイルには周波数が[50kHz]の交流を印加して解析しました。

解析モデル(四分の一モデル)

渦電流の計算では、発生する表皮層のメッシュをどの程度正確に作成できるかで計算精度が決まります。F-MAGでは、下図のような表皮層の厚さ計算ダイアログが標準装備されていますので、必要な表皮層の厚さを計算して、表皮層のメッシュを簡単に作成することができます。

層の厚さ計算ダイアログ/表皮層作成ダイアログ
解析結果

解析結果のコンター図はそれぞれ右図のようになりました。単位は磁束密度が[T](テスラ)で、電流密度が[A/m2]です。赤色部分で多くの量が発生していることを表しています。

磁束密度分布コンター図(金属部分)/渦電流密度分布コンター図(金属部分)

下図のベクトル線図では、磁束と電流がそれぞれどのような方向に流れているのか確認することができます。 ベクトル線が赤色の部分では、多くの量が移動していることもわかります。

磁束密度ベクトル線図(金属部分)/渦電流密度ベクトル線図(金属部分)

最後に、発熱密度コンター図は下図のようになりました。単位は[w/m3]です。赤色部分で多くの熱量が発生していることがわかります。

発熱密度分布コンター図(金属部分)