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电磁感应加热系统的多物理场耦合分析与优化设计

董智东  
【摘要】:随着社会进步与科学技术的发展,保护环境的重要性越发突出。节能减排、清洁环保已成为当今社会最重要的主题之一。传统的加热方式是通过燃烧煤、石油、天然气等实现的。这种加热方式会产生各种有害气体,对环境造成严重污染,而且在加热过程中大部分热量无法得到有效利用,造成了资源浪费。为解决以上问题,电磁感应加热应运而生。电磁感应加热技术有诸多优点,包括加热效率高、非接触式加热、安全无污染等。正是这些优点,使电磁感应加热技术被广泛应用于工业生产和日常生活中,逐步取代传统的明火加热方式。虽然感应加热技术的优点很多,但仍存在很多问题需要解决,如:在加热过程中,被加热锅具温度分布不均匀,会降低加热效率,且对锅具造成一定的损伤。论文首先针对电磁感应加热系统,运用电磁场和温度场的基本理论及有限元分析方法,对实际应用中的三种典型结构的电磁炉线圈进行电磁场和温度场的耦合分析。本文还对比研究了不同结构线圈在相同运行工况下的锅具电磁场和温度场分布特性。结果表面:在三种典型线圈结构中,锅具温度分布均匀性欠佳,锅具中心温度较低,直径四分之一处温度较高,且最高温度与最低温度的差值很大。本文提出了一种改进的带精英策略的非支配遗传算法(Improved NSGA-Ⅱ),对其中一种最典型线圈结构进行优化设计。改进的算法通过增加混沌算子和修复算子,解决了NSGA-Ⅱ算法中种群多样性不足和无法应用于包含较强约束条件工况的缺陷。用Improved NSGA-Ⅱ算法优化线圈每匝相邻导线之间的距离,有效改善了锅具温度分布的均匀性和提高了锅具加热效率,即实现了锅具最大温度点和最小温度点的差值最小且总体平均温度最大的目标。最后,在上述优化线圈的基础上,论文对优化线圈结构中的铁氧体形状、数量及位置进行了进一步优化,从而得到了满意的线圈整体模型。


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