JP2013120432A - Method for designing induction heating equipment - Google Patents

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敬史 結城
Tsutomu Oki
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for designing induction heating equipment for improving the efficiency of equipment design.SOLUTION: The method for designing induction heating equipment includes: steps (S10 to S40) of inputting to an analysis device the physical property values and shape of a member to be heated and the shape and current data of a coil with which induction heating is carried out for the member to be heated; a step (S50) of analyzing the temperature of each site of the heated member using a finite element method, on the basis of the input physical property values, the shapes of the heated member and the coil, and the current data, by the analysis device, and of outputting the results thereof; and a step (S60) of constructing the induction heating equipment on the basis of the output temperature of each site. In this method for designing induction heating equipment, the physical property values of the heated member including the magnetic permeability and saturation magnetic flux density which does not depend on a magnetic field are input. When the temperature is output, the temperature of each site is output on the basis of the value of the magnetic flux density calculated from the magnetic field and the magnetic permeability until the magnetic flux density of each site reaches the saturation magnetic flux density, and after the magnetic flux density of each site reaches the saturation magnetic flux density, the temperature of each site is output on the basis of the value calculated by adding the saturation magnetic flux density to the magnetic flux density calculated from the magnetic field and vacuum magnetic permeability of each site.

Description

本発明は誘導加熱設備の設計方法に関し、より特定的には、設備設計の効率を向上させることが可能な誘導加熱設備の設計方法に関するものである。   The present invention relates to a method for designing an induction heating facility, and more specifically, to a method for designing an induction heating facility that can improve the efficiency of facility design.

機械部品の熱処理方法として、誘導加熱による熱処理方法が採用される場合がある。誘導加熱による熱処理においては、加熱処理すべき被加熱部材に対向するように配置されたコイルに高周波電流を流し、これにより被加熱部材を誘導加熱する。被加熱部材の所望の範囲を所望の温度に加熱するためには、それにあわせた適切な形状のコイルを配置し、適切な値の電流を適切な時間だけ流す必要がある。そして、このような適切な加熱を達成するための誘導加熱設備の設計は、従来、過去の実績、作業者の経験などを参考に、試行錯誤により行なわれていた。   A heat treatment method by induction heating may be employed as a heat treatment method for mechanical parts. In the heat treatment by induction heating, a high-frequency current is passed through a coil disposed so as to face the heated member to be heated, and thereby the heated member is induction heated. In order to heat a desired range of a member to be heated to a desired temperature, it is necessary to arrange a coil having an appropriate shape according to the temperature and to pass an appropriate value of current for an appropriate time. And the design of the induction heating equipment for achieving such appropriate heating has been conventionally carried out by trial and error with reference to past results, operator experience, and the like.

これに対し、誘導熱処理設備の設計や加熱条件の検討に、有限要素法(FEM;Finite Element Method)に基づく電磁場熱伝導解析を用いることが提案されている(たとえば特許文献1および非特許文献1参照)。具体的には、FEMを用いてまずコイル内の高周波電流から誘導された被加熱部材内の誘導電流によるジュール損失を電磁場解析により計算し、その後、被加熱部材内の温度分布を熱伝導解析により計算するというルーチンを複数回繰り返す。このようにして得られた被加熱部材内の温度分布が、所望の温度分布に合致するように、コイル形状や電流の周波数、付与される有効電力などを変更して解析を複数回実行し、誘導加熱装置の設計に役立てることができる。   On the other hand, it has been proposed to use an electromagnetic field heat conduction analysis based on a finite element method (FEM) for designing an induction heat treatment facility and examining heating conditions (for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). reference). Specifically, the Joule loss due to the induced current in the heated member induced from the high-frequency current in the coil is first calculated using FEM by electromagnetic field analysis, and then the temperature distribution in the heated member is calculated by heat conduction analysis. Repeat the calculation routine several times. The analysis is performed a plurality of times by changing the coil shape, current frequency, applied active power, etc. so that the temperature distribution in the heated member thus obtained matches the desired temperature distribution, This can be useful for the design of induction heating devices.

特開2001−49333号公報JP 2001-49333 A

高橋ら、「鍛造前加熱用誘導加熱装置の電磁場・温度場連成解析」、三井造船技報、2009年2月、No.196、p31−37Takahashi et al., “Coupling analysis of electromagnetic and temperature fields of induction heating device for heating before forging”, Mitsui Engineering & Shipbuilding Technical Report, February 2009, No. 196, p31-37

しかしながら、上記従来のFEMを用いた誘導加熱設備の設計方法では、FEMによる解析結果と、実際に誘導加熱設備を構築して熱処理を実施した場合の実測値とが十分に一致しないという問題があった。その結果、従来のFEMを用いた誘導加熱設備の設計方法では、FEMによる解析結果を参考に実際の設備を構築した後、かなりの試行錯誤を行なう必要が生じる。   However, the above-described conventional method for designing an induction heating facility using FEM has a problem that the analysis result by FEM and the actual measurement value when the induction heating facility is actually constructed and heat treatment is not sufficiently matched. It was. As a result, in the conventional method for designing an induction heating facility using FEM, it is necessary to perform considerable trial and error after constructing an actual facility with reference to the analysis result by FEM.

本発明は上述のような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、設備設計の効率を向上させることが可能な誘導加熱設備の設計方法を提供することである。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a method for designing an induction heating facility that can improve the efficiency of facility design.

本発明に従った誘導加熱設備の設計方法は、有限要素法を用いた誘導加熱設備の設計方法である。この設計方法は、被加熱部材の物性値が解析装置に入力されるステップと、被加熱部材の形状が解析装置に入力されるステップと、被加熱部材に面して配置され、被加熱部材を誘導加熱するコイルの形状が解析装置に入力されるステップと、コイルに流される電流の電流値および周波数を含む電流データが解析装置に入力されるステップと、入力された物性値、被加熱部材の形状、コイルの形状および電流データに基づいて、解析装置により、被加熱部材の各部位における温度が有限要素法により解析されて出力されるステップと、出力された各部位の温度に基づいて誘導加熱設備を構築するステップとを備えている。   The design method of induction heating equipment according to the present invention is a design method of induction heating equipment using a finite element method. In this design method, the physical property value of the heated member is input to the analyzing device, the shape of the heated member is input to the analyzing device, the facing member is disposed, A step in which the shape of the coil to be induction-heated is input to the analysis device, a step in which current data including the current value and frequency of the current passed through the coil is input to the analysis device, the input physical property value, and the heated member Based on the shape, coil shape and current data, the analysis device analyzes and outputs the temperature at each part of the heated member by the finite element method, and induction heating based on the outputted temperature of each part Building equipment.

物性値が入力されるステップでは、被加熱部材の飽和磁束密度、電気伝導率、比熱、熱伝導率、および磁場の変化に依存しない透磁率を含む上記物性値が上記解析装置に入力される。そして、被加熱部材の各部位における温度が出力されるステップでは、上記各部位の磁束密度が飽和磁束密度に達するまでは、当該各部位の磁場と上記透磁率とから算出された各部位の磁束密度の値、各部位の磁束密度が飽和磁束密度に達した後は、各部位の磁場と真空の透磁率とから算出される磁束密度に上記飽和磁束密度を加えた値に基づいて各部位における温度が出力される。   In the step of inputting the physical property values, the physical property values including the saturation magnetic flux density, the electrical conductivity, the specific heat, the thermal conductivity, and the magnetic permeability not depending on the change of the magnetic field of the heated member are input to the analysis device. In the step of outputting the temperature at each part of the heated member, the magnetic flux at each part calculated from the magnetic field at each part and the magnetic permeability until the magnetic flux density at each part reaches the saturation magnetic flux density. After the magnetic flux density of each part reaches the saturation magnetic flux density, the value in each part is determined based on the value obtained by adding the saturation magnetic flux density to the magnetic flux density calculated from the magnetic field of each part and the vacuum permeability. The temperature is output.

本発明者は、FEMによる解析結果と、実際に誘導加熱設備を構築して熱処理を実施した場合の実測値とが十分に一致しないこと(解析結果と実測値との不一致)の原因について、検討を行なった。その結果、入力されたパラメータに基づいて各部位の温度を算出する際には多くの近似が採用されて計算が実行されるところ、その中で透磁率が磁場に対して一定であるとの近似に起因した誤差の影響により、解析結果と実測値との不一致が大きくなっていることを見出した。より具体的には、被加熱部材の各部位における温度を算出するためには、コイルに流れる電流により被加熱部材内に形成される磁束密度を算出する必要がある。この磁束密度は、コイルを流れる電流により形成される磁場と透磁率とから算出することができる。ここで、透磁率は磁場に対して変化することから、磁場に応じた透磁率をまず算出し、算出された透磁率および磁場の値から、磁束密度を算出することにより、より正確な磁束密度を算出することができる。しかし、この計算が煩雑となって解析速度が低下することを回避する観点から、一般には透磁率が磁場に対して一定であって、磁場が大きくなるにつれて磁束密度が大きくなり続けるとの近似が採用される。その結果、上記解析結果と実測値との不一致が大きくなる。   The present inventor examined the cause of the fact that the analysis result by FEM and the actual measurement value when the induction heating equipment was actually constructed and heat treatment was not sufficiently matched (disagreement between the analysis result and the actual measurement value). Was done. As a result, when calculating the temperature of each part based on the input parameters, many approximations are adopted and the calculation is performed. Among them, the approximation that the permeability is constant with respect to the magnetic field It was found that the discrepancy between the analysis result and the actual measurement value was increased due to the influence of the error caused by. More specifically, in order to calculate the temperature at each part of the member to be heated, it is necessary to calculate the magnetic flux density formed in the member to be heated by the current flowing through the coil. This magnetic flux density can be calculated from the magnetic field formed by the current flowing through the coil and the magnetic permeability. Here, since the magnetic permeability changes with respect to the magnetic field, the magnetic permeability according to the magnetic field is calculated first, and the magnetic flux density is calculated from the calculated magnetic permeability and magnetic field value, thereby obtaining a more accurate magnetic flux density. Can be calculated. However, from the viewpoint of avoiding the complexity of this calculation and reducing the analysis speed, it is generally approximated that the magnetic permeability is constant with respect to the magnetic field and the magnetic flux density continues to increase as the magnetic field increases. Adopted. As a result, the discrepancy between the analysis result and the actual measurement value increases.

これに対し、本発明の誘導加熱設備の設計方法では、物性値が入力されるステップにおいて磁場の変化に依存しない被加熱部材の透磁率と、飽和磁束密度とが入力された後、各部位における温度が出力されるステップでは、磁束密度が飽和磁束密度に達するまでは、各部位の磁場と上記透磁率とから算出された磁束密度の値、飽和磁束密度に達した後は、各部位の磁場と真空の透磁率とから算出される磁束密度に飽和磁束密度を加えた値に基づいて各部位における温度が出力される。つまり、本発明の誘導加熱設備の設計方法では、飽和磁束密度に達するまでは磁場に対して変化しない透磁率と磁場とに基づいて磁束密度を算出することで解析速度が低下することを回避しつつ、飽和磁束密度に達した後は、飽和磁束密度に、磁場と真空の透磁率とから算出される磁束密度の増加分を加えた値を磁束密度として採用することにより、上記解析結果と実測値との不一致を抑制することができる。その結果、解析速度の低下を抑制しつつ、解析精度を向上させることができる。このように、本発明の誘導加熱設備の設計方法によれば、設備設計の効率を向上させることが可能な誘導加熱設備の設計方法を提供することができる。   On the other hand, in the design method of the induction heating equipment of the present invention, after the magnetic permeability of the member to be heated and the saturation magnetic flux density that are not dependent on the change of the magnetic field are input in the step of inputting the physical property value, In the temperature output step, until the magnetic flux density reaches the saturation magnetic flux density, the value of the magnetic flux density calculated from the magnetic field of each part and the above magnetic permeability, and after reaching the saturation magnetic flux density, the magnetic field of each part. And the temperature at each part are output based on the value obtained by adding the saturation magnetic flux density to the magnetic flux density calculated from the magnetic permeability of the vacuum. That is, in the design method of the induction heating equipment of the present invention, it is avoided that the analysis speed is reduced by calculating the magnetic flux density based on the magnetic permeability and the magnetic field that do not change with respect to the magnetic field until the saturation magnetic flux density is reached. On the other hand, after reaching the saturation magnetic flux density, the value obtained by adding the increase in the magnetic flux density calculated from the magnetic field and the magnetic permeability of the vacuum to the saturation magnetic flux density is adopted as the magnetic flux density. Inconsistency with the value can be suppressed. As a result, it is possible to improve analysis accuracy while suppressing a decrease in analysis speed. Thus, according to the design method for induction heating equipment of the present invention, it is possible to provide a design method for induction heating equipment that can improve the efficiency of equipment design.

上記誘導加熱設備の設計方法においては、物性値が入力されるステップでは、温度依存性を考慮した透磁率および飽和磁束密度を含む上記物性値が解析装置に入力されてもよい。これにより、より正確なFEM解析を行なうことができる。   In the design method of the induction heating facility, in the step of inputting the physical property value, the physical property value including the magnetic permeability and the saturation magnetic flux density considering temperature dependence may be input to the analysis apparatus. Thereby, more accurate FEM analysis can be performed.

上記誘導加熱設備の設計方法においては、物性値が入力されるステップでは、被加熱部材と同種の素材からなる試験片を用いた実験により予め算出された飽和磁束密度が入力されてもよい。これにより、一層正確なFEM解析を行なうことができる。   In the design method of the induction heating facility, in the step of inputting the physical property value, a saturation magnetic flux density calculated in advance by an experiment using a test piece made of the same kind of material as the member to be heated may be input. Thereby, more accurate FEM analysis can be performed.

上記誘導加熱設備の設計方法においては、上記被加熱部材は鋼からなっていてもよい。上記誘導加熱設備の設計方法は、鋼からなる部材を加熱するための加熱設備の設計に好適である。   In the design method of the induction heating facility, the member to be heated may be made of steel. The induction heating equipment design method is suitable for designing a heating equipment for heating a member made of steel.

上記誘導加熱設備の設計方法においては、物性値が入力されるステップでは、被加熱部材を構成する鋼のキュリー点未満の温度域における複数の温度での実験結果に基づいて算出された飽和磁束密度が入力されてもよい。これにより、さらに正確なFEM解析を行なうことができる。   In the design method of the induction heating equipment, in the step of inputting the physical property value, the saturation magnetic flux density calculated based on the experimental results at a plurality of temperatures in the temperature range below the Curie point of the steel constituting the member to be heated. May be input. Thereby, a more accurate FEM analysis can be performed.

上記誘導加熱設備の設計方法においては、物性値が入力されるステップでは、鋼のキュリー点未満の温度域における5以上の温度での実験結果に基づいて算出された飽和磁束密度が入力されてもよい。これにより、さらに正確なFEM解析を行なうことができる。   In the design method of the induction heating equipment, in the step of inputting the physical property value, even if the saturation magnetic flux density calculated based on the experimental result at a temperature of 5 or higher in the temperature range below the Curie point of the steel is input. Good. Thereby, a more accurate FEM analysis can be performed.

上記誘導加熱設備の設計方法においては、物性値が入力されるステップでは、常温を含む複数の温度での実験結果に基づいて算出された飽和磁束密度が入力されてもよい。これにより、さらに正確なFEM解析を行なうことができる。   In the design method of the induction heating facility, the saturation magnetic flux density calculated based on the experimental results at a plurality of temperatures including normal temperature may be input in the step of inputting the physical property value. Thereby, a more accurate FEM analysis can be performed.

上記誘導加熱設備の設計方法においては、被加熱部材の各部位における温度が出力されるステップでは、コイル内の電流値分布が考慮されて各部位における温度が出力されてもよい。これにより、さらに正確なFEM解析を行なうことができる。   In the above induction heating equipment design method, in the step of outputting the temperature at each part of the heated member, the temperature at each part may be output in consideration of the current value distribution in the coil. Thereby, a more accurate FEM analysis can be performed.

以上の説明から明らかなように、本発明の誘導加熱設備の設計方法によれば、設備設計の効率を向上させることが可能な誘導加熱設備の設計方法を提供することができる。   As is apparent from the above description, the induction heating equipment design method of the present invention can provide an induction heating equipment design method capable of improving the efficiency of equipment design.

誘導加熱設備の設計方法の概略を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the outline of the design method of induction heating equipment. 誘導加熱設備の構造を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of induction heating equipment. FEM解析を行なう際のメッシュの状態を示す概略図である。It is the schematic which shows the state of the mesh at the time of performing FEM analysis. 温度と飽和磁束密度との関係を示す概略図である。It is the schematic which shows the relationship between temperature and a saturation magnetic flux density. 加熱時間と温度との関係を、解析結果と実験結果とにおいて比較して示す図である。It is a figure which compares and shows the relationship between heating time and temperature in an analysis result and an experimental result. 電力値と加熱に要する時間および表面温度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the electric power value, the time required for heating, and the surface temperature. 電流の周波数と加熱に要する時間および表面温度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the frequency of an electric current, the time required for a heating, and surface temperature.

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.

本発明の一実施の形態における誘導加熱設備の設計方法では、図1を参照して、まずステップ(S10)において物性値の入力が実施される。具体的には、被加熱部材およびコイルの物性値が解析装置に入力される。図2を参照して、本実施の形態では、鋼からなる軸受部品である転がり軸受の内輪2の透磁率、飽和磁束密度、電気伝導率、比熱および熱伝導率を含む物性値が解析装置に入力される。また、コイル1の電気伝導率、比熱および熱伝導率を含む物性値が解析装置に入力される。コイル1は、たとえば銅からなっている。   In the method of designing an induction heating facility according to an embodiment of the present invention, referring to FIG. 1, first, physical property values are input in step (S10). Specifically, physical properties of the member to be heated and the coil are input to the analyzer. Referring to FIG. 2, in the present embodiment, physical property values including magnetic permeability, saturation magnetic flux density, electrical conductivity, specific heat, and thermal conductivity of the inner ring 2 of a rolling bearing that is a bearing component made of steel are stored in the analysis device. Entered. In addition, physical property values including the electrical conductivity, specific heat, and thermal conductivity of the coil 1 are input to the analyzer. The coil 1 is made of copper, for example.

次に、ステップ(S20)において被加熱物の形状が解析装置に入力される。本実施の形態では、図2を参照して、内輪2の形状が解析装置に入力される。   Next, in step (S20), the shape of the object to be heated is input to the analyzer. In the present embodiment, referring to FIG. 2, the shape of inner ring 2 is input to the analysis device.

次に、ステップ(S30)においてコイルの形状が解析装置に入力される。本実施の形態では、図2を参照して、内輪2の外周面(軌道面)に面して配置され、内輪2を誘導加熱するコイル1の形状が解析装置に入力される。コイル1は、被加熱物に面して配置され、円環状の形状を有する環状部11と、環状部11に接続されたベース部12とを備えている。ベース部12は、高周波電源(図示しない)に接続される。ステップ(S30)においては、具体的には環状部11の形状が解析装置に入力される。   Next, in step (S30), the shape of the coil is input to the analyzer. In the present embodiment, referring to FIG. 2, the shape of coil 1 arranged to face the outer peripheral surface (track surface) of inner ring 2 and induction-heating inner ring 2 is input to the analyzer. The coil 1 includes an annular portion 11 that is arranged facing the object to be heated and has an annular shape, and a base portion 12 that is connected to the annular portion 11. The base unit 12 is connected to a high frequency power source (not shown). In step (S30), specifically, the shape of the annular portion 11 is input to the analyzer.

次に、ステップ(S40)においてコイルに流される電流のデータが解析装置に入力される。本実施の形態では、図2を参照して、コイル1に流される電流の電流値および周波数を含む電流データが解析装置に入力される。ここで、上記ステップ(S10)〜(S40)は、上記順序に限定されるものではなく、任意の順序にて実施される。つまり、上記ステップ(S10)〜(S40)において入力されるべきパラメータは、任意の順序で解析装置に入力することができる。   Next, the data of the current passed through the coil in step (S40) is input to the analyzer. In the present embodiment, referring to FIG. 2, current data including the current value and frequency of the current flowing through coil 1 is input to the analysis device. Here, the steps (S10) to (S40) are not limited to the above order, and are performed in an arbitrary order. That is, the parameters to be input in the above steps (S10) to (S40) can be input to the analyzer in any order.

次に、ステップ(S50)において被加熱部材としての内輪2の各部位における温度が、有限要素法により解析されて出力される。具体的には、図3を参照して、ステップ(S20)および(S30)において入力されたコイル1の環状部11および内輪2の形状に基づいて、これらの断面が仮想の微小領域に分割される。また、図3には表示されていないが、環状部11と内輪2とに挟まれた空間についても、同様に仮想の微小領域に分割される。そして、上記ステップ(S10)〜(S40)において入力されたコイル1および内輪2の物性値、内輪2の形状、コイル1の形状および上記電流データに基づいて、解析装置により、上記各部位(各微小領域)における温度が有限要素法により解析されて出力される。   Next, in step (S50), the temperature at each part of the inner ring 2 as the member to be heated is analyzed and output by the finite element method. Specifically, referring to FIG. 3, based on the shapes of annular portion 11 and inner ring 2 of coil 1 input in steps (S20) and (S30), these cross sections are divided into virtual minute regions. The Although not shown in FIG. 3, the space between the annular portion 11 and the inner ring 2 is similarly divided into virtual minute regions. Then, based on the physical property values of the coil 1 and the inner ring 2, the shape of the inner ring 2, the shape of the coil 1, and the current data input in the steps (S10) to (S40), the analysis device performs each of the above parts (each The temperature in the micro area is analyzed and output by the finite element method.

次に、ステップ(S60)では、上記ステップ(S50)において出力された各微小領域の温度に基づいて誘導加熱設備を構築する。具体的には、必要に応じて上記ステップ(S10)〜(S50)を繰り返して実施し、適切な温度分布がステップ(S50)において得られた場合、これに基づいてコイル1の形状を決定して準備するとともに、上記電流データに含まれる電流値、周波数などを達成可能な高周波電源が準備される。そして、これらが組み合わされることにより、適切な熱処理設備が構築される。その後、実際に熱処理設備を運転し、必要に応じて微調整を加えることにより、内輪2に所望の加熱処理を実施することが可能な誘導加熱設備が完成する。   Next, in step (S60), induction heating equipment is constructed based on the temperature of each minute region output in step (S50). Specifically, the steps (S10) to (S50) are repeated as necessary, and when an appropriate temperature distribution is obtained in step (S50), the shape of the coil 1 is determined based on this. And a high-frequency power source capable of achieving the current value, frequency, etc. included in the current data. And an appropriate heat treatment installation is constructed | assembled by combining these. Thereafter, the heat treatment equipment is actually operated, and fine adjustment is performed as necessary, whereby the induction heating equipment capable of performing a desired heat treatment on the inner ring 2 is completed.

そして、本実施の形態における誘導加熱設備の設計方法では、ステップ(S10)において、磁場の変化に依存しない内輪2の透磁率(飽和磁束密度に達するまでは磁場に対して一定値をとるものと仮定された透磁率)、飽和磁束密度、電気伝導率、比熱および熱伝導率を含む物性値が解析装置に入力される。さらに、ステップ(S50)では、上記各微小領域の磁束密度が飽和磁束密度に達するまでは、各微小領域の磁場と上記透磁率とから算出された各微小領域の磁束密度の値、各微小領域の磁束密度が飽和磁束密度に達した後は、各微小領域の磁場と真空の透磁率とから算出される磁束密度に飽和磁束密度を加えた値に基づいて各微小領域における温度が出力される。   And in the design method of the induction heating installation in this Embodiment, in step (S10), the magnetic permeability of the inner ring | wheel 2 which does not depend on the change of a magnetic field (it takes a constant value with respect to a magnetic field until it reaches a saturation magnetic flux density). The assumed physical permeability), saturation magnetic flux density, electrical conductivity, specific heat and thermal conductivity are input to the analyzer. Furthermore, in step (S50), until the magnetic flux density of each micro area reaches the saturation magnetic flux density, the value of the magnetic flux density of each micro area calculated from the magnetic field of each micro area and the magnetic permeability, and each micro area After reaching the saturation magnetic flux density, the temperature in each micro region is output based on the value obtained by adding the saturation magnetic flux density to the magnetic flux density calculated from the magnetic field of each micro region and the vacuum permeability. .

このように、本実施の形態における誘導加熱設備の設計方法では、飽和磁束密度に達するまでは磁場に対して変化しない透磁率と磁場とに基づいて磁束密度を算出することで解析速度が低下することを回避しつつ、飽和磁束密度に達した後は、飽和磁束密度に、磁場と真空の透磁率とから算出される磁束密度の増加分を加えた値を磁束密度として採用することにより、解析結果と実測値との不一致を抑制することができる。このように、本実施の形態における誘導加熱設備の設計方法によれば、設備設計の効率を向上させることができる。   Thus, in the design method of the induction heating equipment in the present embodiment, the analysis speed is reduced by calculating the magnetic flux density based on the magnetic permeability and the magnetic field that do not change with respect to the magnetic field until the saturation magnetic flux density is reached. After reaching the saturation magnetic flux density, the value obtained by adding the increase in the magnetic flux density calculated from the magnetic field and the magnetic permeability of the vacuum to the saturation magnetic flux density is used as the magnetic flux density. A mismatch between the result and the actual measurement value can be suppressed. Thus, according to the induction heating equipment design method in the present embodiment, the efficiency of equipment design can be improved.

また、ステップ(S10)では、温度依存性を考慮した透磁率および飽和磁束密度を含む上記物性値が解析装置に入力されることが好ましい。これにより、より正確なFEM解析を行なうことができる。   In step (S10), it is preferable that the physical property values including the magnetic permeability and the saturation magnetic flux density in consideration of temperature dependence are input to the analyzer. Thereby, more accurate FEM analysis can be performed.

さらに、ステップ(S10)では、内輪2と同種の素材からなる試験片を用いた実験により予め算出された飽和磁束密度が入力されることが好ましい。特に、温度依存性を考慮した飽和磁束密度に関するデータはほとんど公開されていないため、材料ごとに予め実験的に導出しておくことが好ましい。また、鋼の飽和磁束密度は常温からキュリー点の温度範囲で大きく変化する。そのため、被加熱部材を構成する鋼のキュリー点未満の温度域における複数の温度での実験を予め行ない、実験結果に基づいて算出された飽和磁束密度が入力されることが好ましい。より具体的には、5水準の温度、たとえば常温、300℃、500℃、700℃、キュリー点直下の温度(たとえば750℃)の少なくとも5以上の温度(5段階以上の温度)での実験結果に基づいて算出された飽和磁束密度が入力されることが好ましい。これにより、一層正確なFEM解析を行なうことができる。   Furthermore, in step (S10), it is preferable that a saturation magnetic flux density calculated in advance by an experiment using a test piece made of the same material as the inner ring 2 is input. In particular, since data on saturation magnetic flux density considering temperature dependence is hardly disclosed, it is preferable to experimentally derive for each material in advance. In addition, the saturation magnetic flux density of steel varies greatly in the temperature range from room temperature to the Curie point. For this reason, it is preferable that experiments at a plurality of temperatures in a temperature range lower than the Curie point of steel constituting the member to be heated are performed in advance, and the saturation magnetic flux density calculated based on the experimental results is input. More specifically, experimental results at five levels (temperatures of five or more levels) of five levels, for example, room temperature, 300 ° C., 500 ° C., 700 ° C., a temperature just below the Curie point (eg, 750 ° C.). It is preferable that the saturation magnetic flux density calculated based on the above is input. Thereby, more accurate FEM analysis can be performed.

また、ステップ(S50)では、コイル1の環状部11内の電流値分布(環状部11の各微小領域ごとの電流値;図3参照)が考慮されて内輪2の各微小領域における温度が出力されることが好ましい。これにより、さらに正確なFEM解析を行なうことができる。   In step (S50), the current value distribution in the annular portion 11 of the coil 1 (the current value for each minute region of the annular portion 11; see FIG. 3) is taken into consideration, and the temperature in each minute region of the inner ring 2 is output. It is preferred that Thereby, a more accurate FEM analysis can be performed.

上記本発明に従った誘導加熱設備の設計方法の解析精度を確認する実験を行なった。図2を参照して、被加熱部材としては、JIS規格S45C製の深溝玉軸受6206型番の内輪2を採用した。一方、コイル1としては、環状部11の内径φ46mm、外径φ95mm、幅17mmの銅製ワンターンコイルを採用した。そして、電流の周波数を80kHz、有効電力を15kWとし、5秒間加熱した。このとき、試験片の外形面および軌道面に熱電対を溶接し、高周波誘導加熱時の試験片の表面温度を実測した。   An experiment was conducted to confirm the analysis accuracy of the design method for induction heating equipment according to the present invention. Referring to FIG. 2, an inner ring 2 of a deep groove ball bearing 6206 model number manufactured by JIS standard S45C was adopted as a member to be heated. On the other hand, as the coil 1, a copper one-turn coil having an inner diameter φ46 mm, an outer diameter φ95 mm, and a width 17 mm of the annular portion 11 was adopted. The current frequency was 80 kHz, the active power was 15 kW, and heating was performed for 5 seconds. At this time, a thermocouple was welded to the outer surface and the raceway surface of the test piece, and the surface temperature of the test piece during high frequency induction heating was measured.

一方、コイル1および内輪2に関するパラメータを上記実施の形態の場合と同様に解析装置に入力した。FEM解析における節点数は17046、要素数は12662とした。   On the other hand, parameters related to the coil 1 and the inner ring 2 were input to the analysis device in the same manner as in the above embodiment. The number of nodes in the FEM analysis was 17046, and the number of elements was 12661.

また、解析に先立って、S45Cの飽和磁束密度を、キュリー点未満の複数の温度において実施した実験により導出した。導出された温度と飽和磁束密度との関係を図4に示す。また、同様の実験により、飽和磁束密度に達するまでは磁場に対して変化しないものと仮定した透磁率についても、温度との関係を算出した。   Prior to the analysis, the saturation magnetic flux density of S45C was derived from experiments conducted at a plurality of temperatures below the Curie point. FIG. 4 shows the relationship between the derived temperature and the saturation magnetic flux density. Moreover, the relationship with temperature was also calculated about the magnetic permeability assumed that it did not change with respect to a magnetic field until it reached saturation magnetic flux density by the same experiment.

さらに、その他の物性値であるS45Cの熱伝導率、比熱、電気伝導率については、上記非特許文献1に記載された値を、温度依存性を考慮した形で用いた。   Furthermore, as the other physical property values of S45C, the thermal conductivity, specific heat, and electrical conductivity, the values described in Non-Patent Document 1 were used in consideration of temperature dependence.

そして、上述のように、電流の周波数は80kHz、有効電力は15kWになるようにコイル1に電流を流した状態を想定し、電磁場解析を上記実施の形態の場合と同様に行なって、内輪2内におけるジュール損失、つまり発熱密度分布を計算した。さらに、発熱密度分布を熱伝導解析の境界条件として与え、一定時間後の内輪2内の温度分布を計算した。さらに、内輪2内の温度分布に従って、計算に用いる物性値を変更しつつ電磁場解析を進めた。この計算手順を、上記実際の加熱時間に到達するまで繰り返し、各微小領域における温度を算出した。また、本解析ではこの繰り返し計算を時間刻み幅0.05sで実施した。なお、電磁場解析は計算コストが高いため、物性値が大きく変化する温度を検知した時にのみ、電磁場解析を行なうことで、計算コストを削減することが可能である。   As described above, assuming that the current is passed through the coil 1 so that the frequency of the current is 80 kHz and the active power is 15 kW, the electromagnetic field analysis is performed in the same manner as in the above embodiment, and the inner ring 2 The joule loss, that is, the heat generation density distribution was calculated. Further, the heat generation density distribution was given as a boundary condition for heat conduction analysis, and the temperature distribution in the inner ring 2 after a certain time was calculated. Further, the electromagnetic field analysis was advanced while changing the physical property values used in the calculation according to the temperature distribution in the inner ring 2. This calculation procedure was repeated until the actual heating time was reached, and the temperature in each minute region was calculated. In this analysis, this repetitive calculation was performed with a time interval of 0.05 s. Since the electromagnetic field analysis has a high calculation cost, the calculation cost can be reduced by performing the electromagnetic field analysis only when the temperature at which the physical property value greatly changes is detected.

次に、上記実験および解析のそれぞれによって得られた昇温カーブ(加熱時間と温度との関係)を図5に示して比較する。図5を参照して、検討を行なったあらゆる時刻において、両者の温度は非常に良く合致している。このことから、本発明の誘導加熱設備の設計方法によれば、誘導加熱設備による被加熱部材の加熱状態を精度よく模擬できるため、誘導加熱設備の設計の効率を向上させることが可能であることが確認された。   Next, the temperature rise curves (relationship between heating time and temperature) obtained by each of the above experiments and analyzes are shown in FIG. 5 and compared. With reference to FIG. 5, the temperatures of the two are in good agreement at all times studied. From this, according to the design method of the induction heating equipment of the present invention, it is possible to accurately simulate the heating state of the member to be heated by the induction heating equipment, so that the efficiency of the design of the induction heating equipment can be improved. Was confirmed.

次に、本発明の誘導加熱設備の設計方法による具体的な加熱設備の設計方法の一例について、高周波焼入されて作製される製品の焼入加熱設備を例として説明する。   Next, an example of a specific heating equipment design method according to the induction heating equipment design method of the present invention will be described by taking, as an example, a quenching and heating equipment for products manufactured by induction hardening.

(1) 製品に必要な温度分布の想定
ここでは仮にφ45mm、幅40mmのJIS規格S45C製の円柱状製品において、外径側を高周波誘導加熱後に水冷して焼入硬化する場合を想定する。そして、この製品には外径から1.5mm深さ位置までの硬化層が必要で、かつ外径側表面の結晶粒が粗大化していないこと、および可能な限り加熱時間を短くすることを求められたと仮定する。
(1) Assumption of temperature distribution required for product Here, it is assumed that in a cylindrical product made of JIS standard S45C having a diameter of 45 mm and a width of 40 mm, the outer diameter side is cooled with water after high-frequency induction heating and quenched and hardened. This product requires a hardened layer from the outer diameter to a depth of 1.5 mm, and the outer diameter side surface crystal grains are not coarsened, and the heating time should be as short as possible. Assume that

高周波誘導加熱を利用した焼入硬化では、結晶粒が粗大化する温度と焼入硬化に必要な加熱温度とは鋼種によって異なる。ここでは、S45Cの結晶粒粗大化温度は900℃、焼入硬化に必要な加熱温度は800℃であると仮定する。この場合、上記の要求を満足するためには、可能な限り短い加熱時間で外径表面の到達温度が900℃未満、1.5mm深さ位置の到達温度を800℃以上とすることが可能な加熱装置を設計すればよいことになる。なお、コイル形状についても設計することが可能であるが、ここでは簡略化のため上記実施例1の場合と同形状のコイルを採用する場合を想定する。   In quench hardening using high frequency induction heating, the temperature at which crystal grains coarsen and the heating temperature necessary for quench hardening differ depending on the steel type. Here, it is assumed that the crystal grain coarsening temperature of S45C is 900 ° C. and the heating temperature necessary for quench hardening is 800 ° C. In this case, in order to satisfy the above-described requirements, it is possible to make the ultimate temperature of the outer diameter surface less than 900 ° C. and the ultimate temperature of the 1.5 mm depth position to 800 ° C. or more in the shortest possible heating time What is necessary is just to design a heating apparatus. Although it is possible to design the coil shape, it is assumed here that a coil having the same shape as in the first embodiment is employed for the sake of simplicity.

(2) 必要な有効電力および電源容量の見積もり
必要な電力を見積もるため,上記要求を満足するための有効電力を算出する。具体的には、有効電力が10、20および50kWとなるようにコイル1への投入電流を変更して解析を実施し、それぞれの条件について製品外径、および外径から1.5mm深さ位置における温度を求めた。電流の周波数は100kHzの一定とした。図6において、四角印は1.5mm深さ位置が800℃に到達するために要する時間、三角印は1.5mm深さ位置が800℃に到達した時点での外径表面の温度を示している。
(2) Estimating required active power and power supply capacity In order to estimate the required power, the effective power required to satisfy the above requirements is calculated. Specifically, the analysis was performed by changing the input current to the coil 1 so that the active power would be 10, 20 and 50 kW, and the product outer diameter and the 1.5 mm depth position from the outer diameter for each condition. The temperature at was determined. The frequency of the current was constant at 100 kHz. In FIG. 6, the square marks indicate the time required for the 1.5 mm depth position to reach 800 ° C., and the triangle marks indicate the temperature of the outer diameter surface when the 1.5 mm depth position reaches 800 ° C. Yes.

図6を参照して、電流の周波数を100kHzとした場合には、有効電力を10、20および50kWのいずれにしても、外径表面の到達温度が900℃未満、かつ1.5mm深さ位置の到達温度が800℃以上という要求を満足できることが分かった。そして、可能な限り加熱時間を短くするという要求に従って、有効電力は50kWとすることが望ましく、これを可能とする電源容量が必要であるといえる。なお、図6に示すように、有効電力が50kWの場合、1.5mm深さ位置における温度が800℃に到達した時点で、外径表面の温度は900℃直下にまで上昇している。このことから、有効電力を、50kWを超える状態にすると上記要求を満足できなくなるものと考えられる。   Referring to FIG. 6, when the frequency of the current is 100 kHz, the reached temperature of the outer diameter surface is less than 900 ° C. and the depth position is 1.5 mm regardless of the active power of 10, 20 and 50 kW. It was found that the required temperature of 800 ° C. or higher can be satisfied. And according to the request | requirement of shortening heating time as much as possible, it is desirable for active power to be 50 kW, and it can be said that the power supply capacity which enables this is required. As shown in FIG. 6, when the active power is 50 kW, the temperature of the outer diameter surface rises to just below 900 ° C. when the temperature at the 1.5 mm depth position reaches 800 ° C. From this, it is considered that the above requirement cannot be satisfied if the active power exceeds 50 kW.

(3) 電流の周波数の算出
適切な電流の周波数を算出するため、周波数が50、70、100および220kHzの場合について解析を実施し、それぞれの条件について製品外径、および外径から1.5mm深さ位置における温度を求めた。有効電力は、上記(2)で決定したとおり50kWとした。図7において、四角印は1.5mm深さ位置が800℃に到達するために要する時間、三角印は1.5mm深さ位置が800℃に到達した時点での外径表面の温度を示している。
(3) Calculation of current frequency In order to calculate an appropriate current frequency, analysis was performed for frequencies of 50, 70, 100, and 220 kHz, and the product outer diameter and 1.5 mm from the outer diameter for each condition. The temperature at the depth position was determined. The effective power was 50 kW as determined in (2) above. In FIG. 7, the square mark indicates the time required for the 1.5 mm depth position to reach 800 ° C., and the triangle mark indicates the temperature of the outer diameter surface when the 1.5 mm depth position reaches 800 ° C. Yes.

図7を参照して、50、70および100kHzの条件の下では、1.5mm深さ位置が800℃に到達するのに要する時間、およびその時の外径表面の温度について、大きな差異は認められなかった。これに対し、周波数220kHzの条件の場合、1.5mm深さ位置における温度が800℃以上となった時点で外径表面の温度を900℃未満にするという条件は満たされるものの、加熱に要する時間は1.5倍程度となった。以上の結果から、適切な周波数は50〜100kHz程度であるといえる。   Referring to FIG. 7, under the conditions of 50, 70 and 100 kHz, there is a large difference in the time required for the 1.5 mm depth position to reach 800 ° C. and the temperature of the outer diameter surface at that time. There wasn't. On the other hand, in the case of the condition of frequency 220 kHz, the time required for heating is satisfied although the condition that the temperature of the outer diameter surface is less than 900 ° C. is satisfied when the temperature at the 1.5 mm depth position is 800 ° C. or higher. Became about 1.5 times. From the above results, it can be said that the appropriate frequency is about 50 to 100 kHz.

なお、上記実施例においては、コイルの形状が確定した状態での設備の設計について説明したが、コイルの形状が異なる場合について上記FEM解析を含む本発明の誘導加熱設備の設計方法を実施することにより、コイル形状の設計を行なうことができる。   In addition, in the said Example, although the design of the equipment in the state where the shape of the coil was decided was demonstrated, the design method of the induction heating equipment of this invention including the said FEM analysis is implemented about the case where the shape of a coil differs. Thus, the coil shape can be designed.

また、上記実施の形態および実施例においては、機械部品の一例として転がり軸受の軌道輪である内輪を被加熱部材とする場合について説明したが、本発明はこれに限られず、他の機械部品など、種々の部材を加熱するための誘導加熱設備の設計に適用することができる。   Moreover, in the said embodiment and Example, although the case where the inner ring | wheel which is a bearing ring of a rolling bearing was made into a to-be-heated member was demonstrated as an example of a machine part, this invention is not limited to this, Other machine parts etc. It can be applied to the design of induction heating equipment for heating various members.

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiments and examples disclosed herein are illustrative in all respects and should not be construed as being restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明の誘導加熱設備の設計方法は、設備設計の効率向上が求められる誘導加熱設備の設計方法に、特に有利に適用され得る。   The induction heating equipment design method of the present invention can be particularly advantageously applied to an induction heating equipment design method that requires improvement in efficiency of equipment design.

1 コイル、2 内輪、11 環状部、12 ベース部。   1 coil, 2 inner ring, 11 annular part, 12 base part.

Claims (8)

有限要素法を用いた誘導加熱設備の設計方法であって、
被加熱部材の物性値が解析装置に入力されるステップと、
前記被加熱部材の形状が前記解析装置に入力されるステップと、
前記被加熱部材に面して配置され、前記被加熱部材を誘導加熱するコイルの形状が前記解析装置に入力されるステップと、
前記コイルに流される電流の電流値および周波数を含む電流データが前記解析装置に入力されるステップと、
入力された前記物性値、前記被加熱部材の形状、前記コイルの形状および前記電流データに基づいて、前記解析装置により、前記被加熱部材の各部位における温度が有限要素法により解析されて出力されるステップと、
前記各部位の温度に基づいて前記誘導加熱設備を構築するステップとを備え、
前記物性値が入力されるステップでは、前記被加熱部材の飽和磁束密度、電気伝導率、比熱、熱伝導率、および磁場の変化に依存しない透磁率を含む前記物性値が前記解析装置に入力され、
前記被加熱部材の各部位における温度が出力されるステップでは、前記各部位の磁束密度が前記飽和磁束密度に達するまでは、前記各部位の磁場と前記透磁率とから算出された前記各部位の磁束密度の値、前記各部位の磁束密度が前記飽和磁束密度に達した後は、前記各部位の磁場と真空の透磁率とから算出される磁束密度に前記飽和磁束密度を加えた値に基づいて前記各部位における温度が出力される、誘導加熱設備の設計方法。
A method for designing an induction heating facility using a finite element method,
The step of inputting the physical property value of the member to be heated to the analyzer;
A step of inputting the shape of the heated member into the analysis device;
A step of inputting the shape of a coil that faces the member to be heated and induction-heats the member to be heated to the analysis device;
A step of inputting current data including a current value and a frequency of a current flowing through the coil to the analysis device;
Based on the input physical property value, the shape of the heated member, the shape of the coil, and the current data, the temperature at each part of the heated member is analyzed by the finite element method and output by the analysis device. And steps
Building the induction heating equipment based on the temperature of each part,
In the step of inputting the physical property value, the physical property value including a saturation magnetic flux density, an electric conductivity, a specific heat, a thermal conductivity, and a magnetic permeability that does not depend on a change in the magnetic field of the heated member is input to the analysis device. ,
In the step of outputting the temperature at each part of the heated member, until the magnetic flux density of each part reaches the saturation magnetic flux density, the temperature of each part calculated from the magnetic field and the magnetic permeability of each part is reached. After the magnetic flux density value reaches the saturation magnetic flux density, the magnetic flux density calculated based on the magnetic field density of each part and the vacuum permeability is added to the saturation magnetic flux density. A method for designing induction heating equipment, in which the temperature at each part is output.
前記物性値が入力されるステップでは、温度依存性を考慮した前記透磁率および前記飽和磁束密度を含む前記物性値が前記解析装置に入力される、請求項1に記載の誘導加熱設備の設計方法。   The design method of the induction heating equipment according to claim 1, wherein in the step of inputting the physical property value, the physical property value including the magnetic permeability and the saturation magnetic flux density considering temperature dependency is input to the analysis device. . 前記物性値が入力されるステップでは、前記被加熱部材と同種の素材からなる試験片を用いた実験により予め算出された前記飽和磁束密度が入力される、請求項2に記載の誘導加熱設備の設計方法。   The induction heating equipment according to claim 2, wherein in the step of inputting the physical property value, the saturation magnetic flux density calculated in advance by an experiment using a test piece made of the same kind of material as the member to be heated is input. Design method. 前記被加熱部材は鋼からなっている、請求項3に記載の誘導加熱設備の設計方法。   The induction heating equipment design method according to claim 3, wherein the member to be heated is made of steel. 前記物性値が入力されるステップでは、前記鋼のキュリー点未満の温度域における複数の温度での実験結果に基づいて算出された前記飽和磁束密度が入力される、請求項4に記載の誘導加熱設備の設計方法。   5. The induction heating according to claim 4, wherein in the step of inputting the physical property value, the saturation magnetic flux density calculated based on experimental results at a plurality of temperatures in a temperature range below the Curie point of the steel is input. How to design the equipment. 前記物性値が入力されるステップでは、前記鋼のキュリー点未満の温度域における5以上の温度での実験結果に基づいて算出された前記飽和磁束密度が入力される、請求項5に記載の誘導加熱設備の設計方法。   6. The induction according to claim 5, wherein in the step of inputting the physical property value, the saturation magnetic flux density calculated based on an experimental result at a temperature of 5 or more in a temperature range below the Curie point of the steel is input. Heating equipment design method. 前記物性値が入力されるステップでは、常温を含む複数の温度での実験結果に基づいて算出された前記飽和磁束密度が入力される、請求項5または6に記載の誘導加熱設備の設計方法。   The induction heating equipment design method according to claim 5 or 6, wherein in the step of inputting the physical property value, the saturation magnetic flux density calculated based on experimental results at a plurality of temperatures including normal temperature is input. 前記被加熱部材の各部位における温度が出力されるステップでは、前記コイル内の電流値分布が考慮されて前記各部位における温度が出力される、請求項1〜7のいずれか1項に記載の誘導加熱設備の設計方法。   8. The temperature output at each part according to claim 1, wherein the temperature at each part of the heated member is output in consideration of the current value distribution in the coil. Induction heating equipment design method.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109211438A (en) * 2018-08-27 2019-01-15 中南大学 A kind of device and method of home position observation continuous casting covering slag phase transition process heat flow density

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