Czasopismo | PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY | Rocznik 2020 - zeszyt 10

Symulacje MES procesu nagrzewania koła zębatego dla jednoczesnego, dwuczęstotliwościowego falownika rezonansowego

10.15199/48.2020.10.01

Piotr LEGUTKO

nr katalogowy: 128239
10.15199/48.2020.10.01

Streszczenie

W artykule przedstawiono dwuczęstotliwościowy falownik o strukturze półmostka wykorzystywany powszechnie do wstępnego wygrzewania kół zębatych odbywającego się przed procesem hartowania. Na wstępie artykułu pokrótce omówiono problematykę związaną z odpowiednim doborem częstotliwości pracy układu w procesie nagrzewania kół zębatych. Następnie zaprezentowano laboratoryjny układ rezonansowego, jednoczesnego falownika dwuczęstotliwościowego (2F) oraz omówiono jego najistotniejsze elementy składowe. W dalszej części artykułu przedstawiono przebiegi czasowe prądu odbiornika i napięcia jednego z tranzystorów półmostka oraz zaprezentowano wyznaczoną analitycznie charakterystykę modułu impedancji |Z| i fazy ? szeregowo-równoległego obwodu rezonansowego. W końcowej części artykułu przedstawiono model komputerowy MES układu wzbudnik-wsad wykonany w oprogramowaniu ANSYS Maxwell 3D oraz sprzęgnięty z nim model obwodowy przekształtnika. Opracowane modele komputerowe posłużyły do weryfikacji otrzymanych wyników badań oraz do zilustrowania rozkładu pola magnetycznego i prądów wirowych w układzie wzbudnik-wsad w zależności od częstotliwości pracy układu, natężenia prądu wzbudnika oraz parametrów materiałowych wsadu. Dodatkowo, dla trzech typowych stopów stali C45, 41Cr4 i 42CrMo4 wykreślono charakterystyki zmian temperatury i gęstości energii na pojedynczym zębie w zależności od natężenia prądu wzbudnika i odległości od czoła zęba.

Abstract

This paper presents a FEM simulation of induction heating of gears. The induction heating of gears was made in used a simultaneous dual-frequency inverter with MOSET SiC transistors. A prototype inverter was built in a half-bridge structure with a series-parallel resonant circuit. The operating frequencies were 8 kHz and 267 kHz, output power of inverter were 3kW and the drain efficiency was equal to 96%. Additionally, this paper presents the analysis of series-parallel resonant circuit. In this chapter the characteristics of impedance module and phase of resonant circuit are posted. Also this article include two co-simulation models made in ANSYS software: a circuit model of the inverter made in Simplorer and a FEM model of coil and gear made in Maxwell 3D. The co-simulation of models was made for three alloy steel: C45, 41Cr4 and 42CrMo4. Simulated distributions of eddy currents and magnetic induction in the gear, as well as energy density and temperature profile in a single tooth are presented. (FEM simulation of induction heating of gears for a simultaneous, dual-frequency inverter)

Słowa kluczowe

Keywords

Bibliografia

[1] Barglik J., Induction hardening of steel elements with complex shapes, Przegląd Elektrotechniczny nr 4/2018, ISSN: 0033- 2097, str.51-54
[2] Barglik J., Smagór A., Smalcerz A., Induction hardening of gear wheels of steel 41Cr4, International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, 2018 vol. 57 suppl.1, str.3- 12
[3] Barglik, J., Smalcerz, A.: Influence of the magnetic permeability on modeling of induction surface hardening, COMPEL, 2017, 36, (2), pp. 555–564
[4] Bokota A., Parkitny R., Modelowanie zjawisk cieplnych, strukturalnych i mechanicznych procesów hartowania elementów stalowych. Informatyka w technologii metali. Monografia, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2003
[5] Candeo A., Ducassy C., Bocher P., Dughiero F., Multiphysics Modeling of Induction Hardening of Ring Gears for the Aerospace Industry, IEEE Transactions on Magnetics 47 (5), 2011, p.918-921
[6] Davies E.J., Induction Heating handbook, Mc-Graw-Hill, New York 1979
[7] Dobrzański L. A., Podstawy nauki o materiałach i materiałoznawstwo, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2002 r.
[8] Esteve V., Jordan J., Dede E.J., Sanchis-Kilders E., Maset E., Induction Heating Inverter with Simultaneous Dual-Frequency Output, IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition 2006. APEC ‘06
[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] Kasprzak M., Legutko P., Kierepka K., Przybyła K., Zimoch P., Falowniki dwuczęstotliwościowe do nagrzewania indukcyjnego, Śląskie Wiadomości Elektryczne nr 5/2019, ISSN: 1506-5758, str. 22-26
[12] Kierepka K., Jednoczesny, dwuczęstotliwościowy falownik do nagrzewania indukcyjnego o strukturze półmostka SiC MOSFET, Przegląd Elektrotechniczny nr 9/2018, ISSN: 0033- 2097, str.95-98
[13] Kierepka K., Legutko P., Szeregowy, dwuczęstotliwościowy falownik do nagrzewania indukcyjnego z pojedynczym mostkiem tranzystorowym typu H - problemy komutacji nieoptymalnych, rzegląd Elektrotechniczny nr 5/2018, ISSN: 0033-2097, str.169-172
[14] Skoć A., Świtoński E., Przekładnie zębate. Zasada działania. Obliczenia geometryczne i wytrzymałościowe., Wydawnictwo Naukowe PWN 2016r., ISBN: 9788301189006
[15] Smalcerz A., Modelowanie zjawisk zachodzących podczas procesu hartowania indukcyjnego kół zębatych, Monografia Habilitacyjna, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, ISBN 978-83- 7880-341-6, Gliwice 2015
[16] Dokumentacja techniczna tranzystora SCH2080KE dostępna pod adresem: www.rohm.com
[17] Dokumentacja techniczna analizatora mocy Yokogawa WT- 5000-6 dostępna pod adresem: tmi.yokogawa.com

Jeśli masz wykupiony/przyznany dostęp - zaloguj się. Skorzystaj z naszych propozycji zakupu!

Publikacja


PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY- e-publikacja (pdf) z zeszytu 2020-10 , nr katalogowy 128239 licencja: Osobista Produkt cyfrowy Nowość	10.00 zł

Zeszyt


PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY- e-zeszyt (pdf) 2020-10 licencja: Osobista Produkt cyfrowy Nowość	55.00 zł

Prenumerata

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - prenumerata cyfrowa
licencja: Osobista

Produkt cyfrowy
Nowość

762.00 zł

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - PAKIET prenumerata PLUS
licencja: Osobista

Szczegóły pakietu

Nazwa
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - PAKIET prenumerata PLUS (Prenumerata papierowa + dostęp do portalu sigma-not.pl + e-prenumerata)	1002.00 zł brutto 927.78 zł netto 74.22 zł VAT (stawka VAT 8%)

1002.00 zł

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - papierowa prenumerata roczna + wysyłka
licencja: Osobista

Szczegóły pakietu

Nazwa
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - papierowa prenumerata roczna	960.00 zł brutto 888.89 zł netto 71.11 zł VAT (stawka VAT 8%)
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - pakowanie i wysyłka	42.00 zł brutto 34.15 zł netto 7.85 zł VAT (stawka VAT 23%)

1002.00 zł

Zeszyt

2020-10

Twój Koszyk

Publikacja

Zeszyt

Prenumerata

Zeszyt

Czasopisma