基于横向磁通的包装机横封感应加热建模及仿真_精品文档资料下载.pdf
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richardlee.王石刚（联系人）,男,教授,博士生导师,电话（Tel.）:
021234204496;
E2mail:
wangshigang.文章编号:
100622467（2011）0620831206+0841基于横向磁通的包装机横封感应加热建模及仿真李雷,王石刚,莫锦秋,韦晓晖（上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240）摘要:
针对包装机横封时的温度分布问题,对横封感应加热的温度场进行了数值建模和计算.在横向磁通原理的基础上,结合横封过程和所用铝塑复合包材的特点,研究了横封感应加热的电磁场和温度场描述方程和边界条件,建立了适用于包装机横封感应加热的电磁场和温度场的数学模型.利用大型通用有限元分析软件ANSYS对感应加热的涡流场和温度场进行了仿真.通过分析包材封合截面的各向温度分布情况,证明模拟实际工况下的温度分布满足封合要求.仿真结果为工程应用提供了参考.关键词:
包装机;
横封;
横向磁通感应加热;
涡流场;
温度场中图分类号:
TM924.5文献标志码:
AModelingandSimulationofTransverseFlux2BasedInductionHeatinginTransverseSealofPackagingMachineLILei,WANGShi2gang,MOJin2qiu,WEIXiao2hui（SchoolofMechanicalEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China）Abstract:
Duetotheissueoftemperaturedistributionoftransversesealinginpackagingmachine,thetem2peraturefieldofinductionheatingwasanalyzedthroughnumericalmodelingandcalculation.Basedontheprincipleoftransversefluxinduction,theequationsandboundaryconditionsoftheelectromagneticfieldandthetemperaturefieldwerededuced.Theprocessoftransversesealandthestructureofaluminum2po2lyethylenecompositepackagematerialswereconsidered.Furthermore,themathematicandthefiniteele2mentmodelsofelectromagneticfieldandtemperaturefieldthatapplytothetransversesealingofpackagingmachinewereestablished.UsingthefiniteelementsoftwareANSYS,theeddycurrentfieldandthetem2peraturefieldwereanimated.Byanalyzingthetemperaturedistributionofdifferentdirectionsintheseal2sectionofthepackagematerial,thesimulationresultsshowthatthetemperaturedistributionintheactualconditionsmeetsthequalificationoftransversesealandprovidepracticalreferencesforengineeringapplica2tion.Keywords:
packagingmachine;
transverseseal;
transversefluxinductionheating;
eddycurrentfield;
temperaturefield横封是包装机工艺的重要环节.横封的质量和效率对包装机的产能具有重要影响.在纸基铝塑复合包材的无菌包装中,由于非接触式的工艺要求和平面加热的特点,常采用基于横向磁通感应加热原理1的横封加热装置.横向磁通感应加热不存在涡流冲销效应,且线圈不需围绕工件,具有很好的适应性.对包装机横封而言,其感应加热的温度分布应与工艺要求的封合区域相适应,以达到良好的加热效果.而在横向磁通感应加热方式中,工件加热区域的温度分布受线圈尺寸等因素的影响较大2,故需确定特定的参数并设计专用的加热装置.因此,研究包装机横封感应加热中工件的温度分布对于横封装置的设计和优化具有重要意义.当前对于横向磁通感应加热的研究主要集中在金属薄板工件热处理等方面,如:
Dughiero等3从数值计算和实验两方面研究了薄板横向磁通感应加热的磁热耦合场.Andree等4的研究则侧重于平面薄板工件中三维涡流场的计算.杨晓光等526则在金属薄板的横向磁通感应加热线圈优化设计中引入了神经网络预测涡流分布和温度分布.而对于纸基铝塑复合包材的横封高频感应加热问题,尚缺乏针对性的研究.本文在电磁场理论和热传导理论的基础上,对纸基铝塑复合包材的横封高频感应加热进行了建模,并采用ANSYS有限元分析软件对涡流场和焦耳热分布进行了计算,最终得到了包材的温度分布.1问题的描述在横封感应加热装置中,感应器是实施横封高频感应加热的关键装置,其内含由2根平行铜管组成的感应线圈,线圈外部是具有高磁导率的铁磁材料组成的磁通集中器,以形成封闭的磁通.纸基铝塑复合包材具有以纸层为主的多层结构,其中,铝箔（AL）层和聚乙烯（PE）层与感应加热封合相关.横封过程如图1所示.当包材运动到特定位置时,切刀爪和压力爪从两侧将两层包材紧压贴合.此时,感应线圈中加载高频电流产生交变电磁场,包材铝箔中随即产生感应涡流.包材铝箔层由于涡流损耗而升温,并通过热传导使临近的封合PE层融化,完成横封的封合,如图2所示.需要注意的是,由于采用横向磁通感应加热方式,其磁通方向与包材平面垂直,故感应涡流的分布与铝箔平面平行.由于横封感应加热是瞬间加热,包材封合区不会持续保持高温,因而无法采用金属热处理感应加热中用红外相机对加热区拍摄的方法进行温度分布验证324.因此,对包装机横封感应加热建模并进行图1包装机的横封过程Fig.1Theprocessoftransversesealinginpackagingmachine图2包材封合示意图Fig.2Thesealingofpackagematerial有限元仿真得到温度分布是横封设计和相关问题研究的主要参考.2横封感应加热问题的建模在横封感应加热时,包材温度因涡流损耗产生焦耳热而逐渐升高,导致铝的电阻率和磁导率等电磁参数值发生变化.这些参数的变化又将影响铝箔的焦耳热分布.由于加热过程中电磁参数和热参数始终相互影响,故包装机的横封感应加热是一个电磁场和温度场相互耦合的过程.对磁热耦合问题进行数值仿真计算有顺序耦合3和直接耦合72种方法.在包装机的横封感应加热中,温度场与电磁场之间的相互作用主要是指温度对磁导率和电导率等材料参数的影响.由于不存在高度非线性的情况,故可选择顺序耦合的方法进行分析.由于包材的铝箔层产生感应涡流,故将铝箔作为耦合电磁场和温度场的交界面.在仿真中,以25C作为初始温度对材料参数进行设定.进入计算循环,首先对电磁场进行计算,求解得到铝箔中的涡流分布继而得到涡流损耗所产生的焦耳热分布.其次,将计算所得的焦耳热作为温度场计算的热源,进行热分析得到包材温度分布,完成一次求解.然后,根据温度计算结果修正电磁参数,再求解下一时刻的电磁场,如此循环直至横封感应加热完成.在仿真计算238上海交通大学学报第45卷中,电磁分析的步长为6ms,而热分析的步长为1.5ms.在每个步长的计算时间内,认为磁导率和热导率等参数为常量.磁热耦合计算的流程如图3所示.图中:
tM为电磁场计算步长;
tT为温度场计算步长.图3磁热耦合计算流程图Fig.3Themagnetic2thermocouplingcomputationflow图4包装机横封的1/4物理模型Fig.4The1/4physicalmodeloftransversesealinginpackagingmachine由于平面上涡流和温度分布的对称性,以包材贴合面Oxy为平面建立可反映整个装置特征的1/4物理模型,如图4所示.其中,包材的尺寸为:
8mm50mm0.6mm.线圈截面的尺寸为:
2mm6mm.铁磁材料的尺寸为:
8mm65mm70mm.2.1电磁场方程电磁分析的范围包括磁通集中范围内的线圈、包材和铁磁材料等.线圈中通过角频率为的高频电流,铝箔中由于电磁感应而产生感应涡流.由涡流损耗所产生的焦耳热是封合包材的热源,故进行电磁分析以得到涡流分布.根据横封感应加热过程的特点,做如下假设:
（1）铝箔的电导率满足,为介电常数.故在电磁场控制方程的推导过程中,忽略安培定律中的位移电流密度项8.
（2）感应加热封合的时间为102ms级,而高频感应封合电流的周期为s级.温度时间常数远大于电磁时间常数,可认为横封过程中电磁场为稳态9.引入磁矢势A和电势,由Maxwell方程组7导出电磁场的控制方程为1（A）-1（A）+5A5t+=Js
（1）-5A5t+=0
（2）式中:
-5A5t+为铝箔中的感应涡流表达式;
Js为源电流密度.磁通密度B=A,磁场强度H=1A,而总电流密度J的表达式为J=-5A5t+Js（3）在模型的不同区域,式
（1）（3）由于参数不同而有相应的具体表达式.在铝箔中,总电流密度即为涡流密度,故表达式为:
1（A）-1（A）+5A5t+=0（4）-5A5t+=0（5）J=-5A5t+（6）在线圈中,总电流密度即为源电流密度,故表达式为:
1（A）-1（A）=Js（7）J=Js（8）在铁磁材料、空气及包材PE层和纸层中无电流,故表达式为:
1（A）-1（A）=0（9）338第6期李雷,等:
基于横向磁通的包装机横封感应加热建模及仿真J=0（10）2.2电磁场边界条件对于磁矢势A,在模型Oxz平面,由于电流密度J仅有Jy分量且不随y变化,故有边界条件:
Ax=Az=0（11）5Ay5y=0（12）式中,Ax,Ay,Az分别为磁矢势A在x、y、z方向的分量.在模型Oyz平面,电流密度J仅有Jx分量且不随x变化,故有边界条件:
Ay=Az=0（13）5Ax5x=0（14）在模型的其余边界面上,有边界条件Ax=Ay=Az=0（15）对于电势,以模型中铝箔的对称平面为零电位参考点.由于铝箔中的涡流不流入PE层,故涡流的z向分量为零,即满足边界条件-5A5t+nAl=0（16）式中:
nAl为铝箔表面的法向方向.在模型内部不同材料的交界面上,磁矢势A和磁场强度H的法向分量是连续的,则有交界面条件:
H+nint=H-nint（17）A+=A-（18）式中:
nint表示交界面的法向方向;
上标+、-分别表示交界面两侧.2.3温度场方程热分析在模型的
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