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关键词线圈；电磁感应；磁-热耦合；数值模拟全文共1561字11图阅读约需5分钟1.线圈加热线圈又名电热圈、发热圈，是用电热合金丝作发热材料，用云母软板（有时用陶瓷芯）作绝缘材料，主要应用于电热水壶等加热电器。‌1.1电阻加热线圈利用电流的焦耳效应将电能转变成热能以加热物体。通常分为直接电阻加热和间接电阻加热。前者的电源电压直接加到被加热物体上，当有电流流过时，被加热物体本身便发热。可直接电阻加热的物体必须是导体，但要有较高的电阻率。由于热量产生于被加热物体本身，属于内部加热，热效率很高。间接电阻加热需由专门的合金材料或非金属材料制成发热元件，由发热元件产生热能，通过辐射、对流和传导等方式传到被加热物体上。由于被加热物体和发热元件分成两部分，因此被加热物体的种类一般不受限制，操作简便。1.2感应加热线圈利用导体处于交变电磁场中产生感应电流（涡流）所形成的热效应使导体本身发热。根据不同的加热工艺要求，感应加热采用的交流电源的频率有工频(50～60赫)、中频(60～10000赫)和高频（高于10000赫）。工频电源就是通常工业上用的交流电源，世界上绝大多数国家的工频为50赫。感应加热用的工频电源加到感应装置上的电压必须是可调的。感应加热可对金属物体进行整体均匀加热和表层加热；可熔炼金属，可用于金属钎焊，可对金属进行（淬火，回火，正火）等各种热处理，以及锻造用透热；在高频段，改变加热线圈(又称感应器)的形状，还可进行任意局部加热。1.3电子束加热线圈利用在电场作用下高速运动的电子轰击物体表面，使之被加热。进行电子束加热的主要部件是电子束发生器，又称电子枪。电子枪主要由阴极、聚束极、阳极、电磁透镜和偏转线圈等部分组成。阳极接地，阴极接负高位，聚焦束通常和阴极同电位，阴极和阳极之间形成加速电场。由阴极发射的电子，在加速电场作用下加速到很高速度,通过电磁透镜聚焦,再经偏转线圈控制，使电子束按一定的方向射向被加热物体。电子束加热的优点是:（1）控制电子束的电流值Ie,可以方便而迅速地改变加热功率；（2）利用电磁透镜可以自由地变更被加热部分或可以自由地调整电子束轰击部分的面积；（3）可增加功率密度，以使被轰击点的物质在瞬间蒸发掉。图1.金属加热线圈2.物理建模根据加热线圈几何尺寸绘制的三维模型如图2所示。仿真过程需设置加热线圈和空气域的相对介电常数、相对磁导率、电导率、比热容、导热系数和密度，为保证结果准确性，以上材料参数均从相关论文资料及现有实验数据中获取，如图3所示。图2.几何理模型图3.材料参数3.物理场边界体条件电磁场边界条件；（1）空气域安培定律，空气材料设为非铁磁材料；（2）磁矢势初始值0；（3）外部边界设磁绝缘；（4）加热线圈添加线圈激励10A；（5）空气域和线圈添加磁矢势规范固定。温度场边界条件：（1）初始温度设为室温293.15K；（2）内部空气设为流体材料，其余部分为固体导热材料；（3）外部边界与空气进行对流换热，换热系数取15W/(m2*K)，详细物理场边界条件如图4所示。多物理场耦合条件；所有边界均设为电磁热边界。图4.物理场边界条件根据有限元法的求解原理，剖分越精细，求解越准确，数值计算前通过网格划分对模型计算区域进行离散化处理，采用三角形非结构化网格对加热线圈模型进行划分，具体网格分布如图5所示。图5.计算网格分布4.结果展示加热线圈模型采用频域50Hz—稳态全耦合求解器进行求解，通过计算得到加热线圈电磁场和温度场分布如下图所示。图6.磁场分布图7.磁感线分布图8.温度分布图9.截面温度分布来源：Comsol有限元模拟