２０１２年８月１日
第３５卷第１５期
现代电子技术
Ｍｏｄｅｒｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
Ａｕｇ．２０１２
Ｖｏｌ．３５Ｎｏ．１５
数据线接口的电磁感应加热焊接模型仿真研究
贺少军
（中国工程物理研究院 电子工程研究所，四川 绵阳 ６２１９００）
摘 要：针对电磁感应加热在数据线端口焊接中的应用，针对该模型进行了有限元仿真研究，分析了在交变磁场中金属
导线上的磁场分布、涡流分布和功率损耗。结果表明，在该尺寸模型中所产生均匀分布的交变磁场，能使得实例中的１９根数
据端口导线上涡流损耗分布均匀，有利于提高焊接工作的加工质量和效率。
关键词：焊接；电磁加热；有限元；涡流分布
中图分类号：ＴＮ０６－３４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４－３７３Ｘ（２０１２）１５－０１７６－０３
Ｍｏｄｅｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔｉｎｇ ｆｏｒ ｄａｔａ ｌｉｎｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｗｉｅｌｄｉｎｇ
ＨＥ Ｓｈａｏ－ｊｕｎ
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣＡＥＰ，Ｍｉａｎｙａｎｇ ６２１９００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔｉｎｇ ｆｏｒ ｄａｔａ ｗｉｒｅ ｗｅｌｄｉｎｇ，ａ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ
ｃｒｅａｔｅｄ ａｎｄ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ（ＦＥＭ）．Ｉｎ ｔｈｅ ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ，ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，
ｅｄｄｙ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｔａｌ ｗｉｒｅｓ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｃａｎ
ｐｒｏｄｕｃｅ ｕｎｉｆｏｒｍ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ，ｍａｋｉｎｇ １９ｗｉｒｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｄａｔａ ｐｏｒｔ ｈａｖｅ ｕｎｉｆｏｒｍ ｅｄｄｙ ｃｕｒｒｅｎｔ ｌｏｓｓ，ｗｈｉｃｈ ｈｅｌｐｓ ｉｍｐｒｏｖｅ ｑｕａｌｉｔｙ
ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｅｌｄｉｎｇ；ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｈｅａｔｉｎｇ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ；ｅｄｄｙ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
收稿日期：２０１２－０３－２２
０ 引 言
电磁感应加热具有热效率高、无污染、无明火、无接
触加热等优点，在工业加工中得到了广泛应用［１－３］。数
据线端口在机械加工过程中，采用电磁感应加热对端口
多根传输信号的细金属丝线进行焊接固定。电磁加热
是利用金属丝置于高频交变电磁场中，从而产生高频涡
流电流，由于电流的焦耳热效应，导体快速升温，使焊接
材料溶化固定。本文采用有限元程序进行了建模、仿真
和结果分析。
１ 电磁感应加热模型理论分析
良导体内传播电磁波，满足的麦克斯韦方程［１］：
×珝Ｅ＝ｉω珬Ｈ
×珬Ｈ ＝－ｉω（ε＋ｉσω
）珝Ｅ
·珝Ｅ＝０
·珬Ｈ ＝
烅
烄
烆 ０
（１）
导体中，满足：
ｊ＝σ珝Ｅ
珝Ｂ＝μ珬｛ Ｈ （２）
磁场储存的能量可表示为：
Ｗｂ＝∫
珬Ｈ·珝Ｂ
２ ｄＶ
（３）
导体中涡流所消耗的功率：
Ｐ＝∫珝Ｅ·珝ＪｄＶ （４）
电磁场入射到导体表面，在进入导体的过程中，产
生涡流，场的幅值会随透入的深度指数性衰减，能量也
相应衰减，由于透入深度很小，能量集中在表面。电磁
波在金属导体中的主要能量是磁能，磁能转化为
热能［４－６］。
２ 有限元仿真分析
在有限元软件中建立了三维实体模型，简化的物理
模型如图１所示，在线圈中通入交变电流１８０安匝，频
率采用５００ｋＨｚ，在铁芯中产生交变磁场，磁场回路中
保留一段空气间隙，间隙中并排加入１９根圆柱形金属
导体，导体上下的铁芯采用楔型结构，有利于间隙磁场
强度的加强。使用三维有限元软件建模，导体的电导率
为５×１０７ Ｓ／ｍ，铁芯相对磁导率为１ ０００，背景为相对
磁导率为１的真空，采用开放式边界条件。
导体附近的剖分网格如图２所示，上下部分为楔型
铁芯，其网格进行了自适应剖分，由于圆柱形导体的尺
寸相对小很多，对细长导体上进行了精细的网格加密。
模型的自适应剖分网格数量为１０２ ３１２个四面体单元。
图２ 金属导体附近的自适应剖分网格图
仿真得到整个模型的磁场分布如图３所示，线圈中
通入电流，铁芯为磁场的通路，只存在极少的磁力线泄
漏到空气中。分析研究焊接区的磁场强度分布尤为重
要，因为间隙中的导体在交变磁场中产生涡流，涡流的
分布及其产生的功率损耗直接决定着焊接工作的进行。
图４为ｘｚ平面的磁场强度矢量分布图，为了有益于焊
接工作质量的提高，一方面看重磁场的幅值，另一方面
还要保证磁场分布的均匀性。
图３ 整个模型的磁场分布图
通过图４可以看出，ｘｚ平面内，在间隙中的磁场强
度的大小和方向分布相对均匀，尤其要保证１９根导体
在间隙中心，其所在区域磁场要分布均匀。图５为ｙｚ
平面磁场强度的幅值分布图。可以看出，磁场从楔形铁
芯表面垂直射出，经过导体时，磁场发生了畸变，是因为
磁场在导体中产生了涡流，涡流形成的磁场造成了原磁
场的变化。在上下楔形铁芯之间的间隙中，磁场强度幅
值最大，沿ｙ轴呈现散开趋势。尤其在楔形尖端部分
的磁场强度幅值最大，这正是导体所在位置。
图４ ｘｚ平面磁场分布图
间隙中并排了两行导体，上面为１０根，下面为
９根，导体直径为０．３５ｍｍ，横向间隔为０．４ｍｍ，如
图４所示，图６为下面９根导体上的涡流分布。可以看
出，导体中间段，即在上下楔形铁芯间隙中磁场幅值最
大的区域，其产生的涡流最大，由此可以断定此处的涡
流损耗最大，此为导体的最佳焊接区域。
通过对１９根导体中的欧姆损耗积分，便可以得到
每一根导体上的涡流消耗，如图７所示。每根导体上的
７７１第１５期 贺少军：数据线接口的电磁感应加热焊接模型仿真研究
欧姆损耗为１．９～２．２Ｊ之间，平均值为２．０６Ｊ，每根导
体的欧姆损耗与平均值的相对误差在０％～８％之间分
布，相对误差较小。因而，１９根导体上的涡流损耗分布
比较均匀，有利于焊接工作的一次完成。
图７ １９根导体上的涡流损耗分布情况
通过软件仿真，还分析了不同频率（ｆ＝３００ｋＨｚ和
ｆ＝５００ｋＨｚ），不同间隙高度（ｈ＝２ｍｍ和ｈ＝４ｍｍ）
时，间隙中心轴线上的磁场分布。图８是间隙为ｈ＝
２ｍｍ和ｈ＝４ｍｍ时，ｘｚ平面ｚ＝０中心轴线上的磁场
强度分布。从图中可以看出，磁场峰值平滑区的宽度与
楔形铁芯尖端的宽度相当，离开间隙后，磁场幅值迅速
下降。通过两图对比看出，间隙ｈ越大，磁场幅值相对
较低，但磁场平滑区的宽度相对要宽。另外频率越高，
涡流损耗功率越大，电磁加热的热功率与导体内部产生
的涡流频率的平方成正比，和磁场强度的平方成正比，
因为频率越高，趋肤效应和涡流越强，可提高电磁感应
的加热效率。
图８ ｘｚ平面ｚ＝０中心轴线上的磁场强度分布图
３ 结 论
本文针对数据线端口的电磁感应加热焊接模型，在
软件中建立了三维立体模型，根据实际加工材料和边界
属性，进行了仿真研究，分析了不同频率和不同间隙高
度情况下焊接区的磁场分布，以便寻找合适且均匀的电
磁场位置，进行有效的导线焊接。结论如下：
（１）该模型下，焊接区的磁场很均匀，尤其在导体所
在位置磁场幅值最大。
（２）通过计算１９根导线上的涡流损耗，其功率消耗
很均匀，最大误差不大于８％。
（３）通过此电磁感应加热方式进行导线焊接，导线
上得到的损耗总和与输入功率相差很小，效率很高。
通过分析磁场的均匀性，进行理论仿真分析，对提
高加热质量和生产水平具有重要意义，为电磁感应加热
的处理工艺提供参考依据。
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作者简介：贺少军 男，１９６５年出生，高级工程师。主要研究方向为电子技术应用
檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹檹
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８７１ 现代电子技术 ２０１２年第３５卷
