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硅芯感应炉主要是根据电磁感应现象在加热物体内产生涡流来加热对象的工业设备。目前,西安晶体科技有限公司在国内处于领先水平,不过这种硅芯炉一次只能拉制一根硅芯,而近年来市场上已出现了可以同时拉制多根硅芯的硅芯炉,因此为了提高市场竞争力,开发效率更高的硅芯炉已经迫在眉睫。本课题正是以此为背景,结合工厂研究人员的现场试验,对硅芯炉感应加热的数值仿真方法进行了分析研究。
首先从硅芯炉设备组成、工作过程以及感应加热的机理入手,采用有限元法在感性上对其进行仿真模拟。并以电磁学与热学为基础,对感应加热电磁场和温度场的分布进行了理论推导,给出了电磁场、温度场分布的数学模型及相应有限元分析模型。
其次基于有限元理论,根据磁场的数值仿真结果对硅芯炉内感应器的形状参数进行了修正,优化感应器的设计。同时在比较ANSYS有限元软件中两种耦合场分析方法的基础上,选择顺序耦合方法,并建立电磁感应加热的有限元整体结构模型,通过各种加热参数的组合对电磁感应加热过程进行模拟,得出感应加热的电磁场及热场分布结果。最后分析了各参数对硅芯炉电磁场分布的影响,得出了一些具有工程借鉴意义的结论,为合理的选择加热参数提供理论依据。
最后,通过数值仿真结果与试验所测结果相比较,证明仿真结果与测试结果基本一致,说明了数值仿真方法是正确和实用的,从而为硅芯炉的生产运行和优化设计提供了参考。