具体实施方式

如图1至图4所示，本实施例中的电机热套的高效均匀加热装置，包括能够与电机热套2的内腔相适配的感应线圈1、设置在感应线圈1的外围将感应线圈1与电机热套2隔开的绝缘层3和与感应线圈1连接的交流电源模块(图中未示出)，感应线圈1为多匝空心螺旋铜线圈，空心螺旋铜线圈的中空管道为水道，用于加热时冷却感应线圈。感应线圈1采用分组串扰的方式绕制，形成有串联的n个线圈组，每个线圈组中的空心螺旋铜线圈均匀绕制，n个线圈组中的空心螺旋铜线圈的绕制半径相同，相邻两个线圈组的纵向间距大于空心螺旋铜线圈的外径；其中，n为整数，且n≥2。电机热套2为采用铝材料制成的空心圆柱体结构，电机热套2的顶端镂空、底部有开孔，电机热套2的顶端内边沿挖有一个T型工艺槽21(与电机定子相匹配，主要用于工艺设备控制角度)。电机热套2需要加热时，将感应线圈1和绝缘层3由上向下纵向伸入电机热套2的内腔，且使感应线圈1的最高位置与电机热套2的顶端齐平；然后通过交流电源模块对感应线圈1通入交变电流(频率为8.5kHz，电流为1100安培)，产生变化的磁场，电机热套处于磁场中，磁力线切割电机热套，从而在电机热套内部产生涡流，涡流使电机热套内部的载流子高速无规则运动，载流子与原子互相碰撞、摩擦而产生热能，热能通过热传导的方式到达电机热套表面。由于产生的磁场均匀分布，因此电机热套的表面温升速率基本一致。

本实施例中空心螺旋铜线圈的外径d等于10mm，内径为8mm，每个线圈组中相邻两匝空心螺旋铜线圈的纵向间隙l₀＝2mm，本实施例中电机热套2的内半径R_s等于110mm，电机热套2的内腔高度H_s等于222mm。

本实施例中感应线圈1的结构参数，即感应线圈1的线圈组的个数n、空心螺旋铜线圈的绕制半径R_C、第i个线圈组的高度H_Ci、第i个线圈组的空心螺旋铜线圈的匝数M_Ci、第n个线圈组的高度H_Cn、第n个线圈组的空心螺旋铜线圈的匝数M_Cn以及第i个线圈组与第i+1个线圈组的纵向间距l_Ci，通过仿真分析获得；其中，i依次取1至n-1的所有整数。仿真分析的具体步骤为：

第一步、令n＝2，然后执行第二步。

第二步、基于有限元仿真软件建立电机热套模型及感应线圈模型，然后执行第三步。

第三步、根据约束条件1a至1c设置结构参数R′_C、H′_Ci、H′_Cn、l′_Ci的数值范围及变化步长和结构参数R′_s、H′_s、d′、l′₀的数值，然后执行第四步；其中，约束条件1a为：0＜R′_C＜R′_s，约束条件1b为：且l′_Ci＞d′，约束条件1c为：H′_Ci＝M′_Cid′+(M′_Ci-1)l′₀，且H′_Cn＝M′_Cnd′+(M′_Cn-1)l′₀，M′_Ci、M′_Cn为正整数，R′_C表示感应线圈模型的空心螺旋铜线圈的绕制半径，H′_Ci表示感应线圈模型的第i个线圈组的高度，H′_Cn表示感应线圈模型的第n个线圈组的高度，l′_Ci表示感应线圈模型的第i个线圈组与第i+1个线圈组的纵向间距，M′_Ci表示感应线圈模型的第i个线圈组的空心螺旋铜线圈的匝数，M′_Cn表示感应线圈模型的第n个线圈组的空心螺旋铜线圈的匝数，R′_s表示电机热套模型的内半径，H′_s表示电机热套模型的内腔高度，d′表示感应线圈模型中的空心螺旋铜线圈的外径，l′₀表示感应线圈模型的每个线圈组中相邻两匝空心螺旋铜线圈的纵向间隙，R′_s＝110mm，H′_s＝222mm，d′＝10mm，l′₀＝2mm。

第四步、设置感应线圈模型的材料为铜，设置电机热套模型的材料为铝，设置铝的随温度变化的导热系数、比热容、密度和电导率(即设置铝的与温度有关的多个导热系数数值、多个比热容数值、多个密度数值和多个电导率数值)，并设置初始参考温度，然后执行第五步。导热系数数值、比热容数值、密度数值和电导率数值与温度的关系可通过查电机热套的数据手册获得。

第五步、对电机热套模型的热属性进行编辑，选择建立与温度反馈相关的连接；然后，对电机热套模型和感应线圈模型进行网格剖分，选择电磁场时域仿真，设置仿真时长，采用有限元算法，计算电机热套模型表面的电磁场强度分布，得到电机热套模型表面的电磁场强度分布数据，然后执行第六步。

第六步、建立电磁场仿真模块与温度场仿真模块的连接关系(即将电磁场仿真计算后的电机热套模型导入到温度场仿真软件中)，设置初始温度及加热时间，导入电机热套模型表面的电磁场强度分布数据到温度场的仿真软件里，设置可进行热传递和热辐射的电机热套模型表面，然后进行电磁-热耦合的仿真分析计算，并更新加热时间，直至满足约束条件1d，得到多种感应线圈结构方案，然后执行第七步；其中，一种感应线圈结构方案对应一组结构参数R′_C、H′_Ci、H′_Cn、l′_Ci和电机热套模型表面的一个轴向最高温度T_vmax、电机热套模型表面的一个轴向最低温度T_vmin、电机热套模型表面的一个径向最高温度T_hmax、电机热套模型表面的一个径向最低温度Thmin以及一个加热时间t；约束条件1d为：T_vmin≥160℃(即本实施例中预设的第一温度阈值等于160℃)，且T_hmin≥160℃。

第七步、判断所述多种感应线圈结构方案中是否有满足约束条件1e和1f的感应线圈结构方案，如果有，则执行第八步，如果没有，则执行第九步；其中，约束条件1e为：T_vmax-T_vmin≤40℃(即本实施例中预设的第二温度阈值等于40℃)，且T_hmax-T_hmin≤40℃，约束条件1f为：t≤60s(即本实施例中预设的第一时间等于60s)。

第八步、选择满足约束条件1e和1f的多种感应线圈结构方案中t值最小(即加热时间最短)的一种感应线圈结构方案，使R_C等于该种感应线圈结构方案所对应的一组结构参数中的R′_C，使H_Ci等于该种感应线圈结构方案所对应的一组结构参数中的H′_Ci，使H_Cn等于该种感应线圈结构方案所对应的一组结构参数中的H′_Cn，使l_Ci等于该种感应线圈结构方案所对应的一组结构参数中的l′_Ci；将H_Ci、H_Cn以及d、l₀带入公式：计算得到M_Ci和M_Cn，然后结束。

第九步、令n的值累加1，然后返回执行第二步。即如果n＝2时，未得到满足加热均匀性和加热效率要求的感应线圈结构方案，则按顺序令n＝3，再执行第二步至第七步，如果n＝3时，得到了满足加热均匀性和加热效率要求的感应线圈结构方案，则结束，若仍未得到满足加热均匀性和加热效率要求的感应线圈结构方案，则继续令n＝4、5、6、...，再执行第二步至第七步，直至得到满足加热均匀性和加热效率要求的感应线圈结构方案为止。

经过上述仿真分析得到，本实施例中的感应线圈1有3个线圈组(即n＝3)，空心螺旋铜线圈的绕制半径R_C等于95mm，第1个线圈组的高度H_C1等于22mm，第1个线圈组的空心螺旋铜线圈的匝数M_C1等于2，第2个线圈组的高度H_C2等于34mm，第2个线圈组的空心螺旋铜线圈的匝数M_C1等于3，第3个线圈组的高度H_C3等于58mm，第3个线圈组的空心螺旋铜线圈的匝数M_C3等于5，第1个线圈组与第2个线圈组的纵向间距l_C1等于36mm，第2个线圈组与第3个线圈组的纵向间距l_C2等于58mm。即本实施例中感应线圈1为“2匝-3匝-5匝”分组串扰型空心螺旋铜线圈结构，感应线圈1由上至下采用顺时针绕制。感应线圈1通过较少的顶层线圈设置，能够有效地减少顶端磁力线的密集分布，而相对较多的中层线圈设置，可以有效增加电机热套中部的磁场分布，使其不至于受到顶部磁力线减少的影响，降低磁力线穿过中部的面积；通过将更多的线圈匝数集中在底层，可以让封闭的电机热套底部产生更多有效的磁力线切割，从而让整个热套上流动的涡流更加平均，涡流直接产生的热量分布则更加均匀。最终不仅可以很好解决电机热套轴向温度均匀性差、局部过温等问题，还可以通过最大化利用磁力线切割金属的有效面积，从而实现最短的加热时间，提高设备的加热效率。

加热同一个电机热套时，本实施例中的感应线圈与现有的上下同宽等纵向间距均匀绕制的感应线圈的参数对比如下表：

现有的上下同宽等纵向间距均匀绕制的感应线圈加热时，在电机热套表面产生的轴向最大温差为145℃，径向最大温差为19℃，加热至160℃所耗时间为108s，当温度上升后顶端T型工艺槽部分出现了过温烧蚀现象，影响了电机热套的使用寿命。

本实施例中分组串扰型的感应线圈加热时，在电机热套表面产生的轴向最大温差为35℃，径向最大温差为12℃，且加热至160℃所耗时间为58s，不仅改善了电机热套被加热表面温度分布的均匀性，还大幅度缩短了加热时间，提高了加热效率，对于解决高度与直径相差较大的电机热套加热温度分布均匀性和加热效率问题十分有效。