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低成本均匀加热装置，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(即M_C1+M_C2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的整体形状呈凸型，感应线圈1的上部的M_C1匝空心螺旋铜线圈均匀绕制，感应线圈1的下部的M_C2匝空心螺旋铜线圈均匀绕制，感应线圈1的上部的M_C1匝空心螺旋铜线圈的绕制半径R_C1小于感应线圈1的下部的M_C2匝空心螺旋铜线圈的绕制半径R_C2(即R_C1＜R_C2)。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，从而实现瞬态及稳态的电磁感应加热温度均匀分布。

本实施例中空心螺旋铜线圈的外径d等于10mm，内径为8mm，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的上部的空心螺旋铜线圈的匝数M_C1、感应线圈1的上部的空心螺旋铜线圈的绕制半径R_C1、感应线圈1的上部的高度H_C1、感应线圈1的上部的相邻两匝空心螺旋铜线圈的纵向间距l_C1、感应线圈1的下部的空心螺旋铜线圈的匝数M_C2、感应线圈1的下部的空心螺旋铜线圈的绕制半径R_C2、感应线圈1的下部的高度H_C2和感应线圈1的下部的相邻两匝空心螺旋铜线圈的纵向间距l_C2，通过如下方式获得：

第一步、基于有限元仿真软件建立电机热套模型及感应线圈模型。

第二步、根据约束条件1a至1c设置结构参数R′_C1、R′_C2、H′_C1、H′_C2、l′_C1、l′_C2的数值范围及变化步长和结构参数R′_s、H′_s、d′的数值；其中，约束条件1a为：0＜R′_C1＜R′_C2＜R′_s，约束条件1b为：H′_C1+H′_C2＜H′_s,且H′_C1＞0、H′_C2＞0，约束条件1c为：且且M′_C1、M′_C2为正整数，R′_C1表示感应线圈模型的上部的空心螺旋铜线圈的绕制半径，R′_C2表示感应线圈模型的下部的空心螺旋铜线圈的绕制半径，H′_C1表示感应线圈模型的上部的高度，H′_C2表示感应线圈模型的下部的高度，M′_C1表示感应线圈模型的上部的空心螺旋铜线圈的匝数，M′_C2表示感应线圈模型的下部的空心螺旋铜线圈的匝数，l′_C1表示感应线圈模型的上部的相邻两匝空心螺旋铜线圈的纵向间距，l′_C2表示感应线圈模型的下部的相邻两匝空心螺旋铜线圈的纵向间距，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，R′_s＝110mm，H′_s＝222mm，d′＝10mm。

第三步、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。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。

第四步、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。

第五步、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；其中，一种感应线圈结构方案对应一组结构参数R′_C1、R′_C2、H′_C1、H′_C2、l′_C1、l′_C2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T_hmin；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℃。

第六步、从第五步得到的多种感应线圈结构方案中筛选出满足约束条件1e的n种感应线圈结构方案；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℃。

第七步、将n种感应线圈结构方案中的结构参数R′_C1、R′_C2、H′_C1、H′_C2、l′_C1、l′_C2以及d′分别带入公式：

计算得到n个感应线圈模型用线量C′_T。

第八步、选择n个感应线圈模型用线量C′_T中的最小值所对应的一组结构参数R′_C1、R′_C2、H′_C1、H′_C2、l′_C1、l′_C2；并使R_C1等于该组结构参数中的R′_C1，使H_C1等于该组结构参数中的H′_C1，使l_C1等于该组结构参数中的l′_C1，使R_C2等于该组结构参数中的R′_C2，使H_C2等于该组结构参数中的H′_C2，使l_C2等于该组结构参数中的l′_C2；将H_C1、H_C2、l_C1、l_C2以及d带入公式： 计算得到M_C1和M_C2。由此得到的感应线圈用线量最少，包含该感应线圈的低成本均匀加热装置的成本也就最低。

经过上述仿真分析得到本实施例中的感应线圈1为10匝空心螺旋铜线圈，感应线圈1的上部的空心螺旋铜线圈的匝数M_C1等于5，感应线圈1的上部的空心螺旋铜线圈的绕制半径R_C1等于45mm，感应线圈1的上部的高度H_C1等于106mm，感应线圈的上部的相邻两匝空心螺旋铜线圈的纵向间距l_C1等于14mm；感应线圈的下部的空心螺旋铜线圈的匝数M_C2等于5，感应线圈1的下部的空心螺旋铜线圈的绕制半径R_C2等于95mm，感应线圈的下部的高度H_C2等于106mm，感应线圈的下部的相邻两匝空心螺旋铜线圈的纵向间距l_C2等于14mm，感应线圈1的上部的5匝空心螺旋铜线圈和感应线圈1的下部的5匝空心螺旋铜线圈采用串联顺时针绕制。

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℃，且最高温度出现在顶端T型工艺槽部分。当加热过程中，由于电机热套的表面温度分布不均匀，在最低温度还未到达160℃之前，感应线圈对电机热套持续的加热升温后，导致电机热套的T型工艺槽部分出现局部过温烧蚀现象，影响了电机热套的使用寿命。

本实施例中凸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32℃，径向最大温差为14℃，且最高温度出现在中下部，避免了顶端T型工艺槽敏感部分出现过温烧蚀。在瞬态加热过程中，电机热套各表面磁场分布均匀，加热速率一致，电机热套均匀受热，可以很大程度上保证电机热套材料受热变形的一致性，提高电磁感应加热的可靠性和延长电机热套的使用寿命。

现有的上下同宽等纵向间距均匀绕制的感应线圈中，空心铜线圈的总用线量为6.9米；而本实施例的凸型的感应线圈中，空心铜线圈的总用线量为5.3米。本实施例有效降低了23.19％的空心铜线圈用量，从而较大程度上降低了成本。