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均匀性加热装置，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n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的整体形状呈锥台型，n匝空心螺旋铜线圈沿纵向等间距绕制，n匝空心螺旋铜线圈的绕制半径从上至下线性递增。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，在对电机热套的温度均匀性要求较高的场合十分有效。

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120mm，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的空心螺旋铜线圈的匝数n、感应线圈1的第一匝空心螺旋铜线圈的绕制半径R_C1、感应线圈1的第n匝空心螺旋铜线圈的绕制半径R_Cn、感应线圈1的高度H_Cn和相邻两匝空心螺旋铜线圈的纵向间距l_C，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′_Cn、H′_Cn、l′_C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′_Cn＜R′_s，约束条件1b为：0＜H′_Cn＜H′_s，约束条件1c为：且n′为正整数，R′_C1表示感应线圈模型的第一匝空心螺旋铜线圈的绕制半径，R′_Cn表示感应线圈模型的第n′匝空心螺旋铜线圈的绕制半径，H′_Cn表示感应线圈模型的高度，n′表示感应线圈模型的空心螺旋铜线圈的匝数，l′_C表示感应线圈模型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＝120mm，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，得到满足约束条件1d的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′_Cn、H′_Cn、l′_C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1_e的m种感应线圈结构方案；其中，约束条件1e为：ΔT_v≤10℃(即预设的第二温度阈值等于10℃)，且ΔT_h≤10℃，ΔT_v表示轴向最大温差，ΔT_v＝T_vmax-T_vmin，ΔT_h表示径向最大温差，ΔT_h＝T_hmax-T_hmin。

第七步、将m种感应线圈结构方案中的每一种感应线圈结构方案所对应的ΔT_v、ΔT_h中的较大值，作为该种感应线圈结构方案所对应的最大温差ΔT_m(即ΔT_m＝max(ΔT_v，ΔT_h))，得到m个最大温差ΔT_m。

第八步、选择m个最大温差ΔT_m中的最小值所对应的一组结构参数R′_C1、R′_Cn、H′_Cn、l′_C；并使R_C1等于该组结构参数中的R′_C1，使R_Cn等于该组结构参数中的R′_Cn，使H_Cn等于该组结构参数中的H′_Cn，使l_C等于该组结构参数中的l′_C；将H_Cn、l_C以及d带入公式：计算得到n。

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的第一匝空心螺旋铜线圈的绕制半径R_C1等于76mm、感应线圈1的第十匝空心螺旋铜线圈的绕制半径R_C10等于103mm、感应线圈1的高度H_Cn等于208mm，相邻两匝空心螺旋铜线圈的纵向间距l_C等于12mm；则感应线圈1的第二匝空心螺旋铜线圈的绕制半径R_C2等于79mm，感应线圈1的第三匝空心螺旋铜线圈的绕制半径R_C3等于82mm，感应线圈1的第四匝空心螺旋铜线圈的绕制半径R_C4等于85mm，感应线圈1的第五匝空心螺旋铜线圈的绕制半径R_C5等于88mm，感应线圈1的第六匝空心螺旋铜线圈的绕制半径R_C6等于91mm，感应线圈1的第七匝空心螺旋铜线圈的绕制半径R_C7等于94mm，感应线圈1的第八匝空心螺旋铜线圈的绕制半径R_C8等于97mm，感应线圈1的第九匝空心螺旋铜线圈的绕制半径R_C9等于100mm。感应线圈1由上至下采用顺时针绕制。

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。

本实施例中的锥台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10℃，径向最大温差为8℃。在瞬态加热过程中，电机热套各表面磁场分布十分均匀，温升速率基本保持一致，电机热套均匀受热，很大程度上保证了电机热套材料受热变形的一致性，提高了电磁感应加热的可靠性，并且避免了局部受热不均导致的设备烧蚀问题，延长了电机热套的使用寿命。应用于电机热套的温度均匀性要求很高的场合时，最终成品率和可靠性明显提高。