感应加热基础理论

感应加热基础理论2010.04.15感应加热基于两个基本物理现象：1)法拉第电磁感应:当线圈中通过交变电流I1，则在线圈周围空间建立交变磁场，处于该交变磁场中的金属内将产生感应电动势。2)焦耳效应:是定量说明传导电流将电能转换为热能的定律,电流通过导体产生的热量跟电流的平方成正比,跟导体的电阻成正比，跟通电的时间成正比。2Q=IRt=deVd感应加热的理论基础感应加热是利用感应电流通过工件产生的热效应，使工件表面局部加热。感应加热可分为：1）高频（30~1000kHz)感应加热；2）中频（小于10kHz）感应加热；3）高频（约37MHz）脉冲感应加热，即微感应加热3类。感应加热概念（1）感应加热的物理基础1）当工件放在通有交变电流的感应圈中时，在交变电流所产生的交变磁场作用下将产生感应电动势式中e——感应电势的瞬时值；Φ——感应圈内交变电流所产生的总磁通，与交变电流强度及工件磁导率有关。负号表示感应电势方向与磁通变化方向相反。2）因为工件本身犹如一个闭合回路，故在感应电势作用下将产生电流，通常称为涡流，其值为式中R——材料的电阻XL——感抗3）此涡流在工件上产生热量deVd22fLeeIAZRX20.24fQIR感应加热基本原理若工件与感应圈之间的间隙很小，漏磁损失很少，可把感应圈所产生的磁能看做全被工件吸收而产生涡流。此时涡流If将与通过感应圈的交变电流I大小相等，方向相反。据此，在高为1cm的单匝感应圈中加热工件吸收的功率为式中Pa——工件吸收的功率，W/cm2；R0——工件半径，cm；ρ——工件材料电阻率，Ω·cm；μ——工件材料磁导率，H/m；f——交变电流频率，Hz——“吸收因子”涡流If在被加热工件中的分布系由表面至中心呈指数规律衰减。上述涡流分布于工件表面上的现象称为表面效应或集肤效应。3201.2510aPRIf感应加热基本原理工程上规定Ix降至I0的值处的深度为“电流透入深度”，用δ（单位:mm）表示，可以求出可见，电流透入深度δ随着工件材料的电阻率ρ的增加而增加，随工件材料的磁导率μ及电流频率f的增加而减少。右图为钢的磁导率μ和电阻率ρ与热温度的关系。可见钢的电阻率随着加热温度的升高而增大，在800~900℃，各类钢的电阻率基本相等，约为10-4Ω·cm；磁导率μ在温度低于磁性转变点A2或铁素体-奥氏体转变点时基本不变，而超过A2或转变成奥氏体时则急剧下降。电阻率（resistivity）是用来表示各种物质电阻特性的物理量。某种材料制成的长1米、横截面积是1平方毫米的在常温下（20℃时）导线的电阻，叫做这种材料的电阻率。1e50300f感应加热基本原理感应加热的物理过程把室温或800~900℃温度的钢的ρ及μ值代入上式，可得下列式在20℃时，在800℃时，通常把20℃时的电流透入深度称为“冷态电流透入深度”，而把800℃时的电流透入深度δ800称为“热态电流透入深度”。20=20/f800=500/f感应加热基本原理感应加热的物理过程感应加热开始时，工件处于室温，电流透入深度很小，仅在此薄层内进行加热。表面温度升高，薄层有一定深度，且温度超过磁性转变点（或转变成奥氏体）时，此薄层变成顺磁体，μ值急剧下降，交变电流产生的磁力线移向与之毗连的内侧铁磁体处，涡流移向内侧铁磁体处。由于表面电流密度下降，而在紧靠顺磁体层的铁磁体处，电流密度剧增，此处迅速被加热，温度也很快升高。此时工件截面内最大密度的涡流由表面向心部逐渐推移，同时自表面向心部依次加热，这种加热方式称为透入式加热。当变成顺磁体的高温层的厚度超过热态电流透入的深度后，涡流不再向内部推移。继续加热时，电能只在热态电流透入层范围内变成热量，此层的温度继续升高。与此同时，由于热传导的作用，热量向工件内部传递，加热层厚度增厚，这时工件内部的加热和普通加热相同，称为传导式加热。感应加热基本原理透入式加热较传导式加热有如下特点：1）表面的温度超过A2点以后，最大密度的涡流移向内层，表层加热速度开始变慢，不易过热，而传导式加热随着加热时间的延长，表面继续加热容易过热；2）加热迅速，热损失小，热效率高；感应加热基本原理加热层深度:1）设备频率的选择。主要根据加热层深度来选择。一般若采用透入式加热，则应符合f＜式中δx——要求加热层深度，cm。但所选用频率不宜过低，否则需用相当大的比功率才能获得所要求的加热层深度，且无功损耗太大。当感应器单位损耗大于0.4kW/cm2时，在一般冷却条件下会烧坏感应器。为此规定加热层厚度δx应不小于热态电流透入浓度的1/4，即所选频率下限应满足f＞上式为上限频率和下限频率。当加热层尝试为热态电流透入深度的40%~50%时，总效率最高，符合此条件的频率称最佳频率，可得当现有设备频率满足不了上述条件时，可采用下述弥补办法；在感应加热前预热，以增加加热层厚度，调整比功率或感应器与工件间的间隙等。22500x2150x2600xf最佳感应加热基本原理加热层深度:2）比功率的选择。比功率是指感应加热时工件单位表面积上所吸收的电功率（kW/cm2）.在频率一定时，比功率越大，加热速度越快；当比功率一定时，频率越高，电流透入越浅，加热速度越快。比功率的选择主要取决于频率和要求的硬化层深度。在频率一定时，硬化层较浅的，选用较大比功率（透入式加热）；在层深相同情况下，设备频率较低的可选用较大比功率。因为工件上真正获得的比功率很难测定，故常用设备比功率来表示。设备比功率为设备输出功率与零件同时被加热的面积比，即式中P设——设备输出功率，kW；A——同时被加热的工件表面积，cm2。工件的比功率与设备比功率的关系是式中η——设备总效率，一般为0.4~0.6。在实际生产中，比功率还要结合工件尺寸大小、加热方式以及加热层等作最后的调整。P=AP设设P==APP设工设感应加热基本原理感应器设计:感应器是将高频电流转化为高频磁场对工件实行感应加热的能量转换器，它直接影响工件加热的质量和设备的效率。良好的感应圈应能保证工件有符合要求的均匀分布的加热层、高的电效率、足够的机械强度以及容易制造和操作方便。感应器中的电流密度可达6000A/mm2，故所用材料的电阻率必须尽可能小。一般感应器材料采用电解铜，通常是用紫铜管制成。在要求极高的性况下，例如脉冲淬火的感应器由银制成，有的感应器用紫铜制成，便外表面镀银。常用感应器由有效线圈（感应圈）及冷却装置等所构成。此外还有与高频电源连接的连接板及附加装置，如导磁体、磁屏蔽等，其中感应器是感应器中的核心部件。感应加热基本原理感应器设计:1）感应圈形状与结构的确定感应圈的几可形状主要根据工件加热部位的几何形状、尺寸及选择的加热方式来确定。确定感应圈几何形状时必须考虑如下几种效应。（1）邻近效应。当载有高频电流的两个导体互相靠近时，如果两导体中电流相反，将使两导体中电流分布不均匀，相邻两侧（内侧）电流密度大；如果两导体中电流方向相同，则相邻两侧电流密度减少，两外侧电流密度增大。这种现象称为邻近效应，利用邻近效应可实现局部平面的加热，频率越高，该现象越明显。感应加热时，感应圈中的电流和工件表面的感生电流方向总是相反的，因此电流集中于相对应的相邻表面。在环状感应圈中加热时，由于工件位置的偏移，邻近效应则表现为邻近区域电流的过分集中。在生产中为了避免这种现象，常采用旋转加热的方法来防止。----相邻导体电流方向相反，高频电流走内侧；----相邻导体电流方向相同，高频电流走外侧；----临近效应引起的加热层不均，保证钢丝处于陶瓷管的中心位置。感应加热基本原理感应器设计:（2）尖角效应。当形状不规则的工件置于感应器中加热时，尖角和凸起部分的加热速度比其他部位快，这一现象称为尖角效应。为了克服这一现象在设计感应器时，应将工件的尖角或凸起部位的间隙适当增大，以使各部位的加热温度均匀。感应圈的匝数，一般采用单匝，当工件直径较小时可采用双匝或多匝。感应圈匝数增加，一方面增加了安匝数，有利于提高效率；另一方面则增加了感抗，增加了损耗。采用多少匝数有利，视具体情况而定。采用多匝感应圈时，匝间距离应在保证不接触前提下尽量缩小，以使加热均匀。安匝是磁动势的单位，等于线圈匝数与线圈通过的电流的乘积，安匝数越大，产生的磁场越强感应加热基本原理1)当交流电通过电感线圈的电路时，电路中产生自感电动势，阻碍电流的改变，形成了感抗。自感系数越大则自感电动势也越大，感抗也就越大。如果交流电频率大则电流的变化率也大，那么自感电动势也必然大，所以感抗也随交流电的频率增大而增大。交流电中的感抗和交流电的频率、电感线圈的自感系数成正比。2）磁导率magneticpermeability表征磁介质磁性的物理量。常用符号μ表示，μ为介质的磁导率，或称绝对磁导率。μ等于磁介质中磁感应强度B与磁场强度H之比，即通常使用的是磁介质的相对磁导率μr，其定义为磁导率μ与真空磁导率μ0之比，即μ=B/H相对磁导率μ与磁化率χ的关系是磁导率μ，相对磁导率μr和磁化率xm都是描述磁介质磁性的物理量。对于顺磁质μr＞1；对于抗磁质μr＜1，但两者的μr都与1相差无几。在铁磁质中，B与H的关系是非线性的磁滞回线，μr不是常量，与H有关，其数值远大于1。例如，如果空气(非磁性材料)的磁导率是1，则铁氧体的磁导率为10，000，即当比较时，以通过磁性材料的磁通密度是10,000倍。在国际单位制（SI）中，相对磁导率μr是无量纲的纯数，磁导率μ的单位是亨利／米（H／m）。感应加热相关知识