Сущность индукционного нагрева

Если по проводнику пропустить электрический ток, то вокруг него образуется магнитное поле. Интенсив­ность магнитного поля развивается под действием сле­дующих факторов:

1. величины тока, проходящего по проводнику;
2. числа витков;
3. среды, в которой образуется магнитное поле.

Если через катушку проходит ток I, то будет созда­ваться магнитное поле напряженностью

Н = (0,4πIw): L эрстед,                           (1)

где L - длина средней силовой линии;
       Ι - ток, проходящий по проводнику;   
      w - число витков катушки.

Формула (1) справедлива для равномерного поля.

Если среда вокруг или внутри проводника обладает плохой магнитной проводимостью (например, воздух), поле будет слабее; если среда является хорошим провод­ником (например, железо), то магнитное поле усилива­ется.

Если обозначить магнитный поток, создаваемый по­лем, через Ф, то индуктируемая им электродвижущая сила будет определяться уравнением

Е = - w dФ/dt ∙ 10^-8 в.                                      (2)

Эффективное значение электродвижущей силы (э. д. с.) при частоте магнитного поля, равной f, и сину­соидальной форме его определяется формулой

Е = 4,44wfФ ∙ 10^-8 в,                                       (3)

где Ф - магнитный поток в гс;  
       f - частота тока в гц; 
       w - число витков катушки.

Если в катушку с числом витков w подать перемен­ный ток и поместить в нее стальной предмет, то он будет пересекаться магнитным потоком и в нем будет наво­диться э. д. с. Практически эту систему можно рассмат­ривать, как трансформатор, где первичными витками надо считать катушку, а вторичным-находящийся в ней стальной предмет. В этом вторичном витке под дей­ствием наведенной э. д. с. возникнут токи, и металличес­кий предмет, обтекаемый этими токами, будет нагре­ваться.

Электромагнитное поле, создаваемое витком катуш­ки при индукционном нагреве, изображено на фиг. 1.

 

 

Фиг. 1. Электромагнитное поле (1), создаваемое витком индуктора (2).

Перемагничивание стали связано с потерями на ги­стерезис. Эта энергия идет на преодоление остаточного магнетизма. Потери в металле от явления гистерезиса определяются формулой

Р₂= VfŋB_max^1,6 ∙ 10^-7 вт,                              (4)

где f - частота тока;
      B_max - максимальное значение индукции в нагреваемом металле;
      ŋ - опытная постоянная, колеблющаяся в пределах от 0,01 до 0,05;
      V - объем заготовки.

В процентном отношении энергия гистерезисных по­терь невелика и проявляется при нагреве лишь до поте­ри магнитных свойств стали.

Изменяющийся магнитный поток, проходящий через сплошную стальную заготовку, наводит в ней электро­движущую силу, обусловливающую так называемые вихревые токи. Эти токи циркулируют в металле и на­гревают его. Количество энергии, поглощаемой нагревае­мым телом, пропорционально квадратам: частоты, маг­нитной индукции и объему заготовки, что видно из сле­дующей формулы:

P_вихр = 1/2p К²f²В²V ∙ 10^-16 вт,                         (5)

где р - удельное сопротивление стали, отнесенное к 1 cм² металла;
       f - частота тока в гц;
       В - магнитная индукция;
      V - объем заготовки в см³;
       К - коэффициент, зависящий от материала и раз­меров заготовки.

Благодаря намагничивающему действию самих вих­ревых токов, текущих по концентрическим окружностям изделия, магнитная индукция к середине цилиндра уменьшается. Максимум магнитной индукции смещает­ся к периферии.

При больших частотах распределение магнитной ин­дукции неравномерно по сечению и уменьшение ее к середине сказывается резче, чем при малых частотах.

Применение токов высокой частоты в значительной степени облегчает возможность концентрации передава­емой энергии в нагреваемый предмет. Определение «вы­сокая частота» следует рассматривать не с точки зрения ее абсолютного значения, а в связи с размерами провод­ника и нагреваемого тела, с которым в данном конкрет­ном случае связан интересующий нас ток. Так, напри­мер, если взять заготовку диаметром 20 мм, то частота машинного генератора 2500 гц должна считаться для ее нагрева низкой, а для диаметра 60 мм эта же частота будет считаться высокой.

Рассматривая нагрев заготовок индукционным спо­собом, необходимо ознакомиться с некоторыми особен­ностями, связанными с прохождением токов высокой ча­стоты по проводникам. К этим особенностям следует отнести: поверхностный эффект, явление близости и кольцевой эффект.

 

При прохождении переменного тока распределение его по сечению проводника, особенно при большом сече­нии, будет неодинаково. Эта неодинаковость тем больше, чем выше частота. Такое явление происходит потому, что внутри проводника возникает переменное магнитное поле, вызывающее, в свою очередь, противоэлектродвижущую силу. В результате ток не распределяется равномерно по поперечному сечению проводника, а как бы вытесняется к поверхности провод­ника и плотность тока будет разной для раз­ных точек сечения. Чем выше частота, тем меньше будет плот­ность тока в центре се­чения и тем большая часть тока будет про­текать по сравнительно тонкому поверхностному слою. Отсюда это явление носит название поверхностного или кожного эффекта (скин-эффекта). Наличием поверхно­стного эффекта определяется глубина проникновения то­ка в металл. В. П. Вологдин дает следующую таблицу расчетной глубины проникновения ϭ.

Таблица 1. Глубина проникновения тока в металл (в см) при разной частоте 
 

Частота, гц	Красная медь при 15° С	Сталь 45 при 15° С	Сталь 45 при 850° С
50 2 000 10 000 300 000	1  0,15  0,07  0,012	0,22  0,05  0,02  0,005	9,14  1,46  0,65  0,12

Поверхностный эффект в значительной степени уве­личивает сопротивление проводника и вместо общепри­нятой зависимости сопротивления проводника от сече­ния

R = p  l/q   ом,

где R - общее сопротивление проводника;
       p - удельное сопротивление;
       l - длина;
       q - сечение,

сопротивление будет зависеть еще от периметра и час­тоты.

Если взять два проводника, обтекаемых током вы­сокой частоты, и расположить их один около другого, то взаимное влияние полей от токов этих проводников - «явление близости» - будет обусловливать неравномер­ное распределение плотности тока в проводниках создавая как бы в одной части проводников дополнитель­ное сопротивление. Направленность тока в проводниках играет в этом случае большую роль. На фиг. 2 указано примерное распределение плотности тока в двух рядом расположенных проводниках, при одинаковом направле­нии тока в обоих проводниках (б) и при разных напра­влениях тока в этих же проводниках (а).

 

 Фиг. 2. Распределение плотности тока в проводниках, расположенных рядом:
а - ток разного направления в обоих проводниках; б - ток одинакового направления в обо­их проводниках.

Если провод, обтекае­мый токами высокой ча­стоты, свернуть в кольцо или спираль, то плотность тока внутри кольца увели­чивается, что также при­водит к неравномерности распределения тока по се­чению проводника. Свер­тывание проводника в кольцо увеличивает плот­ность тока на частях провода, расположенных ближе к центру кольца.

Это явление - кольцевой эффект - представляет не меньший практический интерес, чем явление бли­зости, и поэтому его следует учитывать. В случае соле­ноидных индукторов для нагрева цилиндрических тел наличие кольцевого эффекта явно видно на фиг. 1.

---

Источник: "Практика индукционного нагрева в кузнечном производстве" Беляев Н.В.