感應(yīng)加熱原理

1、Page 1感應(yīng)加熱原理感應(yīng)加熱原理2我國(guó)感應(yīng)加熱在工業(yè)上的運(yùn)用，起步于20世紀(jì)50年代，在機(jī)床制造、紡織機(jī)制造、汽車、拖拉機(jī)工業(yè)等有些運(yùn)用最早，當(dāng)時(shí)的感應(yīng)加熱技術(shù)，絕大有些來自前蘇聯(lián)，少有些來自捷克、比利時(shí)等國(guó)家。50年代末，我國(guó)已克己出電子管式高頻電源與機(jī)械式中頻發(fā)電機(jī)，感應(yīng)熔煉、感應(yīng)透熱、淬火、介質(zhì)加熱等各種設(shè)備與技術(shù)相繼在工業(yè)上得到運(yùn)用。60年代后，各個(gè)有些、公司在自給自足精神鼓舞下，研制出晶閘管中頻電源，改進(jìn)了電子管式高頻電源，并計(jì)劃、制造了各種型式的淬火機(jī)床，其典型構(gòu)造已匯編入原機(jī)械部第六計(jì)劃院的淬火機(jī)床圖集算計(jì)55種。對(duì)外開放以來，經(jīng)過出國(guó)考察、進(jìn)口設(shè)備、引入技術(shù)等多種途徑，工業(yè)

2、發(fā)達(dá)國(guó)家的現(xiàn)代感應(yīng)加熱技術(shù)逐步進(jìn)入了我國(guó)工業(yè)的各個(gè)有些，使感應(yīng)加熱這一節(jié)能、高效、自動(dòng)化、高重現(xiàn)性、環(huán)保的技術(shù)更有效地得到運(yùn)用。感應(yīng)加熱發(fā)展過程感應(yīng)加熱發(fā)展過程3現(xiàn)在，感應(yīng)加熱電源在中頻頻段首要選用晶閘管，超音頻頻段首要選用IGBT，而在高頻頻段，因?yàn)镾IT存在高導(dǎo)通損耗等缺熱電源一般飛功熱風(fēng)率較大對(duì)功率器材、無源器材、電纜、布線、接地和屏蔽等均有很多特殊要求。因而，完成感應(yīng)加熱電源高頻當(dāng)?shù)丶訜犭娫吹陌l(fā)展。從電路的視點(diǎn)來思考感應(yīng)加熱電源的大容量化，可將大容量化技能分為兩大類:一類是器材的串、并聯(lián)；另一類是多橋或多臺(tái)電源的串、并聯(lián)。在器材的串、并聯(lián)方法中，有必要仔細(xì)處理串聯(lián)器材的均壓?jiǎn)栴}和并聯(lián)器

3、材的均流問題，因?yàn)槠鞑闹谱骷寄芎蛥?shù)的離散性，約束了器材的串、并聯(lián)數(shù)目，且串、并聯(lián)數(shù)越多，設(shè)備的牢靠性越差。多臺(tái)電源的串、并聯(lián)技能是在器材串、并聯(lián)技能基礎(chǔ)上進(jìn)一步再容量化的有用手段，借助于牢靠的電源串、并聯(lián)技能，在單機(jī)容量恰當(dāng)?shù)那闆r下，可簡(jiǎn)單地經(jīng)過串、并聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)方法得到大容量設(shè)備，每臺(tái)單機(jī)僅僅設(shè)備的一個(gè)單元。4感應(yīng)加熱電源逆變器主要有并聯(lián)逆變器和串聯(lián)逆變器，串聯(lián)逆變器輸出可等效為一低阻抗的電壓源，當(dāng)兩電壓源并聯(lián)時(shí)，相互間的幅值、相位和頻率不一樣或動(dòng)搖時(shí)將致使很大的環(huán)流，以至逆變器件的電流產(chǎn)生嚴(yán)峻不均，因此，串聯(lián)逆變器存在并機(jī)擴(kuò)容困難，而對(duì)并聯(lián)逆變器，逆變器輸入端的直流大電抗器可充任各并聯(lián)逆變器之

4、間的電流緩沖環(huán)節(jié)，使得輸入端的AG/DG或DG/DG環(huán)節(jié)有滿足的時(shí)刻來糾正直流電流的誤差，到達(dá)多機(jī)并聯(lián)擴(kuò)容，晶體管化超音頻、高頻電流多選用并聯(lián)逆變器構(gòu)造，并聯(lián)逆變器易于模塊化、大容量化是其間的一個(gè)主要原因。感應(yīng)加熱電源的負(fù)載對(duì)象各式各樣，而電源逆變器與負(fù)載是一有機(jī)的整體，一般采用匹配變壓器連接電源和負(fù)載感應(yīng)器，同時(shí),從電路拓?fù)渖峡梢杂萌裏o源元件代替二無源元件，以取消變壓器,實(shí)現(xiàn)高效、低成本匹配。5關(guān)于鐵磁性金屬材料，感應(yīng)發(fā)熱的一少部分來源于磁滯損耗。磁滯發(fā)熱能夠這么來解說，磁滯現(xiàn)象是由分子（或稱磁性偶極子）之間的磨擦力致使的；當(dāng)鐵磁性金屬被磁化時(shí)，磁性偶極子能夠看成是小磁針，它隨著磁場(chǎng)方向改變

5、(即交流電的改變)而滾動(dòng)，這種來回滾動(dòng)所導(dǎo)致的發(fā)熱，即是磁滯發(fā)熱。交流電頻率越高，磁場(chǎng)改變就越快，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生出的熱量也就越多。焦耳熱效應(yīng)是由渦流損耗發(fā)生的。渦流損耗和焦耳的表達(dá)式和直流電、交流電的能量消耗公式相同。和其它電流相同，渦流也必須有一個(gè)閉合回路。假定該電路中電壓為V，電阻為R，電流為I，由歐姆定律VIR。電勢(shì)下降時(shí)，電能就轉(zhuǎn)變成熱能。這種電能的轉(zhuǎn)化過程類似于機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程中勢(shì)能的轉(zhuǎn)化。勢(shì)能轉(zhuǎn)化過程是因?yàn)樵谥亓πЧ?，物體由高處向低處落下時(shí)發(fā)生的。電勢(shì)下降時(shí)發(fā)生熱，其關(guān)系式能夠由P=I2R給出。在這里，應(yīng)留意：發(fā)生的是熱功率，即單位時(shí)間內(nèi)的熱功。6由式(1-4)可以看出，感應(yīng)電勢(shì)和發(fā)

6、熱功率與頻率高低和磁場(chǎng)強(qiáng)弱有關(guān)。感應(yīng)線圈中流過的電流越大，其產(chǎn)生的磁通也就越大，因此提高感應(yīng)線圈中的電流可以使工件中產(chǎn)生的渦流加大；同樣提高工作頻率也會(huì)使工件中的感應(yīng)電流加大，從而增加發(fā)熱效果，使工件升溫更快13。另外，渦流的大小還與金屬的截面大小、截面形狀、導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率以及透入深度有關(guān)。由此可以看出感應(yīng)加熱的加熱過程是電磁感應(yīng)過程和熱傳導(dǎo)過程的綜合體現(xiàn)，電磁感應(yīng)過程具有主導(dǎo)作用，它影響并在一定程度上決定著熱傳導(dǎo)過程。熱傳導(dǎo)過程中所需要的熱能是由電磁感應(yīng)過程中所產(chǎn)生的渦流功率提供的。透入深度的規(guī)則是由電磁場(chǎng)的集膚效應(yīng)而來的。電流密度在工件中散布是從外表向里邊衰減，其衰減大致呈指數(shù)規(guī)則改變。工

7、程上一般這么規(guī)則的，當(dāng)導(dǎo)體電流密度由外表向里邊衰減到數(shù)值等于外表電流密度的1/e（約0.368）倍時(shí)，該處到外表的間隔稱為電流透入深度。7材料的電阻率p，相對(duì)磁導(dǎo)率r斷定今后，透入深度僅與頻率的平方根成反比，因而它可以通過改動(dòng)頻率來操控。頻率越高，作業(yè)的透熱厚度就越薄，這種特性在金屬熱處理中得到了廣泛的應(yīng)用，如淬火、熱處理等。當(dāng)交變電流I經(jīng)過導(dǎo)體時(shí)，在它所形成的交交磁場(chǎng)效果下，導(dǎo)體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。因?yàn)樵浇氐母袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)越大，導(dǎo)體基地的電流便趨向外表，電流從外表向基地呈指數(shù)規(guī)則衰減，如圖1-2所示，這種表象稱為集膚效應(yīng)或外表效應(yīng)。鋼鐵材料在加熱過程中，其電阻率隨溫度升高而增大(在80090

8、0范圍內(nèi)多種鋼材的電阻率值根本一樣)；在失磁點(diǎn)(居里點(diǎn))以下，磁導(dǎo)率值根本不變，但抵達(dá)失磁點(diǎn)時(shí)，突然降為真空的磁導(dǎo)率(0=410-7H/m)。8因而，當(dāng)溫度抵達(dá)失磁點(diǎn)時(shí)，渦流透入深度明顯增大。超過錯(cuò)磁點(diǎn)的渦流透入深度稱為熱態(tài)渦流透入深度熱（熱=500/ f），反之稱為冷態(tài)渦流透入深度冷，冷可按公式1-6求出。顯然，前者比后者大許多倍，如圖1-3所示。因而在快速加熱條件下，即便向工件輸入較大功率時(shí)，外表也不易過熱。當(dāng)失磁的高溫層超過熱態(tài)渦流透入深度時(shí)，加熱層深度的增加主要靠熱傳導(dǎo)進(jìn)行，功率低。相鄰兩導(dǎo)體通以溝通電流時(shí)，因?yàn)殡娏鞔艌?chǎng)的相互作用，導(dǎo)體上的電流將從頭散布，表現(xiàn)為：兩導(dǎo)體通有巨細(xì)持平、方

9、向相反的溝通電流時(shí)，電流在兩導(dǎo)體內(nèi)側(cè)外表層流過；當(dāng)兩導(dǎo)體通有巨細(xì)持平、方向一樣的溝通電流，電流在兩導(dǎo)體的外側(cè)流過。這種表象稱為鄰近效應(yīng)。9A、B為兩根通有方向一樣交流電的導(dǎo)線，因?yàn)閮蓪?dǎo)線附近，A導(dǎo)線上的電流所發(fā)生的磁力線切割了B導(dǎo)線，因?yàn)閎l、b2與導(dǎo)線A的間隔不一樣，且d1d2，明顯bl所鉸鏈的磁力線多于b2，故bl處比b2處的感生電動(dòng)勢(shì)大，又因?yàn)榛ジ须妱?dòng)勢(shì)與原電動(dòng)勢(shì)（即導(dǎo)線A上的電動(dòng)勢(shì)）方向相反，也與導(dǎo)線B的原電動(dòng)勢(shì)方向相反，其成果使導(dǎo)線B的總電動(dòng)勢(shì)減小，而bl處總電動(dòng)勢(shì)減小比b2處的總電動(dòng)勢(shì)減小值大，所以b2處的電流大于bl處電流。假如A、B間隔很近、電流足夠大、頻率足夠高，B導(dǎo)體上的電

10、流悉數(shù)在b2附近的導(dǎo)線外側(cè)流過。A導(dǎo)線的電流也因?yàn)锽導(dǎo)線電流磁場(chǎng)的效果從頭分布，亦在導(dǎo)線外側(cè)流過，導(dǎo)線外側(cè)電流密度比內(nèi)側(cè)大。同理，兩電流方向相反時(shí)，導(dǎo)線內(nèi)側(cè)電流密度較外側(cè)的大。導(dǎo)體之間的間隔越小，附近效應(yīng)越激烈，電流頻率越高，附近效應(yīng)也越激烈。在規(guī)劃感應(yīng)器時(shí)充分利用附近效應(yīng)，能明顯提高感應(yīng)加熱的功率。10當(dāng)感應(yīng)線圈剛剛接通電流，工件溫度初步明顯添加前的霎時(shí)間，渦流在零件中的透入深度是符合冷態(tài)散布式 1-6 的。由于越趨近工件表面渦流強(qiáng)度越大，因此表面升溫也越快。當(dāng)表面出現(xiàn)己超差錯(cuò)磁溫度的薄層時(shí)，加熱層就被分紅兩層：外層的失磁層和與之毗連的未失磁層。失磁層內(nèi)的材料導(dǎo)磁率的急劇降低，造成了渦流強(qiáng)度

11、的明顯降低，從而使最大的渦流強(qiáng)度出如今失磁層和未失磁層的交界處。渦流強(qiáng)度散布的改動(dòng)，使兩層交界處的升溫速度比表面的升溫速度更大，因此使失磁層不斷向縱深移動(dòng)，零件就這樣得到逐層而接連的加熱，直到熱透深度熱中止。這種加熱辦法稱為透入式加熱。當(dāng)失磁的高溫層厚度超過熱態(tài)的渦流透入深度熱后，繼續(xù)加熱時(shí)，熱量基本上是依靠在厚度為熱的表層中分出，而在此層內(nèi)越接近外表，渦流強(qiáng)度和所得到的能量越大。11一起，因?yàn)闊醾鲗?dǎo)的作用，加熱層的厚度將隨時(shí)刻的延伸而不斷增大。當(dāng)零件的加熱層厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于資料在該電流頻率下熱態(tài)的渦流透入深度時(shí)，那么這種加熱層即是首要依托熱傳導(dǎo)方法取得的，其加熱進(jìn)程及沿截面的溫度分布特性與用外熱

12、源加熱（如在爐內(nèi)加熱或火焰加熱）的根本相同，為熱傳導(dǎo)加熱方法。使用縱向磁場(chǎng)感應(yīng)加熱時(shí)，薄帶鋼是被封閉線圈環(huán)繞。當(dāng)交變電流經(jīng)過環(huán)繞工件的線圈時(shí)，會(huì)發(fā)生一個(gè)改變的磁場(chǎng)。這個(gè)改變的磁場(chǎng)與帶鋼基地軸線(帶鋼縱向方向)相平行，同時(shí)改變的磁場(chǎng)在被加熱資料中發(fā)生渦流，依據(jù)歐姆定律，電阻使電能轉(zhuǎn)化為熱能，然后加熱資料。因?yàn)榧w效應(yīng)的作用，渦流的活動(dòng)方向垂直于磁場(chǎng)方向，并趨于工件的表層，鋼板上下部的電流方向是相反的。12從加熱功率的視點(diǎn)看，縱向磁場(chǎng)的加熱功率隨頻率提高而增加，并趨于一極限值，在頻率低于一定值時(shí)，功率將急劇下降。從能量分布方面看，縱向磁場(chǎng)較易于做到溫度的均勻分布，而橫向磁場(chǎng)則比較難，在停止?fàn)顟B(tài)下的加熱則更艱難。據(jù)蘇聯(lián)材料介紹，停止?fàn)顟B(tài)下的薄板不能選用此種感應(yīng)加熱，在對(duì)帶材的接連加熱時(shí)，邊緣溫度通常過高，有時(shí)可達(dá)30%左右。13隨著社會(huì)的顯著發(fā)展，以及社會(huì)生活水平大幅度地提高，人們的生活素質(zhì)也有了明顯地提升，最重要是體現(xiàn)在我們環(huán)保意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，同時(shí)，這一改變，對(duì)于鋼絲加熱設(shè)備今后的發(fā)展，也有著很大的影響。感應(yīng)加熱設(shè)備應(yīng)用感應(yīng)加熱技術(shù)綠色節(jié)能的優(yōu)勢(shì)贏得了用戶，也贏得了市場(chǎng)，更重要的是電磁加熱技術(shù)也應(yīng)用到了越來越多的領(lǐng)域。最大程度地減少熱損失和能量損耗