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磁通变化率越大

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  电磁感应加热,或简称感应加热,是加热导体材料比如金属材料的一种方法。它主要用于金属热加工、热处理、焊接和熔化。

  顾名思义,感应加热是利用电磁感应的方法使被加热的材料的内部产生电流,依靠这些涡流的能量达到加热目的。感应加热系统的基本组成包括感应线圈,交流电源和工件。根据加热对象不同,可以把线圈制作成不同的形状。线圈和电源相连,电源为线圈提供交变电流,流过线圈的交变电流产生一个通过工件的交变磁场,该磁场使工件产生涡流来加热。

  姜土林 赵长汉编著,感应加热原理与应用,天津科技翻译出版公司,1993年02月第1版,第1页

  感应加热是一种相当新的工艺,它之所以获得应用,主要是由于它独特的性能。当迅速变化的电流流过金属工件时,便产生集肤效应,它使电流集中于工件表层,在金属表层上产生一个选择性很高的热源。法拉弟发现了集肤效应的这个优点,发现了电磁感应这个值得注意的现象。他也是感应加热的奠基者。感应加热不要求外部热源,而是利用受热工件自身作为热源,这个方法也不要求工件与能源即感应线圈接触。其他的性能,包括可以根据频率选择不同的加热深度,根据线圈耦合设计而得到精确的局部加热,以及很高的功率密集度,或者说很高的功率密度。

  适于感应加热的热处理过程应充分利用这些特性,并按下列步骤设计出完整的设备。

  首先,工艺要求必须与感应加热的基本特性相符。本章将叙述工件中的电磁效应、合成电流的分布和吸收的功率。根据感应电流产生的加热效应和温度效应,以及在不同的频率,不同的金属和工件形状下,温度的分布状况等这些知识,使用者和设计者,即可根据技术条件的要求决定其弃取。

  第二,感应加热的具体形式,必须按是否符合技术条件的要求而确定,还应广泛掌握应用和发展情况,感应加热主要的应用趋势。

  第三,感应加热的适宜性和最好的使用方法确定之后,便可设计出感应器和供电系统。

  感应加热中的许多问题,与工程上的一些基本感性知识很相似,一般都是来源于实践经验。也可以这样说,如果没有对于感应器形状、电源频率和受热金属热工性能的正确理解,就不可能设计出感应加热器或系统。

  感应加热的作用,在不可见的磁场影响下,与火焰淬火是一样的。例如,由高频发生器产生的较高频率(200000赫以上),一般能产生剧烈、快速和局部性的热源,相当于小而集中的高温气体火焰的作用。反之,中频(1000赫及10000赫)的加热效果,比较分散和缓慢,热量穿透较深,与比较大的和开阔的气体火焰相似。

  感应加热表面淬火是利用电磁感应原理,在工件表面层产生密度很高的感应电流,迅速加热至奥氏体状态,随后快速冷却得到马氏体组织的淬火方法,。当感应圈中通过一定频率的交流电时,在其内外将产生与电流变化频率相同的交变磁场。金属工件放入感应圈内,在磁场作用下,工件内就会产生与感应圈频率相同而方向相反的感应电流。由于感应电流沿工件表面形成封闭回路,通常称为涡流。此涡流将电能变成热能,将工件的表面迅速加热。涡流主要分布于工件表面,工件内部几乎没有电流通过,这种现象称为表面效应或集肤效应。感应加热就是利用集肤效应,依靠电流热效应把工件表面迅速加热到淬火温度的。感应圈用紫铜管制做,内通冷却水。当工件表面在感应圈内加热到一定温度时,立即喷水冷却,使表面层获得马氏体组织。

  式中:e——瞬时电势,V;Φ——零件上感应电流回路所包围面积的总磁通,Wb,其数值随感应器中的电流强度和零件材料的磁导率的增加而增大,并与零件和感应器之问的间隙有关。

  为磁通变化率,其绝对值等于感应电势。电流频率越高,磁通变化率越大,使感应电势P相应也就越大。式中的负号表示感应电势的方向与

  零件中感应出来的涡流的方向,在每一瞬时和感应器中的电流方向相反,涡流强度取决于感应电势及零件内涡流回路的电抗,可表示为:

  式中,I——涡流电流强度,A;Z——自感电抗,Ω;R——零件电阻,Ω;X——阻抗,Ω。

  对铁磁材料(如钢铁),涡流加热产生的热效应可使零件温度迅速提高。钢铁零件是硬磁材料,它具有很大的剩磁,在交变磁场中,零件的磁极方向随感应器磁场方向的改变而改变。在交变磁场的作用下,磁分子因磁场方向的迅速改变将发生激烈的摩擦发热,因而也对零件加热起一定作用,这就是磁滞热效应。这部分热量比涡流加热的热效应小得多。钢铁零件磁滞热效应只有在磁性转变点A2(768℃)以下存在,在A2以上,钢铁零件失去磁性,因此,对钢铁零件而言,在A

  感应加热频率的选择:根据热处理及加热深度的要求选择频率,频率越高加热的深度越浅。

  高频(10KHZ以上)加热的深度为0.5-2.5mm, 一般用于中小型零件的加热,如小模数齿轮及中小轴类零件等。

  中频(1~10KHZ)加热深度为2-10mm,一般用于直径大的轴类和大中模数的齿轮加热。

  工频(50HZ)加热淬硬层深度为10-20mm,一般用于较大尺寸零件的透热,大直径零件(直径300mm以上,如轧辊等)的表面淬火。

  感应加热淬火表层淬硬层的深度,取决于加热的厚度,而加热的厚度又取决于交流电的频率,一般是频率高加热深度浅,淬硬层深度也就浅。频率f与加热深度δ的关系,有如下公式:

  感应加热表面淬火具有表面质量好,脆性小,淬火表面不易氧化脱碳,变形小等优点,所以感应加热设备在金属表面热处理中得到了广泛应用。

  感应加热设备是产生特定频率感应电流,进行感应加热及表面淬火处理的设备。

  将工件放在用空心铜管绕成的感应器内,通入中频或高频交流电后,在工件表面形成同频率的的感应电流,将零件表面迅速加热(几秒钟内即可升温800~1000度,心部仍接近室温)后立即喷水冷却(或浸油淬火),使工件表面层淬硬。

  2、淬火后工件表层可得到极细的隐晶马氏体,硬度稍高(2~3HRC)。脆性较低及较高疲劳强度。

  3、经该工艺处理的工件不易氧化脱碳,甚至有些工件处理后可直接装配使用。

  现代感应加热电源正朝着大功率,高频化方向发展。这对现代电力电子器件来说是一个相当大的挑战。传统的方法是采用器件串并联的方式,但这存在器件之间均流均压闲难的问题,特别是当器件串并联很多时,则需要保证精确的同步信号,以避免器件之间的环流损坏电力电子器件。但在很多情况下这很难精确保证。特别是当串并联器件较多功率等级很大时,它的优良特性可有效地减少逆变桥并联之间的环流,通过参数设计可以均衡各桥的功率分配,降低器件的损耗,从而有效地解决了逆变桥并联中出现的一些问题,有利于感应加热电源多桥并联,提高输出功率和可靠性。

  LLC谐振负载最大的优点是有利于感应加热中的多机并联,它不需要在逆变器之间附加任何元件,即使各桥的信号延时角度很大也能保证系统止常工作,抑制各桥之间的环流,调节各逆变器的输出功率。

  随着感应热处理生产线自动化控制程度及电源高可靠性要求的提高,必须加强加热工艺成套装置的开发。同时感应加热系统正向智能化控制方向发展,具有计算机智能接口、远程控制和故障自动诊断,小型化,适合野外作业,高效节能等控制性能的感应加热电源系统正成为未来的发展目标。


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