Принципиальная схема индукционного нагрева

Индукционная высокочастотная установка представляет собой трансформатор, питаемый от генератора 1 токов высокой частоты. Первичной обмоткой трансформатора является индуктор 2, подключенный непосредственно к генератору или через понижающий трансформатор. Вторичной обмоткой является нагревае­мая деталь 3, которую можно считать одним короткозамкнутым витком. По первичной обмотке протекает ток высокой частоты, образующий переменное магнитное поле, которое наводит во вто­ричной обмотке ЭДС, вызывающую вихревые токи значительной плотности, нагревающие детали. Вихревые токи циркулируют в нагреваемой детали в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного потока. Если деталь из ферромагнитного материала, то она еще подвергается перемагничиванию и дополнительному нагреву из-за магнитного гистерезиса. Нагрев детали, вызванный магнитным гистерезисом, длится до тех пор, пока температура детали не достигает температуры, при которой вещество теряет магнитные свойства (точки Кюри). Выделяющееся в теле при возникновении вихревых токов количество тепла пропорциональ­но квадрату тока в данном участке проводника, т. е.

Q = I²Rτ, Дж,

где R — сопротивление проводника; т — время нагрева.

Рассмотрим индукционный нагрев тела, имеющего форму ци­линдра. Разобьем цилиндр на отдельные слои a и b одинаковой толщины Δ и высоты h. В этих слоях с радиусами r _а и r_b, представляющих короткозамкнутые витки, переменное магнитное поле возбуждает вихревые, токи.

Вихревые токи, протекающие в каждом из рассматриваемых слоев, создают собственные магнитные поля, направленные про­тив основного поля первичной обмотки, в результате чего возни­кает некоторое результирующее магнитное поле. Внутренняя часть детали охвачена большим количеством элементарных вих­ревых токов по сравнению с периферийной частью, поэтому ре­зультирующее собственное магнитное поле будет неравномер­ным — в центре большим, а на периферии — меньшим, во внеш­них слоях образуется сгущение потока магнитной индукции. Не­равномерность потока магнитной индукции еще более увеличива­ет неравномерность результирующей ЭДС по сечению детали, что в итоге приводит к тому, что результирующая ЭДС и плотность тока убывают от поверхности к центру по экспоненциальному за­кону.

Для немагнитных материалов и материалов, имеющих темпе­ратуру выше точки Кюри, относительная магнитная проницае­мость равна единице. Глубина проникновения δ возрастает с уве­личением удельного электрического сопротивления р (Ом*м) и уменьшается с увеличением частоты f (Гц) и относительной маг­нитной проницаемости материала μ. При частоте тока более 1 кГц можно получать тонкий нагретый слой, т. е. проводить по­верхностную термическую обработку изделия, а используя ток промышленной частоты (50 Гц), — сквозной прогрев изделия.

Форма и размеры индуктора зависят от геометрии нагревае­мого изделия. Индуктор изготавливают из медной трубки специ­ального профиля в виде цилиндрической спирали или плоских витков с короткими наклонными переходами между витками. Для охлаждения индуктора по нему пропускают воду.

КПД печи с индукционным нагревом определяется как отно­шение мощности выделяемой в металле, ко всей потребляемой мощности; т. е.

Электрический КПД системы индукционного нагрева увеличи­вается с уменьшением зазора между индуктором и нагреваемым изделием, а также с увеличением отношения удельных сопротив­лений нагреваемого изделия и материала индуктора р₂/ р₁ Элек­трический КПД возрастает также при увеличении отношения диаметра нагреваемого изделия к глубине проникновения тока (d₂/ δ₂), достигая максимума при d₂>10 δ₂.

В технике индукционного нагрева для получения токов опре­деленной частоты используют следующие типы генераторов (табл. ниже): электромашинные, ионные, тиристорные, искровые и ламповые.

Таблица Генераторы, применяемые для индукционного нагрева