感应加热基本原理

首先，一个铜线圈（通常是螺线管，但不完全），在它内部有一个大的，时 变的电流，这个电流通过加在线圈上的时变电压产生 （通常是通过施加正弦波的 形式）。然后此电流会创建一个随时间变化的磁场 （对于螺线圈来说，H N1），这 将产生一个时变的磁通（B H ）。如果一个导体放在磁场中，那么它周围就会产生电压。（E , BA ）。dt如果导体是个闭环，感应电压会在导体的外部产生循环的电流。VR jX由于这是一个交流系统，肯定会有阻抗的补偿：如果是直流系统，磁通变化 率（）将会是0,所以就不会有感应电流产生。dt最后，这个产生的电流会在工件中产生I2R的损失，可以有效地使这种加热途径成为一种电阻加热方法，albeit with the current flowing at right angles to that of direct resista nee heati ng（也就是围绕着钢坯而不是顺沿着钢坯）。通过考虑在管状金属薄片中的电流流量，已经知道了感应加热工作的基本原 理，我们将要观察的是当感应加热一个固体工件时的感应电流。这个问题的答案是一个相当复杂的数学问题，并且深入的研究它会很浪费时间。因此，我将提供一个简单的描述，来告诉你磁场以及电流是怎么样在要加热 的材料上工作的，之后便是解析答案。这种方法就避免了矢量积分，贝塞尔函数 等复杂问题。为了避免讨论磁通的返回路径和最终影响，我们把一个半无限大的平板作为加热对象，只是通过在它上面的无限大的电流 2-diamentional sheet来加热它。 这个图表示的是无限部分中有限的一部分。代表工作头的电流层左右（x方向）、前后（z方向）无限延伸。在y方向上没有占用所有的空间。代表工件的半无限大的平板在 z方向和x方向上也是无限延伸的，但在 y 方向上是从0到负无穷。为了观察电流的去向，我们可以把这个同性质的平板分割成一系列的薄片。先考虑顶层。它有一个随时间变化的磁场，作用在它上面的是 H?0 cos（ t）。 这也会产生一个大小为JoCOS（ t ）的电流密度。这个相位移动（滞后）是由于 顶层产生的电磁场和流过它的电流引起的自感产生的。在平板中的电流密度会产生一个相反的磁场，记为Hi。平板的阻抗和自感应会减弱电流的作用，并且加强磁场，所以 Hi小于H。现在考虑下面的部分。这个部分可以看做是 Hi + Ho的矢量和，是一个弱磁 场。在它内部会产生一个减弱了的电流密度 J1 cos( t 1)。这个衰减的电流密 度产生一个磁场H2。下面的第三层是一个由H。、Hi和H2适量合成的磁场，也就是一个进一步 衰减的磁场，它会产生一个更小的电流密度，而且随着y轴的延伸磁场会越来越 弱。这种效应，也就是表面效应，意味着磁场或是加热的影响集中在工件的表面。由此可见，让每层薄片的厚度趋于 0,并通过解差分方程，可列在x方向的 磁场，z方向的电流和x方向的磁通表达式如下：Hx(y) Hx(0) y.Jz(y) Jz(0) J cos( t y )x(y) x(0)也就是他们都是这种形式的：y cos( t )这是一个相位可变的周期震荡函数和一个指数衰减函数的乘积。cos( t y ) 周期震荡函数(注意是可变相位)。这里假设流经铜线圈的地电流时正弦的。 一般来讲，这是一种小小失真的情 况。当讨论到如何将铜线圈连接到励磁电路时，我们会更清楚产生这种情况的原 因。这些条件只适用于半无限板，所以他们不能直接应用。然而，他们很简单， 而且大多数电磁加热理论是基于他们的。方程的最重要部分是条件。这是表面的纵深，或是穿透的深度，是电流值下降到表面值i/e的深度。通过对穿透深度方程的观察，可以看出，加热深度是电阻率、渗透率和频率 的函数。由于工件的电阻率和渗透率是由工件自己决定的， 所以控制电流渗透到 工件深度的唯一方法就是改变频率。这就是为什么感应加热系统分为三个不同的 频段：主频一一用于加热大的金属工件(气缸等)中频用于加热小一点的钢坯和钢带一 15mn以下射频用于表面加热或是非常小的工件。尽管在射频磁场下电流可以产生到材料的表面，但是射频感应加热器也能用于加热，它可以通过热传导来加热材料。 这就限制了材料加热的速率，而且过高 的能量会使表面融化但里面才刚刚温和。另一个在方程要注意的是在震荡期间的相移。由于y方向位置的下降，电流、 H场和磁通会变得更加迟缓。在平板中的总电流(每单位长度)可以通过对电流密度从表面到负无穷的积 分得到，考虑到半无限轴，y。电流密度已被定义为：Jz(y) Jz(O)e cos( t y )Jz(O)是表面的电流密度。随着深度变化的电流相移会对积分有影响，其计算结果为：Jz(O)、2cos( t这个总电流，我可以认为是流经1个表面厚度 的电流。因此，随着半无限 平板的延伸，我们可以把y方向变成一个载有总电流的、厚度为的电流层。这只是一个定义，但是它相当的有用。最重要的一点是它允许定义表面的能量密度，而且从它可以得到一个等效电 路。到目前为止，我们已经得到了工件中的总电流Jz(O) 245，并且阐述了这个总电流可以一律地集中在材料的外表面如果这是正确的，那么表面的能量密度就能得到，通过公式所以，对于一个表面积是1m 1m的区域来说,1m, I 1m所以，用P i2r ,2P Jz（0）1 1m（电阻系数）72A 1m现在，我们已经知道工件的功率是工件表面电流的函数， 但这还没有和感应 加热真正的联系到一起：能量石通过磁场提供的，而不是直接相连的。为了把能量和铜线圈联系起来，还要考虑一个长的螺线管。铜线圈中总电流密度等于线圈电流乘以匝数再除以线圈长度。我们可以用上式替换功率中的Jo，得到PIcN、2（T）Wm2由此，我们可知功率和长螺线管中铜线圈的电流有关。如果我们考虑螺线管 中磁场NI 八 iH 0 Am这是和表面电流密度相等的。因此将 Ho替换到功率的公式中，得2P H RMS 2符号RMS弋表磁场的均方根值H 。V2为了表明工件性质对表面功率的影响， 现在列出三个例子，每个都通有相同 的磁场（100kAm 1）和频率（50Hz），但是渗透率和电阻系数不同。第一个例子是在室温下的软钢（低碳钢）。这种钢材低于居里点（720摄氏 度），在这一点铁磁性质会失效，因此磁铁不会吸附在它上面。这意味着低碳钢 的相对渗透率比较高。电气工程师会注意到这种钢材的渗透率比你期望的要低的 多，通常r要超过1000。这种差异可以解释为把给定的r看做是一个大信号量，把期望的r看做是一个小信号量。如果期望的r（ 1000）被代入到公式B H中，就可以得到73B 1000 410100 10124T在钢材的表面，磁场只有2T就能使钢材饱和。饱和的影响会减少增加的渗 透率。考虑到这种饱和作用，有效的相对渗透率将会降低一一也就是说大信号的增 加的渗透率被挪用了。20到50之间的有效值经常被应用到钢材的低频感应加热 领域。不论如何，为了得到表面功率，我们首先需要找到电流的渗透深度.50 410 7 50 22 200 10 90.0045m4.5mm替换表面深度到表面功率公式中P Hrms2(100 103)200 10 9 222kWm 22 0.0045要注意在到热钢比冷钢有更深的电流渗透度， 这是由电阻系数的增加和在居 里点渗透率的快速减少引起的。尽管热钢的电阻系数是冷钢的5倍多，但在钢中的损失却低很多，因为其中 有超过16倍的电流流过。记住材料中的总电流只是 H场的函数，所以电流时相 同的。阻抗等于电阻系数乘以长度除以面积， 所以如果渗透深度更小了，那么阻 抗和损失就会更咼。由此可以看出，在固定的磁场强度下，钢材在居里点以下比在居里点以上会 被加热的更快。这是一个普遍的结论，在制作一个感应加热系统时是应该考虑的。现在我们来看铜的负载，它的穿透深度是冷钢的两倍多。尽管导体的面积是 相同的，但是铜材每单位面积上的有效阻抗比冷钢小的多。 由此可见在相同的磁 场强度下，铜材的损失相对要小一些。当感应加热铜时，这可能会导致问题的出 现。从另一方面说，如果这个H场源（也就是工作头）也被看做是一个半无限平 板，始于工件半无限板结束的地方，那么对它的分析和对工件的分析一样是有效 的。由于在负载板表面的H场和场源板的表面的H场是等效的，所以前面的计算 均有效。H 0（工作头）H 0（工件）Almost in variably, the work-head is madeout of copper, although above 10MHz, the copper is silver plaited to in crease the surface con ductivity.在同一磁场强度下，在居里点以上或以下加热钢材的相对效率都可以计算出 来。效率=加热到负载的热量/总热量总热量-加热到负载的热量+加热到工作头的热量理论上的效率值为：222冷钢 E100%96%222 9.16热钢=89%冷铜=50%这些值是在假设工件的长和宽与工作头的长宽相等的条件下计算出来的。事实上，一个实际的工件的宽可能和实际工作头的宽相等， 但工作头的长度必须要 长一些，因为它是围绕在工件周围的。因此效率要比计算出来的要低。把表面深的的公式代入表面功率的公式中， 把之后得到的式子代入到效率的 计算公式中，把工作头和工件均考虑进去，最后可得出最接近的效率公式：Eff很容易得到如下结论：如果要有效地加热，你需要高导的铜线圈，和高电阻 的工件，如果工件具有较高的渗透性，那么效率还能得到提高当然，这里运用了很多假设，至少这个半无限平板模型是：这一结果表明, 你可以感应加热空气（电阻无限大）效率达 100%这显然并非如此。此外，此分析假设工作头是同一性质的电流层， 而不是有绝缘层分开的一系 列不相关的回转。这就意味着流经工作头的电流会减少，局部的电流密度会更高， 损耗也会增加。这是由于实际工作头电流路径的长度比实际工件电流路径的长度 更长而造成的。为了建立一个工作头和工件更好的模型（其中这个模型包括阻抗的损耗）， 我们可以通过考虑磁通量来建立一个等效的电路。我们首先要通过工件中的磁通量得到工件中的电磁场。如果我们从磁通密度开始的话，那么，一般形式为：-yB B0e cos（ t ）在这里，你可以改变材料的幅度和相位。如果假设材料是线性的，那么B H然后就可以用 H。代替Bo，并能够把磁通密度和所应用的H场联系起来。 磁通密度是空间磁通的变化率，由此可得到工件中的磁通，所以磁通就是空 间磁通密度的积分。所以，工件中的总磁通可以通过对半无限平板厚度的磁通密度的积分得到。H o cos( t4）（注意和总电流的相似度）有基本的电磁场定义可知，在铜线圈中的电磁场等于匝数乘以铜线圈中磁通随时间的变化率ddt当然，工件中的N=1，但是我们能通过把匝数代入到N中得到电压值所以，为了区别随时间变化的总磁通， 再乘以铜线圈的匝数，可以得到关于Nsin(工件中磁通的感应电压为)Vm4或者是用余弦的形式N 专cos( t)Vm4也就是说电压会与H场有45度的相移。如果我们假设一个长螺线管中H o 千Am 1，把H带进去得到：E 10_cos( t )Vm 1 20 ）2lR|oadD是围绕在工件周围通电路径的长度同样地，X|oadN221由于铜线圈可以近似为一个半无限平板，导体的厚度是电流表面深度的10倍，所以可以用同样的方式来定义等效电路的元器件。kcN221D， X coilkcN221观察等式可以看出，铜线圈的因数kc被包括在内了。这表明铜线圈是由相互 分离的线匝组成而不是一个性质同一的整体。kc的范围通常是到2,这取决于铜线圈的形状和空间位置。kc的最小值也是 最有效的值适用于线圈之间绝缘的矩形导体。如果是用圆柱形的绝缘管，效率会因导电区域的减少而有所损耗， 因为只有 管子的底部通有表面电流，所以正对工件的很大一部分没有电流。此外，该分析是假设铜线圈与工件是相接触的，并且线圈的直径要比穿透深 度大得多。如果线圈和工件不相接触，那么在线圈与工件的气隙中会有漏磁通。 这个漏 磁通会产生削弱线圈磁通量的电磁场，就像工件中的磁通和线圈中的磁通一样。我们可以把磁场H。看成是在不断的穿过空隙。在没有电离的情况下，空气的电阻系数是无穷大的。因此空气中磁场的穿透深度是无限大的，也就意味着H场在空气中的变化率为0。这就意味着密度H 0(coil )0(workpiece)有一个气隙的时候仍然成立。而且， Rc,Xc,Rw,Xw的等式也成立。但是, 我们现在不得不考虑气隙中的磁通量，它将对铜线圈的最终感应电压有影响。气隙中的磁通量能够根据B H得到gap0H 0 AgAg是气隙的面积，等于铜线圈减去工件面积之和闭合区域的面积。Ag(dcoii42workpiece通过气隙中磁通随时间的变化率可以得到线圈中气隙的电压值VgNN-(dtdt lgapNIcos( t) 0Ag)VgNsin(t)0Ag以正交的复合的交流形式VgN2I Ag也就是说气隙中产生的电压完全是无功部分， 即空气根本不会变热。阻抗可 以有分离电流产生的电压来得到。XgN2Agl尽管气隙产生的电压完全是无功部分，但它确实直接增加了线圈中的损耗， 因为它增加了工作头中电路路径的长度。因此，大气隙的感应加热系统比小气隙 的感应加热系统效率低得多。由于线圈中的总磁通量是由线圈中的电磁场产生的， 因此可以把等效的元器 件串联起来。因此我们得到一个线圈加热大负载的等效电路。