Выходной Трансформатор Индукционного Нагрева

Индукционный нагрев – это электрический нагрев с применением электромагнитной индукции. Если поместить предмет из электропроводного материала внутрь катушки, по обмотке которой проходит переменный ток, во вложенном в полость катушки предмете переменным магнитным полем индуцируются вихревые токи. В сущности, речь идет о трансформаторе, в котором вторичной обмоткой является заготовка (обмотка, замкнутая накоротко), а первичной обмоткой является катушка, которая в индукционных нагревателях называется индуктором. Вихревые токи нагревают вложенный предмет (заготовку). Тепло к заготовке подводится переменным магнитным полем, а не градиентом температуры, как при непрямых нагревах, и возникает прямо в заготовке. Все остальное вокруг может быть холодным. Это значительное преимущество индукционного нагрева.

Тепло в заготовке не образуется равномерно по всему сечению. Напр.: при нагреве заготовки цилиндрической формы наибольшая плотность тока будет на поверхности, а к середине снижается приблизительно экспоненциально. Это явление называется скин-эффект.

jx = Jo e-kx

Глубина, в которой плотность тока снижается до значения Jo/e, т.е., на 0, 368 плотности на поверхности, называется глубиной проникновения δ

где:

  • ω = 2πf угловая частота, f - частота
  • ρ удельное сопротивление материала заготовки
  • µo проницаемость вакуума (4π x 10-7Hm-1)
  • µr удельная проницаемость материала заготовки.

На практике целесообразно это отношение откорректировать:

В поверхностном слое толщины одной глубины проникновения образуется 86, 5% всего тепла, в слое двух глубин проникновения δ 98%, в слое 3δ 99, 8 % (относится к цилиндру с диаметром более 8 δ).

Очевидно, что глубина проникновения зависит от частоты тока индуктора и от удельного сопротивления и относительной проницаемости материала заготовки при рабочей температуре заготовки.

Для наглядности приведем глубину проникновения меди и углеродной стали (мм):

С точки зрения эксплуатационных затрат представляет интерес эффективность нагрева. Приблизительно эффективность η можно оценить с помощью отношения

  • D внутренний диаметр катушки индуктора
  • d диаметр заготовки
  • δ глубина проникновения
  • ρ1 удельное сопротивление материала индуктора
  • ρ2 удельное сопротивление материала заготовки
  • µr относительная проницаемость материала заготовки.

Эффективность снижается с увеличением отношения D/d, потому что уменьшается связь магнитного поля индуктора с заготовкой. Поэтому не выгодно использовать один индуктор для большого диапазона диаметров заготовки. Эффективность снижается и при увеличении отношения δ/d. Низкое значение δ/d используется, например, для поверхностной закалки, при которой происходит быстрый процесс нагрева, а потом охлаждение тонкого поверхностного слоя.

частота [Hz] 50 500 1000 2000 4000 8000 10000 20000 50000
медь 40°C 10 3, 2 2, 3 1, 6 1, 1 0, 8 0, 7 0, 5 0, 3
сталь 1200°C 78 25 17, 5 12, 3 8, 6 6, 2 5, 5 3, 9 2, 5