Загальні відомості. Індукційне нагрівання поширене у таких технологічних операціях: плавлення (топлення) металів, нагрівання металів перед пластичною деформацією чи

Індукційне нагрівання поширене у таких технологічних операціях: плавлення (топлення) металів, нагрівання металів перед пластичною деформацією чи термообробленням, зварювання та паяння, плавлення напівпровідників, нагрівання газів (плазми).

Індукційне нагрівання – спосіб нагрівання провідникових матеріалів (провідників першого та другого роду), який базується на поглинанні електромагнітної енергії змінного електромагнітного поля, що збуджується (утворюється) змінним струмом, який проходить по обмотці індуктора.

Енергія електромагнітної хвилі індукує в системі "індуктор–тіло" активну і реактивну енергію. Вектор поверхневої густини потоку електромагнітної енергії визначається вектором Умова–Пойтинга:

де – комплекс напруженості електричного поля; – спряжений комплекс напруженості магнітного поля.

Якщо амплітуда напруженості магнітного поля біля поверхні провідного тіла дорівнює , то активна і реактивна потужності, що виділяються у тілі, можуть бути визначені за такими формулами:

– для нагрівання плити з провідного матеріалу питомі поверхневі потужності

(кВт/м²),

(квар/м²),

де – напруженість магнітного поля, що припадає на одиницю довжини індуктора; – кількість витків індуктора, що припадає на одиницю довжини індуктора; , – функції, що залежать від відносної товщини плоского тіла (плити) , – товщина плити, що нагрівається; – глибина проникнення струму у плиту;

– для нагрівання циліндричної садки питомі погонні потужності

(кВт/м²),

(квар/м²),

де – діаметр циліндричної садки; , – функції, що залежать від відносного радіуса циліндра .

Значення , , , наведені на рис. 5.1, а , , , – за рис. 8.2.

Глибина проникнення струму розраховується за формулою

,

де – питомий опір матеріалу; – колова частота струму; (Гн/м) – абсолютна магнітна проникність матеріалу виробу.

У більшості матеріалів питомий електричний опір зростає зі збільшенням температури і його можна розрахувати за такою формулою:

,

де – питомий опір при t₀ =0⁰C; – температурний коефіцієнт опору; – температура тіла.

Рис. 5.1. Функції , і для плити

Рис. 5.2. Функції , і для циліндра

Магнітна проникність залежно від температури змінюється інакше у магнітних і немагнітних матеріалів:

– для немагнітних матеріалів відносна магнітна проникність =1 в цілому діапазоні температур.

– у феромагнітних матеріалів стрибкоподібно знижується від високого початкового значення до одиниці після досягнення температури Кюрі (табл.5. 1.)

Таблиця 5.1.

Температура Кюрі деяких речовин

Глибина проникнення струму у феромагнітних матеріалів змінюється після досягнення температури Кюрі (Тк). На рис. 5.3.а і б наведені залежності зміни питомого опору, магнітної проникності та глибини проникнення струму залежно від температури.

Рис. 5.3. Залежність питомого опору , магнітної проникності і глибини проникнення струму від температури: а – не феромагнітні матеріали; б – феромагнітні матеріали.

Глибина проникнення струму залежить також від частоти : зі зростанням частоти глибина проникнення струму зменшується. Динаміку зміни залежить від частоти можна простежити за даними табл. 5.2.

Оцінюючи вплив частоти струму на характер нагрівання тіла, можна зробити висновок, що глибина проникнення струму зі збільшенням частоти зменшується у разів, а питома поверхнева потужність зростає у разів.

Крім наведених вище особливостей (поверхневий ефект, зміна властивостей матеріалів) спостерігаються й інші явища, серед яких

– ефект близькості,

– кільцевий ефект,

– ефект виникнення електродинамічних сил у тілі, що нагрівається.

Таблиця 5.2.

Глибина проникнення , 10^{-3 м}

Параметр	Метал
Сталь	Мідь	Латунь	Алюміній
Температура, 0С
Питомий електричний опір , Ом·м	10·10-8	130·10-8	2·10-8	10·10-8	7·10-8	14,7·10-8	2,9·10-8	11,3·10-8
Відносна магнітна проникність,
Частота , Гц	2,8 0,64 0,4 0,22 0,07 0,05 0,04	85,5 19,0 12,0 6,7 2,21 1,55 1,20	9,5 2,1 1,34 0,75 0,35 0,16 0,13	23,5 5,1 3,3 1,8 0,55 0,39 0,32	18,7 4,2 2,57 1,48 0,45 0,32 0,26	27,4 6,1 3,86 2,16 0,66 0,47 0,39	12,0 2,7 1,7 0,95 0,31 0,21 0,17	24,0 5,4 3,4 1,7 0,60 0,42 0,34

Природа ефекту близькості така ж, як у поверхневого ефекту. Він зумовлений витисканням струму з поверхні провідника, якщо поряд розташований інший провідник зі струмом. Наприклад, струми в індукторі і у садці знаходяться у протифазі, тому тут спостерігається ефект близькості при зустрічному спрямуванні струмів (рис. 5.4,а). Тоді струми витісняються до наближенних між собою поверхонь. Те саме спостерігається при зустрічному спрямуванні струмів у коаксіальних трубах (рис. 5.4.б). Підбираючи бажану форму індуктора можна зосередити енергію на потрібних ділянках нагрівного тіла. При однаково спрямованих струмах найбільша густина струму спостерігається на зовнішніх, віддалених поверхнях провідників (рис.5.4.в).

При розрахунку площі поперечного перерізу провідників індукторів необхідно враховувати кільцевий ефект, внаслідок якого найбільша густина струму спостерігається на внутрішніх боках витків індуктора (рис. 5.4. г і д).

Електродинамічні явища виникають внаслідок взаємодії струму індуктора зі струмом, що індукується у тілі садки. Вони можуть бути корисні, наприклад при перемішуванні рідкого металу, і шкідливі, коли при великих зусиллях руйнуються індуктори чи здійснюється непередбачене технологією переміщення металу.

Коефіцієнт потужності ,

де – відповідно активна і реактивна потужності,що виділяються у матеріалі садки (плиті, циліндрі).

Рис. 5.4. Розподіл змінного струму у поперечному перерізі провідників: а – при зустрічному спрямуванні струмів; б – у коаксіальних трубах при зустрічних струмах; в – при однаково спрямованих струмах; г – кільцевий ефект у одновитковій котушці; д – у багатовитковій котушці.

Якщо , а для циліндрів , то функції і набувають однакового значення і коефіцієнт потужності

.

Для порівняно тонких плит і циліндрів

Питомі погонні втрати потужності у циліндричному індукторі розраховуються так само як у садці, з врахуванням коефіцієнта заповнення :

(кВт/м²),

(квар/м²),

де – питомий опір матеріалу індуктора; – висота витка індуктора; – крок навивки витків індуктора, – середній діаметр індуктора.

Величина та визначають за графіками рис. 5.1.

Коефіцієнт корисної дії системи "індуктор-нагрівне тіло" визначається

Коефіцієнт корисної дії і коефіцієнт потужності зменшуються зі збільшенням проміжку між садкою (деталлю) і індуктором та зі зменшенням – коефіцієнта заповнення індуктора.