Физические основы индукцинного нагрева

Метод индукционного нагрева основан на использовании следующих законов и явлений:

1) закон электромагнитной индукции;

2) поверхностный эффект;

3) эффект близости;

4) изменение свойств стали в процессе нагрева.

При использовании метода индукционного нагрева приходится также считаться с наличием и других явлений, вызывающих своеобразие распределения токов в индукторе и нагреваемой детали. B одних случаях они могут быть полезными, в других - вредными.

1.1 Закон электромагнитной индукции

Для метода индукционного нагрева значение электромагнитной индукции состоит, прежде всего, в возможности передать электромагнитную энергию в нагреваемый объект, не прибегая к контактам. Применение контактов значительно осложняет процесс и в ряде случаев приводит к невозможности его осуществления (например, поверхностная заколка шеек коленчатых валов, деталей сложной формы и т.п.).

Индуктированная в контуре электродвижущая сила (э.д.с.) может быть определена на основании закона электромагнитной индукции:

,

где – мгновенное значение э.д.с. (В),

- полное число потокосцеплений контура, состоящего из ω витков и пронизываемого магнитным потоком Ф, измеряется в веберах (Вб).

Приведенное выражение для числа потокосцеплений Ф справедливо, если магнитные потоки всех витков одинаковы, что соблюдается во многих интересующих нас случаях с достаточной точностью.

Если зависимость потока Ф от времени близка к синусоидальной, можно для действующего значении э.д.с. написать

где Ф - амплитуда магнитного потока (Вб),

f – частота [Гц]

Тогда мощность можно определить из выражения:

Из уравнения (1) видно, что мощность P при прочих равных условиях пропорциональна частоте. Поэтому при повышении частоты увеличивается энергия, выделяющаяся в том же самом объеме, т.е. увеличивается ее концентрация. Именно этим и объясняются малые размеры и вес высокочастотных трансформаторов, а также применение более высоких частот при нагреве малых деталей.

1.2 Поверхностный эффект

Поверхностный эффект является основой метода индукционного нагрева. Он выражается в неравномерном распределении тока по сечению проводника, при котором наибольшая плотность тока наблюдается у одной из поверхностей проводника.

Рассмотрим поверхностный эффект на примере падения плоской электромагнитной волны на полуограниченное металлическое тело с плоской поверхностью. Будем считать, что размеры поверхности и глубина тела бесконечны, а его физические свойства - магнитная проницаемость и удельное сопротивление - постоянны во всех точках. Этот весьма идеализированный случай, тем не менее, очень важен для рассмотрения электромагнитных явлений в реальных проводниках при ярко выраженном поверхностном эффекте.

При решении задачи исходными уравнениями являются основные уравнения электромагнитного поля, впервые полученные Максвеллом и носящие его имя. B общем случае эти уравнения имеют вид:

rotH= δ + dD/dt

rotE = - dB/dt.

Где, µH - магнитная индукция;

D= - электрическая индукция;

µ0 - магнитная проницаемость вакуума;

µ- относительная магнитная проницаемость;

ε0- диэлектрическая проницаемость вакуума;

ε - относительная диэлектрическая проницаемость;

δ - плотность тока проводимости.

Р

Рисунок 1.1 - Пояснение к решению уравнений электромагнитного