Эффект близости

а - одинаково направленные токи; б – встречно направленные токи.

Рисунок 1.3 - Картина магнитного поля и распределения тока при эффекте близости.

Из рисунка 1.3 видно, что наибольшая напряженность поля в системе с однонаправленными токами наблюдается у внешних поверхностей проводников, а в системе с противоположно направленными токами у внутренних поверхностей.

Очевидно, что главная часть электромагнитной энергии, поглощаемой проводником, поступает в него из зоны сильного поля, в связи, с чем там будет расположена и зона с наибольшей плотностью тока, как-то показано на рисунке 1.3 (здесь и далее глубина зачерненного слоя пропорциональна плотности тока).

Распределение тока по глубине подчиняется разобранным выше закономерностям поверхностного эффекта. Сам эффекта близости представляет собой разновидность поверхностного эффекта и состоит в концентрации тока в определенных зонах поверхности проводников в результате суммарного взаимодействия электромагнитных полей всех проводников с током, входящим в рассматриваемую систему.

Используя эффект близости, можно подбором соответствующей формы индуктора концентрировать нагрев в определенных частях поверхности обрабатываемой детали. Например, если индуктор представляет собой

кольцо, охватывающее нагреваемую деталь, то в детали индуктируется ток, путь которого имеет также кольцевую форму. Ток концентрируется в полосе, по ширине мало отличающейся от ширины индуктора.

Эффект близости проявляется тем сильнее, чем меньше расстояние между проводниками и чем сильнее проявляется поверхностный эффект, т. е. чем больше отношение толщины проводника к глубине проникновения тока.

He следует смешивать перераспределение тока в проводнике при эффекте близости с электродинамическими взаимодействиями между проводниками. Проводники с одинаково направленными токами притягиваются друг к другу, а с встречно направленными - отталкиваются.

Используя эффект близости, можно подобрать соответствующей формы индуктора концентрировать нагрев в определенных частях поверхности обрабатываемого тела.

Эффект близости проявляется тем сильнее, чем меньше расстояние между проводниками и чем сильнее проявляется поверхностный эффект, то есть чем больше отношение толщины проводника к глубине проникновения тока.

На рис. 2.2 приведена картина магнитного поля индуктора, внутрь которого помещен металлический цилиндр. Ток в индукторе вследствие кольцевого эффекта и эффекта близости сосредоточен на его внутренней поверхности, в большей её части с почти равномерной плотностью, которая несколько увеличивается к углам привода. Это объясняется тем, что нити тока, лежащие на углах провода, охвачены меньшим магнитном потоком, чем находящиеся в средней части, и в нитях индуктируется меньшая противо э.д.с, чем в нитях, расположения в средней части провода.

Рисунок 2.2 Магнитное поле индуктора, внутрь которого помещена нагреваемая деталь

Наоборот в цилиндре ток протекает именно под воздействием э.д.с, наведенной в цилиндре. Эта э.д.с тем больше, чем больше магнитный поток, связанный с рассматриваемой кольцевой нитью тока. Из картины поля видно, что с наибольшим магнитным потоком связаны нити тока, расположенные в средней плоскости индуктора, где и наблюдается максимальный накал (поверхностная плотность) тока. За пределами индуктирующего провода индуктированный ток быстро спадает. Таким образом, ток, индуктированный в цилиндре, сосредоточен в полосе, ширина которой мало отличается от ширины индуктора. Будем считать, что ширина этой полосы, называемой активной, приблизительно равна ширине индуктора.

С ростом температуры нагрева стальных деталей удельное сопротивление ρ возрастает и выше 1000˚С достигает своего максимального значения.

Магнитная проницаемость в интервале 600-700˚С почти не зависит от температуры, но при дальнейшем её повышении резко падает и достигает минимального значения, равного магнитной проницаемости вакуума (μ=1).

Для практических расчетов глубину проникновения δ тока в металл вычисляют по упрощенным формулам: для стальных деталей при температуре 15˚С

и при температуре 760єС

для меди при температуре 15єС

где δ- глубина проникновения тока, мм; f- частота тока, Гц.

Из приведенных в табл.2.1 данных следует, что с повышением температуры нагрева металла глубина проникновения тока растет и достигает наибольшего значения при температуре потери магнитных свойств точки Кюри.

Для большинства сталей магнитные превращения протекают в интервале критических температур 765-780˚С, при которых магнитная проницаемость резко падает и становится равной единицы. После потери сталью магнитных свойств с образованием аустенита глубина проникновения тока резко возрастает.

Таблица 2.1 Глубина проникновения тока в металл при различных частотах

Наибольшее значение глубины проникновения тока называют горячей глубиной проникновения и обозначают δ_гор.

Приближенно она может быть определена по упрощенной формуле

Зная зависимость глубины проникновения тока от температуры, процесс индукционного нагрева стали можно представить по следующей схеме.

В первый момент начинается нагрев стали в тонком поверхностном слое, равном глубине проникновения тока в холодный металл. После потери этим слоем магнитных свойств глубина проникновения тока возрастает и нагревается слой, расположенный глубже, повышение температуры в первом нагретом слое замедляется.

После потери магнитных свойств вторым слоем начинается быстро нагреваться третий слой и т.д. Пределом роста глубины проникновения тока является горячая глубина проникновения.

Повышение температуры в слое горячей глубиной проникновения происходит за счет индуктированных токов, а в более глубоких слоях –в основном за счет теплопроводности..

Индукционными установками называют элек­тротермические устройства, предназначенные для индукционного нагрева или плавки тех или иных материалов. Под индукционной установкой понимают весь комплекс устройств, обеспечивающих осуществление электротермического процесса (включая источ­ники питания, устройства автоматики и управления, комплек­тующее оборудование, токоподводы, некоторые вспомогательные устройства и т. п.). Под индукционной печью обычно понимают часть индукционной установки, включающую индуктор, каркас, камеру для нагрева или плавки, вакуумную систему, механизмы наклона печи или перемещения нагреваемых изделий в пространстве и т. п.

Индукционной плавильной установкой называют индук­ционную установку, в которой нагреваемый материал (металл, полупроводник, огнеупорный материал) доводится до плавления, т. е. меняет свое агрегатное состояние в процессе нагрева. В индук­ционной нагревательной установке конечная темпе­ратура нагрева всегда ниже температуры плавления материала. Важнейшим элементом любой индукционной печи является индуктор, представляющий собой проводник или систему проводников определенной конфигурации, подключаемый к внеш­нему источнику переменного тока и предназначенный для дистан­ционного (бесконтактного) наведения в нагреваемом изделии пере­менного электромагнитного поля и электрического тока, разогре­вающего изделие. Индуктор обычно навивается из провода в виде одно- или многовитковой катушки, поперечное сечение которой определяется размерами и конфигурацией нагреваемых изделий. Семи изделия, помещенные в индуктор и подвергаемые индук­ционному нагреву, принято называть загрузкой.

Рис. 1. Общая принципиальная схема индукционной установки

Для компенсации реактивной мощности индуктора используют группу силовых конденсаторов, соединенных между собой, как правило, параллельно, и оформленных в отдельный конструктив­ный узел, который принято называть конденсаторной батареей.

Индуктор, соединенный токоподводом с конденсаторной батареей, образует силовой колебательны и кон­тур индукционной установки. Упомянутый токоподвод, выпол­няемый обычно в виде пакета шин и кабелей (контурные токи могут составлять несколько десятков тысяч ампер), иногда назы­вают короткой сетью установки, по аналогии с корот­кой сетью дуговых печей.

Важное значение в практике индукционного нагрева имеют также понятия потребляемой и установленной мощности установки, и также настила тока в индукторе. Потребляемая активная мощность индук­ционной установки представляет собой сумму активных мощностей, потребляемых из сети всеми агрегатами, аппаратами и приборами, входящими в комплект индукционной установки, для обеспече­ния нормального технологического процесса.