2 Индуктор
Нагревательный индуктор – специальная катушка индуктивности, рабочий орган установок индукционного нагрева (индукционных печей), применяемых для плавления металлов в них. Главным отличием индукционного нагрева от нагрева внешними источниками тепла (в печах и других нагревательных устройствах) является выделение тепла непосредственно в самом металле. При индукционном нагреве реализуется возможность значительной концентрации электрической энергии в небольшом объеме нагреваемого металла, что позволяет осуществлять нагрев с большой скоростью. Широкое применение индукционного нагрева для различных видов термообработки изделий требует проектирования специальных высокочастотных индукторов, служащих для концентрирования переменного электромагнитного поля в нагреваемых зонах.
Для проектирования и выбора остальной высокочастотной аппаратуры, например трансформаторов и конденсаторов, необходимо знать основные параметры индуктора: ток, напряжение и коэффициент мощности. Точный расчет этих величин при нагреве стальных деталей осложняется зависимостью удельного сопротивления и особенно магнитной проницаемости стали от температуры. Однако обычно достаточно определить средние (за время нагрева) параметры индуктор
Физическая сущность индукционного способа нагрева. Под индукционным нагревом понимается нагрев при бесконтактной передаче энергии в нагреваемое электропроводящее тело с помощью переменного электромагнитного поля, создаваемого индуктором.
Физические основы. Передача электрической энергии от индуктора к нагреваемому телу основана на законе электромагнитной индукции, а превращение ее в тепловую – на законе Джоуля-Ленца. В металлическом теле, помещенном внутрь индуктора (соленоида), через который пропускается переменный ток, изменяющееся магнитное поле вызывает появление ЭДС индукции
, …(2.1)
где ε и Ф – мгновенные значения ЭДС и магнитного потока соответственно. При синусоидальном изменении магнитного потока с частотой f эффективное значение индуктированной ЭДС будет равно
U = (2π/√2)∙fФm = 4,44∙fФm, (2.2)
где Фm – амплитудное значение магнитного потока. Индуктированные и циркулирующие в поверхностных слоях тела вихревые токи вызывают его нагрев. Поэтому значение и характер распределения выделяющейся мощности в нагреваемом теле зависят от его электромагнитных свойств (электрического сопротивления и магнитной проницаемости), а наличие электропроводящих свойств материала тела является обязательным условием индукционного нагрева.
Поверхностный эффект. Явление неравномерного распределения переменного электрического тока по сечению проводника, когда плотность тока у его поверхности оказывается выше, чем в глубине проводника, называют поверхностным эффектом (или скин-эффектом). Явление поверхностного эффекта органически присуще переменному току и имеет место во всех случаях протекания переменного тока по проводнику, независимо от того, вызвано оно приложением к проводнику внешней (сторонней) ЭДС или приложением внешнего магнитного поля. При пропускании переменного тока металл проводника находится в переменном магнитном поле, которое индуктирует в нем противо-ЭДС. Наибольшая противо-ЭДС индуктируется в центре проводника, который охватывается полным магнитным потоком. Чем ближе к поверхности проводника, тем слабее магнитное поле, а, следовательно, меньше противо-ЭДС. Существование этой силы равноценно появлению в проводнике некоторого добавочного сопротивления, носящего название индуктивного сопротивления цепи. Встречая в центре проводника наибольшую противо-ЭДС или наибольшее индуктивное сопротивление, ток будет стремиться пройти по пути наименьшего сопротивления и вытеснится к поверхности проводника. Таким образом, плотность тока будет уменьшаться от поверхности проводника к его оси. Неравномерность распределения тока по сечению проводника будет тем больше, чем толще проводник и выше частота тока.
Описанные превращения энергии электромагнитного поля дают возможность
1) передать электрическую энергию индуктора в нагреваемый объект, не прибегая к контактам (в отличие от печей сопротивления)
2) выделить тепло непосредственно в нагреваемом объекте (так называемая «печь с внутренним источником нагрева» по терминологии проф. Н. В. Окорокова [3]), в результате чего использование тепловой энергии оказывается наиболее совершенным и скорость нагрева значительно увеличивается (по сравнению с так называемыми "печами с внешним источником нагрева").