感应加热

加热导体材料比如金属材料的一种方法

电磁感应加热，或简称感应加热，是加热导体材料比如金属材料的一种方法。它主要用于金属热加工、热处理、焊接和熔化。

工艺简介

感应加热是一种相当新的工艺，它之所以获得应用，主要是由于它独特的性能。当迅速变化的电流流过金属工件时，便产生集肤效应，它使电流集中于工件表层，在金属表层上产生一个选择性很高的热源。法拉弟发现了集肤效应的这个优点，发现了电磁感应这个值得注意的现象。他也是感应加热的奠基者。感应加热不要求外部热源，而是利用受热工件自身作为热源，这个方法也不要求工件与能源即感应线圈接触。其他的性能，包括可以根据频率选择不同的加热深度，根据线圈耦合设计而得到精确的局部加热，以及很高的功率密集度，或者说很高的功率密度。

适于感应加热的热处理过程应充分利用这些特性，并按下列步骤设计出完整的设备。

首先，工艺要求必须与感应加热的基本特性相符。本章将叙述工件中的电磁效应、合成电流的分布和吸收的功率。根据感应电流产生的加热效应和温度效应，以及在不同的频率，不同的金属和工件形状下，温度的分布状况等这些知识，使用者和设计者，即可根据技术条件的要求决定其弃取。

第二，感应加热的具体形式，必须按是否符合技术条件的要求而确定，还应广泛掌握应用和发展情况，感应加热主要的应用趋势。

第三，感应加热的适宜性和最好的使用方法确定之后，便可设计出感应器和供电系统。

感应加热中的许多问题，与工程上的一些基本感性知识很相似，一般都是来源于实践经验。也可以这样说，如果没有对于感应器形状、电源频率和受热金属热工性能的正确理解，就不可能设计出感应加热器或系统。

感应加热的作用，在不可见的磁场影响下，与火焰淬火是一样的。例如，由高频发生器产生的较高频率（200000赫以上），一般能产生剧烈、快速和局部性的热源，相当于小而集中的高温气体火焰的作用。反之，中频（1000赫及10000赫）的加热效果，比较分散和缓慢，热量穿透较深，与比较大的和开阔的气体火焰相似。

感应加热原理

原理

感应加热表面淬火是利用电磁感应原理，在工件表面层产生密度很高的感应电流，迅速加热至奥氏体状态，随后快速冷却得到马氏体组织的淬火方法，。当感应圈中通过一定频率的交流电时，在其内外将产生与电流变化频率相同的交变磁场。金属工件放入感应圈内，在磁场作用下，工件内就会产生与感应圈频率相同而方向相反的感应电流。由于感应电流沿工件表面形成封闭回路，通常称为涡流。此涡流将电能变成热能，将工件的表面迅速加热。涡流主要分布于工件表面，工件内部几乎没有电流通过，这种现象称为表面效应或集肤效应。感应加热就是利用集肤效应，依靠电流热效应把工件表面迅速加热到淬火温度的。感应圈用紫铜管制做，内通冷却水。当工件表面在感应圈内加热到一定温度时，立即喷水冷却，使表面层获得马氏体组织。

感应电动势的瞬时值为：

式中：e——瞬时电势，V；Φ——零件上感应电流回路所包围面积的总磁通，Wb，其数值随感应器中的电流强度和零件材料的磁导率的增加而增大，并与零件和感应器之问的间隙有关。

为磁通变化率，其绝对值等于感应电势。电流频率越高，磁通变化率越大，使感应电势P相应也就越大。式中的负号表示感应电势的方向与的变化方向相反。

零件中感应出来的涡流的方向，在每一瞬时和感应器中的电流方向相反，涡流强度取决于感应电势及零件内涡流回路的电抗，可表示为：

式中，I——涡流电流强度，A；Z——自感电抗，Ω；R——零件电阻，Ω；X——阻抗，Ω。

由于Z值很小，所以I值很大。

零件加热的热量为：

式中Q——热能，J；t——加热时间，s。

对铁磁材料（如钢铁），涡流加热产生的热效应可使零件温度迅速提高。钢铁零件是硬磁材料，它具有很大的剩磁，在交变磁场中，零件的磁极方向随感应器磁场方向的改变而改变。在交变磁场的作用下，磁分子因磁场方向的迅速改变将发生激烈的摩擦发热，因而也对零件加热起一定作用，这就是磁滞热效应。这部分热量比涡流加热的热效应小得多。钢铁零件磁滞热效应只有在磁性转变点A2(768℃)以下存在，在A2以上，钢铁零件失去磁性，因此，对钢铁零件而言，在A2点以下，加热速度比在A2点以上时快。

频率选择

感应加热频率的选择：根据热处理及加热深度的要求选择频率，频率越高加热的深度越浅。

高频（10KHZ以上）加热的深度为0.5-2.5mm, 一般用于中小型零件的加热，如小模数齿轮及中小轴类零件等。

中频（1~10KHZ）加热深度为2-10mm，一般用于直径大的轴类和大中模数的齿轮加热。

工频(50HZ)加热淬硬层深度为10-20mm，一般用于较大尺寸零件的透热，大直径零件（直径300mm以上，如轧辊等）的表面淬火。

经验公式

感应加热淬火表层淬硬层的深度，取决于加热的厚度，而加热的厚度又取决于交流电的频率，一般是频率高加热深度浅，淬硬层深度也就浅。频率f与加热深度δ的关系，有如下公式：

式中：f为频率，单位为Hz；δ为加热深度，单位为毫米（mm）。

具体应用

感应加热表面淬火具有表面质量好，脆性小，淬火表面不易氧化脱碳，变形小等优点，所以感应加热设备在金属表面热处理中得到了广泛应用。

感应加热设备

感应加热设备是产生特定频率感应电流，进行感应加热及表面淬火处理的设备。

表面淬火

将工件放在用空心铜管绕成的感应器内，通入中频或高频交流电后，在工件表面形成同频率的的感应电流，将零件表面迅速加热（几秒钟内即可升温800～1000度，心部仍接近室温）后立即喷水冷却（或浸油淬火），使工件表面层淬硬。

与普通加热淬火比较感应加热表面淬火具有以下优点：

1、加热速度极快，可扩大A体转变温度范围，缩短转变时间。

2、淬火后工件表层可得到极细的隐晶马氏体，硬度稍高（2～3HRC）。脆性较低及较高疲劳强度。

3、经该工艺处理的工件不易氧化脱碳，甚至有些工件处理后可直接装配使用。

4、淬硬层深，易于控制操作，易于实现机械化，自动化。

技术研究

现代感应加热电源正朝着大功率，高频化方向发展。这对现代电力电子器件来说是一个相当大的挑战。传统的方法是采用器件串并联的方式，但这存在器件之间均流均压闲难的问题，特别是当器件串并联很多时，则需要保证精确的同步信号，以避免器件之间的环流损坏电力电子器件。但在很多情况下这很难精确保证。特别是当串并联器件较多功率等级很大时，它的优良特性可有效地减少逆变桥并联之间的环流，通过参数设计可以均衡各桥的功率分配，降低器件的损耗，从而有效地解决了逆变桥并联中出现的一些问题，有利于感应加热电源多桥并联，提高输出功率和可靠性。

感应加热并联模块环流分析

LLC谐振负载最大的优点是有利于感应加热中的多机并联，它不需要在逆变器之间附加任何元件，即使各桥的信号延时角度很大也能保证系统止常工作，抑制各桥之间的环流，调节各逆变器的输出功率。

感应加热设备未来特性

随着感应热处理生产线自动化控制程度及电源高可靠性要求的提高，必须加强加热工艺成套装置的开发。同时感应加热系统正向智能化控制方向发展，具有计算机智能接口、远程控制和故障自动诊断，小型化，适合野外作业，高效节能等控制性能的感应加热电源系统正成为未来的发展目标。

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