Основные электромагнитные явления в процессе индукционного нагрева

Процессы индукционного нагрева реализуются в результате сложного многофакторного взаимодействия электромагнитного и температурного полей.

Основными компонентами системы индукционного нагрева являются индуктирующая обмотка (индуктор), чаще всего цилиндрической формы, источник питания переменного напряжения, нагреваемая заготовка, а также устройство компенсации реактивной мощности и систем охлаждения индуктора.

Взаимосвязанный характер явлений теплопередачи и распространения электромагнитных волн в процессе индукционного нагрева обусловливается существенной зависимостью физических свойств нагреваемого материала от интенсивности магнитного поля и температуры

При питании обмотки индуктора переменным током вокруг него создается переменное электромагнитное поле, параметры которого существенно зависят от частоты и величины питающего тока, геометрии обмотки и расстояния от индуктора.

Переменное магнитное поле возбуждает в заготовке, расположенной внутри индуктора, вихревые токи той же частоты, но противоположного направления, которые, в свою очередь, создают в заготовке свое магнитное поле, противоположно направленное магнитному полю индуктора. Вихревые токи создают в заготовке внутренние источники тепла, интенсивность которых определяется по закону Джоуля-Ленца.

Все металлы являются хорошими проводниками и обладают значительно меньшим электрическим сопротивлением по сравнению с другими материалами, но среди них, в свою очередь, можно выделить обладающие сравнительно меньшими или большими значениями (электрическое сопротивление). Электрическое сопротивление каждого металла изменяется в зависимости от температуры (как правило, увеличивается с ее возрастанием), химического состава, микроструктуры и других факторов.

Величина является важнейшим физическим свойством нагреваемого материала, влияющим практически на все основные параметры системы индукционного нагрева, включая толщину нагреваемого слоя, электрический к.п.д. установки, полное сопротивление системы «индуктор-металл» и другие факторы.

Способность металла проводить в большей степени, чем вакуум, магнитный поток или поток электрического поля определяется относительными величинами соответственно магнитной () и диэлектрической () проницаемости.

Именно величина в первую очередь определяет все основные особенности процесса индукционного нагрева, методику расчета индуктора и способы вычисления пространственно-временного распределения электромагнитного поля.

В зависимости от значения все материалы подразделяются на парамагнитные ( >0), диамагнитные ( <0) и ферромагнитные ( >>).

В первых двух случаях мало отличается от единицы, и в практике индукционного нагрева эти материалы называются немагнитными. К их числу относится алюминий, медь, титан, вольфрам и др.

Ферромагнитные свойства материала являются сложной функцией его микроструктуры, химсостава, частоты питающего тока, интенсивности магнитного поля и температуры. Температура, при которой ферромагнитный материал становится немагнитным, называется точкой (или температурой) Кюри.

Неравномерный характер распределения тока в индукторе и нагреваемой заготовке приводит к возникновению ряда эффектов, определяющих основные физические закономерности процесса индукционного нагрева.

1) Скин-эффект. В переменном электромагнитном поле индуктора максимальная плотность тока создается на поверхностях индуктирующего проводника и нагреваемого тела и уменьшается по направлению к их центрам. По этой причине вихревые токи возбуждаются, главным образом, лишь в поверхностном слое заготовки, где выделяется около 86% всей передаваемой ей энергии. Этот слой получил название глубины проникновения.

2) Эффект близости. За счет взаимодействия магнитных полей различных близлежащих проводников с токами искажается распределение тока и электромагнитной мощности по их поперечному сечению.

3) Кольцевой эффект. Распределение плотности тока по поперечному сечению прямого длинного проводника изменяется при его сворачивании в кольцо. Именно такую форму имеют витки обмотки цилиндрического индуктора.

4) Краевые эффекты. Основными факторами, приводящими к неравномерности температурного поля заготовок в процессе индукционного нагрева, являются существенные искажения электромагнитного поля на внешних поверхностях нагреваемых тел, называемые краевыми эффектами.