感应加热原理感应加热原理.doc

1感应加热原理 MichaelFarady于1831年建立的电磁感应定律说明，在一个电路围绕的区域内存在交变磁场时，电路两端就会产生感应电动势，当电路闭合时则产生电流。这个定律同时也就是今天感应加热的理论基础[2]。 感应加热方式是通过感应线圈把电能传递给被加热的金属工件，然后电能再在金属工件内部转化为热能，感应线圈与金属工件并非直接接触，能量是通过电磁感应传递的，因而，我们把这种加热方式称为感应加热[6]。感应加热所遵循的主要原理是：电磁感应、透入深度、集肤效应、临近效应与圆环效应。 1.1电磁感应与感应加热 感应加热技术是依靠两种能量的转换过程以达到加热目的，即焦耳热效应和磁滞效应。第一种是非磁性材料如铝、铜、奥氏不锈钢和高于居里点（即磁衰变温度）的碳钢产生热量的唯一途径，也是铁磁性金属（如低于居里点温度的碳钢）中主要产热途径。对于铁磁性金属材料，感应发热的一少部分来源于磁滞损耗。磁滞发热可以这样来解释，磁滞现象是由分子（或称磁性偶极子）之间的磨擦力导致的[9]；当铁磁性金属被磁化时，磁性偶极子可以看成是小磁针，它随着磁场方向变化(即交流电的变化)而转动，这种来回转动所引起的发热，就是磁滞发热。交流电频率越高，磁场变化就越快，单位时间内产生出的热量也就越多。 焦耳热效应是由涡流损耗产生的。涡流损耗和焦耳的表达式和直流电、交流电的能量消耗公式相同。和其它电流一样，涡流也必须有一个闭合回路。假设该电路中电压为V，电阻为R，电流为I，由欧姆定律V＝IR。电势降低时，电能就转变成热能。这种电能的转化过程类似于机械运动过程中势能的转化。势能转化过程是由于在重力作用下，物体由高处向低处落下时发生的。电势降低时产生热，其关系式可以由P=I2R给出。在这里，应注意：产生的是热功率，即单位时间内的热功。 感应加热实质是利用电磁感应在导体内产生的涡流发热来达到加热工件的电加热，它是依靠感应器通过电磁感应把电能传递给被加热的金属，电能在金属内部转变为热能，达到加热金属的目的。以加热圆柱形工件为例，感应加热的原理图如图1-1所示： 如下图，当感应线圈上通以交变的电流i时，线圈内部会产生相同频率的交变磁通φ，交变磁通φ又会在金属工件中产生感应电势e，同时当磁场内磁力线通过待加热金属工件时，交变的磁力线穿透金属工件形成回路，在其横截面内产生感应电流，此电流称为涡流（亦称傅科电流）[8]。 图1-1电磁感应加热原理 根据MAXWELL电磁方程式，感应电动势的大小为： e=－N *（dφ/dt） （1-1） 式中N是线圈匝数，假如φ是按正弦规律变化的，则有： φ=Φmsinωt （1-2） 那么可得到感应电动势为： e=－NΦmωcost （1-3） 因此感应电动势的有效值为： E=(2πfNΦm)/ √2=4.44NfΦm （1-4） 由此可见，感应加热是靠感应线圈把电能传递给要加热的金属，然后电能在金属内部转变为热能。感应线圈与被加热金属并不直接接触，能量是通过电磁感应传递的。另外需要指出的是，感应加热的原理与一般电气设备中产生涡流以及涡流引起发热的原理是相同的，不同的是在一般电气设备中涡流是有害的，而感应加热却是利用涡流进行加热的[8]。这样，感应电势在工件中产生感应电流（涡流）i，使工件加热。其焦耳热为： Q=0.24I2Rt （1-5） 式中，Q：电流通过电阻产生的热量（J）； I：电流有效值（A）； R：工件的等效电阻（Ω）； T：工件通电的时间（S）。 由式(1-4)可以看出，感应电势和发热功率与频率高低和磁场强弱有关。感应线圈中流过的电流越大，其产生的磁通也就越大，因此提高感应线圈中的电流可以使工件中产生的涡流加大；同样提高工作频率也会使工件中的感应电流加大，从而增加发热效果，使工件升温更快[13]。另外，涡流的大小还与金属的截面大小、截面形状、导电率、导磁率以及透入深度有关。由此可以看出感应加热的加热过程是电磁感应过程和热传导过程的综合体现，电磁感应过程具有主导作用，它影响并在一定程度上决定着热传导过程。热传导过程中所需要的热能是由电磁感应过程中所产生的涡流功率提供的。 1.2透入深度与集肤效应 1.2.1透入深度 透入深度的规定是由电磁场的集肤效应而来的。电流密度在工件中分布是从表面向里面衰减，其衰减大致呈指数规律变化。工程上通常这样规定的，当导体电流密度由表面向里面衰减到数值等于表面电流密度的1/e（约0.368）倍时，该处到表面的距离δ称为电流透入深度。因此可以认为交流电流在导体中产生的热量大部分集中在电流透入深度δ内[10][12]。 透入深度δ可用下式来表示： δ=56.4 √（p/urf） (mm) （l-6） 式中，p：导