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中频电磁感应正火及感应加热发生器基本原理

附录A.1中频电磁感应正火基本原理

A.1.1感应加热原理是通过仿形感应线圈，发生器为感应线圈产生交变的电流，从而线圈产生交变的磁场，再利用交变磁场在工件上产生涡流达到加热的效果。通过改进电磁感应系统设计，能同时进行双股钢轨同时感应正火。改进循环水冷却系统，实现恒水温持续不间断感应正火。改进感应线圈开合结构，实现感应线圈快速拆装。参见图A.1.1-1所示。

图A.1.1-1感应加热原理图

A.1.2说明：

紫色圆环代表线圈，红色圆环为工件（例如钢管、铁轨等），在线圈中施加交变电流后，可在工件上产生感应电流，进而使工件发热。

在工程应用时，为了提高加热效率，有如下几个基本要素：

1需要较高的频率，常为数千赫兹以上

2需要很大的线圈电流，常为数百安培至数千安培

3加热功率和温度需要按照一定的热处理工艺进行控制

4线圈需要根据工件的形状、不同的工艺设计形状和圈数

感应加热的原理：当交变电流通入感应圈时，感应圈内就会产生交变磁通，使感应圈内的工件受到电磁感应电势，设工件的等效匝数为，则感应电势：

（A.1.2-1）

如果磁通是交变的，设，则

（A.1.2-2）

工程上常用有效值简化计算：

用代入（f为频率），且正弦波的峰值为有效值的1.414倍，则有效值为：

（A.1.2-3）

感应电势E在工件中产生感应电流使工件内部开始加热，其焦耳热为：

（单位卡）（A.1.2-4）

焦耳热公式是：

（1焦耳＝0.24卡）

式中：

——感应电流有效值（安）；

R——工件电阻（欧）；

t——时间（秒）。

感应加热（加热工件表面）与燃气加热，电阻炉加热等其它的加热方式不同，它把电能直接作用于工件上，使工件发热。而其它的加热方式是通过热传导、热辐射等间接的方式使工件发热。因此感应加热的效率更高，能量密度大，可控性好。

感应电势和发热功率不仅与频率和磁场强弱有关，而且与工件的截面大小、截面形状等有关，还与工件本身的导电、导磁特性等有关。

金属中产生的加热功率为：

（A.1.2-5）

其中：

R为工件的等效电阻。

由于工件的等效电阻R不仅与工件材质的电导率成反比，还与工件的截面大小、截面形状等有关，在交变电流下，还与导磁特性有关，在高温下，还与电阻温度系数、磁导率与温度的关系有关。

由此可见，感应发热功率与很多因素有关，它们主要有：

1频率

2线圈圈数和宽度

3施加在线圈上的电流大小

4工件截面积和形状

5工件材质的电磁特性及温度系数特性

在感应加热设备中存在着三个效应——集肤效应、近邻效应和圆环效应。

集肤效应：当交变电流通过导体时，沿导体截面上的电流分布是不均匀的，最大电流密度出现在导体的表面层，这种电流集聚的现象称为集肤效应。

近邻效应——当两根通有交流电的导体靠得很近时，在互相影响下，两导体中的电流要重新分布。当两根导体流的电流是反方向时，最大电流密度出现在导体内侧；当两根导体流的电流是同方向时，最大电流密度出现在导体外侧，这种现象称为近邻效应。

圆环效应：若将交流电通过圆环形线圈时，最大电流密度出现在线圈导体的内侧，这种现象称为圆环效应。

感应加热电源就是综合利用这三种效应的设备。在感应线圈中置以金属工件，感应线圈两端加上交流电压，产生交流电流，在工件中产生感应电流，此两电流方向相反，情况与两根平行母线流过方向相反的电流相似。当电流和感应电流相互靠拢时，线圈和工件表现出邻近效应，结果，电流集聚在线圈的内侧表面，电流聚集在工件的外表面。这时线圈本身表现为圆环效应，而工件本身表现为集肤效应。

交变磁场在导体中感应出的电流亦称为涡流。工件中产生的涡流由于集肤效应，沿横截面由表面至中心按指数规律衰减，工程上规定，当涡流强度从表面向内层降低到其数值等于最大涡流强度的1/e，该处到表面的距离△称为电流透入深度。由于涡流所产生的热量与涡流的平方成正比，因此由表面至芯部热量下降速度要比涡流下降速度快的多，可以认为热量大部分集中在厚度为△的薄层中。透