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。

扩展资料：

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。

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。

参考资料来源：百度百科——感应加热

1.电磁感应原理
1831年，英国物理学家faraday发现了电磁感应现象，并且提出了相应的理论解释。其内容为，当电路围绕的区域内存在交变的磁场时，电路两端就会感应出电动势，如果闭合就会产生感应电流。
利用高频电压或电流来加热通常有两种方法：
（1） 电介质加热：利用高频电压（比如微波炉加热）
（2） 感应加热：利用高频电流（比如密封包装）
2．电介质加热（dielectric heating）
电介质加热通常用来加热不导电材料，比如木材。同时微波炉也是利用这个原理。原理如图1：

图1 电介质加热示意图
当高频电压加在两极板层上，就会在两极之间产生交变的电场。需要加热的介质处于交变的电场中，介质中的极分子或者离子就会随着电场做同频的旋转或振动，从而产生热量，达到加热效果。
3．感应加热（induction heating）
感应加热原理为产生交变的电流，从而产生交变的磁场，再利用交变磁场来产生涡流达到加热的效果。如图2：

图2 感应加热示意图

基本电磁定律：
法拉第定律：
安培定律：
其中： ，
如果采用MKS制，e的单位为V，Ø的单位为Wb，H的单位为A/m，B的单位为T。
以上定律基本阐述了电磁感应的基本性质，
集肤效应：
当交流的电流流过导体的时候，会在导体中产生感应电流（如图3），从而导致电流向导体表面扩散。也就是导体表面的电流密度会大于中心的电流密度。这也就无形中减少了导体的导电截面，从而增加了导体交流电阻，损耗增大。工程上规定从导体表面到电流密度为导体表面的1/e＝0.368的距离δ为集肤深度。
在常温下可用以下公式来计算铜的集肤深度：
式（1）

图3 涡流产生示意图
从以上可以看到，如果增大电流和提高频率都可以增加发热效果，是加热对象快速升温。所以感应电源通常需要输出高频大电流。
参考文献：fundalmentals of power electronics, R.W.Erickson（讲义）
TPIH2500 Textbook Tetra Pak Technical Training Centre
三 感应加热电源常见框图结构和控制方法
1．感应加热电源常见框图

图1 直流调功方式
图1为感应加热电源的框图，在电网输入情况下，先输入整流，通常用不控整流桥整流，然后用DC/DC变换器直流变换，常见的为buck，boost电路，接着为逆变，通常采用半桥或全桥逆变，而且为了电气隔离，会加入高频变压器。最后部分为LC滤波器，输出接近正弦波的电流。在要求PFC下，直流变换部分通常为PFC级，如果不要求，该级也可以省掉。

图2 逆变调功方式
2．各种控制方法的比较
感应加热电源的调功方式通常分为直流调功和逆变调功。
图1为一种直流调功方式，通过调节DC/DC变换器的输出电压来调节感应加热电源的输出功率。也有采用输入可控整流来调节功率。直流调功可以大范围调节功率，而且功率调节的线性比较好。但是必须在逆变桥前级加可控电路。而且在需要加入功率因素校正的时候，直流调功就较难实现了。
图2为逆变调功方式，逆变调功可以分为三类：
1） 频率调制（PFM）
频率调制的方法就是调节逆变开关管的开关频率，从而改变输出阻抗来达到调节输出功率的目的。这种调功方式比较常用，优点是调节方法比较简单，而且较容易实现软开关。但是，功率调节线性不好，而且调节范围不大。
2） 脉冲密度调制（PDM）
PDM就是通过控制脉冲密度，从而控制输出平均功率，来达到控制功率的目的。这种控制方法较容易实现，但是由于是间断加热，所以加热效果不好。
3） 脉冲宽度调制（PWM）
PWM通过调节逆变开关管的一个周期内导通时间来调节输出功率。这种方法等同普通开关电源的调制方法，调节线性好，范围大，但是不容易实现软开关。
当然，感应加热的负载通常会随着工作条件的改变而改变特性。这样就会要求电源要监视负载的变化，从而进行调整，比如采用频率跟踪等方法。

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。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。
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中频感应加热：是一种将工频50hz
交流电转变
为中频（300hz以上至20k
hz）
的电源装置，把三相工频交流电，整流
后变成直流电
，再把直流电变为可调节的中频电流
，供给由电容和感应线圈
里流过的中频交变电流，在感应圈中产生高密度的磁力线，并切割感应圈里盛放的金属材料，在金属材料中产生很大的
涡流。
这种涡流同样具有中频电流的一些性质，即，金属自身的自由电子在有电阻的金属体里流动要产生热量
。例如，把一根金属圆柱体放在有交变中频电流的感应圈里，金属圆柱体没有与感应线圈直接接触，通电线圈本身温度已很低，可是圆柱体表面被加热到发红，甚至熔化，而且这种发红和熔化的速度只要调节频率大小和电流的强弱就能实现。如果圆柱体放在线圈中心，那么圆柱体周边的温度是一样的，圆柱体加热和熔化也没有产生有害气体、强光污染环境。
中频感应加热优点：
●加热速度快，氧化脱炭少
由于中频感应加热的原理为电磁感应，其热量在工件内自身产生，由于该加热方式升温速度快，所以氧化极少，加热效率高，工艺重复性好。
●加热均匀，温控精度高
感应加热易实现加热均匀，芯表温差小的要求。应用温控系统可实现对温度的精确控制。
●低耗能、无污染
感应加热与其它加热方式相比，加热效率高、能耗低、无污染；各项指标均可满足用户要求。透热条件下，由室温加热到1100℃的耗电量小于360

（1）感应加热的原理 感应加热的原理就是遵循电磁感应、集肤效应、热传导三个基本原则。 感应加热用一个模拟的单匝短路次级线圈来说明。以援助体加热的方式为例，工件和感应器的组合可以看做事一台具有多匝初级线圈（感应器线圈）和单匝短路次级线圈（圆柱体工件）的变压器，初级线圈和次级线圈彼此间由较小的空气间隙隔开。通电时在工件内将产生频率相同、方向与感应器中相反的感应电流，即涡流。当电流频率较高时，由于表面效应的作用，使涡流集中在工件表面，产生“集肤效应”。 感应电流密度从加热工件的表面志中心是逐渐降低的，而电流的频率越高，降低的比率也越大。电流密度的这种降低率也取决于被加热材料的电阻率和相对磁导率两个物理量。表示感应电流的分布随透入深度而变化以及控制电流分布的因素，电流密度大约降到表面电流密度值的三分之一处得深度即为“集肤深度”。 工程上规定，从表面到电流为I/e（e=2.718）处得深度为电流透入深度△。 经计算证明：86.5%的热量产生于深度为△的薄层内。 （2）感应加热的四个效应和导磁体的“驱流”作用 ①表面效应：当交变电流流过导体时，电流密度沿着导体截面的分布是不均匀的。 ②邻近效应：高频电流通过两个相邻导体时，若电流方向相反，电流从两导体的内侧流过；若电流方向相同，电流则从两导体的外侧流过。这这种现象称为邻近效应。 ③环流效应：高频电流流过环形导体时吗，最大电流密度分布在环形导体的内侧，这种现象称为环流效应。 ④尖角效应：当感应器与工件之间的间隙相同时，工件的尖角处易集中磁感应线，而使感应电流密度过打，以致在工件的尖角处产生过烧，这种现象称为尖角效应。 ⑤导磁体的“驱流”作用：感应加热表面淬火时，环流消音使高频电流密集在感应器内侧，对工件外表面的加热不利。但对工件内孔加热时，感应器的效率低，为此，往往在感应器上放置导磁体，将电流“驱”向感应器的外侧，因此，导磁体的实质是改变磁感应线方向。 一般高频常用的导磁体为铁氧体。中频常用的导磁体为硅钢片或软铁状的导磁体。