感应加热原理

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：导体材料的电阻率（Ω·cm）；

ur：导体材料的相对磁导率（H/m）；

f：电流频率（Hz）。

由式（l-6）可以看出，材料的电阻率p，相对磁导率μr确定以后，透入深度δ仅与频率的平方根成反比，因此它可以通过改变频率来控制。频率越高，工作的透热厚度就越薄，这种特性在金属热处理中得到了广泛的应用，如淬火、热处理等。

1.2.2集肤效应

当交变电流I通过导体时，在它所形成的交交磁场作用下，导体内会产生感应电动势。由于越近中心的感应电动势越大，导体中心的电流便趋向表面，电流从表面向中心呈指数规律衰减，如图1-2所示，这种现象称为集肤效应或表面效应[10]。

钢铁材料在加热过程中，其电阻率随温度升高而增大(在800～900℃范围内多种钢材的电阻率值基本相同)；在失磁点(居里点)以下，磁导率值基本不变，但到达失磁点时，突然降为真空的磁导率(µ0=4π×10-7H/m)，因此，当温度到达失磁点时，涡流透入深度显著增大。超过失磁点的涡流透入深度称为热态涡流透入深度δ热（δ热=500/ √f），反之称为冷态涡流透入深度δ冷，δ冷可按公式1-6求出。显然，前者比后者大许多倍，如图1-3所示。因此在快速加热条件下，即使向工件输入较大功率时，表面也不易过热。当失磁的高温层超过热态涡流透入深度时，加热层深度的增加主要靠热传导进行，效率低[10]。

图1-2高频电流的表面效应

图1-3钢件感应加热时冷态和热态的涡流分布曲线

1.3临近效应与圆环效应

1.3.1临近效应

相邻两导体通以交流电流时，由于电流磁场的相互作用，导体上的电流将重新分布，表现为：两导体通有大小相等、方向相反的交流电流时，电流在两导体内侧表面层流过；当两导体通有大小相等、方向相同的交流电流，电流在两导体的外侧流过。这种现象称为邻近效应[12]。

如图1-4所示，A、B为两根通有方向相同交流电的导线，由于两导线邻近，A导线上的电流所产生的磁力线切割了B导线，由于bl、b2与导线A的距离不同，且d1>d2，显然bl所铰链的磁力线多于b2，故bl处比b2处的感生电动势大，又因为互感电动势与原电动势（即导线A上的电动势）方向相反，也与导线B的原电动势方向相反，其结果使导线B的总电动势减小，而bl处总电动势减小比b2处的总电动势减小值大，所以b2处的电流大于bl处电流。如果A、B距离很近、电流足够大、频率足够高，B导体上的电流全部在b2附近的导线外侧流过。A导线的电流也由于B导线电流磁场的作用重新分布，亦在导线外侧流过，导线外侧电流密度比内侧大。同理，两电流方向相反时，导线内侧电流密度较外侧的大。导体之间的距离越小，邻近效应越强烈，电流频率越高，邻近效应也越强烈。在设计感应器时充分利用邻近效应，能明显提高感应加热的效率[12][18]。

图1-4 临近效应原理

1.3.2圆环效应

如果将交流电流通过圆环形导体或螺旋线圈时，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。圆环效应的产生原理可以解释为两半圆环的导线，一端连在一起，另外两端通入大小相等、方向相反的交变电流所产生的邻近效应。在实际应用中，使用感应器内环加热工件，温升速度快、效率高[26]。

1.4透入式加热和传导式加热

1.4.1透入式加热

当感应线圈刚刚接通电流，工件温度开始明显升高前的瞬间，涡流在零件中的透入深度是符合冷态分布式 1-6 的。由于越趋近工件表面涡流强度越大，因此表面升温也越快。当表面出现己超过失磁温度的薄层时，加热层就被分成两层：外层的失磁层和与之毗连的未失磁层。失磁层内的材料导磁率μ的急剧下降，造成了涡流强度的明显下降，从而使最大的涡流强度出现在失磁层和未失磁层的交界处。涡流强度分布的变化，使两层交界处的

升温速度比表面的升温速度更大，因此使失磁层不断向纵深移动，零件就这样得到逐层而连续的加热，直到热透深度δ热为止。这种加热方式称为透入式加热[8]。

1.4.2传导式加热

当失磁的高温层厚度超过热态的涡流透入深度δ靠在厚度为δ

热后，继续加热时，热量基本上是依

热的表层中析出，而在此层内越靠近表面，涡流强度和所得到的能量越大。

同时，由于热传导的作用，加热层的厚度将随时间的延长而不断增大。当零件的加热层厚度远远大于材料在该电流频率下热态的涡流透入深度时，那么这种加热层就是主要依靠热传导方式获得的，其加热过程及沿截面的温度分布特性与用外热源加热（如在炉内加热或火焰加热）的基本相同，为热传导加热方式[8]。

1.2纵向磁场中带钢感应加热

利用纵向磁场感应加热时，薄带钢是被封闭线圈围绕。当交变电流通过围绕工件的线圈时，会产生一个变化的磁场。这个变化的磁场与带钢中心轴线(带钢纵向方向)相平行，同时变化的磁场在被加热材料中产生涡流，根据欧姆定律，电阻使电能转化为热能，从而加热材料。由于集肤效应的作用，涡流的流动方向垂直于磁场方向，并趋于工件的表层，钢板上下部的电流方向是相反的（如图1-5）[10][11]。

图1-5纵向磁场感应加热线圈与工件位置

从加热效率的角度看，纵向磁场的加热效率随频率提高而增加，并趋于一极限值，在频率低于一定值时，效率将急剧下降。从能量分布方面看，纵向磁场较易于做到温度的均匀分布，而横向磁场则比较难，在静止状态下的加热则更困难。据苏联资料介绍，静止状态下的薄板不能采用此种感应加热，在对带材的连续加热时，边缘温度往往过高，有时可达30%左右[29]。