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导磁体在感应加热中的应用
作者: 发布日期:2018/09/29 关注次数:669

 感应加热中应用的导磁体,是从俄语的“marhtonpoboⅱ”一词翻译过来的,而在英文中则名为磁通集中器(magnetic flux concenfrator),或磁通控制器(magnetic fluxtr01)。由此顾名思义,导磁体如同输电系统中的导电体,电阻很小,易于电流通过相似,导磁体的磁阻很小,易于磁通通过;不仅如此,导磁体的作用还能够控制磁通的密度和方向,改变感应器中的电流分布,达到所需要的各种加热要求。

 

  一、导磁体的作用

 

  1.减少磁阻

 

    感应线圈流过交变电流时,在线圈四周产生交变磁场b,由此交变磁场在工件内产生感应电流,将工件加热,交变磁场的磁通形成闭合回路,称为。磁路围绕线圈如图1所示,闭合回路中的一部分进进工件内,其余部分则在空气隙中,相应的磁阻也是由两部分组成,工件中的磁阻rmw和空气隙中的反向回路的磁阻rmw。


    

图2

 

 

 

2. 矩形槽口作用

 

 

  感应器的导磁体通常在导体(铜管)的外侧放置,导磁体是开口的矩形槽(如图3所示)。由于磁性材料的槽口作用,磁场强度和电流密度都发生变化,如图4所示。

磁场强度h的分布按下式:

 

    h= im /b‧shγy/shγh

 

    导体中的电流密度.,j = -joγhchγy/shγh式中h——导体的厚度;b——导体的密度;

 

    γ——导电系数;

 

    im——导体中电流的幅值;

 

    j0逐一电流均匀分布时电流密度的幅值。 

    由图4可见,在槽口处的电流密度,为最大,向槽底呈双曲线衰减。

 

    由于导体的电流密集在正对工件处,即是缩小了感应器导体与工件之问的间隔,也就是减小了线圈与工件之间的间隙。

 

    在内孔感应加热和横向磁场平板感应加热中,利用槽口作用对电流密度分布的原理,加置导磁体,使线圈中的最大电流密度。驱向被加热表面的最近对面,缩小线圈电流与加热面之间的问隙,减小漏磁通,增加耦合,进步功率因素cosφ够和效率。

 3.集中和引导磁通的方向

    感应线圈建立的交变磁通的轨迹是沿着磁阻最小的方向流通,其分布面比较离散,如图5所示。

 离散的漏磁通产生某些并不希看的结果:在局部表面淬火加热时,钢制零件先处于低温铁磁性状态,在线圈四周的零件表面磁通量最大,首先被加热,当这部分温度超过居里点时,磁性消失,四周部分仍处于铁磁性状态,于是加热区逐渐扩大和加深,以致不需要淬火硬化的地方,也被加热、淬火。淬硬区的扩大,不符合零件的技术要求,假如邻近四周部分有沟槽,还会导致零件的裂纹。

    线圈加置导磁体以后,尽大部分磁通的轨迹是在导磁体内活动,并引导磁通流向需要加热的区域,如图6所示。

 

 

 

 4.屏蔽作用

  固定感应器的机架、底座等机构邻近感应器,受到磁回路中漏磁通的影响被加热,不仅增加了能量的消耗,还可能导致机架、底座等由于过热而无法正常工作。在感应器外侧加置导磁体,由于导磁体中的磁阻小,感应器外侧的磁通集中在导磁体中,对感应加热四周的装置可以起屏敝的作用,避免线圈邻近的器件被加热。例如在感应炉的外侧放置硅钢片叠成的轭铁有效地避免了机架的加热(图7所示)。

     图8是作者设计的多层螺旋感应器,图中2是矽钢片迭置的导磁体,由于导磁体的屏蔽作用,普通碳钢制的前后端板并未受到散磁通的感应而过热,能够长期正常工作。

二、导磁体的应用范围

  1.内孔表面加热

  管状的内孔表面加热的感应器,通常为放置在孔内的单匝或多匝环状线圈,如图9所示。

    图9导磁体槽口向外的内孔加热感应器线圈中的电流由于圆环效应的作用集中分布在线圈的内侧,而紧靠加热管壁的线圈外侧的电流密度几乎即是零。如图10所示,最大电流密度圆环内侧的中点m:

    由此可见,线圈铜管的载流部分与零件内表面之间的问隙增加了铜管宽度的一半,假如线圈与零件内表面的间隙δo=5mm,铜管的宽度b=10mm,由于圆环效应的作用,载流部分与内表面之问的间隙δ=δo b/2=10mm。实际问隙的增加,空气隙中的漏磁通也接近增加一倍。

 感应加热的效果包括加热温度、加热速度(加热时间),以及效率等取决于感应器一工件系统。所谓系统是指感应器结构以及感应器与工件之间的耦合。由变频电源加在感应器上的端电压产生的交变磁通有三个分量,即进人工件内部的φw,在感应器与工件之间的空气隙内的漏磁通φg以及穿过线圈导体的部分磁通φc,如图11所示。  

 

 

 

 

    漏磁通φg并不做功,使电磁能作用于空气隙中,导致感应器一工件系统的功率因数cos φ下降,q值升高,线圈上的视在电流ic增加,引起线圈的铜损增高,系统效率下降,加热速度减慢,加热时间延长,严重的甚至无法加热。

    缩小空气隙,减小漏磁通φg,使得感应器与工件之问耦合良好,是进步感应加热效率的主要方法之一。内孔加热感应器加装槽口导磁体,如图12所示,导磁体的槽口面对工件的内孔,线圈中的电流挤向槽口,邻近内孔表面,载流部分与内表面之间的间隙减少约b/2,空气隙的面积s大幅度减少,漏磁通φg =hs也随之减小,改善了耦合。由端电压产生的磁通φ,将有较多的量用于通过工什,加热工件,φg的下降,同时由反向磁路中磁阻的降低,cosφ,相应增高,线圈电流减少,效率升高,在相同的输出功率(u, i )条件下,明显地进步加热速度。

    在图13中,零件的内径,,idw=4.3cm,外径odw=6.4cm,内孔加热到居里点以上;采用螺旋线圈感应器,内径,idc=2.4cm,外径odc=3.8cm;铜管断面7mm×12mm,壁厚lmm,长7.2cm。使用导磁体前后的电参数和效率比,示于表1中。

    在线圈上装置导磁体后,效率由68%增加到87%,使传输给零件的功率增加了8倍左右,大大地缩短了加热时间。

 2.平面加热

    零件平面部分感应加热一般采用发卡式横向磁场(tfx)感应器,如图14a所示,线圈导体并行,电流方向相反,由于邻近效应的作用,电流分布在导体的相对面(见图14b),载流部分与平面的问隙较大,电效率很低。当导体加置槽口导磁体后,使电流分布转过90°,挤向邻近加热平面的一侧,间隙减小;同时由于磁阻的减小,电效率明显进步。经验表明,用发卜式感应器加热平面时,导磁体是必不可少的,否则加热十分困难,特别是居里点以上的加热。图15是带导磁体的感应器加热阀门座平面。

 

 

 

 3.局部加热

  局部加热对加热区的范围往往有限制,要求热影响区小,防止邻近区域的过热,如图16所示。减小热影响区有两项要求:①磁通集中在加热区,邻近部分的散磁通尽可能少。②加热时间尽可能短,减少由于热传导作用,使邻近部分的温度升高。在图17a中,当使用2匝线圈加热时,有较多的散磁通穿过上下凸缘部分。图17b为带导磁体的感应器,散磁通明显减少,邻近凸缘的热影响也相应减小。

  图16是在局部硬化区的磁场矢量数值模拟图示出磁场分布和能流密度分布。

4.短感应器

  从电磁学基础理论可知,长l、半径r的螺旋线圈产生的磁场强度h,在l/2处最大,即hl/2/hmax;两真个磁强h end只有中心处的一半,称为端部效应,即h end= hl/2/2,所以长螺管线圈感应器磁强均匀性好于短螺管线圈,可以证实,l≥4r时,能得到良好的感应加热效果。在单区短感应器的结构,如:l,在长度l段内,大部或全部处在端部效应的作用区,换言之,产生的磁场强度只有正常的一半,在零件中的感应电势也只有一半,同时由于零件在感应器端部对应区段的热传导和对流的传热作用,加热效果很差。单匝短线圈往往需要装置导磁体,以减少端部的散磁并减小反向回路的磁阻,从而进步效率。

    图18为轴状零件外表面加热的单匝感应器示意图,加热零件长10cm,外径odw=4.0cm,加热层厚5mm,感应器内径 idw=4.6cm,铜管15mm×20mm,壁厚2.4mm。

    由表2可见,当线圈电流相同时(7000a),无导磁体感应器的端电压为6.0v,输进零件的功率为16.25kw,是有导磁体的55%,由于磁通分散,透热层较厚,在需要加热层的5mm内,输进功率为8.65kw,是有导磁体的(21.6kw)的400a。如在加热层5inm内保持相同的加热功率(21.6kw),即在相同时间内加热到相同的温度,则无导磁体线圈需要电流11 052a,为带导磁体的1.5倍。线圈电流i的增加,一方面使线圈的铜损由7.4kw增加到8.3kw,增加了11%;另一方面,从补偿电容器至线圈端部间的馈电导线中的电流增加,有时馈电导线的长度大于感应器的周长,这部分铜损的增大,也是可观的。

    大部分通道式感应器是单匝或2~3匝线圈,其l<,装置导。磁体可以有效地改善功。率因数,进步加热效率。图19为通道火花塞局部感应加热退火系统,感应器是单匝线圈,装置槽口式c形导磁体,感应器内可排列多个火花塞,放置在传送带上依次通过感应器。

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