导磁体在感应加热中的应用（上）

导磁体在感应加热中的应用（上） 导磁体在感应加热中的应用(上) .垫处理;z'删m饥t???????????????????_栏且主持李华翔 l蠹…嚣 导磁体在感应加热中的应用(上) 中国兵器工业新技术推广研究所(北京100089)冯伟年 感应加热中应用的导磁体,是从俄语的 "/VlarnTonpoBo){"一词翻译过来的,而在英文中则名为 磁通集中器(MagneticFluxConcentrator),或磁通控制 器(MagneticFluxtro1).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,在线圈周围产生交变 磁场口,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.磁路 围绕线圈如图1所示,闭合回路中的一部分进入工件 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R和空气隙中的反向回路的磁阻 Rm. ,J空气中的反向磁路长度; o=4?×10一H/m lIlI堡箜塑塑墅堡堡压/堡堂参磊工热加工WWW.machinist.corn.cn —— 工件的相对导磁率,决定于 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 的物理性 能,钢在居里点760~C以下,/1=10,200; 有关文献推荐感应加热时对于碳钢一l6, 超过居里点=l. 由电磁感应定律可知,交变磁通感应的电势为: E=一d~/dt一4.445fff/-10(2) 已知=BS:日S=U/=Ul/R+R = /oS2)(3) m/(,J/olSl+, 式中Um——磁势,:?日,J; 抒——磁场强度; L——磁路的长度,,J=,J+Lg; ,J——工件中磁路的长度; ,J——空气隙中磁路的长度; 厂——频率; 曰——磁感应强度,曰=日; —— 磁通; S——磁通的面积; —— 线圈匝数; l——工件的相对导磁率; =Or 在空气中的反向磁路L>L,而空气中的导磁率 又小于工件中的,所以R<<R,在建立感应加热 的励磁电势中,有相当大的部分消耗于克服空气隙中的 磁阻R,当感应器加置导磁体以后,则闭合磁路由三 部分组成,如图2所示. L=L+Lgl+Ls2(4) 式中,J——通过工件的磁路长度; ,J——空气隙中的磁路长度; ,J——导磁体中的磁路长度. 相应的磁阻R=+gmgl+(5) 式中Rmgl——空气隙中的磁阻; Ring2——导磁体中的磁阻. Rg2:L~/FOFr2S Rg2 ,c 量lll删熙; 图2带导磁体感应加热磁路系统图 导磁体是采用高导磁率的软磁性材料制成的, r25o0,1000,所以Ring2<<Ring『'而且,g=,gI+ ,,在一般情况下,,I=(0.2,0,3),,相应的 l=(0.2,0.3)R,由此可见,由于导磁体的作 用,使闭合磁路中反向磁阻减少了70%,80%;总的磁 阻:R:R+R+RR+R,可见,磁 回路中的磁阻显着地减少,工件中产生的感应电势E= 一 d~/dt=4,44r?10,:4.44fU/R,因R的减 少而大幅度增加,使感应加热的效率明显提高. 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). 图3带槽口导磁体的感应器 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. (a)槽漏磁通(b)磁场强度(c)电流密度 图4矩形开口槽中单根导体的槽磁磁场和电流密度分布曲线 圜j一_-???_?__????—l—瓯?巴5_ 磁场强度日的分布按下式: H:,/b.sh7y/sh柚 导体中的电流密度_,=一Joch7y/shm 式中——导体的厚度; 6——导体的密度; y——导电系数; ,——导体中电流的幅值; _,.——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,等于缩小了感 应器导体与工件之间的距离,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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面的最近对面,缩 小线圈电流与加热面之间的间隙,减小漏磁通,增加耦 合,提高功率因素cos(p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. 图5感应加热时的磁力线分布图 离散的漏磁通产生某些并不希望的结果: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 圈附近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,周围部分仍处于铁磁性 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,如果邻近周围部分有沟槽,还会导致零 件的裂纹. 线圈加置导磁体以后,绝大部分磁通的轨迹是在导 磁体内流动,并引导磁通流向需要加热的区域,如图6 所示 磊工热加工堡堡堡丝星塑箜塑I团 WWW.machinist.com.cn .I 热处I 理i1 月ent _ 图6带导磁体感应器加热时的磁力线分布 1.导磁体2.感应器3.工件 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 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. |/\ Il/lll{ 盘\\\\鱼?主 \\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ I:建'鹜lIOlm—M基錾馨磐g{塞瞿I一 tl争l奋Il{ 5,8025080— 25080 770) 图8带导磁体的多层线圈感应器 1.端板2.导磁体3.线圈 II冒星垒堡.箜塑璺堡造参磊工热加工WWW.machinist.com.cn 二,导磁体的应用范围 1.内孑L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~L,bn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等 于零.如图l0所示,最大电流密度圆环内侧的中点m: .,=(1+A(2) 式中A——A=1.58+In(1/a),d=r/R; R——线圈半径; r——线圈导体半径; —— 线圈导体上的最大电流密度; 图l0圆环效应对电流的作用 由此可见,线圈铜管的载流部分与零件内表面之间 的间隙增加了铜管宽度的一半,如果线圈与零件内表面 的间隙=5mm,铜管的宽度6=lOmm,由于圆环效 应的作用,载流部分与内表面之间的间隙占=+b/2 :lOmm.实际间隙的增加,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, 即进入工件内部的,在感应器与工件之间的空气隙内 的漏磁通以及穿过线圈导体的部分磁通,如图11 所示. 一 一 屏近感叠机.起邻在片了I九 一一一一一一 ..镬嚣嚣辫熬.瓣..鬻鬻蹦翻脚豳 fb) 图l1螺旋感应器的磁通回路及相位 =++,=HS,其中s为空气隙的 面积. 漏磁通并不做功,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cosq9下降,p值升高, 线圈上的视在电流,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,使得感应器与工件 之间耦合良好,是提高感应加热效率的主要 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 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=HS 也随之减小,改善了耦合.由端电压产生的磁通,将 有较多的量用于通过工件,加热工件,的下降,同 表1 时由反向磁路中磁阻的降低,cosq9相应增高,线圈电流 减少,效率升高,在相同的输出功率(,,)条件下, 显着地提高加热速度. 图12带导磁体的内孔淬火感应器 在图13中,零件的内径,=4.3cm,外径OD =6.4cm,内孔加热到居里点以上;采用螺旋线圈感应 器,内径ID=2.4cm,外径OD=3.8cm;铜管断面 7ramX12ram,壁厚1mm,长7.2cm.使用导磁体前后 的电参数和效率对比,示于表1中. 图13内孔感应加热上的磁力线示意 (上图无导磁体,下图带导磁体) 线圈端电压输入零件线圈损失的线圈效率功率因数视在功率电流频率 感应器结构线圈电流/A ,功率/kW功率/kW(%)COS?S/kVA/kHz 有导磁体88.6400068.O10.487O.2235410 无导磁体30.640oO8.44.O68O.112210 无导磁体87.01146068.O32.468O.199210 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90o, 挤向邻近加热平面的一侧,问隙减小;同时由于磁阻的 减小,电效率明显提高.经验表明,用发卡式感应器加 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. 参蔼工热加工堂堡堡箜蕉塑堡笠塑I囵 WWW.machinist.com.Cn Treatment (a)平面横向磁场感应加热 (b)平行导体中邻近效应作用的电流分布 图l4 1.相应于感应电流流过路径的氧化色 2.移动感应器时已淬火的表面 3.感应器和零件截面中电流的分布 图l5复杂形状工件局部表面硬化采用带导磁体的感应器 1,淬火硬化区2.铜管3,导磁体4.工件 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l6所示.减小热影 磁场分布能流密度分布 磁场分布 (a)无导磁体 能流密度分布 导磁体 (b)带导磁体 图l6 Il置?星堡堑塑盛堡鳗』基蕉:磊工热加工 WWW.machinist.corn.cn 女{嚣溪交簧嘲艇 响区有两项要求:?磁通集中在加热区,邻近部分的散 磁通尽可能少.?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l6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. (a)两匝线圈感应加热的电磁场分布 (b)带导磁体的两匝线圈感应加热的电磁场分布 图17 4.短感应器 从电磁学基础理论可知,长,半径尺的螺旋线圈 产生的磁场强度日,在L/2处最大,即日L/2=H 两端的磁强日nd只有中心处的一半,称为端部效应,即 日=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,可以证明?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:<R,在长 度段内,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,从而提高效率. 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lOom,外径OD=4.Ocm,加热层厚5mm,感应 器内径ID=4.Ocm,铜管15ram×20ram,壁厚2.4ram. 图18感应加热的能量密度和磁场分布 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,输入零件的功率为 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,输入功率为8.65kW, 是有导磁体的(21.6kW)的4o%.如在加热层5ram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11052A,为带导 磁体的1.5倍.线圈电流的增加,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 表2 器是单匝或2,3匝线 圈,其L<<R,装置导一 磁体可以有效地改善功 率因数,提高加热效率. 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. 圜 图l9隧道式带导磁体 感应器的多工位加热 1.工件2.铜管3.导磁体 线圈端电压线圈电流输入零件线圈损失线圈效率传输给感应器视在功率在加热 层中的频率感应器结构 ,功率/kW功率/kW(%)功率/kWS/kVA功率/kW/kHz 有导磁体1O4700030.27.48037.67321.63O0o 无导磁体6.O700016.253.38319.6428.653O0o 无导磁体9.51105240.68.38349.01O521.63O0o MW(待续)(20080108) (上接第27页) 所示.如果材料选择不当,制造的模具将难以达到高质量. 3.应用效果 由于采用热处理技术手段方法得当,如图1和图2 所示的复杂件热处理后的变形量可以控制在0.25ram的 范围内. 为了较好地消处不利的影响,将经过真空热处理的 图1典型模具镶块 图2真空热处理后的汽车镶块模具 模块加工后再进行2oo?去应力处理以稳定尺寸.对比 表明,采用真空淬火495?三次回火的模具质量稳定可 靠,使用反映效果好.MW (20080117) 参磊工热加工整望堂呈旦堡箜目 WWW.machinist.com.cn 畚 围一,一一,