感应加热的原理及其应用

感应加热设备按电源频率可分为工频、中频、超音频、高频，其各自的频率范围和加热的功率密度见表1。

▼表1感应加热频段的频率范围和加热功率密度

一、感应加热原理

感应加热原理图

感应加热的主要依据是：电磁感应、“集肤效应”和热传导三项基本原理。

当交变电流在导体中通过时，在所形成的交变磁场作用下，导体内会产生感应电动势。由于越接近心部，感应电动势越大，导体的电流便趋向于表层，电流

强度从表面向心部呈指数规律递减，如图1所示。这种现象即所谓交变电流的集肤效应。

▲图1交变电流在导体中的分布情况

图2所示，为两根矩形截面的导体同向电流和反向电流时的磁场分布情况。由于电源电动势和自感应电动势的作用，同向电流系统中最大的磁场强度产生在导体表面的外侧，反向电流系统最大磁场强度产生在导体表面内侧，这就是邻近效应。

利用邻近效应，可以选择适当形状的感应器对被处理零件表面的指定部位进行集中加热，使电流集中在与感应器宽度大致相等的区段内。

导体间的距离越小临近效应表现的越强烈。

▲图2存在邻近效应时，磁场和电流分布示意图

a）同向电流磁场在外侧

b）反向电流磁场在内侧

通过感应圈的电流集中在内测表面的现象称为环状效应，见图3。环状效应是由于感应圈交流电流磁场的作用使外表面自感应电动势增大的结果。

▲图3交流电流的环状效应

加热外表面，环状效应是有利的，而加热平面与内孔时，它会使感应器的电效率显著降低。为了提高平面和内孔感应器的效率，常常设置导磁体，以改变磁场强度的分布，迫使电流趋近于零件所需加热的表面，见图4。由图可见，导磁体有把电流驱向其对侧的作用。

▲图4加导磁体后电流在感应圈中的分布

a）内孔加热b）平面加热

表面效应、邻近效应、环状效应均随交变电流频率的增加而加剧。此外，邻近效应和环状效应还随导体截面的增大、两导体间距的减小和圆环半径的减小而加剧。

由磁场强度分布方程可得出

式中：

若将上式画成曲线图，其结果如图5a）所示。

▲图5涡流强度由工件表面向纵深的变化

I0-表面涡流强度I2-距表面x处的涡流强度

从式中得知，K=；但由磁场强度分布的基本方程式得知，K²=8πμf/ρ，故

K==

式中ρ——材料的电阻率（Ω·cm）

μ——材料的磁导率

f——电流的频率

磁场强度分布的基本方程表明，涡流强度随表面距离的变化呈指数规律。涡流高度集中在表层中，它随距离的增大而急剧下降。在工程应用中，规定Ix降

至表面的1/e(e=2.718)处为电流透入深度，并用δ表示。如果ρ的单位为Ω·cm，则可用下式求δ（mm）

由于涡流产生的热量与涡流的平方成正比（Q=0.24I0²Rt），所以从表面向心部的热量的下降比涡流下降更快（见图5b））。计算证明，86.5%的热量是发生在δ的薄层中，而在δ薄层以外的部分没有涡流。上述规定在实际应用中已具有足够的精确度。

钢铁材料的电阻率ρ在加热过程中随温度的升高不断增加（在800-900℃范围内，各种钢的电阻率基本相同，约为10E-4(Ω·cm)；磁导率μ在失磁点以下基本不变（其数值与强度有关），但在达到失磁点时，突然下降为真空的磁导率μ=1。见图6。因此，当温度到达失磁点时，涡流的透入深度将显著增大。超过失磁点的涡流透入深度称为“热态透入深度”。低于失磁点时称为“冷态涡流透入深度”。

▲图645钢相对导磁率和电阻率随温度的变化ρ-电阻率ρ0-0℃时的电阻率μ-磁导率

热态涡流透入深度比冷态透入深度大许多倍，见图7。

▲图7钢件感应加热时冷态和热态的涡流分布曲线

在感应器接通高频电流，工件温度开始升高前的瞬间，涡流强度自工件表面向纵深的变化是按冷态特性分布的，见图8中曲线1。当表面出现超过失磁点的薄层时，在和薄层相邻的内部交界处的涡流强度就发生突然变化，工件加热层被

分成两层，见图8中曲线2、3。外层的涡流强度显著下降，最大涡流强度处于这两层的交界处。因而高温表层加热速度迅速降低，交界处升温加速，并迅速向内推移。

▲图8钢件加热过程中，由表面向深处涡流强度的变化

表2和表3列出了在各种频率下的电流在纯铜与45钢冷态与热态中的涡流透入深度。

▼表2不同频率电流下45钢与Cu的电流透入深度（mm）

▼表3不同频率电流在45钢中的透入深度

这种靠涡流不断向内部“步进”的电加热方法是感应加热所独有的，在快速加热条件下，即使向零件施加较大功率时，表面也不会过热。

当失磁的高温层厚度超过热态的涡流透入深度以后，加热层深度的增加主要靠热传导的方式进行，其加热过程及沿截面的温度分布特性同用外热源加热的基本一样，此时加热效率要低得多。

进行一定深度的表面加热时，应该力求用涡流“透入式加热”。为了做到这一点应该正确选择电流频率，同时所选择的加热速度应能够在尽可能短时间内达到规定的加热深度。

在选择电流频率时，必须遵守下列条件：

（1）对于一定尺寸的工件和感应器来说，所选择的电流频率不应低于某一数值f1，否则工件只能加热到失磁点左右的温度，见图9。

（2）所选择的电流频率最好高于图9中的f2。当频率为f2时，感应器效率最佳。当采用f1与f2之间的频率时，感应器效率较低。

（3）在所有情况下，应尽可能采用涡流“透入式加热”而不采用热传导加热。

为了满足上述条件，f1、f2与工件尺寸应有如下关系：

▲图9感应器效率与电流频率之间的关系

η-感应器效率f-电流频率

表4是根据上述关系所要求的电流频率与所对应的被加热工件最小直径和合理的淬火深度范围。

▼表4工件直径、合理的淬火层深度与电流频率的关系

二、钢件感应加热的相变特点