淬火感應(yīng)器的選用.設(shè)計與制造一基礎(chǔ)知識和基本概念本章介紹了電磁感應(yīng)、表面效應(yīng)、鄰近效應(yīng)、圓環(huán)效應(yīng)、導(dǎo)磁體槽口效應(yīng)以及表面感應(yīng)淬火的頻率選擇、比功率選擇等多方面的基礎(chǔ)知識和一些重要的概念。理解和掌握這些知識，對于表面淬火感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)選擇和設(shè)計是十分必要的，對于使用和維護(hù)感應(yīng)加熱設(shè)備的技術(shù)人員、工人也是需要這方面的知識。l電磁感應(yīng)與感應(yīng)加熱導(dǎo)體有電流通過時，在其周圍就同時產(chǎn)生磁場。磁場強(qiáng)度的大小與方向，決定于導(dǎo)體中電流的大小和方向。對于螺管線圈的導(dǎo)體，當(dāng)電流強(qiáng)度I的單位為A、線圈的高的單位為二時，磁場強(qiáng)度H為：H二式中n 線圈匝數(shù)。對于通有電流的長直導(dǎo)線而言，環(huán)繞其周圍的磁力線是若干個同心圓，當(dāng)電流強(qiáng)度I的單位為A時，各同心圓上磁場強(qiáng)度H為：H=式中r——導(dǎo)線周圍各點(diǎn)到導(dǎo)線的垂直距離m。每根磁力線都是環(huán)繞電流的閉合線，無起點(diǎn)終點(diǎn)之分。磁力線的方向用右手螺旋法則確定。圖1是螺旋線圈及其磁力線分布示意圖。圖2是單根長直導(dǎo)線中電流及其周圍磁力線分布示意圖。圖1螺旋線圈及其磁力線分布示意圖圖2單根長直導(dǎo)線中的電流及其周圍磁力線分布示意圖磁場的強(qiáng)弱還可以用另一個物理量表示，即磁感應(yīng)強(qiáng)度B,它與磁場強(qiáng)度H有關(guān)，也與介質(zhì)的導(dǎo)磁特性有關(guān)，其表達(dá)式為：B=pH(T) (3)式中^磁導(dǎo)率。1它表征磁介質(zhì)被磁化程度的量，是衡量各種物質(zhì)導(dǎo)磁性能好壞的物理量。實(shí)驗(yàn)確定真空的磁導(dǎo)率p0為：p0=4n310-7(H/m)為了便于比較各種物質(zhì)的導(dǎo)磁性能，需要引入相對磁導(dǎo)率的概念。任何一物質(zhì)的磁導(dǎo)率p與真空磁導(dǎo)率p0的比值叫相對磁導(dǎo)率pr：pr=p/p0 (4)p=prp0 (5)相對磁導(dǎo)率為無量綱的物理量，它說明在相同的條件下，任一物質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度是真空中的多少倍。根據(jù)各種物質(zhì)導(dǎo)磁性質(zhì)的情況，可將物質(zhì)分為三種類型。磁導(dǎo)率P比真空的磁導(dǎo)率p0稍大一點(diǎn)的物質(zhì)稱為順磁性物質(zhì)，如空氣、鉛、錫等，它們的相對磁導(dǎo)率pr值在003~014之間，磁導(dǎo)率p比真空的磁導(dǎo)率p0略小一點(diǎn)的物質(zhì)稱為反磁性物質(zhì)，如氫、銅、石墨、銀、鋅等，它們的相對磁導(dǎo)率pr值在995?97之間。磁導(dǎo)率p遠(yuǎn)大于真空的磁導(dǎo)率p0的物質(zhì)稱為鐵磁性物質(zhì)，如鐵、鋼、鑄鐵、鎳、鉆等，它們的相對磁導(dǎo)率pr大到幾百至幾千，而且不是常數(shù)。例如，鋼的溫度超過居里點(diǎn)770°C，其磁導(dǎo)率下降為1。在電流強(qiáng)度等條件相同的情況下，鐵磁性物質(zhì)中所產(chǎn)生的磁場比順磁性物質(zhì)和反磁性物質(zhì)中的磁場強(qiáng)幾千甚至幾萬倍以上。工廠中用于感應(yīng)加熱的零件材料一般都鐵磁物質(zhì)構(gòu)成。圖3是室溫下工業(yè)純鐵與不同成分的鋼的磁導(dǎo)率產(chǎn)隨磁場強(qiáng)度H的變化曲線。圖3室溫下磁導(dǎo)率產(chǎn)與磁場強(qiáng)度H的關(guān)系1一工業(yè)純鐵2一含C%的鋼3一含C%的俐4一含C%的例5一含C%的鋼2注：10ee/m在磁場里，垂直穿過某一橫截面積s的磁力線根數(shù)叫做傲通量確，用下式表示：申=BS=pHS(Wb)(6)當(dāng)線圈中通有交變電流時，在線圈的內(nèi)部及其周圍就產(chǎn)生一個交變磁場，置于線圈內(nèi)部的工件就被交變磁場的磁力線所切割，于是在鐵磁材料的工件上將有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生，并在電動勢作用下產(chǎn)生渦流。圖4零件在交變磁場中產(chǎn)生渦流按電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動勢e可用下式求得：e=(7)于感應(yīng)加熱的電流是按正弦規(guī)律變化：I=Imsin2nft所以該電流所產(chǎn)生的磁通的變化也遵循正弦規(guī)律變化：申二申msin2nft二申m2nfcos2nft于是得感應(yīng)電動勢e：e=-申m2nfcos2nft (8)零件中渦流回路的阻抗Z按下式計算：Z= (9)式中R一渦流回路電阻。XL一渦流回路感抗。則渦流強(qiáng)度i等于：i=(10)于Z通常很小，i自然很大，使渦流回路產(chǎn)生很大熱量，其熱量可焦耳一楞次定律確定：3Q=i2Rt(J) (11)進(jìn)行感應(yīng)加熱主要依靠這種熱量，其次磁性材料的“磁滯現(xiàn)象”也能引起一定的熱效應(yīng)。2表面效應(yīng)當(dāng)直流電通過導(dǎo)體時，電流在導(dǎo)體截面上的分布是均勻的，即各處電流密度相等。但是，當(dāng)交流電通過圓柱導(dǎo)體時，電流分布是中心密度小，越接近表面，密度越大，當(dāng)電流頻率相當(dāng)高時，導(dǎo)體的中心可以沒有電流，而全部集中在導(dǎo)體的表面層，這種現(xiàn)象稱為高頻電流的表面效應(yīng)，如圖5所示。產(chǎn)生表面效應(yīng)的根本原因是交流電通過導(dǎo)體時產(chǎn)生與外加電動勢方向相反的自感電動勢，而自感電動勢在圓柱導(dǎo)體中心最強(qiáng)、表面最弱，因此使電流趨向表面。圖5高頗電流的表面效應(yīng)于表面效應(yīng)的作用，導(dǎo)體橫截面上的電流密度從表面到中心按指數(shù)規(guī)律遞減，距表面z處的電流I二式確定：Iz= (12)式中I0-表面電流的最大值；c—光速；M—導(dǎo)體材料的磁導(dǎo)率；p—導(dǎo)體材料的電阻率；f-電流頻率。在工程上，以Iz的幅值降到I0的1/e(e=，則1/e—%)處的深度為電流透入深度，并用△表示進(jìn)行計算。(mm)(13)式可知，電流透入深度△與p、M、f有關(guān)，當(dāng)p增大，p、f減小時，f將增大。鐵磁性的工件放在感應(yīng)器中，感應(yīng)器通入高頻交流電流，于是在工件表面出現(xiàn)渦流。渦流是進(jìn)入工件的交變磁場引起的，而磁場從工件的表面到心部也是按指數(shù)曲線衰減。4因此渦流的最大值也集中在工件的表面，這也同樣稱做表面效應(yīng)。式可知，熱量Q與渦流強(qiáng)度i的平方成正比，所以熱量的最大值也發(fā)生在工件的表面層。理論計算得知，電流透入深度J層內(nèi)所發(fā)生的熱量占渦流所發(fā)生全部熱量的％。到表面的距離圖6渦流的分布和表層熱量的關(guān)系。圖6表示了渦流的分布與表面層所發(fā)生熱量的關(guān)系。鋼鐵材料在感應(yīng)加熱過程中，其P和產(chǎn)是變化的。電阻率P同磁場強(qiáng)度無關(guān)，但卻隨溫度上升而增大。磁導(dǎo)率I，不僅與磁場強(qiáng)度有關(guān)可以看出，當(dāng)電流頻率f不變時，于p和p的變化可以有不同的電流透入深度，材料在室溫下的電流透入深度稱為冷態(tài)電流透入深度，用△20°C或^冷表示。子此時p和p基本是定值，△20C只與頻率f有關(guān)：紫銅的冷態(tài)電流透入深度：△20Ce(14)結(jié)構(gòu)鋼的冷態(tài)電流透入深度：△20Ce(15)材料在高溫時的電流透入深度稱為熱態(tài)電流透入深度，例如1000C時的熱態(tài)電流透入深度用△1000°C或^熱表示。這是感應(yīng)淬火選擇頻率時的重要參數(shù)。此時于p與M已是定值，所以△1000C也只與頻率f有關(guān)，對于結(jié)構(gòu)鋼可用式、式計算：△1000Ce(mm)(16)△800C^(mm)(16)圖7是鋼的p和p與溫度的關(guān)系曲線。5一基礎(chǔ)知識和基本概念本章介紹了電磁感應(yīng)、表面效應(yīng)、鄰近效應(yīng)、圓環(huán)效應(yīng)、導(dǎo)磁體槽口效應(yīng)以及表面感應(yīng)淬火的頻率選擇、比功率選擇等多方面的基礎(chǔ)知識和一些重要的概念。理解和掌握這些知識，對于表面淬火感應(yīng)器的結(jié)構(gòu)選擇和設(shè)計是十分必要的，對于使用和維護(hù)感應(yīng)加熱設(shè)備的技術(shù)人員、工人也是需要這方面的知識。l電磁感應(yīng)與感應(yīng)加熱導(dǎo)體有電流通過時，在其周圍就同時產(chǎn)生磁場。磁場強(qiáng)度的大小與方向，決定于導(dǎo)體中電流的大小和方向。對于螺管線圈的導(dǎo)體，當(dāng)電流強(qiáng)度I的單位為A、線圈的高的單位為二時，磁場強(qiáng)度H為：H二式中n 線圈匝數(shù)。對于通有電流的長直導(dǎo)線而言，環(huán)繞其周圍的磁力線是若干個同心圓，當(dāng)電流強(qiáng)度I的單位為A時，各同心圓上磁場強(qiáng)度H為：H=式中r——導(dǎo)線周圍各點(diǎn)到導(dǎo)線的垂直距離m。每根磁力線都是環(huán)繞電流的閉合線，無起點(diǎn)終點(diǎn)之分。磁力線的方向用右手螺旋法則確定。圖1是螺旋線圈及其磁力線分布示意圖。圖2是單根長直導(dǎo)線中電流及其周圍磁力線分布示意圖。圖1螺旋線圈及其磁力線分布示意圖圖2單根長直導(dǎo)線中的電流及其周圍磁力線分布示意圖磁場的強(qiáng)弱還可以用另一個物理量表示，即磁感應(yīng)強(qiáng)度B,它與磁場強(qiáng)度H有關(guān)，也與介質(zhì)的導(dǎo)磁特性有關(guān)，其表達(dá)式為：B=pH(T) (3)式中^ 磁導(dǎo)率。1它表征磁介質(zhì)被磁化程度的量，是衡量各種物質(zhì)導(dǎo)磁性能好壞的物理量。實(shí)驗(yàn)確定真空的磁導(dǎo)率p0為：M0=4n310-7(H/m)為了便于比較各種物質(zhì)的導(dǎo)磁性能，需要引入相對磁導(dǎo)率的概念。任何一物質(zhì)的磁導(dǎo)率M與真空磁導(dǎo)率M0的比值叫相對磁導(dǎo)率pr：|Jr=p/p0 (4)p=prp0 (5)相對磁導(dǎo)率為無量綱的物理量，它說明在相同的條件下，任一物質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度是真空中的多少倍。根據(jù)各種物質(zhì)導(dǎo)磁性質(zhì)的情況，可將物質(zhì)分為三種類型。磁導(dǎo)率p比真空的磁導(dǎo)率p0稍大一點(diǎn)的物質(zhì)稱為順磁性物質(zhì)，如空氣、鉛、錫等，它們的相對磁導(dǎo)率pr值在003~014之間，磁導(dǎo)率p比真空的磁導(dǎo)率p0略小一點(diǎn)的物質(zhì)稱為反磁性物質(zhì)，如氫、銅、石墨、銀、鋅等，它們的相對磁導(dǎo)率pr值在995?97之間。磁導(dǎo)率p遠(yuǎn)大于真空的磁導(dǎo)率p0的物質(zhì)稱為鐵磁性物質(zhì)，如鐵、鋼、鑄鐵、鎳、鉆等，它們的相對磁導(dǎo)率pr大到幾百至幾千，而且不是常數(shù)。例如，鋼的溫度超過居里點(diǎn)770°C，其磁導(dǎo)率下降為1。在電流強(qiáng)度等條件相同的情況下，鐵磁性物質(zhì)中所產(chǎn)生的磁場比順磁性物質(zhì)和反磁性物質(zhì)中的磁場強(qiáng)幾千甚至幾萬倍以上。工廠中用于感應(yīng)加熱的零件材料一般都鐵磁物質(zhì)構(gòu)成。圖3是室溫下工業(yè)純鐵與不同成分的鋼的磁導(dǎo)率產(chǎn)隨磁場強(qiáng)度H的變化曲線。圖3室溫下磁導(dǎo)率產(chǎn)與磁場強(qiáng)度H的關(guān)系1一工業(yè)純鐵2一含C%的鋼3一含C%的俐4一含C%的例5一含C%的鋼2注：10ee/m在磁場里，垂直穿過某一橫截面積s的磁力線根數(shù)叫做傲通量確，用下式表示：申=BS=pHS(Wb)(6)當(dāng)線圈中通有交變電流時，在線圈的內(nèi)部及其周圍就產(chǎn)生一個交變磁場，置于線圈內(nèi)部的工件就被交變磁場的磁力線所切割，于是在鐵磁材料的工件上將有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生，并在電動勢作用下產(chǎn)生渦流。圖4零件在交變磁場中產(chǎn)生渦流按電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動勢e可用下式求得：e=(7)于感應(yīng)加熱的電流是按正弦規(guī)律變化：I=Imsin2nft所以該電流所產(chǎn)生的磁通的變化也遵循正弦規(guī)律變化：申二申msin2nft二申m2nfcos2nft于是得感應(yīng)電動勢e：e=-申m2nfcos2nft(8)零件中渦流回路的阻抗Z按下式計算：Z= (9)式中R一渦流回路電阻。XL一渦流回路感抗。則渦流強(qiáng)度i等于：i=(10)于Z通常很小，i自然很大，使渦流回路產(chǎn)生很大熱量，其熱量可焦耳一楞次定律確定：3Q=i2Rt(J) (11)進(jìn)行感應(yīng)加熱主要依靠這種熱量，其次磁性材料的“磁滯現(xiàn)象”也能引起一定的熱效應(yīng)。2表面效應(yīng)當(dāng)直流電通過導(dǎo)體時，電流在導(dǎo)體截面上的分布是均勻的，即各處電流密度相等。但是，當(dāng)交流電通過圓柱導(dǎo)體時，電流分布是中心密度小，越接近表面，密度越大，當(dāng)電流頻率相當(dāng)高時，導(dǎo)體的中心可以沒有電流，而全部集中在導(dǎo)體的表面層，這種現(xiàn)象稱為高頻電流的表面效應(yīng)，如圖5所示。產(chǎn)生表面效應(yīng)的根本原因是交流電通過導(dǎo)體時產(chǎn)生與外加電動勢方向相反的自感電動勢，而自感電動勢在圓柱導(dǎo)體中心最強(qiáng)、表面最弱，因此使電流趨向表面。圖5高頗電流的表面效應(yīng)于表面效應(yīng)的作用，導(dǎo)體橫截面上的電流密度從表面到中心按指數(shù)規(guī)律遞減，距表面z處的電流I二式確定：Iz= (12)式中I0-表面電流的最大值;c—光速；M一導(dǎo)體材料的磁導(dǎo)率；p一導(dǎo)體材料的電阻率；f一電流頻率。在工程上，以Iz的幅值降到I0的1/e(e=，則1/e—%)處的深度為電流透入深度，并用△表示進(jìn)行計算。△=(mm)(13)式可知，電流透入深度△與p、M、f有關(guān)，當(dāng)p增大，M、f減小時，f將增大。鐵磁性的工件放在感應(yīng)器中，感應(yīng)器通入高頻交流電流，于是在工件表面出現(xiàn)渦流。渦流是進(jìn)入工件的交變磁場引起的，而磁場從工件的表面到心部也是按指數(shù)曲線衰減。4因此渦流的最大值也集中在工件的表面，這也同樣稱做表面效應(yīng)。式可知，熱量Q與渦流強(qiáng)度i的平方成正比，所以熱量的最大值也發(fā)生在工件的表面層。理論計算得知，電流透入深度J層內(nèi)所發(fā)生的熱量占渦流所發(fā)生全部熱量的％。到表面的距離圖6渦流的分布和表層熱量的關(guān)系。圖6表示了渦流的分布與表面層所發(fā)生熱量的關(guān)系。鋼鐵材料在感應(yīng)加熱過程中，其P和產(chǎn)是變化的。電阻率P同磁場強(qiáng)度無關(guān)，但卻隨溫度上升而增大。磁導(dǎo)率I，不僅與磁場強(qiáng)度有關(guān)可以看出，當(dāng)電流頻率f不變時，于p和M的變化可以有不同的電流透入深度，材料在室溫下的電流透入深