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1、一 基础知识和基本概念本章介绍了电磁感应、表面效应、邻近效应、圆环效应、导磁体槽口效应以及表面感应淬火的频率选择、比功率选择等多方面的基础知识和一些重要的概念。理解和掌握这些知识，对于表面淬火感应器的结构选择和设计是十分必要的，对于使用和维护感应加热设备的技术人员、工人也是需要这方面的知识。l 电磁感应与感应加热导体有电流通过时，在其周围就同时产生磁场。磁场强度的大小与方向，决定于导体中电流的大小和方向。对于螺管线圈的导体，当电流强度I 的单位为A 、线圈的高的单位为二时，磁场强度H 为： H= （A/m） （1）式中 n 线圈匝数。对于通有电流的长直导线而言，环绕其周围的磁力线是若干个同心圆
2、，当电流强度I 的单位为A 时，各同心圆上磁场强度H 为：H = （A/m） （2）式中r 导线周围各点到导线的垂直距离m。每根磁力线都是环绕电流的闭合线，无起点终点之分。磁力线的方向用右手螺旋法则确定。图1 是螺旋线圈及其磁力线分布示意图。图2 是单根长直导线中电流及其周围磁力线分布示意图。 图1 螺旋线圈及其磁力线分布示意图 图2 单根长直导线中的电流及其周围磁力线分布示意图磁场的强弱还可以用另一个物理量表示，即磁感应强度B , 它与磁场强度H 有关，也与介质的导磁特性有关，其表达式为：BH ( T ) ( 3 ) 式中 磁导率（H/m）。它表征磁介质被磁化程度的量，是衡量各种物质导磁性能
3、好坏的物理量。由实验确定真空的磁导率0为：0410-7 ( H / m ) 为了便于比较各种物质的导磁性能，需要引入相对磁导率的概念。任何一物质的磁导率与真空磁导率0的比值叫相对磁导率r：r = /0 (4) = r0 (5)相对磁导率为无量纲的物理量，它说明在相同的条件下，任一物质的磁感应强度是真空中的多少倍。根据各种物质导磁性质的情况，可将物质分为三种类型。磁导率比真空的磁导率0稍大一点的物质称为顺磁性物质，如空气、铅、锡等，它们的相对磁导率r值在1.000 0031.000 014 之间，磁导率比真空的磁导率0略小一点的物质称为反磁性物质，如氢、铜、石墨、银、锌等，它们的相对磁导率r值在
4、0.999 9950.999 97之间。磁导率远大于真空的磁导率0的物质称为铁磁性物质，如铁、钢、铸铁、镍、钻等，它们的相对磁导率r大到几百至几千，而且不是常数。例如，钢的温度超过居里点（磁性转变点）770，其磁导率下降为1。在电流强度等条件相同的情况下，铁磁性物质中所产生的磁场比顺磁性物质和反磁性物质中的磁场强几千甚至几万倍以上。工厂中用于感应加热的零件材料一般都由铁磁物质构成。图3 是室温下工业纯铁与不同成分的钢的磁导率产随磁场强度H 的变化曲线。图3 室温下磁导率产与磁场强度H 的关系1一工业纯铁2一含C 0.3的钢3一含C 0.45的俐4一含C 0.6的例5一含C 0.83的钢注：10
5、e79.6A/m在磁场里，垂直穿过某一横截面积s 的磁力线根数叫做傲通量确，用下式表示：BS HS ( Wb) ( 6 ) 当线圈中通有交变电流时，在线圈的内部及其周围就产生一个交变磁场，置于线圈内部的工件就被交变磁场的磁力线所切割，于是在铁磁材料的工件上将有感应电动势产生，并在电动势作用下产生涡流（见图4）。图4 零件在交变磁场中产生涡流按电磁感应定律，感应电动势e可用下式求得：e= ( 7 ) 由于感应加热的电流是按正弦规律变化：I = Imsin2ft所以该电流所产生的磁通的变化也遵循正弦规律变化：=msin2ft =m2fcos2ft于是得感应电动势e： e=-m2fcos2ft (8
6、) 零件中涡流回路的阻抗Z 按下式计算：Z (9) 式中R涡流回路电阻，XL涡流回路感抗。则涡流强度i等于：i= （A） (10) 由于Z通常很小，i自然很大，使涡流回路产生很大热量，其热量可由焦耳一楞次定律确定：Q = i2Rt ( J ) (11) 进行感应加热主要依靠这种热量，其次磁性材料的“磁滞现象”也能引起一定的热效应。2 表面效应（集肤效应）当直流电通过导体时，电流在导体截面上的分布是均匀的，即各处电流密度相等。但是，当交流电通过圆柱导体时，电流分布是中心密度小，越接近表面，密度越大，当电流频率相当高时，导体的中心可以没有电流，而全部集中在导体的表面层，这种现象称为高频电流的表面效
7、应，如图5 所示。产生表面效应的根本原因是交流电通过导体时产生与外加电动势方向相反的自感电动势，而自感电动势在圆柱导体中心最强、表面最弱，因此使电流趋向表面。图5 高颇电流的表面效应由于表面效应的作用，导体横截面上的电流密度从表面到中心按指数规律递减，距表面z 处的电流I 二由式（12）确定：Iz (12)式中I0表面电流的最大值；c光速；导体材料的磁导率；导体材料的电阻率；f电流频率。在工程上，以Iz的幅值降到I0的1 /e (e= 2.178，则1/e36.79%）处的深度为电流透入深度，并用表示（见图5)，用式（13）进行计算。= (mm) (13)由式（13）可知，电流透入深度与、f有
8、关，当增大，、f减小时，f将增大。铁磁性的工件放在感应器中，感应器通入高频交流电流，于是在工件表面出现涡流。涡流是由进入工件的交变磁场引起的，而磁场从工件的表面到心部也是按指数曲线衰减，因此涡流的最大值也集中在工件的表面，这也同样称做表面效应。由式（11）可知，热量Q与涡流强度i的平方成正比，所以热量的最大值也发生在工件的表面层。由理论计算得知，电流透入深度J 层内所发生的热量占涡流所发生全部热量的86.5%。到表面的距离图6 涡流的分布和表层热量的关系。图6 表示了涡流的分布与表面层所发生热量的关系。钢铁材料在感应加热过程中，其P 和产是变化的。电阻率P 同磁场强度无关，但却随温度上升而增大
9、。磁导率I ，不仅与磁场强度有关（见图3 ) ，而且与材料的温度有关，当温度上升到居里点时减小到1。例如，含C0.8 %的碳钢从室温20升高到800时，电阻率由2010-5cm升高到80010-4cm，而磁导率由20100 降到800=l。从式（13）可以看出，当电流频率f 不变时，由于和的变化可以有不同的电流透入深度，材料在室温下的电流透入深度称为冷态电流透入深度，用20或冷表示。由子此时和基本是定值，20只与频率f有关： 紫铜的冷态电流透入深度：20 （mm） ( 14 ) 结构钢的冷态电流透入深度：20 （mm） ( 15 )材料在高温时的电流透入深度称为热态电流透入深度，例如1000
10、时的热态电流透入深度用1000或热表示。这是感应淬火选择频率时的重要参数。此时由于与已是定值，所以1000也只与频率f有关，对于结构钢可用式（16）、式（17）计算： 1000 ( mm ) ( 16 ) 800 ( mm ) ( 16 ) 图7 是钢的和与温度的关系曲线。图7 钢的、与温度的关系示意图表1 是不同材料在不同温度不同电流频率下的电流透入深度。表1 各种材料在率同电涟级率卞的电流透入深度材料温度电阻率106cm磁导率H/m在下列电流频率时（Hz）电流投入深度（mm）501032.51038103150103250103500103结构钢2010602.80.640.40.220.
11、050.040.03奥氏体钢2020132.27.154.52.50.580.460.32结构钢和奥氏体钢1000130185.519.012.06.71.551.20.85铝202.9112.02.71.70.950.210.170.12铝60011.3124.05.43.41.70.420.340.24紫铜202.019.52.11.340.750.160.130.095黄铜207.0118.74.22.571.480.320.260.19黄铜65014.7127.46.13.862.160.470.390.273 邻近效应两邻近的导体，例如两汇流排或感应线圈与被感应加热的零件，在有电流通
12、过的情况下，由于电流磁场的相互作用，在导体上的电流将重新分布，这种现象被称为邻近效应。图8 反向及同向交变电流所表现的邻近效应a）反向电流b）同向电流如图8a 所示的两根矩形截面的导体通有大小相等、方向相反的交变电流，其邻近效应的表现为电流在两导体内侧的表面层流过，导流层的厚度就是电流透入深度。在磁场方面的表现是，两导体之间磁场强度增强，两导体的外侧磁场强度减弱。产生这种邻近效应的原因是两导体之间的总磁通不仅通过中间的空气，也从导体内部通过，所以各条电流线交链的磁通量不同，导体外侧的电流线交链的磁通比内侧的多，因此感应电动势外侧比内侧大，致使电流从导体内侧通过。如图8b 所示的两根矩形截面的导体通有大小相等、方向相同的交变电流，其邻近效应的表现为，电流在导体外侧的表面层流过，导流层的厚度就是电流透入深度。在磁场方面的表现是，两导体内侧磁场互相抵消，强度最弱，而导体外侧磁场叠加，强度最强。产生这种效应的原因是两导体内侧电流线所交链的磁通大于导体外侧电流线所交链的磁通，因此导体内侧的感应电动势大于外侧的感应电动势，使电流趋于外表面。邻近效应不局限于两矩形截面的导体，两圆形截面的载流导体同样
