Индукторы

Слухоцкий А.Е.

Машиностроение, 1989 г.

Индукционный нагрев металлических изделий осуществляется с помощью специального устройства, называемого индуктором. Простейшим видом индуктора является кольцевой виток, согнутый из медной шины или трубки. При пропускании переменного тока через индуктор вокруг его провода возникает магнитное поле, напряженность которого периодически изменяется во времени по величине и направлению.

Напряженность магнитного поля, а следовательно, и плотность магнитного потока — индукция — будет наибольшей внутри витка индуктора вблизи провода.

Если поместить внутрь индуктора металлический цилиндр, то переменный магнитный поток, пронизывающий этот цилиндр, вызовет появление в нем индуктированного тока. Индуктированный ток вследствие эффекта близости будет сконцентрирован под проводом индуктора, и путь его будет иметь кольцевую форму. Чем выше частота тока, тем в более тонком слое протекает ток в цилиндре, т. е. тем сильнее проявляется поверхностный эффект. Ток, индуктированный в поверхностных слоях цилиндра, вызывает его нагрев, причем температураповерхности и глубина нагрева зависят от подводимой к индуктору мощности, частоты и времени нагрева. С другой стороны, ширинаполосы нагрева, ее форма и равномерность нагрева поверхности зависят от формы индуктора.

Таким образом, с помощью индуктораэлектромагнитная энергия, а следовательно, и выделениетеплоты концентрируются в заданной области. Индуктированный ток сосредоточивается в полосе, ширина которой близка к ширине индуктора. Соответственно этому и ширина нагретой полосы также мало отличается от ширины индуктора.

Поверхностный нагрев металла индуктированными токами высокой частоты используется для поверхностной закалки стальных деталей. В практике встречаются детали самой разнообразной, часто очень сложной формы. Соответственно изменяются и конструкции индукторов. Однако существуют общие основные принципы, которыми необходимо руководствоваться при их конструировании. В брошюре рассмотрены только основные типы закалочных индукторов: индукторы для нагрева внешних цилиндрических поверхностей; индукторы для нагрева внутренних цилиндрических поверхностей; индукторы для нагрева плоских поверхностей; основные типы индукторов для нагрева поверхностей сложной формы.

Индукторы первой и второй группы различаются конструкцией токоведущих шин и соединительных колодок, что определяется различием конструкции выводов понижающих трансформаторов, используемых при средних и высоких частотах. Следует отметить, что это различие носит в значительной мере случайный характер.

При средних частотах у понижающих трансформаторов принята конструкция колодок вторичной обмотки в виде медных массивных брусков, в контактные поверхности которых ввернуты латунныешпилькидиаметром 10—12 мм. Колодки индукторов делаются массивными — толщиной 8—12 мм — и снабжаются отверстиями для пропуска указанных шпилек, служащих для крепления индукторов. Подобными же, но менее массивными колодками индуктор присоединяется к выводам понижающего трансформатора, работающего на радиочастотах.

Индукторы, предназначенные для закалки на средних частотах, в случае необходимости могут быть легко применены и при радиочастотах, если изготовить к ним соответствующие переходные колодки, подходящие к выводам понижающего трансформатора.

Кроме указанных существуют еще некоторые другие различия в выполнении индукторов для работы на средних и высоких частотах. Более подробно рассмотрим особенности индукторов для каждой группы отдельно.

Существенным моментом при конструировании индуктора является выбор ширины индуктирующего провода и зазора между его внутренней рабочей поверхностью  нагреваемого изделия. ширина индуктирующего провода при одновременном способе нагрева определяется требуемой шириной закаливаемого слоя.

Возможны два случая: закаливается некоторый участок на поверхности длинной детали; закаливается вся боковая поверхность детали.

В первом случае ширина закаленной полосы определяется распределением индуктированного тока на поверхности детали и утечкой теплоты в осевом направлении. Обычно индукторы для одновременного нагрева имеют относительно большую ширину, в несколько раз превосходящую величину зазора между поверхностью детали и индуктирующим проводом. В этих условиях индуктированный ток сосредоточен в полосе, ширина которой близка к ширине индуктора. Обычно ширина закаленной полосы оказывается на 10—20 % меньше ширины индуктора, чем и следует руководствоваться при выборе ширины индуктирующего провода.

Если ширинаиндуктора меньше десяти зазоров, то закаленный слой в продольном разрезе приобретает серповидную форму (рис. 2). Чтобы избежать этого, зазор следует делать неравномерным — большим в средней части, малым по краям.