Индукционный нагрев ферромагнитной стали

Кувалдин А.Б.

Энергоатомиздат, 1988 г.

КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ИНДУКТОР - ЗАГРУЗКА И МЕТОДЫ ИХ РАСЧЕТА

Многообразие устройств ИНФС связано с многообразием областей применения, при котором нагреваемые тела сильно отличаются по форме, и это оказывает влияние на конфигурацию индукторов и электромагнитного поля — одного из важнейших факторов классификации. Следует отметить, что классифицировать индукционные электротермические остановки можно по различным признакам: назначению, уровню мощности, диапазону частот, конструктивным признакам и т. д. [7, 11].

Здесь приводится классификация устройств индукционного нагрева ориентированная на создание единообразных методов расчета электрических и энергетических характеристик систем И—3 и основанная на рассмотрении конфигурации электромагнитного поля систем. Предлагается укрупненно выделить пять типов систем индуктор - загрузка:

системы с индуктором соленоидального типа, внутри которого расположена загрузка;

системы с индуктором соленоидального типа и загрузкой, расположенной снаружи и охватывающей индуктор:

системы с индуктором несоленоидальнсго типа, например в виде плоской спирали, и загрузкой соответствующей формы;

системы с индуктирующим проводом (индуктором), расположенным в пазах загрузки;

системы, в которых использованы концентраторы.

Так как техника индукционного нагрева продолжает развиваться, то предложенные типы системы И—3 могут быть дополнены.

Далее каждый тип системы И—3 классифицируется уточненно по трем комплексам признаков, относящихся к параметрам электромагнитного ноля, параметрам индуктора и параметрам-загрузки.

Признаки, относящиеся к полю: наличие и тип магнитопроводов или электромагнитных экранов; уровень частоты;

уровень напряженности магнитного поля (только при ИНФС), так называемые сильные и слабые поля.

Признаки, относящиеся к индуктору: конфигурация индуктора; форма сечения индуктирующего провода; число слоев; относительная толщина индуктирующего провода ;

коэффициент заполнения.

Признаки, относящиеся к загрузке:

конфигурация загрузки;

монолитность (одно или несколько тел);

оборотность свойств;

расположение в индукторе:

отношение определяющих размеров к глубине проникновения.

Так как всякая общая классификация страдает известным схематизмом и не может охватить всех часто противоречивых факторов, то делались попытки разработать специально для устройств ИНФС классификацию, учитывающую их особенности. Однако в этих работах не учитывался главный фактор — конфигурация электромагнитного поля, что снижает их ценность. Наиболее полно поставленной цели отвечает предложенная автором [8, 9] классификация устройств ИНФС, по которой выделяются шесть групп устройств (рис. 1.8), соответствующие наиболее часто встречающимся на практике системам И—3.

К первой группе (рис. 1.8, а) относятся системы И—3 с индуктором соленоидального типа и загрузкой, расположенной внутри индуктора. Обычно загрузка представляет собой цилиндр (сплошной или полый) или прямоугольный параллелепипед, а индуктор повторяет форму загрузки. По длине индуктор и загрузка могут быть примерно одинаковы или индуктор значительно короче загрузки. Для улучшения энергетических показателей системы И—3 в большинстве случаев применяют внешние магнитопроводы, а при нагреве полых загрузок иногда используют и внутренние магнитопроводы. Системы И—3 первой группы подразделяют на короткие и длинные. В длинных системах при расчете электромагнитное поле считается плоскопараллельным, а ослабление поля на концах системы (концевые эффекты) учитывают тем или иным способом.

Вторая группа состоит из систем И—3 с индуктором в виде плоской катушки круглой или овальной формы и загрузкой с плоской поверхностью, например лист или лента (рис. 1.8, б). Для таких устройств применение магнитопроводов практически обязательно. Расчет таких систем имеет много общего с расчетом систем И—3 первой группы, так как их можно рассматривать как воздушные трансформаторы или трансформаторы с незамкнутым магнитопроводом, однако конфигурации электромагнитных полей существенно отличаются. Одной из проблем создания устройств этого типа является обеспечение равномерного нагрева загрузки.

Третью группу (рис. 1.8, в) составляют системы И—3 с соленоидальным индуктором и охватывающей его снаружи загрузкой при использовании замкнутого магнитопровода. Расчет таких систем имеет много общего с расчетом силовых трансформаторов. Специфика заключается в больших зазорах между индуктором и загрузкой (первичной и вторичной обмотками), что необходимо для размещения тепловой изоляции, и значительном различии по высоте индуктора и загрузки. Иногда из конструктивных соображений индуктор и загрузка расположены на разных стержнях магнитопровода.

В четвертую группу входят системы И—3, в которых загрузка в виде листа или ленты пронизывается переменным магнитным потоком, создаваемым индуктором (рис. 1.8, г) . Имеется магнитопровод, в зазоре которого и располагается загрузка. Устройства этого типа могут иметь много полюсов магнитопровода и при этом каждый полюс охватывается обмоткой индуктора. Такое устройство работает в непрерывном режиме при движении ленты. Распределение плотности тока и выделяющейся мощности в загрузке оказывается существенно неравномерным и этот фактор приходится учитывать при разработке устройств.

Пятая группа охватывает системы И—3, у которых индуктирующий провод расположен в закрытых пазах загрузки, т. е. магнитный поток замыкается по загрузке и система аналогична коаксиалу (рис. 18, д). Отличие от коаксиала состоит в том, что ток в загрузке наводится только за счет электромагнитного поля. Система имеет высокие энергетические показатели, так как реактивная мощность минимальна ввиду малых полей рассеивания, и электрические потери в индукторе также идут на нагрев загрузки. Таким образом тепловой КПД таких устройств близок к единице, а сами устройства можно рассматривать как устройства комбинированного нагрева: индукционного и косвенного нагрева сопротивления. Одна из трудностей создания устройств такого типа — это обеспечение надежной работы электроизоляции.