1.Краткие теоретические сведения

Высокочастотные установки для индукционного нагрева металлов мощностью от нескольких до 10000 кВт и более и частотой от 50 Гц до 1760 кГц применяются при плавке металлов, закалке деталей машин и инструмента, при пайке и наплавке металла, термической обработке разнообразных изделий, при индукционном нагреве металлических заготовок перед пластической деформацией, при создании и использовании высокочастотной безэлектродной плазмы (табл. 1 .1).

Таблица 1.1 Частоты, использование которых разрешено при индукционном нагреве, а также созданные источники питания
Частота, Гц	Источники питания
	Выходное напряжение, В	Мощность, кВт
50	220; 380; 6 000; 10 000	Без ограничений
500	800	800
1 000	800	800; 1 600
2 500	400; 800	50–500
4 000	400; 800	50–350
8 000	400; 800	50–350
10 000	400; 800	50–350
22 000	200–300	0,1–5,0
66 000	400; 8 000	60; 160
220 000	8 000	250; 400; 630; 1 000
440 000	8 000	250; 400; 630; 1 000
1 760 000	8 000	60

Во всех этих случаях используется воздействие высокочастотного электромагнитного поля на проводящие материалы и среды, которое создается с помощью индукционной системы индуктор-деталь.

1.1.Принципиальная схема индукционной системы индуктор-деталь

Принципиальная схема индукционной системы индуктор-деталь приведена на Рис. 1 .1.

Рис. 1.1. Индуктор: а — для нагрева участка длиной на цилиндре

бесконечной длины ( ), б — отрезок длиной системы

индуктор-деталь бесконечной длины ( )

Индуктор может быть одновитковым или многовитковым. Поскольку ток во всех витках имеет одинаковое направление вокруг оси, магнитное поле всех витков складывается. При этом внутри кольца одновиткового индуктора и внутри катушки многовиткового индуктора силовые линии магнитного поля в соответствии с правилом правоходового буравчика имеют направление вдоль оси индуктора и замыкаются во внешнем пространстве (Рис. 1 .2, а).

а)	б)
Рис. 1.2. Магнитное поле индуктора: а — цилиндрического пустого индуктора, б — индуктора с заготовкой

В проводящей заготовке (Рис. 1 .2, б) в соответствии с законом электромагнитной индукции возникает ток встречного по отношению к току индуктора направления и в зависимости от частоты тока в большей или меньшей степени вытесняет магнитное поле из объема, занимаемого заготовкой.

1.2.Расчет распределения параметров электромагнитного поля в проводящем цилиндре, помещенном в цилиндрический индуктор

Поверхностный эффект является основой метода индукционного нагрева, в особенности при поверхностной закалке. Он выражается в неравномерном распределении тока по сечению проводника, при котором наибольшая плотность тока наблюдается у поверхности проводника 1–3.

При решении задачи о распределении электромагнитного поля внутри проводника исходными уравнениями являются основные уравнения электромагнитного поля, впервые полученные Максвеллом и носящие его имя. В общем случае эти уравнения имеют вид:

,

,

где — вектор напряженности магнитного поля, А/м; — вектор плотности тока проводимости, А/м²; — вектор электрического смещения, Кл/м² ( =8,85·10^–12 Ф/м — диэлектрическая проницаемость вакуума; — относительная диэлектрическая проницаемость); — напряженность электрического поля, В/м; — магнитная индукция, Тл ( =4π·10^–7 Гн/м — магнитная проницаемость вакуума; — относительная магнитная проницаемость).