感应加热

当导电体放置在时变磁场区域时，会在体内感应出电流，从而在体内产生热能。这种效应被称为感应加热，广泛用于从光学玻璃光纤生产到 25 吨钢板加热的行业 [例子在 BNCE （1984） 中给出]。磁场是由适当排列的导体产生的，感应线圈连接到可以在线圈中提供所需时变电流的源。因此，提供给线圈的电能通过电磁场转换为工件中的热能，而无需与工件进行物理电气连接。用于感应加热的电源几乎总是为感应线圈提供交流电，频率的选择对于特定的加热应用至关重要。

感应的“涡流”强度在工件表面最大，并随着比率（厚度/集肤深度）向其中心降低。随着比率的增加，总功率的更大比例在表面附近耗散，这种现象称为集肤效应。集肤深度 δ定义为 δ =  ，其中 ρ 是电阻率 （Ωm），ω = 2πf （rad/s） 是线圈电流的角频率。绝对磁导率 μ 为 μ_{rμ 0}，其中 μ₀ = 4π·10⁻⁷ （H/m）;相对磁导率 μ₀ 是磁性材料施加磁场强度的函数，对于铜和铝等非磁性材料，其值为 1。

对于规则形状，例如圆柱形棒或管和宽矩形板，可以从解析解到感应电流的扩散方程，并辅以经验因素，得出工件中产生的功率和感应加热效率。这些推导在Davies & Simpson（1979年）、Orfeuil（1987年）和Davies（1990年）中都有给出。分析解决方案假设整个工件的材料特性恒定，而电阻率和比热随温度变化，磁性材料的磁导率是场强和温度的函数，比居里温度高 μ₀（钢为 ≈750 °C）。现在通常使用基于计算机的数值解来考虑这些变化，早期的例子是 Gibson （1973）。

对于直径为 d 且长度为 L 的实心圆坯，在直径为 D、长度为 L_c 且具有 N 匝且电流为 I 安培/匝的封闭圆形线圈中加热，感应功率 P_w 大约由下式给出：

(1)

其中 Q_杆在图 1 中作为 d/δ 的函数给出_{，而 KC} 取决于比率 d/D、d/δ 和 L/L_c。Orfeuil （1987） 给出了 K_c 的经验值，当 d/D 和 L/L_c 接近统一时，它趋于统一。壁厚 t 的空心圆柱体中感应的功率是用上述表达式中的 Q_杆代替等效磁通因子 Q_cyl 计算的，该磁通因子是 t/d、d/δ 和 μ_r 的函数，与 δ 无关。Davies （1990） 显示了这些参数的一系列 Q_cyl 图。

同样，对于长度为 L 的矩形板，宽度为 W，远大于其厚度 t，感应功率为：

(1)

用图 1 中的 P_棒或 P_板代替 Q 因子，得到工件中的无功功率 （VAR），这是评估线圈功率因数所必需的。

图 1.棒材和板的通量因子Q和P。

将提供给线圈的电能转换为工件中的热能的效率，称为线圈或电效率 η_c，由下式给出：

(3)

其中 Q 是相关的磁通因子_{，KA 是}线圈系统的空间因子，S_C/S_W 是线圈周长与同一平面上工件周长的比率。Harvey （1976） 表明，使用多层绕组而不是更传统的单层线圈可以显著提高线圈效率。这些高效线圈现在通常用于以电源频率加热有色金属坯料。

感应加热的整体效率为η_η热·η_c ·η_通常为 0.8-0.9（每单位），并考虑了电缆、功率因数校正电容器和变频设备的损耗;热效率 η_热效率代表工件的热损失，在很大程度上取决于工作温度、隔热和加热器的操作方法。典型值在 0.7-0.9 （每单位） 范围内。

横向磁通感应加热用于加热连续金属带材。在这种模式下，磁场指向材料的宽表面，而不是通过其狭窄的横截面，感应电流流过带材的宽度。该方法的优点包括效率更高，特别是对于有色金属带材，工作频率比传统的轴向磁通感应加热器低得多。Ireson （1989） 对该技术及其商业实现进行了有用的全面描述。

除了电源频率装置外，现代感应加热器的电源也来自固态变频器。已安装高达 7 MW 的装置，用于 1-3 kHz 的金属熔炼，I MW 装置现在可用于高达 500 kHz 的频率，以前是功率真空管三极管的领域。

引用

1. Davies， EJ （1990） 传导和感应加热。Peter Peregrinus Ltd. 伦敦。
2. Davies， EJ 和 Simpson， PG （1979） 感应加热手册。
3. 麦格劳-希尔图书公司（英国）有限公司。处女膜。
4. Gibson， R. C. （1973） SLEDDY，一种用于计算金属板和长圆柱形坯料的感应和其他加热的计算机程序。
5. 报告 ECRC/MM16。EA 技术。卡彭赫斯特，切斯特。
6. 感应加热设备指南。（1984） 英国国家电热委员会 （BNCE）。30 米尔班克，伦敦。
7. Harvey， I. G. （1976） 感应加热的多层绕组理论及其在 1 MW、50 Hz、纵向磁通钢坯加热器中的应用。论文 H（a）4.第 8 届 UIE 大会。老爷子。
8. Ireson， R. C. J. （1989） 带状金属生产线中横向磁通量感应加热。IEE 电力工程杂志。3: (2).伦敦。
9. Orfeuil， M. （1987） 电过程加热。哥伦布市，俄亥俄州里士满