中频电磁感应加热器设计.doc

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1、摘要本文以感应加热为研究对象，简要介绍了感应加热的基本原理和特点，阐述了感应加热技术的现状及其发展趋势。本文主要研究了感应加热器的设计方法。感应加热器是利用工件中的涡流的焦耳效应将工件加热，这种加热方式具有效率高、控制精确、污染少等特点，在工业生产中得到了广泛的应用。如何设置感应线圈的参数使之满足被加热工件中性能要求普遍关注的问题。传统的设计方法是利用线圈在整个电路中的等效电阻地位，利用一系列电磁学公式计算出线圈的性能参数。然而这种基于实验的系统设计方法却耗时费力，并且测量成本高。因此，近似模拟方法对于感应加热器的设计和研究具有重要意义。本文的主要工作是建立感应加热器的近似设计方法。从感应加热

2、理论的一系列经过实验数据修正过的理论曲线为依据，根据工艺要求得出相关物理参数，并通过计算得到感应器的设计参数。关键词：第一章 绪论 1.1 国内外感应加热的发展与现状 随着现代科学技术的发展，对机械零件的性能和可靠性要求越来越高，金属零件的性能和质量除材料成分特新外，更与其加热技术密不可分。例如，加热速度的快慢不仅影响生产效率而且影响产品的氧化程度，局部温度过冷或过热可能导致产品变形甚至损坏等。由于感应加热具有热效率高，便于控制等优点，目前在金属材料加工，处理等方面得到广泛应用。 在工业发达国家，感应加热研究起步较早，应用也更为广泛。1890年瑞士技术人员发明了第一台感应熔炼炉开槽式有芯炉，1

3、916年美国人发明了闭槽式有芯炉，感应加热技术开始进入实用化阶段。1966年，瑞士和西德开始利用可控硅半导体器件研制感应加热装置。从此感应加热技术开始飞速发展，并且被广泛用于生产活动中。 在我国，感应加热技术起步比较晚，与世界发达国家相比存在较大的差距。直到80年代初，感应加热设备才有一定的应用，但因其与其它加热方式相比在节能和无环境污染等方面的显著优势，近几年来得到了长足的发展，已经广泛应用于钢铁、石油、化工、有色金属、汽车、机械、和军工产品的零部件热处理方面，且随着感应加热技术的进一步发展，其市场应用前景将越来越广阔。 金属感应热处理中的加热目标是将金属加热到特定温度分布，比如热轧，不仅要

4、求表面达到一定的温度，而且要求工件加热温度均匀，即工件径向与轴向温差小。在此特定温度下进行轧制既能保证能源的合理利用，又能使轧制力在正常范围内以方便轧制。又如在淬火加热中，除了表面温度要求外，对加热层厚度也有不同要求。所有这些都要求加热功率、加热时间等工艺参数选择合理。而在实际生产中，生产过程的复杂性以及人工控制的不精确性和随机性，可能就会产生两种不希望出现的情况：一是加热功率过大，加热时间过短。虽然钢坯的表面温度已达到要求，但钢坯内部却没达到工艺温度分布要求，将会影响后续工艺。如在轧制过程中，如果钢坯没被加热透，硬度较大，不仅对热成型的成品、半成品的质量造成很大影响，损坏产品信誉，而且会使轧

5、制钢坯的轧锟逐渐产生裂纹，严重缩短轧锟的寿命，导致轧锟仅在短短数月甚至是一个月左右就不能再用。而轧锟成本一般比较高，会给工厂造成较大的损失；二是加热功率过小，加热时间过长。这种情况不仅会增加氧化皮含量，而且浪费能源。在能源价格日益上涨和能源危机日趋严重情况下，应尽可能避免这种现象发生，以节约能源，造福后世。同时加热时间过长也会降低工厂的生产率，增加产品的成本。 总而言之，加热炉内的加热温度，一方面影响加热炉的能耗和工件烧损，另一方面又影响后续工艺。将工件温度控制在合理的范围内，既可保证产品的性能，又可使加热炉和后续设备的总能耗最低。因此，如何在复杂的生产过程中有效地控制加热温度是当前迫切需要解

6、决的问题。要有效地控制加热温度， 其中最关键的是在确定钢坯表面温度的同时，也确定钢坯的芯部温度，然而就目前的测温技术而言，很难用仪器直接测量出被加热钢坯的芯部温度。目前的做法是热处理完毕之后，在室温状态下通过解剖方法测定组织状态和残留应力分布情况下来进行估算。这种算法不仅耗费大量人力、物力、和时间，而且所得的仅是某一零件、某一具体工艺条件下的最后情况，很难获得直接推广应用的规律性成果。故目前感应加热热处理工艺大多数还是建立在定性分析基础上，凭经验制定的，生产力迅速发展要求的高质量、低成本相去甚远。1.2 感应加热的优点1）加热速度快：用电磁感应加热时，温度上升的速度远比用石油或煤气加热的速度快

7、得多；2）铁屑损耗少：快速加热能有效地降低材料损耗。而用煤气为燃料的装置，加热速度慢，损耗很大；3)启动快：在有些加热装置中，有很多耐火材料，加热启动时它们吸收热量，即装置的热惯性大。感应加热不存在这类问题，因而启动快；4)节能：不工作时感应加热电源可以关闭，因为感应加热启动快的特点，而对其他装置来说，由于启动慢，不工作时，也必须维持一定的加热温度；5）生产效率高：由于加热时间短，感应加热可以提高生产效率，降低成本。除此之外，感应加热还有便于控制、易于实现自动化、减少设备占地面积、工作环境安静、安全、洁净、维护简单等优点。第二章 感应加热基本原理2.1 感应加热原理及主要特点2.1.1 电磁感

8、应与涡流发热 感应加热实质是利用电磁感应在导体内产生的涡流发热来加热工件的电加热，它是依靠感应器通过电磁感应把电能传递给被加热的金属，电能在金属内部转变为热能，达到加热金属的目的。以加热圆柱形工件为例，其原理如图2.1，电流通过线圈产生交变的磁场，当磁场内磁力通过待加热金属工件时，交变的磁力线穿透金属工件形成回路，故在其横截面内产生感应电流，此电流称为涡流，可使待加热工件局部迅速发热，进而达到工业加热的目的。 感应加热基本原理可以用电磁定理和焦耳一楞次定理来描述，电磁感应定理内容为：当穿过任何一闭合回路所限制的面的磁通量随时间发生变化时，在回路上就会产生感应电动势e: 需要加热的金属工件自成回

9、路，在横截面内产生感应电流，此电流称涡流，并用表示，其值取决于感应电动势E和涡流回路的阻抗Z： 式中： 感应电动势等效值；涡流回路内的电阻;涡流回路内的感抗；由于Z值很小，涡流If可以达到很高的数值，在此电流流动时，为克服导体本身的电阻而产生焦耳热，因而能在极短时间里加热工件到很高的温度。 感应电动势使工件导体中产生涡流，进而产生焦耳热。这一过程可用焦耳一楞次定律表达为： （2.3） 感应加热的加热过程是电磁感应过程和热传导过程的综合体现，电磁感应过程具有主导作用，它影响并在一定程度上决定着热传导过程。热传导过程中所需要的热能是由电磁感应过程中所产生的涡流功率提供的。应当指出，对磁铁材料来讲，

10、除涡流产生热效应外，还有磁滞热效应，但这部分热量比涡流产生的热量小得多，故在以后的讨论中我们将忽略此部分的热量。2.1.2 集肤效应及透入深度 众所周知，直流电流经导体时，电流在导体截面上是均匀分布的，而当给一个圆形断面直导线通以交流电时，这时电流在导体截面上的分布将不再是均匀的，导体表面上各点的电流密度最大，而在导体中心轴线上电流密度最小，由外表面向内层以幂指数规律逐渐递减，这种现象叫做集肤效应，也称表面效应或趋肤效应。在感应加热中，电源电流是交流电，工件中的感应电流也是交流电流，因此同样具有集肤效应，在此效应作用下，工件中的电流密度分布是不均匀的，以圆柱形工件为例，设表面的电流Io，沿工件

11、半径方向x方向的电流密度为： （2.4）当 x=，即为表面层密度的36.8%，把电流密度为Io/e的层称为电流透入深度。可以计算出，在层中放出的能量为86.5%。在设计使用时，认为金属被加热的能量先在 层产生，内层金属靠传热传导而被加热。实际上工件表面的地方，电流密度就差不多降到零。电流透入深度可按下式计算： =50300式（2.5）中：工件的电阻率（），一般来说金属的温度越高，其电阻率越大，当温度从升高到时，钢的电阻率增加45倍，而且可大致认为，在温度范围内，各类钢的电阻率几乎相等，约为；工件的相对磁导率，真空中和非铁磁性物质其取值1，磁铁性物质在居里点以下时远大于1，居里点以上时接近1；电

12、源频率（Hz）；由式（2.5）可以看出，电流透入深度取决于电流频率、零件材料的电阻率和磁导率。在材料和一定时，可以通过调节来调节，也就是说对于工件的加热厚度可以方便的通过调节电源频率加以控制，频率越高，工件的加热厚度就越薄，这种性质在工业金属热处理方面获得广泛的应用。需要说明的是，对磁铁物质而言，式2.5表示材料在失磁前的涡流透入深度，称为“冷态的涡流透入深度”，随材料温度的上升，会导致增大和下降，从而使涡流分布平缓，透入深度增大。当温度上升到磁性转变点时，由于其中急剧下降，可使涡流透入深度增大几倍至几十倍。材料在失去磁性后的涡流透入深度称为“热态的涡流透入深度”，对于钢铁材料在热态时的涡流透

13、入深度可按式2.6求出：2.1.3圆环效应圆环形的导体通过高频（或中频）交变电流时所产生的磁场在环内空间集中，环外分散，见图2.2。.环内的磁通不仅穿过环外空间，同时也穿过环形导体自身，这样就使环形导体外侧交链的磁通多于内侧，于是环形导体外侧产生较大的感应电动势，迫使电流在环形导体内侧的电流透入深度层中流过，这种现象称为电流的圆环效应或环状效应。环状效应使感应器上的电流密度集到感应器内侧，对加热零件外表面十分有利，但对加热零件内孔时，此效应使感应器电流远离加热零件表面，是有害的。如图2.2，在圆环导体中通以交流电时，所产生的磁通在环内空间集中，环外分散，最大电流密度分布在环状导体内侧，这种现象

14、叫环状效应，也叫圆环效应。圆环效应的实质是环形感应器的临近效应。图2.2 圆环效应2.1.4 透入式加热和传导式加热 当感应线圈刚刚接通电源，工件温度开始明显升高前的瞬间，涡流在零件中的透入深度是符合冷态分布式（2.5）的。由于越趋近零件表面涡流强度越大，因此表面升温也越快。当表面出现已超过失磁温度的薄层时，加热层就被拆分成两层：外层的失磁层和与之毗邻的未失磁层。失磁层内的材料导磁率的急剧下降，造成了涡流强度的明显下降，从而使最大的涡流强度出现在失磁层和未失磁层的交界处。涡流强度分布的变化，使两层交界处的升温速度比表面的升温速度更大，因此使失磁层不断向纵深移动，零件就这样得到逐层而连续的加热，

15、直到热透深度为止。这种加热方式称为透入式加热。当失磁的高温层厚度超过热态的涡流透入深度后，继续加热时，热量基本上是依靠在厚度为的表层中析出，而在此层内越靠近表面，涡流强度和所得的能量越大。同时，由于热传导的作用，加热层的厚度将随时间的延长而不断增大。当零件的加热层厚度远远大于材料在该电流频率下热态的涡流透入深度时，那么这种加热层就是主要依靠传导式方式获得的，其加热过程及沿截面的温度分布特性与用外热源加热（如在炉内加热或火焰加热）的基本相同，为热传导加热方式。热总是从温度高的地方向温度低的方向转移，称之为热传递。从微观来看，就是区域分子受到外界能量冲击后，由能量高的区域分子传递至能量低的区域分子

16、。热传递主要有三种方式：传导、对流和辐射。固体的热传递方式就是热传导。热传导是指完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。从微观角度看，热传导是依靠物体中分子、原子或自由电子等微观粒子的热运动而进行的热能传输过程。其基本定律是傅里叶定律，级单位时间内通过单位截面积的导热能量与温度梯度成正比。表示热流密度，为导热系数，“-”号表示热量流向温度降低的方向。在感应加热过程中，由于生电流焦耳热作为内热源来加热工件表面，然后依据传热导作用，使加热工件的温度由表层向内层逐层升高。2.1.5 感应加热的能量参数在一定时间内涡流透入层的温度，以及加热层向心部的发展速度，均取

17、决于单位时间内向零件单位表面积所提供的能量，即比功率。决定感应加热速度和最终温度的最基本参数是加热比功率和加热时间，他们的数值大小可以表征零件所获得的能量，故称为感应加热的能量参数。比功率可用下式表示：式（2.8）中零件被加热表面所得的功率（）;零件同时被加热的表面积（）；比功率的理论值对于不同的加热规范有一定的范围，比如在同时加热的中频淬火中，常采用的比功率是（0.81.5）。实际选择比功率时要考虑集体因数的影响。实际运行中的大小可由下式确定：式（2.9）中决定于感应线圈和零件几何尺寸的系数；感应器中的电流由式（2.9）可知，在频率一定时，加热过程中零件的和的变化，将使比功率发生变化。在其他

18、参数一定时，的大小与成正比。通常把称为材料的吸收因子，它反映材料在一定温度下对电磁的吸收能力。另外，在一般的感应加热条件下，零件材料的和的变化，反过来又将引起感应器中电流的表变化。这是因为负载的阻抗随着的变化而发生改变引起的。由式2.9可知，加热比功率与成正比，因而引起加热比功率的显著变化。对比功率的影响是通过改变电磁强度而实现的。此零件在加热过程中比功率的变化来自于三方面：（1）材料吸收因子的改变;(2)电磁场强度的改变（的改变）；（3）电流频率的影响，在和相同条件下，和成正比。由于比功率在加热过程中是变化的，所以在许多情况下常常采用平均比功率（在整个加热周期内比功率的平均值）表征其大小。另

19、一个重要能量参数加热时间的作用是明显的，即在一定的平均比功率下，加热时间越长，工作所获得的总能量就越多。由于涡流透入过程的进展和热传导的作用，加热时间越长，加热深度也就越深。改变加热比功率的大小和加热时间的长短，就可以调节加热速度、最终的加热温度及加热的深度。第三章 感应加热器磁通方向的选择 感应加热方式基本可分为纵向磁通感应加热与横向磁通感应加热。其感应加热器也分为纵向磁通结构与横向磁通感应结构。3.1 纵向磁通感应加热 由感应线圈中电流所产生的磁通方向与受热物件被加热表面平行的感应加热称之为纵向磁通感应加热。传统的纵向磁通感应加热，线圈围绕工件，如图2-1所示。交变电流产生沿工件轴向的交变

20、磁通，交变磁通所引起的涡流平行于金属板横截面，利用涡流的焦耳热，使板材温度升高。由于磁通平行于加热工件的轴向，因此，这种加热方式称为纵向磁通感应加热。图3.1a是圆柱形感应器产生纵向磁通的结构图，图3.1b是矩形感应器产生纵向磁通的结构图。图3.1纵向磁通感应加热器示意图但随着金属冶金工业的发展，对金属板材进行加热的需求越来越广泛，纵向磁通感应加热自身的局限性也日益明显。由涡流分布公式及透入深度公式可知，如果要得到较高的加热效率必须使带材料厚度与集肤深度之比大于3，否则，会因涡流的相互抵消而导致加热效率降低。因此，对于一定厚度的带材，要取得较好的加热效率，就要增大频率以减小集肤深度。被加热的带

21、材愈薄，则要求集肤深度愈小，而要减小集肤深度则要增大频率。事实上，对于带材，若采用纵向磁通感应加热，其频率要超过10kHz。在很小的情况下，即便增大加热的频率与电流，也难以达到所需的温度。例如，采用纵向磁通感应加热对于磁铁性板材能够加热的最小厚度0.8mm。铝板为4mm，而非磁铁性钢板只能达到12mm，因此纵向磁通感应加热主要应用于中厚板和圆柱形金属材料。3.2横向磁通感应加热横向磁通感应加热，其重要应用领域之一是对金属板坯、中厚板或带材加热，如图3-1所示：（a）铜板焊接，（b）钢排焊接，（c）金属带材加热。横向磁通感应加热研究较少，但工业需求又与日俱增。由感应线圈中电流所产生的磁通方向与受

22、热物件被加热表面垂直的感应加热称之为横向磁通感应加热。如图3-3.这种加热装置包含对称防置在金属带材两侧的两组线圈，两组线圈中的交变电流产生垂直于工件表面的交变磁通（横向磁通），感应出的涡流平行于板材表面，在板材截面上涡流并不存在相互抵消的问题，因此对频率的要求大大降低了。频率的降低使得无功率相应降低，节约了能源，同时由于线圈并不围绕工件，使得磁通感应加热装置放置灵活，因此尤其适合连续的热处理过程与工件的局部加热。第四章 感应加热器设计技术4.1感应加热电源系统原理图见图4.1图2.4系统原理结构（1）感应加热电源技术发展现状感应电源按频率范围可分为以下等级：500Hz以下为低频，1-10KH

23、z为中频；20KHz以上为超音频和高频。感应加热电源发展与电力电子器件的发展密切相关。1970年浙大研制成功国内第一台100KW/1KHz晶闸管中频电源以来，国产KGPS系列中频电源已覆盖了中频机组的全部型号。在超音频电源方面，日本在1986年就利用SITH研制出100KW/60KHz的超音频电源，此后日本和西班牙又在1991年相继研制出500KW/50KHz和200KW/50KHz的IGBT超音频电源。国内在超音频领域与国外还有一定差距，但发展很快，1995年浙大研制出50KW/50KHz的IGBT超音频电源，北京有色金属研究总院和本溪高频电源设备厂在1996年联合研制出100KW/20KH

24、z的IGBT电源。在高频这一频段可供选择的全控型器件只有静电感应晶闸管（SITH）和功率场效应晶闸管（MOSFET），前者是日本研制的3KW200KW，20KHz300KHz系列高频电源,后者由欧美采用MOSFET研制成功输出频率为200300KHz,输出功率为100400KW的高频电源。与国外相比，国内导体高频电源存在较大差距，铁岭高频设备厂1993年研制成功80KW/150KHz的SIT高频电源，但由于SIT很少进入国际化流通渠道，整机价格偏高，并没有投入商业运行。现在，电力电子应用国家工程中心设计研制出了550KW/100400KHz高频MOSFET逆变电源。上海宝钢1420冷轧生产线于

25、1998年引进了日本富士公司的7180KHz,3200KW高频感应加热电源，是目前世界上最为先进的逆变电源。总体说来，国内在感应加热电源的设计开发和产品化方面虽有发展，但远不能适应我国工业发展的要求，对于应用范围越来越广泛的高频感应加热电源领域的研究尤为薄弱，处于刚刚起步阶段。（1）感应加热电源技术发展与趋势感应加热电源的水平与半导体功率器件的发展密切相关，因此当前功率器件在性能上的不断完善，使得感应加热电源的发展趋势呈现出以下几方面的特点。高频率目前，感应加热电源在中频频段主要采用晶闸管，超音频频段主要采用IGBT，而高频频段，由于SIT存在高导通损耗等缺陷，主要发展MOSFET电源。感应加

26、热电源谐振逆变器中采用的功率器件利于实现软开关，但是，感应加热电源通常功率较大，对功率器件，无源器件，电缆，布线，接地，屏蔽等均有许多特殊要求，尤其是高频电源。因此，实现感应加热电源高频化仍有许多应用基础技术需要进一步探讨。大容量化从电路的角度来考虑感应加热电源的大容量化，可将大容量化技术分为二大类：一类是器件的串、并联，另一类是多台电源的串、并联器件的均流问题，由于器件制造工艺和参数的离散性，限制了器件的串、并联数目，且串、并联数越多，装置的可靠性越差。多台电源的串、并联技术是在器件串、并联技术基础上进一步大容量化的有效手段，借助于可靠的电源串、并联技术，在单机容量适当的情况下，可简单地通过

27、串、并联运行方式得到大容量装置，每台单机只是装置的一个单元或一个模块。感应加热电源逆变器主要有并联逆变器和串联逆变器，串联逆变器输出可等效为一低阻抗的电压源，当二电压源并联时，相互间的幅值、相位和频率不同或波动时将导致很大的环流以致逆变器器件的电流产生严重不均，因此串联逆变器存在并机扩容困难；而对并联逆变器，逆变器输入端的直流大电抗器可充当各并联器之间的电流缓冲环节，使得输入端的AC/DC或DC/AC环节有足够的时间来纠正直流电源的偏差，达到多机并联扩容。负载匹配感应加热电源多用于工业现场，其运行工况比较复杂，它与钢铁、冶金和金属热处理行业具有十分密切的联系，他的负载对象各式各样，而电源逆变器

28、与负载是一有机的整体，负载直接影响到电源的运行效率和可靠性。对焊接、表面热处理等负载，一般采用匹配变压器连接电源和负载感应器，对高频、超音频电源用的匹配变压器要求漏抗很小，如何实现匹配变压器的高输入效率，从磁性材料选择到绕组结构的设计已成为一重要课题，另外，从电路拓扑上负载结构以三个无源元件代替原来的二哥无源元件以取消匹配变压器，实现高效、低成本隔离匹配。智能化控制随着感应热处理生产线自动化控制程度及对电源可靠性要求的提高，感应加热电源正向智能化控制方向发展。具有计算机智能接口、远程控制、故障自动诊断等控制性能的感应加热电源正成为下一代发展目标。 3.2 感应加热电源电路的主回路结构感应加热电

29、源主电路图，如图3.2所示如图3.2所示，它由整流器、滤波器和逆变器组成。整流器采用不可控三相全桥式整流电路。 、和 (C1、C2)构成型滤波器。两个电解电容C1，C2串联以减小单个电容的承受的电压，R2 , R3起均压作用。R1为限流电阻，当系统开始上电时，由于电容两端电压为零，故刚开始对电容充电时，电流将很大，加上限流电阻R1后则就电流不会很大了。当电容两端电压达到一定数值时，交流接触器K1闭合，将限流电阻短接。系统即可正常工作。 逆变器采用单相变逆变桥，经变压器和串联谐振电路相接。利用轮流驱动单相对角的两组IGBT工作，把恒定的直流电压变成10 Hz10 kHz方波电压输出给负载。3.2

30、.1主回路的等效模型图3.2a 主回路等效电路1（1）从图3.2可知，开始工作时，首先给电容充电。电路等效为一个一阶RC零状态响应电路，把整流器理想化为一个直流电压源。如右下图所示，开关闭合前电路处于零初始状态，即。在时刻，开关闭合，电路接入直流电压源。根据基尔霍夫电压定律（KVL），有 把代入，得电路微分方程 求解微分方程得出： （2）以指数形式趋近于它的最终恒定值，达到该值后，电压和电流不再变化，电容相当于开路，电流为零。 当电解电容充满电后，相当一个直流电压源。和导通时，整流后的直流电开始给负载供电，电流的流向RL，则主回路等效于一个一阶零状态响应电路。电路图如右下图。开关S接通后，（）

31、=（）=0,电路的微分方程为图3.2b 主回路等效电路2 初始条件为（）0时，电流的通解为 ： 式中 为时间常数。特解，积分常数A（）所以 （1） （3） 继续导通，电压源提供的电流为0，此时，电感储存的能量通过和续流二极管D o2形成回路，等效为一个一阶零输入响应电路。如右下图所示。电路在开关动作之前电压和电流已恒定不变，电感中有电流。具有初始电流的电感和电阻连接，构成一个闭合回路。在0时，根据KVL，有 图3.2c 主回路等效电路3而，电路的微分方程为 其特征根为故电流为 电阻和电感上电压分别为： 图3.2d 主回路等效电路4（4）当和关断，和到通时，电感的自感电流比整流电流大，通过二极管

32、、续流，等效为一个二阶零输入响应电路。如下图所示，为串联电路，假设电容原已充电，其电压为，电感中的初始电流为。则=0时，开关闭合，此电路的放电过程即是二阶电路的零输入响应。在指定的电压、电流参考方向下，根据KVL可得 ，电压，。把它们代入上式，得 上式以（令=以方便求解）为未知量的串联电路放电过程的微分方程。求解后，特征方程为 解出特征根为 根号前有正负两个符号，所以有两个值。为了兼顾这两个值，电压可以写成 = 其中 可见，特征根和仅与电路参数和结构有关，而与激励和初始储能无关。 根据给定的两个初始条件结合电压的表达式，可得 将解得的和代入电压的表达式 =，就可以得到串联电路零输入响应的表达式

33、：感应加热器的设计主要确定感应线圈的各种参数，包括感应线圈的长度，内径、匝数，通过线圈电流的终端电压、电流强度、频率。4.1 感应加热器的参数选择4.1.1感应加热器的截面形状选择 在进行感应加热时，感应线圈因为自身的电阻也会在电流的情况下发热，如果不加以冷却，会导致感应线圈不断升温，感应线圈温度在不断上升的时候电阻率也不断的上升，导致更严重的升温。为了防止感应线圈温度过高，线圈一般采用铜管，铜管中通过水冷，这样可以有效的降温感应线圈的温度，并且提高线圈载流密度。对于铜管的截面的选择，主要考虑到电流的圆环效应。从图4.1中可以看出，矩形铜管的电流区比圆形铜管的更能靠近加热件。因此矩形感应线圈和

34、工件之间的距离要比相同的圆形铜管间隙要小，所以实用上常选择矩形的铜管。对于铜管感应器上电流透入深度，由于在水冷情况下、两值基本保持不变，因此可用公式4.1计算： （4.1）从技术经济指标考虑，选用铜管的最佳壁厚为。再厚则是浪费，实际应用中一般取。图4.1矩形截面与圆形环状效应的示意图4.1.2 感应加热器频率的选择感应加热电源的频率由被加热的工件参数和热处理的要求决定，工件参数包括工件材料性质、工件几何机构参数，热处理要求表面淬火热处理、退火透热处理、回火热处理和熔炼等。对各种热处理方式的频率要求也不同，表面退火热处理频率高，加入深度小，其它热处理方式要求频率低，透热深度要求大。表4.1给出了

35、用于有色金属的典型频率选择，作为通过感应圈的电流频率设计依据。4.1.3 感应加热器几何参数的选择（1）感应加热器绕组的长度选择感应圈绕组的长度很大程度取决于所选择的加工方式和被加热金属。对于一般情况来说，采用工件最长长度加25-75毫米来作为感应圈的长度是足够的。（2）感应圈内径的选择一般来说，感应圈的内径等于工件的直径加上空气间隙，一般情况下空气间隙由表4.2确定。4.2感应加热器终端电压电流匝数的确认感应加热器终端电压、电流和匝数等主要参数的确认是基于一系列理论上的，并使用以实验为基础的修正系数而得到修正曲线。这些参数包括感应加热终端电压，感应加热器电流，感应加热器匝数。这种设计方法使用

36、了效率、功率因数和匝数平方所反映的阻抗等一系列公式。感应加热器的效率定义为：其中：=感应线圈效率； =输入工件的总功率； =感应圈终端的总功率感应圈功率因数定义为：其中：=感应圈功率因数；=感应圈终端的总功率；=感应圈终端伏安数。感应圈匝数平方的阻抗定义为：其中：=感应圈匝数平方的阻抗；=感应圈终端伏安数；=感应圈终端电压；=感应圈电流；=感应圈匝数。感应加热器的设计一般采用近似设计法。近似法就是根据工艺给出的要求，利用曲线得出感应加热器效率、感应加热器功率因数及感应加热匝数平方的阻抗，然后代入公式来确定感应加热器的功率电压，电流和匝数。下面以铝为例说明感应加热器的设计过程图4.2给出了感应长

37、度为250毫米，相对导磁率为1，温升范围在20摄氏度到540摄氏度，工作材料为铝的感应圈效率与工件直径的关系曲线。图4.3给出了感应圈长度635毫米，相对导磁率为1，温升范围在20摄氏度到540摄氏度，工件材料为铝 感应圈与工件直径的关系曲线。图4.3感应线圈长度为1270毫米，相对导磁率为1，温升范围在20摄氏度到540摄氏度，工件材料为铝的感应圈效率与工件直径的关系曲线。图4.5给出了感应圈长度为250毫米，相对导磁率为1，温升范围在20摄氏度到540摄氏度，工作材料为铝的感应圈功率因数与工件直径的关系曲线。图4.5感应线圈长度为250毫米功率因数与直径的关系 图4.6给出了感应线圈长度为

38、635毫米，相对磁导率为1，温升范围在20摄氏度到540摄氏度，工作材料为铝的感应圈功率因数与工件直径的关系曲线。图4.6感应线圈长度为635毫米功率因数与直径的关系图4.7给出了感应圈长度为1270毫米，相对导磁率为1，温升范围在20摄氏度到540摄氏度，工作材料为铝的感应圈功率因数与工件直径的关系曲线。4.6感应线圈长度为635毫米功率因数与直径的关系图4.7给出了感应圈长度为1270毫米，相对导磁率为1，温升范围在20摄氏度到540摄氏度，工件材料为铝的感应圈因数与工件直径的关系曲线。图4.7感应线圈长度为1270毫米功率因数与直径的关系 图4.8给出了感应圈长度为250毫米，相对导磁率

39、为1，温升范围在20摄氏度到540摄氏度，工件材料为铝的感应圈匝数平方的阻抗与工件直径的关系曲线。工件的直径d(毫米)图4.8感应线圈长度为250毫米匝数平方的阻抗与直径的关系 图4.9给出了感应圈长度为635毫米，相对导磁率为1，温升范围在20摄氏度到540摄氏度，工件材料为铝的感应圈匝数平方的阻抗与工件直径d的关系曲线。工件直径d（毫米）图4.9感应线圈长度为635毫米匝数平方的阻抗与直径的关系 图4.10给出了感应圈长度为1270毫米，相对导磁率为1，温升范围在20摄氏度到540摄氏度，工件材料为铝的感应圈匝数平方的阻抗与工件直径的关系曲线。图4.10感应线圈长度为1270毫米匝数平方的

40、阻抗与直径的关系实际设计中，可根据工艺要求可以知道温升的标准，加热的材料多少和加热时间可以确认：（1） 工件总的加热功率，根据图4.2图4.3图4.4的曲线得到的感应圈效率。代入公式（4.2），（2） 根据图4.5，图4.6，图4.7的曲线得到的感应圈功率因数，代入公式（4.3），可以得出感应圈终端的伏安数。（3） 根据图4.8,图4.9，图4.10的曲线得到的感应圈匝数平方的阻抗，代入公式（4.4），可以得出感应圈电压与感应圈匝数的比；感应圈电流与感应圈匝数的积。最后可以根据实际情况来确定感应圈的终端电压，电流和匝数。如果采用工频电源，那么终端电压是固定。如果能够使用变压器，那么匝数和电压是

41、可以进行选择以取得最好的方案。从选用的感应匝数推导出电流值。第五章 结论中频锻造加热炉特点：加热速度快、生产效率高、氧化脱炭少、节省材料与锻模成本 由于中频感应加热的原理为电磁感应，其热量在工件内自身产生，普通工人用中频电炉上班后十分钟即可进行锻造任务的连续工作，不需烧炉专业工人提前进行烧炉和封炉工作。不必担心由于停电或设备故障引起的煤炉已加热坯料的浪费现象。由于该加热方式升温速度快，所以氧化极少，每吨锻件和烧煤炉相比至少节约钢材原材料20-50千克，其材料利用率可达95。由于该加热方式加热均匀，芯表温差极小，所以在锻造方面还大大的增加了锻模的寿命，锻件表面的粗糙度也小于50um。 工作环境优

42、越、提高工人劳动环境和公司形象、无污染、低耗能 感应加热炉与煤炉相比，工人不会再受炎炎烈日下煤炉的烘烤与烟熏，更可达到环保部门的各项指标要求，同时树立公司外在形象与锻造业未来的发展趋势。感应加热是电加热炉中最节能的加热方式由室温加热到1100的吨锻件耗电量小于360度。 加热均匀，芯表温差极小，温控精度高 感应加热其热量在工件内自身产生所以加热均匀，芯表温差极小。应用温控系统可实现对温度的精确控制提高产品质量和合格率。致 谢在本文即将结束之际，我要由衷地感谢在我毕业设计阶段，乃至本科四年学习生活中帮助过我的师长与同学。在毕业设计完成的过程中得到了许多老师和单位领导的帮助，学院的老师们严谨治学的

43、教学使我受益非浅。本论文的选题、研究内容、研究方法及论文的形成是在导师何少佳老师支持、鼓励和悉心指导下完成的，他是我获得深思熟虑的意见和概念清晰的见解的来源，他不惜花费自己时间对本论文提出许多意见和建议，既激发了我的灵感，又给了我持久不断的鼓励。在论文完成的过程中倾注了导师大量的心血，在论文完成之际，特向我尊敬的何少佳导师表示衷心的感谢。本次论文与设计的完成对我是一个巨大的激励，使我在学术研究方面充满信心，更为我在今后的学习与工作中提供了宝贵的经验。在学习、工作和论文写作中，得到了同学们的热忱帮助，在此向他们由衷的感谢。感谢院领导及各位老师在学习期间给予我的帮助。最后，对我的父母以及所有亲人给

44、予我的理解、帮助和支持表示深情的感谢。并以此文献给所有关心与帮助过我的亲人们、老师们和朋友们！参考文献1 王水平. 开关稳压电源原理、设计与实用电路M.西安：西安电子科技大学出版社，1999.2 王 聪. 软开关功率变换器及其应用M.北京：科学出版社，2000.13 刘胜利. 现代高频开关电源实用技术M.北京：电子工业出版社，2001.4 张占松. 电路和系统的仿真实践M.北京：科学出版社，2000.5 贾新章. OrCAD/Pspice 9实用教程M. 西安：西安电子科技大学出版社，2003.6 林渭勋. 现代电力电子电路M.杭州：浙江大学出版社，2002.7 陈国成.新型电力电子变换技术M.北京：中国电力出版社，2004.8 倪海东，蒋玉萍.高频开关电源集成控制器M.