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，直到热透深度?热为止。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?热后，继续加热时，热量基本上是依靠在厚度为?热的表层中析出，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。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。

q??kdTdx

“-”号表示热量流向温度降低的方向。 q表示热流密度，k为导热系数，

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P0。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：

P0?PLS

式（2.8）中

PL—零件被加热表面所得的功率（kw）; S—零件同时被加热的表面积（cm2）；

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（0.8~1.5）kwcm2。实际选择比功率时要考虑集体因数的影响。实际运行中P0的大小可由下式确定：

P0?K0I22??f 式（2.9）中

K0—决定于感应线圈和零件几何尺寸的系数； I2—感应器中的电流

由式（2.9）可知，在频率f一定时，加热过程中零件的?和?的变化，将使比功率P0发生变化。在其他参数一定时，P0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I2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P0与I2成正比，因而引起加热比

2功率的显著变化。I2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（I2的

2改变）；（3）电流频率的影响，在I2和??相同条件下，P0和f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d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d?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.