第2章 感应加热的基本原理
早在19世纪初人们就发现了电磁感应现象，知道处于交变磁场中的导体内会产生感应电流而引起导体发热。但是，长期以来人们视这种发热为损耗，并为保护电气设备和提高效率而千方百计的减少这种发热。直到19世纪末才开始开发和利用这种热源进行有目的的加热、熔炼、淬火、焊接、热处理等，随之出现了各种形式的感应加热设备。
1890年瑞典人发明了第1台感应熔炼炉—开槽式有芯炉，1916年美国人制造出闭槽式有芯炉，用于有色金属的冶炼，1921年无芯炉在美国出现，采用火花式中频电源，后来出现了中频机组电源和现在的晶闸管变频电源。工频炉产生于20世纪30年代。高频电源、倍频电源等也由于不同的工艺要求而相继出现。感应加热装置最早使用于表面热处理，以后普及焊接领域和各种透热。现在感应加热技术已广泛应用于国民经济的各个领域，如表I。自工业上开始应用感应加热能源以来，已过去10 多年，在这期间感应加热的理论和感应加热装置都有很大的发展，感应加热的应用领域亦随之扩大，其应用范围越来越广。究其原因，主要是感应加热具有如下一些特点：
1．加热温度高，而且是非接触式加热；
2．加热效率高，可以节能；
3．加热速度快，被加热物的表面氧化少；
4．温度容易控制，可以局部加热且加热均匀，产品质量稳定；
5．容易实现自动控制，使用方便；
6．作业环境好，几乎没有热、噪声和灰尘；
7．作业占地少，生产效率高。
在应用领域方面，感应加热已广泛应用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等过程，服务于冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻和船舶、飞机、汽车制造等行业中。此外，感应加热也已进入到人们的家庭生活中，例如微波炉、电磁炉、热水器等。
§2.2 感应加热的原理
§2.2.1 电磁感应与感应加热
Mihel Farady于1831年建立的电磁感应定律说明，在一个电路围绕的区域内存在交变磁场时，电路两端就会产生感应电动势，当电路闭合时则产生电流。这个定律同时也就是今天感应加热的理论基础。
感应加热的原理图如图2-1所示：
如下图，当感应线圈上通以交变的电流i时，线圈内部会产生相同频率的交变磁通Φ，交变磁通Φ又会在金属工件中产生感应电势e。根据MAXWELL电磁方程式，感应电动势的大小为：
由此可见，感应加热是靠感应线圈把电能传递给要加热的金属，然后电能在金属内部转变为热能。感应线圈与被加热金属并不直接接触，能量是通过电磁感应传递的。另外需要指出的是，感应加热的原理与一般电气设备中产生涡流以及涡流引起发热的原理是相同的，不同的是在一般电气设备中涡流是有害的，而感应加热却是利用涡流进行加热的。
这样，感应电势在工件中产生感应电流(涡流)i，使工件加热。其焦耳热为：
(2-5)
式中，Q：电流通过电阻产生的热量(J)；
I：电流有效值(A)；
R：工件的等效电阻(W)；
t：工件通电的时间(S)。
由式(2-4)可以看出，感应电势和发热功率与频率高低和磁场强弱有关。感应线圈中流过的电流越大，其产生的磁通也就越大，因此提高感应线圈中的电流可以使工件中产生的涡流加大；同样提高工作频率也会使工件中的感应电流加大，从而增加发热效果，使工件升温更快。另外，涡流的大小与金属的截面大小、截面形状、导电率、导磁率以及透入深度有关[6]。
因此，逆变高频感应加热电源的研制具有很大的实用价值。
§2.2.2 电流透入深度与集肤效益
透入深度的规定是由电磁场的集肤效应而来的。电流密度在工件中的分布是从表面向里面衰减，其衰减大致呈指数规律变化。工程上通常是这样规定的，当导体电流密度由表面向里面衰减到数值等于表面电流密度的0.368倍时，该处到表面的距离δ称为电流透入深度。因此可以认为交流电流在导体中产生的热量大部分集中在电流透入深度δ内。
透入深度δ可用下式来表示：
(2-6)
式中，ρ：导体材料的电阻率（Wgcm）；
：导体材料的相对磁导率；
f：电流频率(Hz)。
分析一下式(2-6)，当材料的电阻率ρ，相对磁导率 确定以后，透入深度δ仅与频率的平方根成反比，因此它可以通过改变频率来控制。频率越高，工作的透热厚度就越薄，这种特性在金属热处理中得到了广泛的应用，如淬火、热处理等。
