1 感应加热发展                                                       1.1 感应加热原理

感应加热是根据电磁感应原理，利用工件中的涡流（交变的感应电流）产生的热量对工件进行加热的。过程就是，电源通过给感应线圈通入交变电流，从而产生交变的磁场，放入在感应线圈中的工件就产生了感应电动势E，及感应电流I，I使得工件发热，功率为P，这就是感应加热的基本原理。

这种加入方式和以往不同，感应加热是一种非接触式加热，感应加热装置首先将电能转换成感应线圈中的磁场能，然后在通过磁场耦合到被加热工件中，转变成了热能。可以看出加热是从工件内部产生的，加热效率大为提高，同时这种加热方式工作环境好，相比传统方式有很大的优势。

感应电势的幅值为了使工件上获得更大的感应电流可以通过增加感应电动势，而感应电动势正比于dφ/dt，一种方法是加大电流即加大磁场强度，另一种就是增加电流变化的频率，两种方法都可以达到增加感应电动势的效果，但是加大电流会加大感应线圈中的铜损，降低了设备的电效率。

1.2 趋肤效应

当导体通上交流电时，沿导体截面上的电流分布是不均匀的，电流密度出现在导体的表面层，这种电流积聚现象称作趋肤效应。可以这样说交变的电流在导体中产生感应电动势，感应电动势的大小也是由里向外逐渐减弱的，反过来，电流密度在导体的横截面由里向外是加强的。

由于趋肤效应使得在工件中的感应电流分布不均，从而引起工件中每一部分的发热量不均，靠近表面得大量电能转换为热能，而内部电流小，发热也很小，内部的温度上升主要是靠外表面能量以传导的方式进去的，因此若感应加热的功率很大，加热时间很短，传导方式根本来不及传导到工件内部，淬火等工艺中有严格的表面加热要求，加热时间很短，有时候工件表面的温度很高了，已经烧红了，甚至融化了，而内部任然是黑色。

1.3 感应加热发展过程

感应加热设备的发展要追溯到19世纪初期，随着人们的电磁感应现象认识的加深，人们知道处于交变磁场中的导体会发热，但是很长时期，人们对这种发热现象采取避免的措施，直到19世纪末期人们才开始利用这种现象进行有目的的加热，熔炼等，才有了现在的感应加热概念。。

感应加热频率的选择：根据热处理及加热高层度的要求选择频率，频率越高加热的高层度越浅。

　　高频(10KHZ以上)加热的高层度为0.5-2.5mm, 一般用于中小型零件的加热，如小模数齿轮及中小轴类零件等。

　　中频(1~10KHZ)加热高层度为2-10mm，一般用于直径大的轴类和大中模数的齿轮加热。

工频(50HZ)加热淬硬层高层度为10-20mm，一般用于非常大尺寸零件的透热，大直径零件（直径300mm以上，如轧辊等）的表面淬火。

2 预热设计

感应加热一般用于金属加工前的预热。通常在锻造和挤压工艺前，对钢材、铝合金和钛镍等稀有金属进行加工前预热。棒料一般都是圆形、方形或者圆角方形的棒料。特别对于钢件而言，由于感应加热工艺的加热速度快，所产生的氧化皮量少，从而使材料的损耗减少到低程度。

在进行预热选型时，需要得到工作频率和功率。那么需要了解下面的几个参数。

2.1 工作频率的选取

工作频率的选取对透热的均匀性和节能都有非常重要的意义。

2.1.1. 穿透高层度

在选择合适的工作频率时，首先需要了解穿透高层度的概念。

穿透高层度指的是，大约86%的能量集中的高层度。

需要注意的是，由于电阻率和导磁率的变化，穿透高层度随着温度的变化而变化。通常电阻率是正温度系数，也就是说，电阻率随着温度的上升而加大，所以，穿透高层度会变深。对于非导磁体材料，穿透高层度通常会变深2-3倍。对于导磁体，可能随着温度的升高导致失磁，比如铁在居里点770度左右，导磁率会很快下降到1，穿透高层度会增加20倍左右。

2.2 等效电阻

等效电阻，可以惯称为工件电阻，用一个电阻代替工件与感应器线圈串联，如果电阻上耗散的热能和涡流在工件上的产生的热能相等，则称该电阻为等效电阻。也就是说，在工件上耗散的能量可以用I²R_eq表示，对实心棒来说，等效电阻R_eq等于N²与电流穿透高层度1mm薄管电阻的乘积：

其中，ρ为工件的电阻率；

а为圆棒直径；

A为管的载面积(等于d*w)；（原书就非常不清楚定义）

      K_R2是等效套管内外径间电路参数变化的常量；

      R_eq与线圈匝数N有关，因为根据法拉第定律和欧姆定律，感应电压和涡流与N成正比。

从上式中可以看出，当工件直径和材料确定后，就剩下A、感应器圈数和K_R2.。

A是与频率有关的。

2.3 临界频率

K_R2这个参数是直径ａ和穿透高层度ｄ之比的函数，称为工件电阻系数。

在a/d=4时，会出现拐点。也就是说，在0-4之间，提高频率会带来加工效率的明显提升；超过4以后，提高频率加工效率增加不明显。这个频率就被称为临界频率。

对于圆棒，临界频率被定义为a/d=4的频率。

对于双面透热的薄板，临界频率被定义为a/d=2.25的频率。需要注意的是，薄板在低于临界频率的时候，会出现双面抵消。这也是后来对薄板加热改进为“横向磁场加热”的原因。

如果只需要加热一个薄板的一个面，需要选择横向磁场加热方式，临界频率选择稍微低一点，大约是图7的临界频率除以100倍。横向磁场加热需要制作一个能够为整板加热均匀的感应器，这需要特别制作。

2.4 电效率

由于电源输出是通过感应器耦合到工件，所以电效率就成为了一个重要参数。

感应器电阻越小越好。这也是感应器通常用铜管绕制的原因。当然，如果用超导线更好。

由于资料不全，对于内孔加热的效率没有明确描述，但文献提到效率非常低。通常通过多绕线圈达到提**率的目的。

2.5 功率确定

透热功率非常重要的指标。在透热中，能量密度应该保持相应低一些，以允许进行从外从外层（通过较高电流密度可以较快地加热）到里层的热传导。在忽略温度梯度的影响后，吸收的能量取决于所需的温升ΔT，单位时间内加热的总重量，以及材料的比热。

   线圈损耗就是线圈上的损耗。这个损耗可以通过减少感应圈的电阻来减少。比如，采用高纯度的铜管或是超导材料。这个损耗会导致感应器发热，必须进行冷却。

这里需要提到一个概念，功率密度，也就是，单位面积上的功率。功率密度太大，工件会出现过热。