Физические основы индукционного нагрева: Явление поверхностного эффекта

Каждая индукционная установка создается, исходя из физических основ индукционного нагрева. Явление поверхностного эффекта – это немаловажное условие, которое должно быть соблюдено для осуществления качественной высокотемпературной обработки металла.
Внутри проводника постоянный ток распределяется равномерно по сечению, а вот переменный неравномерно. Распределение переменного тока зависит от частоты, с которой он подается. Пропуская переменные токи, противоэлектродвижущая сила концентрируется в центре проводника. Сам проводник полностью охватывается магнитным потоком. Индуктивное (добавочное) сопротивление внутри проводника собирается в центре, и при встрече с ним, ток стремится пробраться к месту, где это сопротивление имеет более низкие показатели – к поверхности металла.
Как правило, благодаря индуктивному сопротивлению, токи высокой частоты протекают по поверхностному слою, проникая вглубь незначительно, такое свойство принято называть поверхностным эффектом. Чем с большей частотой подается ток, тем выше в центре проводника индуктивное сопротивление, а следовательно, меньше плотность тока. Если токи высокой частоты будут неравномерно распределяться по проводнику, то его прогрев получится неравномерным: поверхностный слой нагреется довольно быстро, а сердцевина останется нетронутой. Это позволяет добиться как раз тех характеристик изделия, которые требуются при закалке, по этой причине индукционная установка получила популярность и быстро смогла вытеснить альтернативные методы нагрева.
Чтобы оценивать количественную оценку явления поверхностного эффекта, ввели такое понятие, как глубина проникновения тока. Учитывается то, что переменный ток протекает лишь в поверхностном слое проводника, толщина которого равняется глубине проникновения тока, а также обладает равномерной плотностью.
На рисунке 1 в таблице вы можете заметить, что при увеличении частоты тока, глубина проникновения индукционных токов будет снижаться.

По рисунку 1 видно, что при повышении температуры нагрева металла, глубина проникновения тока будет возрастать и достигнет наибольшее значение при температуре потери магнитных свойств стали в точке Кюри.
Существует два вида глубины проникновения токов высокой частоты в проводник. Холодная глубина – это средняя глубина проникновения тока внутрь ферромагнитного тела при его нагреве до точки магнитных превращений. Горячая глубина – средняя глубина проникновения тока внутрь ферромагнитного тела при его нагреве до температуры выше точки магнитных превращений.
Индукционная установка обладает автоматизированным программным обеспечением, которое самостоятельно может проконтролировать глубину проникновения токов высокой частоты в металл.