中文翻译-磁通控制感应加热的应用

中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 1 页 共 7 页磁通控制感应加热的应用瓦伦丁姆可夫 ，罗伯特戈尔茨坦，罗伯特鲁菲尼感应技术研究中心，美国摘要：应用磁通控制器和集线器感应加热线圈可以大大提高加热流程的效率和热模式的控制。本文包括：磁通量控制器的优点，控制器的结构组成，磁通控制器的应用技术，电脑与集线器共同设计的感应线圈，集线器的应用实例。根据感应系统设计，磁通控制器能够集中在指定的区域加热，改变热源的分布和防止任何特定的内部区域或外部区域产生额外的涡流加热。除了感应线圈效率的改善和功率分配效率的提高，磁通控制器还降低供应电路所需的磁通量从而减少在主线路、变压器和逆变器的损耗。因此磁通控制器可以实现感应加热效率的提高。通过二维和三维计算机模拟准确预测控制器对磁通参数和温度分布以及对整个系统的优化。要特别注意在感应加热时对新型电介材料的应用。这些材料磁导率高、通量密度饱和、有很好的机械性和耐温抗腐蚀。这些材料扩大了集线器的工作频率和功率范围。磁通控制器应用包括齿轮和轴表面的硬化及表面的钎焊和堆焊。关键词：热处理，电感，磁通量，控制，集线器，磁性电介质，计算机模拟仿真磁通控制器（MFC）是在感应加热技术中一种功能强大的设备。最近感应技术中心有限公司通过计算机仿真和实验完成了一项有关磁通控制器在不同感应加热系统的作用的研究。这项研究的结果表明，在一定程度的改进可以使磁通控制器的使用提高感应加热系统的工作效率。感应加热设备中包括集线器、控制器、分流器、磁芯、阻抗和显示屏。1.MFC应用程序的优点磁通控制器的使用功效：改进线圈的功效和工件对电源的使用效率线圈功率因数得到改善避免加热不必要的机器零件和某些工件区精确控制磁场和加热方式中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 2 页 共 7 页改善高频感应电炉的效率消除靠近感应线圈的外部磁场根据这些特点，在感应加热过程中所具有的优点：1.由于有效的加热控制和更统一的加热提高了是处理设备的功效2.增加相同电量所产生的功效3.由于节省能源和设备的减少更加经济4.通过减少某些部件在靠近线圈的磁通量所产生不必要的热量来改进设备的维护5.因为线圈的能耗降低从而减少投资在大多数实际应用中不只会出现一个问题。如加热操作过程中要求很高的地方的硬化、回火或硬焊，第一个优点通常是最重要的。磁通控制器的应用，很大程度上改变了工件表面的功率密度和分布，使工件加热更快更容易控制。除了改进冶金效果和物理性质之外，还可以控制应力和减少零件的变形。2.磁通控制器的工作原理磁通控制器降低它所在区域的磁阻。当磁通控制器位于线圈和工件之间时，工件主要磁通部分的转移使磁阻产热减少（屏蔽效应） 。当设备放置到线圈的磁通量变向环境中（磁通返回路径） ，磁路的磁阻下降。对于同样的线圈电流，由于要更集中的部分加热或者为达到同一加热效果而提供的电流感应线圈，所以磁通就更为重要。 根据感应系统线圈参数、尺寸、工件材料和频率来改进集线器的应用。线圈参数对于外部大电感的改进效果可能很小，比如线圈锻造。对于小电感的改善效果可能很好。对与内部线圈（图一）和马蹄形线圈作用最大。在线圈磁通量的返回路径中有小截面区域。不需要集线器大电流来使磁通量返回。MFC 减小所处位置的磁阻大约相当于磁导率的几倍，比如根据控制器的应用达到 10 倍到 100 倍。此外可以知道磁场线都集中在工件表面的一条狭窄的区域（图一）与更好的加热模式，这是热处理对于加热非常重要的一点。可以用计算机模拟准确预测MFC 的效果。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 3 页 共 7 页3.MFC的应用3.1磁钎焊过程中的磁通控制器的应用感应钎焊中有效的应用了磁通控制器。它可以应用于感应电源集中消耗的区域，来屏蔽额外的加热和提高感应系统的效率。在很多情况下会产生两三个反应。使用 MFC 钎焊铝合金汽车热交换器的连接就是一个有效运用 MFC 的例子。根据现代科技，在大型气压电阻炉中的连接接头的热交换器机体是用钎焊的。所以钎焊一个交换器的不同管道为了适应特定的汽车系统配置。铝合金钎焊对连接部位的温度分布非常敏感，因为钎焊温度和熔解温度很相近。温度过高或过低可能会导致不可修复或隐蔽的缺陷。这种情况在很多这样的设备中很复杂，因为要钎焊在电感器中水平放置的部分。圆柱形电感器不适用于这些装置，马蹄形电感器更常见和只从一个侧面提供加热。电磁场在这种系统中本质上是三维的它是很难预测先天的磁场分布、电源和温度。感应技术中心对现有流程和装置进行了广泛的分析并提出了一种可靠的、灵活的(适应)的解决方案。图一：外部（顶部）和内部（底部）感应线圈的等效磁路结构密集的三维有限元程序模拟三维通量让我们去揭示存在线圈的弊端，提出一种新的风格和优化线圈的设计（图二） 。磁通控制器是新设计中的重要组成部分（图二） 。举个例子，一块薄板（1.5 毫米厚）放置在线圈的底部，热转换器接头中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 4 页 共 7 页控制吸收功率电平（图三） 。集线器的顶部加热线圈 线圈顶部的集线器控制管道的加热。不同的集线器才可能实现电源在交换器接头、电子管（图三）和管道之间的最优分布，为了许多不同种类的接头在同样的需铜工作中。实际执行新的电感器在钎焊过程中接头和线圈性能在 12 赫兹显示出较高的功效，尽管电场强度、电流负载、线圈钎焊强度很高。图二：钎焊汽车耦合接头换热器的马蹄形电感器图三：三维电流密度分布在管道的 1/4 马蹄形联合使用电感耦合器 MFC 应用程序中的另一个例子是用于核能研究。这些线圈的铜带超过四米长，横截面 2700 毫米，甚至更多。应该制造超过 500 具有一种扁平矩形螺旋的钎焊接头。 埃夫雷莫夫电子物理学研究所特殊设计了感应钎焊装置。由固态电源提供100 千瓦,10 kHz,电容电池,移动匹配变压器、工作表和一套钎焊电感安装组成。这个安装允许五种钎焊管接头十个电感器电感，其中八个有磁通控制器。应用磁通控制器就可以达到配电要求的同时提高钎焊零件之间的效率和功率因素。铜线中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 5 页 共 7 页圈钎焊温度和电源密度和集线器磁通密度和功率密度要求很高。所有集线器要保证不会过热。集线器是为了独立的板块粘在线圈管材和一个可以为集线器提供良好热传递的充满铜的特殊的环氧化合物。3.2马蹄形线圈在机器人中的应用为说明 MFC 利用发卡式线圈在表面加热复杂的表面几何图形的效果而举例设计一个专用支架。移动使用工业机器人的表面线圈部分（图四） 。有相同几何图形的发卡式感应线圈包括两个部分。集线器应用于一半线圈和没有集线器的另一半线圈。线圈被连接到 ABB 机器人的手臂中的一个小的环形变压器。变压器是从一个灵活的电缆到一个移动电源被连接起来的，额定功率为30kW 额定频率为 25kHz。工件由 12.7 毫米厚的不锈钢组成。 图四：发卡式感应线圈通过机器人中 MFC 的作用移动3.3表面硬化表面硬化过程中的磁通控制器的影响是非常可靠的。特别是高效的内部改进，马蹄形和饼形集线器。外部的圆柱形或椭圆形线圈的局部静态加热效果比扫描过程高。4.磁通控制器的组成中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 6 页 共 7 页4.1叠片叠片是薄的硅钢片叠加在一起形成一块集中器 .每块叠片都必须彼此电气绝缘。这是利用叠片的高透气性，耐温性好和相对廉价的原材料（表面或线圈使用电工钢）的特性。 叠片是在有限的低频率中应用（通常小于 15KHz） ，因为随着频率的增加，为了限制涡电流加热损耗需要更薄的叠片。 如叠层厚度变小，绝缘涂层的厚度变得更加重要，降低等效磁特性的层压堆栈，使其损耗增大。最近通过使用很薄的非晶合金薄片做叠片，从而导致重大损失的减少和增大运行频率的范围。但是这种叠片更加昂贵和复杂。另外的缺点是： 叠片不能工作在 3 维磁场在线圈组件中不能被用作建设性的材料在平稳控制磁场和热模式中没有低渗透性的材料。叠片应用的主要领域是相对较低的频率，大尺寸和相对简单的几何的集中器中。4.2磁性材料磁性材料是由不同的烧结氧化物构成的陶瓷材料。它们在弱磁域中有很高的磁导率和相对较低的磁损耗。然而在感应系统中的应用有以下几个缺点： 低饱和的磁通密度（低于 0.5T）导致通透性在强领域中的急剧减少低温度使磁性材料失去磁性（居里定理）材料相对较硬，难以加工材料脆，在机械冲击和热循环中容易损坏。 4.3 磁性电介质材料应用于感应加热中的磁性电介质材料（MDMs）是软磁性金属粉末。MDMs 包括铁磁（通常是金属）组件和粘合剂。该粘合剂用于铁磁性颗粒的电气隔离和材料的完整性。 LUXTROL 制造股份有限公司领先于感应加热中的磁性电介质材料市场，最近中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 7 页 共 7 页已开始引入、改进和重组 LUXTROL 品牌的材料，包括 5 种主要材料：Ferrotron 559，Fluxtrol 25，Fluxtrol 50，Fluxtrol A and Fluxtrol 150。5.结论磁通量控制器的使用在感应加热的改进上是一种最有效的工具。某些感应加热系统没有磁通控制器根本无法正常工作。磁通控制器在不同的感应加热装置中执行各种任务。在加热过程中磁通控制器的适当应用是有助于加热的控制，但使用的程度和形式的改进取决于实际应用。 局部加热应用中，由于更好的热模式控制，磁通量集线器可以节约能源和减少失真。减少所需功率可以增加相同功率下的产量或降低设备成本。磁感应加热系统控制的材料主要有三种：叠片、磁性材料和磁性电介质材料（MDMs） 。MDMs 提供各种有利于感应加热应用的性能。其应用将继续扩大到其他地方的叠片或不同的感应技术中不适用控制器，如表面热处理，焊接，收缩装配，包装等。 参考文献1Ruffini R.T.，Nemkov V.S ，Goldstein R.C Influence of Magnetic Flux Controllers on Induction Heating Systems - Simulation and Practice，Proceedings of the 2lst ASM Conf.and Exhibifion2001.StLouis,M0USA2Ruffini R.T.,Nemkov V.S and Goldstein R.