Особенности индукционного нагрева массивных металлических заготовок индукторами с ферромагнитными сердечниками

Abstract

Проведен анализ электромагнитных процессов в системе "индуктор с ферромагнитным сердечником – массивная металлическая заготовка". Путем интегрирования уравнений Максвелла, решена электродинамическая задача для принятых крайне противоположных идеализаций: идеальной проводимости и "прозрачности" обрабатываемого металла для действующих полей. Получены аналитические выражения для полей и токов при условии различного наполнения внутренней полости инструмента электромагнитного воздействия. Впервые получены оценки влияния уровня намагниченности конструктивных элементов индуктора на интенсивность индукционного нагрева массивных металлов. Показано, что ферромагнетик в качестве основы намотки соленоида играет определяющую роль в формировании индуцированного сигнала, тогда как, наличие или отсутствие магнитных свойств у нагреваемого массивного объекта практически не влияет на амплитуды возбуждаемых вихревых токов. Это подтверждает возможность использования ферромагнетиков в качестве концентраторов поля для более интенсивного нагрева немагнитных металлов и металлов с низкой удельной электропроводностью. С практической точки зрения применение результатов исследования интересно для проведения численных оценок эффективности индукционного нагрева для ремонтных технологий автотранспорта, а также для создания эффективных систем индукционного нагрева с магнитными концентраторами различных конфигураций.

There has been conducted an analysis of electromagnetic processes in the system "inductor with a ferromagnetic core – a massive metal billet". The electrodynamic problem was solved by the Maxwell’s equations integrating for the adopted extremely opposite idealizations: ideal conductivity and "transparency" of the processed metal for the active fields. Analytical expressions for the fields and currents are obtained under the condition of different filling of the inductor inner hollow. For the first time, there have been obtained the estimates of the inductor structural elements magnetization level influence on the intensity of induction heating of massive metals. It is shown that a ferromagnet as the basis for solenoid winding plays a decisive role in the formation of an induced signal, whereas the presence or absence of magnetic properties of a heated massive object has almost no effect on the excited eddy currents amplitudes. This confirms the possibility of using ferromagnets as field concentrators for more intensive heating of nonmagnetic metals and metals with low electrical conductivity. From a practical point of view, the application of the research results is interesting for carrying out numerical estimates of the efficiency of induction heating for vehicle repair technologies, as well as for creating effective induction heating systems with magnetic concentrators of various configurations.