Магнитные концентраторы поля: мифы, факты и преимущества
Доктор Валерий Руднев, Рэй Кук
Представлены некоторые важные факты, которые должны быть учтены для правильного применения магнитного концентратора поля при индукционном нагреве.
Магнитные концентраторы поля (усилители потока) стали признанным стандартом в разработках для индукционного нагрева . Современные магнитные материалы с высокой магнитной проницаемостью и низким магнитным сопротивлением в настоящее время широко используются как устройства для концентрации магнитного потока в трансформаторах и двигателях.
Традиционная функция концентраторов поля при индукционном нагреве — улучшать магнитную связь (за счет снижения потерь) и получать эффективный селективный нагрев в областях заготовки, которые трудно нагреть. Успешное применение концентраторов из порошковых материалов на базе железа, никеля, кобальта и других компонентов существенно увеличило популярность магнитных концентраторов поля.
Как работают концентраторы поля
Рассмотрим процессы, происходящие при работе магнитного концентратора. Без магнитного концентратора поле распространяется вокруг катушки или проводника с током и распространяется по электропроводящим окружающим предметам (то есть по вспомогательному оборудованию, металлическим опорам, инструментам и т.д.). Концентратор поля формирует канал из магнитных линий, замыкая основной поток индуктора в четко определенной наружной области.
На рисунке 1а показано распределение тока в одиночном проводнике. Перераспределение тока через проводник, связанное с его помещением вблизи токопроводящей заготовки, показано на рисунке 1б. Как показано на рисунке 1б имеет место эффект близости, то есть, значительная часть тока, который течет через проводник, будет распространяться на поверхности проводника, прилежащей к заготовке. Ток, не протекающий в этой области, распространяется по боковым поверхностям проводника.
Рисунок 1. Распределение тока, вызванное эффектом близости и щелевым эффектом
После помещения проводника во внешний магнитный концентратор (рисунок 1с), практически весь ток проводника будет концентрироваться на поверхности, прилежащей к заготовке. Магнитный концентратор будет «выталкивать» ток на открытую поверхность проводника или, другими словами, открытую область щели. Это электромагнитное явление называется щелевым эффектом.
Концентрация тока в поверхности проводника, прилежащей к заготовке приводит к хорошей связи «проводник-заготовка», и, следовательно, увеличивает КПД нагрева.
Необходимо иметь в виду, что щелевой эффект возникнет и без заготовки. В этом случае, ток будет незначительно перераспределен в проводнике, тем не менее, основная его часть будет также сконцентрирована в области открытой поверхности.
Результирующее распределение тока в проводнике зависит от частоты, напряженности магнитного поля, геометрии и свойств материалов проводника, заготовки и концентратора.
Распространенные заблуждения
Существует распространенное заблуждение, что применение магнитного концентратора увеличивает КПД. Концентратор поля улучшает КПД процесса только в части уменьшения паразитных потерь (за счет уменьшения магнитного сопротивления канала распространения силовых линий), но также снижает связь в зазоре между частью индуктора, прилежащей к заготовке и самой заготовкой. Тем не менее, поскольку концентратор поля выполнен из электропроводящего материала и по нему распространяется интенсивное поле, существуют определенные тепловые потери (Джоулевы потери). Это явление вызывает уменьшение электрического КПД и вызывает необходимость разработки специальных водяных систем охлаждения для отвода тепла из концентратора. Первые два фактора противодействуют третьему, и изменение электрического КПД является результатом суммарного действия всех трех факторов.
Важные соображения
В некоторых случаях может иметь место реальное снижение КПД. Однако обычно при индукционном нагреве, надлежащее использование магнитного концентратора поля позволяет увеличить КПД процесса. Кроме этого имеется возможность с помощью этого магнитного концентратора локализовать поле в требуемых специфических областях. Поскольку большая часть магнитного поля не распространяется вне концентратора, область нагрева локализуется. В результате, нагреваемая масса металла становится меньше и, следовательно, требует меньшей мощности для достижения необходимого эффекта нагрева.
Применение магнитных концентраторов поля во многих случаях не требует модернизации индукционной установки. Тем не менее, при использовании концентратора, на внутренней поверхности индуктора повышается плотность энергии (рисунок 1с). Если первоначальная конструкция индуктора могла противостоять внутренним напряжениям, приводящим к растрескиванию меди во время работы, то, при введении магнитного концентратора, этот режим может быть нарушен. Следовательно, должны быть приняты меры, направленные на увеличение толщины стенок внутреннего диаметра индуктора и на такое расположение отверстий для подачи охлаждающей жидкости (при закалке), которое не приведет к локальному перегреву меди. Внутренние напряжения растяжения всегда могут быть ослаблены или исключены при тщательном конструировании индуктора.
Использование магнитного концентратора поля обычно приводит к увеличению концентрации энергии не только в индукторе, но и в тех областях заготовки, которые требуется нагреть селективно. Из-за этого щелевой эффект играет исключительно важную роль, присущую конструкциям индукторов для селективной закалки.
Одной из основных проблем возникающих при индукционной закалке стали (ее нагреве до температуры аустенизации) является проблема нежелательного нагрева (и, в результате, отжига) областей заготовки, которые уже были закалены. Это очень важно при индукционной закалке кулачковых и коленчатых валов. Сложность этой проблемы определяется тем, что электромагнитное поле, вызывающее вихревые токи, индуцируется не только в тех областях заготовки, которые находятся под индуктором, но и в смежных областях, что вызывает нежелательные изменения свойств металла в них.
Магнитные концентраторы поля позволяют уменьшить этот нежелательный нагрев и эффект отжига. Концентраторы обычно располагаются на концевых частях индуктора. Поэтому, интенсивность электромагнитного поля в смежных областях значительно уменьшается, так как концентраторы обеспечивают каналы замыкания магнитного поля, которые не проходят через области нежелательного нагрева.
На рисунке 2 показаны результаты расчета магнитного поля при селективной закалке заготовки сложной формы (например, части коленвала или другой автомобильной детали). Эти результаты были получены фирмой INDUCTOHEAT INC. при использовании численного моделирования в исследовательской разработке, посвященной совершенствованию процессов термообработки для автомобильной промышленности. Как видно из рисунка 2, благодаря перераспределению магнитного поля одновитковый индуктор не может обеспечить требуемый режим нагрева заготовки. Области высокой плотности энергии наблюдаются в смежных, а не требуемых областях заготовки. При расположении концентратора поля на краю индуктора, высокая плотность энергии локализуется в части одновиткового индуктора, прилежащей к заготовке. В то же время, правильный выбор концентратора поля, его расположение, свойства материала и частота позволяют разработчику уменьшить интенсивность выделения тепла в смежных областях заготовки, и, следовательно, предотвратить их нежелательный нагрев (отжиг).
Рисунок 2. Результаты численного моделирования магнитного поля при селективной закалке
В некоторых случаях применения индукционного нагрева используются несколько индукторов. Из-за относительно малых зазоров между индукторами, в них могут наводиться сильные магнитные поля, что может привести к некоторым нежелательным электромагнитным эффектам (а именно, обмену энергией между индукторами). В другом случае, нежелательное распространение магнитного поля может привести к нарушению распределения требуемого температурного поля в заготовке. В этих случаях магнитные концентраторы поля могут быть использованы как электромагнитные экраны. Такие экраны позволяют исключить нежелательные взаимодействия между индукторами (паразитные наводки). Вообще говоря, эффективность магнитных экранов зависит от различных параметров, таких как частота, напряженность магнитного поля, свойства материалов, геометрия индукционной системы.
Производители оборудования для индукционного нагрева находят такие конструкции, корректирующие распространение полей и способы их применения, которые приводят к уменьшению размеров и улучшению характеристик индукционного оборудования. Перед началом проектирования проводится детальное математическое моделирование и экспериментальные проверки, определяющие, насколько использование магнитного концентратора поля будет выгодным в конкретном случае.
Выбор материалов для концентратора поля
Различные области применения определяют выбор различных материалов для концентраторов поля. Выбор материала для концентраторов зависит от нескольких факторов:
— Относительная магнитная проницаемость (чем больше, тем лучше);
— Магнитное сопротивление (чем меньше, тем лучше);
— Плотность потока насыщения (чем больше, тем лучше);
— Потери при магнитном воздействии;
— Обрабатываемость, гибкость в использовании, простота установки и перемещения;
— Способность к охлаждению и стойкость к высоким температурам;
— Стойкость к химическим воздействиям охлаждающих жидкостей (при закалке);
— Стоимость, которая зависит от материала концентратора, частоты, плотности энергии и геометрии индукционной нагревательной системы.
При термообработке материалы, которые обычно используются для концентраторов поля, являются магнито-мягкими по своим свойствам; это означает, что они обладают магнитными свойствами, только когда в них индуцируется магнитное поле. Как результат этого, под воздействием электромагнитного поля эти материалы легко перемагничиваются. Они обычно характеризуются длинной и узкой петлей гистерезиса с малой площадью.
Магнито-мягкие материалы обычно имеют однородную структуру, малую анизотропию, магнитные домены в них ориентированы случайным образом. Случайное расположение минимизирует суммарную энергию, обусловленную взаимным расположением доменов, и как следствие, нулевое результирующее намагничивание. Магнитные домены могут быть легко переориентированы приложением внешнего магнитного поля. Направление ориентации доменов соответствует направлению внешнего приложенного поля. В этом случае, магнито-мягкий материал временно (под действием поля) ведет себя как магнит. После достижения уровня насыщения энергия внешнего поля не накапливается в материале.
Магнитные материалы, используемые для концентраторов поля должны иметь высокую начальную крутизну кривой намагничивания или проницаемость и высокую индукцию насыщения. Кроме высокой магнитной проницаемости выделяются другие важные свойства материалов, такие как электрическое сопротивление, теплопроводность и т.д. Одним из наиболее важных свойств материалов для концентраторов являются потери, обусловленные перемагничиванием по петле гистерезиса. Это свойство определяется кривой намагничивания. Обычная кривая представляющая процесс намагничивания материала, включает в себя:
— цикл намагничивания в одном направлении;
— инверсия прикладываемого магнитного поля, что приводит к размагничиванию предварительно намагниченного материала и его намагничиванию в обратном направлении;
— намагничивание в первоначальном направлении.
Потери на перемагничивание характеризуются электромагнитной энергией, которая преобразуется в тепловую во время переориентации магнитных доменов в процессе цикла гистерезиса. Эти потери должны быть как можно меньше, потому что они приводят к уменьшению КПД и росту температуры за счет тепла, выделяемого в концентраторе поля. Рост температуры в концентраторе поля может привести к потере магнитных свойств и, следовательно, к снижению КПД.
Потери на перемагничивание пропорциональны площади петли гистерезиса и частоте. Материал, используемый при разработке концентраторов напряжения должен иметь минимально возможную коэрцитивную силу. Правильно спроектированный концентратор поля с максимальным КПД не должен обладать остаточным намагничиванием после того, как напряженность внешнего поля упадет до нуля. Если коэрцитивная сила велика и сердечник перемагничивается на высокой частоте, то это приводит к большим потерям на перемагничивание. Свойства материала концентратора поля могут быть определены по технической документации производителя или измерены с применением соответствующих измерительных приборов.
Чаще всего для концентраторов поля при индукционном нагреве используются следующие материалы:
А. Листовая ламинированная сталь с большим содержанием кремния.
Б. Материалы на основе электролитического железа.
В. Материалы на основе углеродистого железа.
Г. Материалы на основе ферритов.
Некоторые материалы для концентраторов поставляются в эластичном состоянии (например, ALPHAFORM, производимый и реализуемый Alpha 1 Induction Service Center). Этим материалам может быть легко придана желаемая форма, и после этого они могут быть обработаны с требуемой точностью. Такие материалы представляют собой композицию из изолированных микрочастиц железа, специальных полимеров и термочувствительных отвердителей.
Как было показано выше, перечень материалов для концентраторов поля очень велик. Правильный выбор концентратора зависит от области применения, стоимости и конкретного набора параметров, определяющих процесс нагрева.
Преимущества
Применение магнитных концентраторов поля при современном индукционном нагреве является признанным стандартом. Концентраторы способны улучшить многие аспекты процесса:
— Уменьшить необходимую для нагрева заготовки мощность;
— Увеличить КПД процесса и уменьшить количество необходимой энергии;
— Увеличить производительность индукционного оборудования;
— Предоставить возможность селективного нагрева отдельных областей заготовки;
— Получить режимы термообработки с отличными параметрами (например, высокую твердость закаленной поверхности или малый разброс температур при нагреве) и улучшить механические характеристики нагреваемого металла;
— Минимизировать геометрические искажения заготовки;
— Предотвратить нежелательный нагрев и отжиг смежных областей заготовки;
— Уменьшить количество бракованных деталей, их доработку и отходы;
— Продлить время работы оборудования;
— Сократить время технологического цикла;
— Исключить вредное для человека влияние магнитного поля.
Включение концентратора магнитного поля в конструкцию индуктора приводит к дополнительным затратам. Вообще говоря, среди тех, кто имеет дело с индукционным нагревом, общепринятым является следующее высказывание: «Если качественную деталь можно изготовить без концентратора, нет смысла добавлять его к индуктору». В то же время, опыт использования магнитных концентраторов поля фирмой INDUCTOHEAT INC. показывает, что они успешно используются в 24% индукционных установок.
В зависимости от геометрии индуктора на основе композиций из ферритов и железа производятся магнитные концентраторы поля различных размеров и формы. Наш опыт подсказывает, что есть много областей, где затраты на магнитные концентраторы поля окупаются.
Применение концентраторов поля
Практические преимущества от применения магнитных концентраторов поля приведены в работе «Как концентраторы поля повышают КПД индуктора» (Дж.К. Ла Монт, М.Р. Блэк, INDUCTOHEAT Inc. 1990). В качестве краткой иллюстрации мы проведем анализ некоторых применений для демонстрации способности концентраторов поля удовлетворять потребностям покупателей.
При индукционной локальной закалке длинных валов использование концентраторов поля позволило специалистам INDUCTOHEAT минимизировать требуемую энергию и достигнуть лучшего управления параметрами процесса, такими как время технологического цикла и режим обработки концевых областей нагреваемой зоны.
Другой пример применения посвящен отжигу деталей, движущихся через длинный канальный индуктор с помощью цепного конвейера. Процессы закалки деталей типа «оболочка» и свечей зажигания проводились на канальном индукторе с концентраторами магнитного поля. Это привело к увеличению количества энергии, реально выделяемой в заготовке. Таким образом, удалось уменьшить мощность установки и сократить требуемую длину индуктора.
В случае локальной закалки деталей типа «приводной стержень», магнитный концентратор поля позволил нагреть хвостовик, часть стержня большого диаметра и галтель между ними до одной и той же температуры. Благодаря требуемой геометрии и расположению концентратора, процесс поломки в области паза для шайбы Гровера стал более контролируемым.
Поразительный эффект использования концентратора магнитного поля наблюдается при индукционной закалке седла клапана. Применение концентратора позволило успешно решить ранее практически неразрешимую задачу. Основные трудности при этом заключались в следующем:
1. Диаметры поисков седла имеют практически те же размеры, что и внешний диаметр седла. Режим нагрева, реализуемый простым индуктором, размер которого достаточно мал для того чтобы он работал при перемещении во внутреннем диаметре седла не обеспечивает нагрев внешних диаметров на поверхности седла клапана.
2. Трубка внутри седла не должна закаливаться, кроме этого напряженность поля кругового индуктора максимальна внутри катушки.
Правильный выбор материала концентратора поля и его формы, а также расположение в зоне обработки сделали возможным выровнять твердость окрестностей седла и «протолкнуть» поле через внутреннюю поверхность, оставив ее незакаленной. Таким образом, удалось получить требуемый режим закалки.
Из примеров, приведенных выше, можно сделать заключение о том, что при выборе концентратора магнитного поля для ряда технологических процессов вышеприведенные соображения по выбору его параметров должны применяться очень осторожно. В то же время, максимальная осторожность должна быть проявлена при выборе места расположения концентратора, его очертаний и применяемой частоты. В случае, когда большое количество параметров и факторов подлежит учету для получения требуемого теплового режима, вычислительные возможности при проектировании индукционного процесса нагрева преобладают над традиционно применяемыми интуитивным методом и методом проб и ошибок.
Здесь необходимо отметить, что использование современного программного обеспечения не гарантирует адекватность получаемых результатов. Они должны быть использованы совместно с уже накопленным опытом вычислений, так же как с инженерной базой для достижения возможности предсказывать, как различные факторы и параметры могут сочетаться в переходных и установившихся режимах для успешной реализации процесса индукционного нагрева.
Такая комбинация позволяет разработчику лучше понять, что должно сочетаться в конструкции индукционной нагревательной системы для улучшения эффективности процессов, гарантировать желаемый результат нагрева и обеспечивать заказчику преимущество перед конкурентами.
Из-за ограничений места здесь было возможно изложить только основные положения применения концентраторов магнитного поля.
Источник
