Индукционный нагрев металла своими руками: Индукционный нагреватель своими руками — 3 варианта сборки

Содержание

Индукционный нагреватель из сварочного инвертора своими руками

Электрическая энергия обходится сегодня достаточно дорого, однако работающее на этом ресурсе отопительное оборудование не теряет популярности.

Принцип работы

Чтобы понять, как функционирует индукционный агрегат, необходимо ознакомиться с следующими важными моментами:

вода поступает в котлоагрегат по входному патрубку;
включается инвертор и подается высокочастотный ток;
вихревые потоки начинают сначала нагревать сердечник, а затем весь нагревательный элемент в целом;
получаемое тепло передается непосредственно теплоносителю;
разогретый теплоноситель с помощью гидростатического давления передается в отопительную систему через выходящий патрубок.

Совет специалиста: в качестве теплоносителя в индукционном котле может выступать вода, антифриз, масло и другие жидкости на нефтяной основе.

Принцип работы

Основная задача индуктора – использование тепловой энергии, которая образовывается под действием электрической энергии, индуцируемой переменным магнитным полем. Конструкция простейшего индуктора включает в себя всего три элемента:

генератор переменного тока;
катушка-индуктор;
нагревательный элемент.

Катушка-индуктор, как правило, выполнена в виде медной катушки, внутрь которой помещают обрабатываемую заготовку. Когда через катушку проходит переменный ток, заготовка подвергается мощному температурному воздействию. В данном случае заготовка играет роль вторичной обмотки трансформатора, тогда как индуктор – первичной.

Электромагнитное поле создает в детали вихревые токи, которые имеют направление, обратное электрическому сопротивлению металла. Таким образом, тепловое воздействие на металл оказывается без непосредственного контакта между заготовкой и индуктором.

Принцип работы

Нагревательный элемент представлен набором трёх элементов:

Нагревательный элемент – трубка (обычно металлическая или полимерная). Находится в индукторном элементе. Внутри него имеется теплоноситель.
Генератор переменного тока (альтернатор) увеличивает показатели частоты бытовой сети (делает их выше стандарта в 50 Гц).
Индуктор – медная цилиндрическая катушка из проволоки, являющаяся генератором электромагнитного поля.

Принцип конструирования нагревателя ТВЧ

Теория применения индукционных нагревателей значительно опережала практику по той причине, что использование устройств с низкой частотой не приносило бы адекватной пользы. Однако после решения проблемы о выработке высокой частоты магнитного поля, индукционные элементы стали широко использоваться. Чтобы понять, как сделать индукционный нагреватель, сначала нужно рассмотреть, как он работает. Принципы работы довольно прост:

Генератор оперирует токами высокой частоты (ТВЧ). В индуктор передаётся высокочастотный ток из генератора.
Катушка принимает ток. Она является преобразователем, так как на выходе получается уже электромагнитное поле.
Повышается температура нагревательного элемента, благодаря вихревым потокам, возникающим от смены вектора поля. Энергия передаётся практически без потерь.
Также нагревается теплоноситель, расположенный внутри трубы, а энергия передаётся в систему отопления.

Конструктивные элементы индукционной системы

Состав основных компонентов изготовления нагревателя включает в себя такие компоненты, детали и узлы:

Генераторные установки преобразования переменного типа тока. В качестве варианта, используют специальный вариант прибора, который преобразует стандартную частоту в 50 Гц в более высокие параметры бытовой электросети с высокими частотными характеристиками.
Конструкция индуктора. Специальное устройство в виде цилиндрической катушки, в основе которой используется медная проволока, принцип работы которой зависит от имеющего электромагнитного поля.

Медная катушка для нагревателя

Нагревательный компонент или узел, элемент. В качестве детали используют специальную металлическую трубу стандартного диаметра и размера или пруток, который вводится в магнитное поле.

В дальнейшем собирая индукционный нагреватель из сварочного инвертора своими руками, все взаимосвязанные компоненты взаимодействуют следующим образом:

Генератор соответствующим естественным путём повышает частоту используемого тока и в трансграничном варианте модифицированного состояния транслирует получаемую энергию на основную катушку.
Индуктор, по своим параметрам, осуществляет приём высоко частного имеющегося тока, далее происходит преобразование в электромагнитное поле соответствующего переменного вида. В этом случае происходит комплексное изменение направления вектора электромагнитных характеристик волновых значений, причём, обязательно с высокой частотой принципа воздействия.

В конечном итоге происходит передача нужного уровня электроэнергии, без видимых условных потерь. КПД показателей данных индуктивности хватает на обогрев необходимой площади здания.

«Обратите внимание!

Примечательно, что данный эффект пользуется повышенным спросом во многих отраслях промышленности и индукционный нагреватель из сварочного инвертора для кузнечного дела и в металлургии является обыденным явлением в сегодняшних экономических реалиях.»

В дальнейшем общий принцип распределения получаемой энергии может иметь тривиальный характер. Так, вы можете передать энергию для разогрева жидкости в теплоносителе, или использовать для иных целей, где необходимо использовать повышенные температурные режимы эксплуатации. Расход энергии осуществляется в трубчатом теплоносителе, где происходит естественная циркуляция. Примечательно, что если индукционный нагреватель из сварочного инвертора не греет, то его можно использовать в качестве охладителя того же варианта отопительной системы.

Что такое индукция и ее принцип

Электромагнитная индукция была открыта еще более ста лет назад. Она позволяет генерировать тепло с помощью высокочастотных токов – данная технология активно применяется для выплавки металлов. Дошла эта технология и до бытовых потребителей – мы можем увидеть ее воплощение на кухне в виде индукционных электрических печей. Индукционные печи позволяют быстро разогревать пищу и отличаются небольшими габаритами. Еще одним достоинством является их продолжительный срок службы.

Индукционный нагреватель представляет собой мощную катушку, на которую подается переменный ток высокой частоты. Внутри катушки помещается металлический сердечник, разогревающийся под действием вихревых токов. Таким образом, никаких привычных нагревательных элементов здесь нет, а тепло генерируется исключительно за счет индукционного нагрева.

Магнитная индукция используется в металлургической промышленности. Здесь она позволяет избавиться от угольных и газовых печей, отличающихся большими размерами. Сегодня в металлургических цехах стоят небольшие индукционные печи, быстро разогревающие металлы и сплавы до высоких температур. Они безопасны для людей и позволяют сократить время, затрачиваемое на переработку металлов.

С помощью индукционной катушки можно быстро нагреть металл до очень высоких температур.

В бытовой сфере магнитная индукция работает в индукционных кухонных печах и в электрических индукционных котлах. В чем заключаются преимущества такого нагрева?

Отсутствует прямой контакт между нагреваемым телом и индукционной катушкой.
Отсутствие накипи в индукционных котлах, что связано с отсутствием привычных нагревательных элементов.
Продолжительный срок службы оборудования.
Быстрый прогрев теплоносителей и металлических конструкций.
Высокая эффективность оборудования.
Безопасность для окружающих.

Электромагнитная индукция греет быстро и очень эффективно – коэффициент полезного действия тех же индукционных котлов достигает 98-99%. Также здесь отсутствует прямой контакт теплоносителя и токоведущих частей, что значительно повышает безопасность оборудования.

Напомним, что в ТЭНовых и электродных электрических отопительных котлах используется прямой контакт нагревательных элементов и теплоносителя.

Сделать индукционный нагреватель воды своими руками не так уж и сложно, как это может показаться на первый взгляд. Многие люди, обладающие познаниями в области электротехники и «прямыми руками», умеючи создают индукционные нагреватели, используемые для обогрева жилых домов. Давайте разберемся, как создаются такие нагреватели и что нам понадобится для самостоятельной сборки оборудования.

Инструкция по изготовлению

Чертежи

Рисунок 1. Электрическая схема индукционного нагревателя

Рисунок 2. Устройство.

Рисунок 3. Схема простого индукционного нагревателя

Для изготовления печи понадобятся следующие материалы и инструменты:

паяльник;
припой;
текстолитовая плата.
мини-дрель.
радиоэлементы.
термопаста.
химические реагенты для травления платы.

Дополнительные материалы и их особенности:

Для изготовления катушки, которая будет излучать необходимое для нагрева переменное магнитное поле, необходимо приготовить отрезок медной трубки диаметром 8 мм, и длиной 800 мм.
Мощные силовые транзисторы являются самой дорогой частью самодельной индукционной установки. Для монтажа схемы частотного генератора необходимо приготовить 2 таких элемента. Для этих целей подойдут транзисторы марок: IRFP-150; IRFP-260; IRFP-460. При изготовлении схемы используются 2 одинаковых из перечисленных полевых транзисторов.
Для изготовления колебательно контура понадобятся керамические конденсаторы ёмкостью 0,1 mF и рабочим напряжением 1600 В. Для того, чтобы в катушке образовался переменный ток высокой мощности, потребуется 7 таких конденсаторов.
При работе такого индукционного прибора, полевые транзисторы будут сильно разогреваться и если к ним не будут присоединены радиаторы из алюминиевого сплава, то уже через несколько секунд работы на максимальной мощности, данные элементы выйдут из строя. Ставить транзисторы на теплоотводы следует через тонкий слой термопасты, иначе эффективность такого охлаждения будет минимальна.
Диоды, которые используются в индукционном нагревателе, обязательно должны быть ультрабыстрого действия. Наиболее подходящими для данной схемы, диоды: MUR-460; UF-4007; HER – 307.
Резисторы, которые используются в схеме 3: 10 кОм мощностью 0,25 Вт – 2 шт. и 440 Ом мощностью – 2 Вт. Стабилитроны: 2 шт. с рабочим напряжением 15 В. Мощность стабилитронов должна составлять не менее 2 Вт. Дроссель для подсоединения к силовым выводам катушки используется с индукцией.
Для питания всего устройства понадобится блок питания мощностью до 500. Вт. и напряжением 12 – 40 В. Запитать данное устройство можно от автомобильного аккумулятора, но получить наивысшие показания мощности при таком напряжении не получится.

Сам процесс изготовления электронного генератора и катушки занимает немного времени и осуществляется в такой последовательности:

Из медной трубы делается спираль диаметром 4 см. Для изготовления спирали следует медную трубку накрутить на стержень с ровной поверхностью диаметром 4 см. Спираль должна иметь 7 витков, которые не должны соприкасаться. На 2 конца трубки припаиваются крепёжные кольца для подключения к радиаторам транзистора.
Печатная плата изготавливается по схеме. Если есть возможность поставить полипропиленовые конденсаторы, то благодаря тому, что такие элементы обладают минимальными потерями и устойчивой работой при больших амплитудах колебания напряжений, устройство будет работать намного стабильнее. Конденсаторы в схеме устанавливаются параллельно образуя с медной катушкой колебательный контур.
Нагрев металла происходит внутри катушки, после того как схема будет подключена к блоку питания или аккумулятору. При нагреве металла необходимо следить за тем, чтобы не было короткого замыкания обмоток пружины. Если коснуться нагреваемым металлом 2 витка катушки одновременно, то транзисторы выходят из строя моментально.

Индукционный генератор тепла в системе отопления

У применяемых в отопительных контурах индукционных водонагревателей имеются как общие для всех электронагревателей достоинства, так и присущие только им. Начнем с первой группы:

По удобству использования электронагреватели опережают даже газовое оборудование, так как обходятся без розжига. К тому же они являются намного более безопасными: владельцу можно не опасаться утечки топлива или продуктов его сгорания.
Электрооборудованию не нужны дымоход и обслуживание в виде удаления нагара и копоти.
КПД электронагревателя не зависит от его мощности. Его можно установить на самый минимум, и при этом КПД агрегата останется на уровне 99%, в то время как КПД газового или твердотопливного котла в таких условиях окажется значительно ниже паспортного.
При наличии электрического теплогенератора система отопления может работать в самом низкотемпературном режиме, что весьма актуально в периоды межсезонья. В случае применения газового или твердотопливного котла падение температуры «обратки» ниже 50 градусов не допускается, так как при этом на теплообменнике образуется конденсат (при использовании твердого топлива он содержит кислоту).
Ну и последнее: при использовании электрообогрева можно обойтись без жидкостного теплоносителя, правда, к индукционным нагревателям это не относится.

Простой индукционный нагреватель

Перейдем к достоинствам непосредственно «индукционников»:

Площадь контакта теплоносителя с горячей поверхностью в индукционных нагревателях в тысячи раз больше, чем в приборах с трубчатыми электронагревателями. Поэтому среда прогревается гораздо быстрее.
Все элементы «индукционника» монтируются только снаружи, без каких-либо врезок. Соответственно, и протечки полностью исключаются.
Поскольку нагрев осуществляется бесконтактным способом, нагреватель индукционного типа может работать с абсолютно любым теплоносителем, включая все виды антифризов (для ТЭНового электрокотла понадобился бы специальный). При этом вода может содержать сравнительно большое количество солей жесткости – переменное магнитное поле препятствует образованию накипи на стенках теплообменника.

На всякую бочку меда, как известно, найдется своя ложка дегтя. Здесь без этого тоже не обошлось: мало того, что сама по себе электроэнергия стоит достаточно дорого, так еще и индукционные нагреватели относятся к наиболее дорогому типу электроотопительного оборудования.

Индукционный генератор тепла в системе отопления

Чтобы организовать отопление частного дома с помощью индукционного нагревателя, проще всего использовать трансформатор, который состоит из первичной и вторичной короткозамкнутой обмотки. Вихревые токи в таком устройстве возникают во внутренней составляющей и направляют образовавшееся электромагнитное поле на вторичный контур, который одновременно выполняет роль корпуса и нагревательного элемента для теплоносителя.

Обратите внимание, что в качестве теплоносителя при индукционном нагреве может выступать не только вода, но также антифриз, масло и любые другие токопроводящие среды. При этом степень очистки теплоносителя большого значения не имеет.

Инверторный нагреватель имеет компактные размеры, работает бесшумно и может быть установлен практически в любом подходящем месте, соответствующем требованиям техники безопасности

Индукционный отопительный котел оснащают двумя патрубками. Нижний патрубок, по которому будет поступать холодный теплоноситель, необходимо устанавливать на вводном участке магистрали, а вверху устанавливают патрубок, передающий горячий теплоноситель к подающему участку трубопровода. Когда теплоноситель, находящийся в котле, нагревается, возникает гидростатический напор, и теплоноситель поступает в отопительную сеть.

В работе индукционного нагревателя есть ряд преимуществ, о которых следует упомянуть:

теплоноситель в системе постоянно циркулирует, что предотвращает вероятность ее перегрева;
индукционная система вибрирует, в результате накипь и другие осадки не откладываются на стенках оборудования;
отсутствие традиционных нагревательных элементов позволяет эксплуатировать котел с высокой интенсивностью, не опасаясь частых поломок;
отсутствие разъемных соединений исключает протечки;
работа индукционного котла не сопровождается шумом, поэтому его можно установить практически в любом подходящем помещении;
при индукционном нагреве не выделяются какие-либо опасные продукты разложения топлива.

Безопасность, бесшумная работа, возможность использовать подходящий теплоноситель и долговечность оборудования привлекли немало домовладельцев. Некоторые из них задумываются о возможности изготовить самодельный индукционный нагреватель.

Схема ZVC драйвера

Стандартный вариант генератора

Усиленный вариант схемы

Но видно мне войти в их число не судьба…

Были куплены все необходимые детали — новые полевые транзисторы, новые фаст диоды и стабилитроны. Всё перед пайкой было испытано на транзистор-тестере, в том числе для определения правильной цоколёвки.

Была собрана шикарная катушка из чистой меди диаметром 5 мм. Но работать сей девайс упорно отказывался.

Подозрение пало на дросселя, которые большинство радиолюбителей рекомендует мотать на желтых порошковых кольцах от БП АТХ.

Добыча искомых и установка также оказалась безрезультативной — индукционный нагреватель металлов как не работал раньше, так и не собирался работать дальше. Подключение различных вариантов катушек совместно с конденсаторами разной емкости картину не изменили — «открывает рыба рот, но не слышно что поёт», то есть транзисторы открываются, ток тянут, а генерации не происходит…

В конце концов всё это изрядно надоело, многодневные танцы с бубном закончились, и пришлось с поклоном идти к китайцам на ихний Алиэкспресс, заказывать за 7 долларов готовый модуль генератора.

Спустя 2 недели эта штука была доставлена курьером прямо на дом и после подключения к компьютерному блоку питания на 12 В успешно заработала.

Причём она работала и от 5-ти вольт, и с маленькой штатной катушкой, и с большой самодельной, в общем генерировала мощное электромагнитное поле во всех позах (с теми же деталями и схемой). Раскаляет 3 мм штырь до красна за 20 секунд. С железкой 6 мм возится несколько минут, при этом жутко греется само (в основном транзисторы и катушка).

На что тут грешить — даже не знаю. Может конденсаторы не те, может транзисторы… В любом случае факт остается фактом: промышленная плата заработала, а самодельная нет. Так что кто хочет — может смело кинуть в меня куском канифоли, другие — посочувствовать, третьи сами попробовать собрать этот индукционник и написать в комментариях о результатах…

Выводы и рекомендации

Мы намеренно представили варианты индукционных водонагревателей несложной конструкции, чтобы каждый желающий мог сделать подобный агрегат своими силами. Но остался вопрос, нужно ли заниматься этим делом и тратить собственное время. На этот счет есть ряд объективных соображений:

Пользователи, не разбирающиеся в электрике и радиотехнике, вряд ли смогут добиться увеличения мощности нагрева свыше 2.5 кВт. Для этого придется собрать схему преобразователя частоты.
КПД индуктора ничуть не выше, чем у других электрических котлов. Но собрать нагреватель с ТЭНами гораздо проще.
Если у вас не завалялась дома индукционная панель, то потребуется ее купить примерно за 80 у. е. Столько стоят дешевые китайские изделия в интернет-магазинах. За те же деньги продаются готовые электродные котлы мощностью до 10 кВт.
Электроплиты оснащаются автоматикой безопасности, отключающих бытовой прибор спустя 1 или 2 часа работы. Это доставляет неудобство при эксплуатации.
Если в силу разных причин теплоноситель вытечет из самодельного теплогенератора, то нагрев не прекратится. Это чревато пожаром.

Конечно, вы можете обойтись без дорогих покупок, досконально разобраться в конструкции и смастерить индукционный нагреватель с нуля. Но выполнить все бесплатно не получится, ведь потребуется приобрести комплектующие для схемы. Заметьте, что бонусы от подобного отопительного агрегата невелики, так что всерьез браться за его изготовление с целью обогрева частного дома нецелесообразно.

Основные правила и рекомендации

Данными системами рекомендуется пользоваться в закрытых отопительных контурах с принудительной циркуляцией теплоносителя. Можно данные устройства использовать с пластиковыми трубопроводами.

Котел необходимо установить так, чтобы между ним, стенами и другими устройствами, работающими от электричества, было не менее 30 см. От пола и потолка также должна быть соблюдена дистанция в 80 см.

Кроме того, специалисты настоятельно рекомендуют установить систему безопасности на индуктивный прибор за выходным патрубком. Для этого потребуется манометр, устройство сброса воздуха и подрывной клапан.

Таким образом, теперь вы знаете, как сделать индукционный нагреватель своими руками без лишних капиталовложений и хлопот. Данный агрегат будет служить верой и правдой ни один год, обогревая жилище. Схема сборки достаточно простая и ее монтаж займет всего пару часов.

Общая информация

Способ включает использование законов и явлений физики.

эффекта близости;
возникновения электромагнитных сил;
поверхностного эффекта;
влияния на распределение тока в проводнике медных экранов и магнитопроводов;
катушечного или кольцевого эффекта;
изменения свойств металлов при изменении напряженности магнитного поля и температуры.

При высокочастотном нагревании основная роль отводится явлению поверхностного эффекта и эффекта близости.

Поверхностный эффект

Заключается в неравномерности распространения переменного тока по профилю проводника (глубина проникновения тока). У внешней поверхности плотность тока наибольшая и постепенно уменьшается по мере удаления вглубь. В центре тела она минимальна.

Благодаря поверхностному эффекту, в наружных слоях происходит концентрирование выделения энергии и быстрый нагрев металла. Эффект близости также способствует этому проявлению.

Эффект близости

Заявляет о себе путем прохождения в системе проводников переменного тока. На каждый из проводников при этом распространяется влияние как собственного переменного магнитного поля, так и поля других проводников.

Чем меньше расстояние, отделяющее проводники друг от друга, и выше частота тока, тем сильнее эффект близости.

Это явление способствует усилению концентрации энергии во внешнем слое металла, подвергаемому нагреву. Таким образом, выделение тепловой энергии происходит непосредственно в толще металла, обеспечивая быстрый нагрев в сварочной зоне и высокую эффективность способа нагрева.

С инвертором

Основной составной частью этой системы станет высокочастотный сварочный инвертор, где уже есть индуктор, нагревательный элемент и генератор переменного тока.

Устройство генерирует высокочастотный ток, который передается на катушку. Она, в свою очередь, и создает магнитное поле, изменяющееся со временем. Его вихревой ток нагревает металлическую часть, которая и передает энергию нужному объекту.

Инструкция создания:

в полимерную трубу поместить металл;
на трубку наносятся сто витков проволоки из меди таким образом, чтобы не осталось большое пространство.

Таким образом, дома можно изготовить индукционный нагреватель без особых затрат и глубоких знаний физики. Главное, не забывать о безопасности.

Индукционный нагреватель из сварочного инвертора своими руками — Жми!

Современный рынок отопительного оборудования весьма насыщен всевозможными видами котлоагрегатов. Многие эксперты сегодня советуют выполнять монтаж газового котла, так как он является эффективным способом обогрева жилища.

В таком утверждении, конечно, никто не сомневается, но что делать в том случае, когда строение расположено далеко от газовых магистралей? В таком случае, оптимальным выходом будет установка электрического оборудования для обогрева дома.

Чтобы опередить скептиков, которые читая эти строки, задумываются о постоянном подорожании электроэнергии, мы предлагаем рассмотреть такой вид электрического обогрева помещения, как индукционное отопление. Поэтому, в нашей статье мы подробно остановимся на описании вихревого индукционного нагревателя, который без особых усилий можно выполнить своими руками, применяя при этом сварочный инвертор.

Нагреватель этого вида состоит из следующих конструктивных узлов:

индуктор изготовлен из определенного количества витков медной проволоки, которые, по сути, и образуют электромагнитное поле;
нагревательный компонент представлен в виде металлической трубы, которая расположена внутри индукторного элемента;
генератор, который преобразует обычную бытовую энергию в высокочастотный ток.

Взаимодействие этих конструктивных элементов и представляет собой принцип действия индукционного нагревателя, который заключается в следующих важных моментах:

Такой принцип действия индукционного нагревателя, соответственно, несет в себе и преимущества использования агрегата этого вида.

Преимущества

К основным достоинствам нагревателя этого вида смело можно отнести следующие важные моменты:

высокий коэффициент полезного действия;
не требует частого технического ухода;
благодаря вибрациям электромагнитного поля, не образуется накипь;
бесшумность работы;
высокий уровень безопасности;
герметичность агрегата препятствует появлению протечек;
функционирование нагревателя полностью автоматизировано.

Основным недостатком нагревателя этого вида по праву считают его высокую стоимость. Но этот недостаток вполне можно исправить, если его конструкцию выполнить самому.

Стоит также отметить, что сборка индукционного нагревателя своими руками осуществляется из весьма доступных деталей, при этом, их стоимость не слишком высокая.

Необходимые материалы и инструменты

инвертор от агрегата для сварки, который значительно облегчит монтаж нагревателя;
пластиковая труба с толстыми стенками, которая будет корпусом собираемого устройства;
нержавеющая проволока из металла, которая станет нагреваемым элементом в электромагнитном поле;
металлическая сетка, роль которой будет заключаться в удержании внутри прибора кусков нержавеющей проволоки;
медная проволока для создания индуктора;
циркуляционный насос для беспрерывной подачи воды;
терморегулятор;
переходники и шаровые краны для подсоединения нагревателя к отоплению;
кусачки для обработки проволоки.

При этом необходимо четко соблюдать всю последовательность работ, которая заключается в следующих этапах:

В один из концов пластиковой трубы крепится металлическая сетка для предотвращения проваливания нагревательных кусочков проволоки.
В этом же торце трубы крепится переходник для подсоединения к отопительной системе.
Кусачками нарезается нержавеющая проволока длиной от 1 до 6 см.
Нарезанные куски проволоки плотно укладываются в пластиковую трубу.

Замечание специалиста: в трубе не должно быть свободного пространства.

Второй торец трубы также фиксируется сеткой из металла, а также монтируется еще один переходник для отопления.
Изготовление индуктора осуществляется методом наматывания медной проволоки на трубу.

Совет специалистов: количество витков в обмотке должно находиться в пределах от 80 до 90.

Согласно схеме, концы медной обмотки подключаются к полюсам инвертора сварочного аппарата.
Все электрические соединения тщательно изолируются.
Индукционный нагреватель подключается к отоплению.
Монтируется в отопительную систему циркуляционный насос, если такового не было.
К инвертору подключается терморегулятор, который обеспечит автоматизирование функционирование индукционного нагревателя.

После того, когда включен инвертор, индуктор начинает образовывать магнитное поле, которое провоцирует появление вихревых потоков. Эти токи хорошо разогревают нарезанные куски проволоки, которые, в свою очередь, нагревают теплоноситель.

Таким образом, мы подробно рассказали о том, как сделать индукционный нагреватель из сварочного инвертора своими руками. Надеемся, что наша информация окажется вам полезной при сборке нагревателя своими руками.

Смотрите видео, в котором специалист подробно объясняет, как сделать индукционный нагреватель на базе сварочного инвертора своими руками:

DmitriiG
Распечатать

Индукционные нагреватели труб

Все типы труб можно обрабатывать индукционными нагревателями. Нагреватель для труб может быть с воздушным или водяным типом охлаждения, мощностью от 10-250 кВт, со следующими параметрами:

Индукционный нагрев трубы с воздушным охлаждением производится при помощи гибкого индуктора и термического одеяла. Температура нагрева до температуры 400 °C, и использовать трубы диаметром 20 — 1250 мм с любой толщиной стенки.
Индукционный нагрев трубы с водяным охлаждением имеет температуру нагрева 1600 °C и используется для “гибки” трубы диаметром 20 — 1250 мм.

Применение:

предварительный нагрев труб перед сваркой;
термообработка сварных швов трубопроводов;
термообработка металлических емкостей
подогрев нефтепродуктов

подробнее

Схема ZVC драйвера

Стандартный вариант генератора

Усиленный вариант схемы

Но видно мне войти в их число не судьба.

Были куплены все необходимые детали – новые полевые транзисторы, новые фаст диоды и стабилитроны. Всё перед пайкой было испытано на транзистор-тестере, в том числе для определения правильной цоколёвки.

Была собрана шикарная катушка из чистой меди диаметром 5 мм. Но работать сей девайс упорно отказывался.

Добыча искомых и установка также оказалась безрезультативной – индукционный нагреватель металлов как не работал раньше, так и не собирался работать дальше. Подключение различных вариантов катушек совместно с конденсаторами разной емкости картину не изменили – «открывает рыба рот, но не слышно что поёт», то есть транзисторы открываются, ток тянут, а генерации не происходит.

На что тут грешить – даже не знаю. Может конденсаторы не те, может транзисторы. В любом случае факт остается фактом: промышленная плата заработала, а самодельная нет. Так что кто хочет – может смело кинуть в меня куском канифоли, другие – посочувствовать, третьи сами попробовать собрать этот индукционник и написать в комментариях о результатах.

Плавка металла методом индукции широко применяется в разных отраслях: металлургии, машиностроении, ювелирном деле. Простую печь индукционного типа для плавки металла в домашних условиях можно собрать своими руками.

Что такое индукционный нагрев

Процесс повышения температуры происходит без непосредственного контакта. Нагрев выполняется за счет токов очень высокой частоты, которые образуются за счет магнитного поля.

В основу устройства заложена катушка индуктивности, которая состоит из металлического сердечника и обмотки. Именно благодаря большому количеству витков металлической проволоки появляется возможность появления такого явления, как индукция. Поле индукции способно возникать не только при необходимости. Именно из-за него крайне не рекомендуется подключать к сети приборы, провода которых смотаны в катушку.

Устройство самодельного нагревателя

Классическое индукционное устройство рекомендуется рассматривать на примере конструкции водонагревателя отопительной системы. Подобные схемы чаще всего используются на дачах и в загородных домах. Изготовление прибора начинается с индуктора. Для этого медную проволоку нужно намотать в один ряд, придав ей изначально цилиндрическую форму. Каждый виток изолируется от соседнего, исключая контакты между ними.

Количество витков, обеспечивающее нормальную работоспособность, составляет в среднем 80-100. Медные проводники могут иметь разное сечение – от 2,5 до 4 мм 2 . Сердечником служит сама отопительная труба, но на практике данный вариант не дает нужного эффекта.

Поэтому, чтобы сделать нагрев теплоносителя более интенсивным, рекомендуется воспользоваться пластиковой трубой определенной длины. Ее внутреннее пространство заполняется стальной проволокой Д 5-6 мм, разрезанной на короткие части. В этом случае, за счет индукции начинает нагреваться проволока, обтекаемая водой. Площадь теплообмена существенно увеличивается, и теплоноситель нагревается намного быстрее. Для того чтобы обрезки проволоки не смыло водным потоком, концы участка трубы ограничиваются защитой из стальных сеток.

Соединение индуктора и инвертора может быть выполнена разными способами. Некоторые специалисты изготавливают дополнительный промежуточный трансформатор. Затем к его вторичной обмотке подключается индуктор вместе с конденсатором. В другом варианте на тороидальный трансформатор высокой частоты, имеющийся в инверторе, наматывается медный провод в количестве одного витка. Далее, к нему напрямую подключается индуктор.

Во всех случаях нельзя пользоваться плюсовой и минусовой клеммами инвертора, предназначенными для сварки. На выходе у них выпрямленное напряжение, которое сопровождают пульсации высокой частоты. Под его воздействием рабочее магнитное поле не появится, а индуктор перегреется и сгорит. Инвертор придется переделывать, что само по себе достаточно сложно, поскольку будут нужны знания и навыки работы с радиоэлектронными схемами.

Источник напряжения высокой частоты

Создание своими руками высокочастотного блока питания для индукционного нагревателя хоть и не относится к разряду невыполнимых задач, все же под силу далеко не каждому. И здесь на помощь может прийти готовое устройство, обычный бытовой сварочный инвертор.

Из сведений об устройстве сварочного инвертора известно, что в нем происходит формирование переменного напряжения с частотой до нескольких десятков килогерц.

То есть, сварочный инвертор представляет собой готовый мощный источник тока высокой частоты, который можно использовать для питания индуктора. Многочисленные примеры реализации этой идеи подтверждают возможность создания установки для индукционного нагрева металла из сварочного инвертора.

Преимущества

К основным достоинствам нагревателя этого вида смело можно отнести следующие важные моменты:

высокий коэффициент полезного действия;
не требует частого технического ухода;
благодаря вибрациям электромагнитного поля, не образуется накипь;
бесшумность работы;
высокий уровень безопасности;
герметичность агрегата препятствует появлению протечек;
функционирование нагревателя полностью автоматизировано.

Индукционный нагреватель металла своими руками из сварочного

Индукционный нагрев – это высокотехнологичный процесс обработки электропроводящих материалов, в основе которого лежит воздействие высокотемпературное воздействие переменным электромагнитным полем проводника. Инвертор для индукционного нагрева может быть полезен во многих сферах металлообрабатывающей промышленности.

Сварочные работы, пайка металла, кузнечное дело, закалка, печи ТВЧ, термообработка – далеко не весь список работ, использующих индукционный нагрев. Технология отличается высокой скоростью работы и отличным показателем КПД. В случае необходимости всю технологическую цепочку можно автоматизировать.

Методы индукционного развития начали применяться в промышленности с начала ХХ века, однако толчком к развитию технологии послужила Вторая мировая война, которая вынудила ученых начать поиск дешевых и надежных способов обработки металла.

Принцип работы

Основная задача индуктора – использование тепловой энергии, которая образовывается под действием электрической энергии, индуцируемой переменным магнитным полем.

Конструкция простейшего индуктора включает в себя всего три элемента:

генератор переменного тока;
катушка-индуктор;
нагревательный элемент.

Преимущества

Как было сказано выше, преимущества технологии индукционного нагрева обеспечили ее стремительное распространение. Общепризнанными достоинствами данного метода являются:

Производительность. Подготовку к запуску аппарата и нагрев детали можно выполнить за короткий промежуток времени. Данное обстоятельство повышает производительность выполняемых работ, по сравнению с прочими методами нагрева, которые требуют длительного времени на достижение рабочей температуры.
Качество. Промышленное применение характеризуется минимальным количеством брака. Эффект достигается благодаря направленному действию тепловой энергии. Для повышения качества готового изделия применяют специальные вакуумные камеры, которые исключают агрессивное воздействие атмосферного воздуха.
Энергетическая эффективность. Высокая скорость работы позволяет экономить электроэнергию – нагрев поверхности происходит практически мгновенно, что отражается на себестоимости продукции.
Автоматизация. Современное оборудование оснащают программно-вычислительными комплексами, которые позволяют добиться точных результатов работы.

Экологичность. Технологический процесс не несет угрозы окружающей среде – отсутствуют токсичные выбросы в атмосферу либо другие вредные факторы.

Сборка и монтаж системы

В первую очередь следует определиться с сферой использования будущего устройства. Требования к простому лабораторному инвертору для индукционного нагрева и прибору для обогрева домашнего помещения, будут отличаться.

Печь для металла

Среди прочих положительных качеств метода следует отметить высокий уровень пожарной безопасности, а также простоту конструкции – сборку индукционного нагревателя своими руками из сварочного инвертора может выполнить специалист средней квалификации, разумеется, при условии наличия рабочей схемы.

Конструкция индукционной печи не отличается особой сложностью. Для сборки устройства понадобятся:

аккумулятор на 12 В;
обмоточный медный провод;

конденсаторы пленочного типа;
диоды;
полевые транзисторы;
радиаторы;
кольца блока питания ПК.

Данный список указывает, что изготовление устройства не потребует значительных финансовых растрат. Алгоритм сборки выглядит следующим образом:

Установка транзисторов на радиаторы охлаждения. В процессе эксплуатации устройство подвергается температурному воздействию, а потому следует использовать радиаторы большого размера.
Изготовление дросселей. Для этого понадобится медная проволока и кольца от блока питания ПК. Следите за межвитковым расстоянием – оно должно быть одинаковым.

Сборка конденсаторной батареи. Общая емкость батареи, при последовательном соединении, должна составлять 4,7 мкФ.
Изготовление обмотки. Оптимальная толщина медной проволоки – 2 мм. Необходимо создать 8 витков таким образом, чтобы внутреннее пространство могло вместить в себя обрабатываемые элементы. Не забудьте про концы для подключения к источнику питания.

Подключаем аккумулятор.

Регулировку тока проводят на этапе сборки печи – путем изменения количества витков. Для серьезных работ потребуется источник питания большой мощности. Не забывайте про систему вентиляции и отвода тепла, поскольку в процессе эксплуатации печь разогревается достаточно сильно. Точное следование инструкции защитит от возможных переделок или доработок устройства

Нагреватель для воды

Установка такого оборудования в частном доме поможет решить проблему с обогревом помещения или обеспечением горячей водой. Не смотря на высокий расход электроэнергии, подобные аппараты пользуются популярностью, ввиду своей простоты и отсутствием хлопот с согласованием проекта.

Для сборки эффективного нагревателя необходимо приготовить следующие материалы:

сварочный инвертор;
керамзит или другой теплоизоляционный материал;
медная проволока;
стальная проволока;
толстостенная пластиковая труба;
трубки разного диаметра.

В основе действия устройства положен принцип индукционного нагрева теплоносителя.

Последовательность сборки котла следующая:

Изготовления котла. Для этого подбирают две трубки с разным диаметром, которые вставляются друг в друга, с зазором 20-25 мм. Размер трубок подбирается индивидуально, в зависимости от требуемой мощности нагревателя. Увеличение длины ведет к повышению мощности. Затем вырезаются два кольца, с соблюдением величины зазора между трубами. Полученный резервуар имеет тороидальную форму
Привариваем концы колец. Обращайте внимание на герметичность соединения.
Делаем подключение к системе отопления. В наружную стенку вваривают входную и выходную трубы. Обратите внимание, что вход должен располагаться сверху, а выход снизу. Трубы должны идти по касательной к корпусу. Их диаметр должен соответствовать используемой системе отопления.

Изготавливаем обмотку. Она должна повторять форму котла. Необходимо сделать 35-40 витков, с соблюдением равного межвиткового расстояния. Такое количество обеспечит достаточную производительность.
Делаем защитный корпус. Он должен быть выполнен из диэлектрического материала, например, пластика. Диаметр защитного корпуса должен обеспечивать боковой вывод патрубков. Пространство между котлом и защитным корпусом необходимо заполнить теплоизоляционным материалом, во избежание потерь тепла.
Подключаем инверторный аппарат и теплоноситель. Котел готов к эксплуатации.

Данная конструкция отличается автономностью. Она способная проработать 20-25 лет без постороннего вмешательства. Отсутствие подшипников и прочих подвижных элементов обеспечивают надежность устройства.

Несколько слов о безопасности

Индукционный нагреватель из сварочного инвертора, как и любое другое самодельное устройство, может представлять опасность для окружающих.

Для обеспечения защиты необходимо соблюдать некоторые правила:

Тщательная изоляция. Все токопроводящие элементы и соединения должны быть заизолированы, во избежание поражения током.
Выбор системы отопления. Индукционный нагреватель запрещено использовать в отопительных системах с естественной циркуляцией воды. Применение допустимо только при наличии водяного насоса.
Грамотное расположение. Рекомендуемое расстояние до деталей интерьера и стен – не менее 40 см, а до пола или потолка – не менее 80 см.
Приборы безопасности. Регулировочный клапан и манометр защитят систему от перепадов давления. Также следует предусмотреть механизм стравливания воздуха из системы.

Заключение

Котлы и нагреватели индукционного типа отличаются высоким КПД, поскольку вся используемая электроэнергия преобразуется в тепло. Перед самостоятельным изготовлением какого-либо устройства настоятельно рекомендуем внимательно изучить схему и проанализировать условия работ. Это позволит избежать ошибок на стадии подготовки.

Нагревательные системы стали более совершенными, благодаря индукционным катушкам, сменившим традиционные ТЭНы. У них существенно возрос КПД, а энергопотребление, наоборот, снизилось. Эти устройства еще не нашли широкого применения, в основном из-за высокой стоимости. Используя подручные материалы, домашние мастера конструируют индукционный нагреватель из сварочного инвертора не только для систем отопления, но и для разогрева металлических заготовок перед их обработкой.

Принцип действия

Теоретические разработки в области индукционных средств нагрева долгое время не могли найти практического применения, так как низкая частота не давала нужного эффекта. Существенные сдвиги появились после того как разрешилась проблема относительно выработки высокочастотных магнитных полей. После этого появилась реальная возможность применения индукционных элементах в нагревательных системах.

Конструкция типового устройства состоит из следующих деталей:

Генератор тока. Выполняет преобразование напряжения домашней сети в высокочастотный электрический ток.
Индуктор. Представляет собой катушку, изготовленную из медной проволоки, в которой, под действием тока образуется магнитное поле.
Нагревательный элемент. Как правило, это отрезок металлической трубы, помещенный внутрь индуктора. Он нагревается сам и передает тепловую энергию в систему отопления.

Все эти компоненты находятся в тесном взаимодействии между собой. Ток высокой частоты, вырабатываемый генератором, попадает на индукционную катушку и превращается в электромагнитное поле. Вихревые потоки, возникающие в катушке, воздействуют на металлическую трубу, помещенную внутри, и разогревают ее. Вода, используемая в качестве теплоносителя, проходит через нагревательный элемент, нагревается и переносит тепловую энергию во всю систему отопления. Одновременно вода охлаждает нагревательный элемент, продлевая срок его эксплуатации.

Устройство самодельного нагревателя

Нагреватель индукционный для металлических деталей

Свойства электромагнитной индукции применяются не только в системах отопления. Данное явление успешно используется в конструировании нагревательных печей, предназначенных для работы со всеми видами металлов.

Чтобы изготовить индукционный нагреватель из сварочного инвертора, необходимо в первую очередь запастись следующими компонентами:

Сварочный инвертор. Желательно, чтобы он был оборудован функцией, позволяющей плавно регулировать ток.
Медная трубка. Ее диаметр составляет примерно 8 мм, а длина должна быть достаточной для семи витков, наматываемых на шаблон диаметром 40-50 мм. Длина свободных концов трубки после намотки остается примерно по 25 см.

Сборка конструкции осуществляется в следующем порядке:

Подбирается шаблон для намотки подходящего размера, диаметром 4-5 см. Лучше всего воспользоваться металлическими или пластиковыми трубами, или круглыми деревянными заготовками.
Один из концов медной трубки заклепывается молотком.
Далее трубка как можно плотнее заполняется сухим песком, после чего ее нужно заклепать со второго конца. Песок предотвратит возможные изломы трубки во время скручивания.
Трубка наматывается на шаблон в количестве 7 витков, затем ее концы отпиливаются, а песок высыпается.
Полученную конструкцию необходимо соединить с инвертором, подвергшемся предварительной переделке.
Если работа индукционной печи рассчитана на продолжительное время, к трубке индуктора рекомендуется сделать подводку водяного охлаждения.

Особенности эксплуатации

Самодельная сборка нагревателя – это лишь половина дела. Не менее важное значение имеет правильная эксплуатация получившейся конструкции. Изначально, каждый такой прибор представляет определенную опасность, поскольку он не способен самостоятельно контролировать уровень нагрева теплоносителя. В связи с этим, каждому нагревателю требуется определенная доработка, то есть установка и подключение дополнительных контрольных и автоматических устройств.

В первую очередь выход трубы оборудуется стандартным набором устройств, обеспечивающих безопасность – предохранительным клапаном, манометром и приспособлением для отвода воздуха. Следует помнить, что индукционные водонагреватели будут нормально работать лишь при наличии принудительной циркуляции воды. Самотечная схема очень быстро приведет к перегреву элемента и разрушению пластиковой трубы.

Во избежание подобных ситуаций, в нагревателе устанавливается термостат, подсоединенный к устройству аварийного отключения. Опытные электротехники используют для этих целей терморегуляторы с температурными датчиками и реле, отключающие цепь при достижении теплоносителем заданной температуры.

Самодельные конструкции отличаются довольно низкой эффективностью, поскольку вместо свободного прохода, на пути воды имеется препятствие в виде частиц проволоки. Они почти полностью перекрывают трубу, вызывая повышенное гидравлическое сопротивление. При нештатных ситуациях возможны повреждения и разрыв пластика, после чего горячая вода непременно приведет к короткому замыканию. Обычно такие нагреватели используются в небольших помещениях, в качестве дополнительной системы отопления в холодное время года.

Принцип нагрева металла вихревыми токами, индуцируемыми внешним электромагнитным полем, известен достаточно давно. Плавильные индукционные тигельные печи используются в металлургии с начала прошлого века. Индукционный нагрев применяется при закалке инструмента и пайке массивных деталей.

Идея использовать индукционный нагрев в системах отопления начала реализовываться в конце прошлого века. Наряду с промышленными установками, стали появляться самодельные устройства, в том числе такие, как индукционный нагреватель из сварочного инвертора.

Принцип работы в системе водяного отопления

Источником рабочего электромагнитного поля индукционного нагревателя служит индуктор, представляющий собой катушку из проводникового материала. Индуктор индукционного нагревателя подключен к источнику переменного тока высокой частоты. Внутрь катушки, где поле наиболее интенсивно, помещается металлический предмет, служащий магнитным сердечником.

Под воздействием поля индуктора в толще стального сердечника происходит намагничивание зерен структуры металла (доменов). Вектор магнитной индукции каждого домена изменяет своё направление с частотой внешнего поля. В результате индуцируются так называемые вихревые токи, быстро разогревающие металл сердечника.

Теперь представим, что роль сердечника играет стальная труба отопления, по которой движется теплоноситель. Получая энергию в результате индукционного нагрева, труба отдает тепло циркулирующей жидкости. Так происходит разогрев системы водяного отопления.

Источник напряжения высокой частоты

Подключение к индуктору

Вначале следует сказать о конструкции самого индуктора. Его рекомендуется сделать в виде цилиндрической катушки, намотанной в один ряд медным проводом. Витки должны быть изолированы друг от друга.

Рекомендуемое число витков – от 80 до 100. Сечение провода обычно составляет 2,5 – 4 мм2. В качестве сердечника можно использовать саму трубу отопления, но практические опыты показали, что вода при этом греется слабо. Поэтому была опробована другая конструкция сердечника.

Для более интенсивного нагрева теплоносителя в качестве сердечника предложено использовать отрезок пластиковой трубы, заполненный обрезками стальной проволоки, диаметром 5 – 6 мм.

При такой схеме происходит индукционный нагрев проволоки, обтекаемой теплоносителем. За счет увеличения площади теплообмена вода нагревается значительно интенсивней. Участок трубы с проволокой следует ограничить стальными сетками с обеих сторон, во избежание попадания обрезков в систему отопления.

Что касается собственно подключения сварочного инвертора, то рекомендации тех, кто сделал индукционный нагреватель своими руками, несколько неоднородны.

Так, часть советов сводится к изготовлению дополнительного промежуточного трансформатора, во вторичную обмотку которого включается индуктор с конденсатором.

Другая часть мастеров просто наматывают один виток медного провода на тороидальный высокочастотный трансформатор сварочного инвертора и напрямую к нему подключают индуктор.

В любом случае, не следует использовать выводы + и — сварочного инвертора, с которых осуществляется сварка. Напряжение на них выпрямленное, с наложенными высокочастотными пульсациями. Постоянная составляющая сварочного напряжения просто перегреет индуктор, не создавая рабочего поля.

Преимущества

Реальными преимуществами индукционных нагревателей являются:

надежная гальваническая развязка цепей нагревателя с системой отопления;
более мягкий режим работы индуктора по сравнению с обычными электрическими нагревателями.

Описывая нагреватели такого типа, сторонники этого вида отопления обычно приводят большой список других преимуществ, однако, некоторые из них явны вымышленные.

Так, ожидать экономию электроэнергии, применяя эти нагреватели, не стоит. Коэффициент полезного действия обычных электрических котлов близок к 100%, более эффективно использовать электроэнергию, потребляемую нагревателем, просто невозможно.

простые схемы для реализации своими руками. Высокочастотный индукционный нагрев

Не рекомендуется использовать установку людям с вживлёнными кардиостимуляторами!

Печь для плавки металлов в домашних условиях может использоваться также для быстрого нагрева металлических элементов, например, при их лужении или формовке. Характеристики работы представленных установок можно подогнать под конкретную задачу, меняя параметры индуктора и выходной сигнал генераторных установок — так можно добиться их максимальной эффективности.

Индукционная печь изобретена давно, еще в 1887 г, С. Фарранти. Первая промышленная установка заработала в 1890 г. на фирме Benedicks Bultfabrik. Долгое время индукционные печи и в индустрии были экзотикой, но не вследствие дороговизны электричества, тогда оно было не дороже теперешнего. В процессах, происходящих в индукционных печах, было еще много непонятного, а элементная база электроники не позволяла создавать эффективные схемы управления ими.

В индукционно-печной сфере переворот произошел буквально на глазах в наши дни, благодаря появлению, во-первых, микроконтроллеров, вычислительная мощность которых превышает таковую персональных компьютеров десятилетней давности. Во-вторых, благодаря… мобильной связи. Ее развитие потребовало появления в продаже недорогих транзисторов, способных отдавать мощность в несколько кВт на высоких частотах. Они, в свою очередь, были созданы на основе полупроводниковых гетероструктур, за исследования которых российский физик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию.

В конечном итоге, индукционные печки не только совершенно преобразились в промышленности, но и широко вошли в быт. Интерес к предмету породил массу самоделок, которые, в принципе, могли бы быть полезными. Но большинство авторов конструкций и идей (описаний которых в источниках много больше, чем работоспособных изделий) плоховато представляют себе как основы физики индукционного нагрева, так и потенциальную опасность неграмотно выполненных конструкций. Настоящая статья призвана прояснить некоторые наиболее смутные моменты. Материал построен на рассмотрении конкретных конструкций:

Промышленной канальной печи для плавки металла, и возможности ее создания самостоятельно.
Тигельных печей индукционного типа, самых простых в исполнении и наиболее популярных среди самодельщиков.
Индукционных водогрейных котлов, стремительно вытесняющих бойлеры с ТЭНами.
Бытовых варочных индукционных приборов, конкурирующих с газовыми плитами и по ряду параметров превосходящих микроволновки.

Примечание: все рассматриваемые устройства основаны на магнитной индукции, создаваемой катушкой индуктивности (индуктором), поэтому и называются индукционными. В них можно плавить/нагревать только электропроводящие материалы, металлы и т.п. Есть еще электроиндукционные емкостные печи, основанные на электрической индукции в диэлектрике между обкладками конденсатора, они применяются для «нежного» плавления и электротермообработки пластиков. Но распространены они гораздо меньше индукторных, рассмотрение их требует отдельного разговора, поэтому пока оставим.

Принцип действия

Принцип работы индукционной печи иллюстрирует рис. справа. В сущности она – электрический трансформатор с короткозамкнутой вторичной обмоткой:

Генератор переменного напряжения G создает в индукторе L (heating coil) переменный ток I1.
Конденсатор С совместно с L образуют колебательный контур, настроенный на рабочую частоту, это в большинстве случаев повышает техпараметры установки.
Если генератор G автоколебательный, то С часто исключают из схемы, используя вместо него собственную емкость индуктора. Она у описанных ниже высокочастотных индукторов составляет несколько десятков пикофарад, что как раз соответствует рабочему диапазону частот.
Индуктор в соответствии с уравнениями Максвелла создает в окружающем пространстве переменное магнитное поле с напряженностью H. Магнитное поле индуктора может как замыкаться через отдельный ферромагнитный сердечник, так и существовать в свободном пространстве.
Магнитное поле, пронизывая помещенную в индуктор заготовку (или плавильную шихту) W, создает в ней магнитный поток Ф.
Ф, если W электропроводящая, индуцирует в ней вторичный ток I2, то тем же уравнениям Максвелла.
Если Ф достаточно массивна и цельная, то I2 замыкается внутри W, образуя вихревой ток, или ток Фуко.
Вихревые токи по закону Джоуля-Ленца отдает полученную им через индуктор и магнитное поле от генератора энергию, нагревая заготовку (шихту).

Электромагнитное взаимодействие с точки зрения физики достаточно сильно и обладает довольно высоким дальнодействием. Поэтому, несмотря на многоступенчатое преобразование энергии, индукционная печь способна показать в воздухе или вакууме КПД до 100%.

Примечание: в среде из неидеального диэлектрика с диэлектрической проницаемостью >1 потенциально достижимый КПД индукционных печей падает, а в среде с магнитной проницаемостью >1 добиться высокого КПД проще.

Канальная печь

Канальная индукционная плавильная печь – первая из примененных в промышленности. Она и конструктивно похожа на трансформатор, см. рис. справа:

Первичная обмотка, питаемая током промышленной (50/60 Гц) или повышенной (400 Гц) частоты, выполнена из медной, охлаждаемой изнутри жидким теплоносителем, трубки;
Вторичная короткозамкнутая обмотка – расплав;
Кольцеобразный тигель из жаростойкого диэлектрика, в котором помещается расплав;
Наборный из пластин трансформаторной стали магнитопровод.

Канальные печи используются для переплавки дюраля, цветных спецсплавов, получения высококачественного чугуна. Промышленные канальные печи требуют затравки расплавом, иначе «вторичка» не замкнется накоротко и нагрева не будет. Или между крошками шихты возникнут дуговые разряды, и вся плавка просто взорвется. Поэтому перед пуском печи в тигель наливают немного расплава, а переплавленную порцию выливают не до конца. Металлурги говорят, что канальная печь имеет остаточную емкость.

Канальную печь на мощность до 2-3 кВт можно сделать и самому из сварочного трансформатора промышленной частоты. В такой печи можно расплавить до 300-400 г цинка, бронзы, латуни или меди. Можно переплавлять дюраль, только отливке нужно по остывании дать состариться, от нескольких часов до 2-х недель, в зависимости от состава сплава, чтобы набрала прочность, вязкость и упругость.

Примечание: дюраль вообще был изобретен случайно. Разработчики, обозлившись, что легировать алюминий никак не удается, бросили в лаборатории очередной «никакой» образец и ушли в загул с горя. Протрезвились, вернулись – а никакой изменил цвет. Проверили – а он набрал прочность едва ли не стали, оставшись легким, как алюминий.

«Первичку» трансформатора оставляют штатной, она уже рассчитана на работу в режиме КЗ вторички сварочной дугой. «Вторичку» снимают (ее потом можно поставить обратно и использовать трансформатор по прямому назначению), а вместо нее надевают кольцевой тигель. Но пытаться переделать в канальную печь сварочный ВЧ-инвертор опасно! Его ферритовый сердечник перегреется и разлетится в куски из-за того, что диэлектрическая проницаемость феррита >>1, см. выше.

Проблема остаточной емкости в маломощной печке отпадает: в шихту для затравки кладут проволочку из того же металла, согнутую в кольцо и со скрученными концами. Диаметр проволоки – от 1 мм/кВт мощности печи.

Но появляется проблема кольцевого тигля: единственный подходящий для малого тигля материал – электрофарфор. В домашних условиях обработать его самому невозможно, а где взять покупной подходящий? Прочие огнеупоры не годятся вследствие высоких диэлектрических потерь в них или пористости и малой механической прочности. Поэтому, хотя канальная печь дает плавку высочайшего качества, не требует электроники, а ее КПД уже при мощности 1 кВт превышает 90%, у самодельщиков они не в ходу.

Под обычный тигель

Остаточная емкость раздражала металлургов – сплавы-то плавились дорогие. Поэтому, как только в 20-х годах прошлого века появились достаточно мощные радиолампы, тут же родилась идея: выкинуть на (не будем повторять профессиональные идиомы суровых мужиков) магнитопровод, а обычный тигель засунуть прямо в индуктор, см. рис.

На промышленной частоте так не сделаешь, магнитное поле низкой частоты без концентрирующего его магнитопровода расползется (это т. наз. поле рассеяния) и отдаст свою энергию куда угодно, только не в расплав. Компенсировать поле рассеяния можно повышением частоты до высокой: если диаметр индуктора соизмерим с длиной волны рабочей частоты, а вся система – в электромагнитном резонансе, то до 75% и более энергии ее электромагнитного поля будет сосредоточено внутри «бессердечной» катушки. КПД выйдет соответственный.

Однако уже в лабораториях выяснилось, что авторы идеи проглядели очевидное обстоятельство: расплав в индукторе, хотя бы и диамагнитный, но электропроводящий, за счет собственного магнитного поля от вихревых токов изменяет индуктивность нагревательной катушки. Начальную частоту понадобилось устанавливать под холодную шихту и менять по мере ее плавления. Причем в пределах тем больших, чем больше заготовка: если для 200 г стали можно обойтись диапазоном в 2-30 МГц, то для болванки с железнодорожную цистерну начальная частота будет около 30-40 Гц, а рабочая – до нескольких кГц.

Подходящую автоматику на лампах сделать сложно, «тянуть» частоту за болванкой – нужен высококвалифицированный оператор. Кроме того, на низких частотах сильнейшим образом проявляет себя поле рассеяния. Расплав, который в такой печи еще и сердечник катушки, до некоторой степени собирает магнитное поле возле нее, но все равно, для получения приемлемого КПД понадобилось окружать всю печь мощным ферромагнитным экраном.

Тем не менее, благодаря своим выдающимся достоинствам и уникальным качествам (см. далее) тигельные индукционные печи широко применяются и в промышленности, и самодельщиками. Поэтому остановимся подробнее на том, как правильно сделать такую своими руками.

Немного теории

При конструировании самодельной «индукционки» нужно твердо помнить: минимум потребляемой мощности не соответствует максимуму КПД, и наоборот. Минимальную мощность от сети печка возьмет при работе на основной резонансной частоте, Поз. 1 на рис. Болванка/шихта при этом (и на более низких, дорезонансных частотах) работает как один короткозамкнутый виток, а в расплаве наблюдается всего одна конвективная ячейка.

В режиме основного резонанса в печке на 2-3 кВт можно расплавить до 0,5 кг стали, но разогрев шихты/заготовки займет до часа и более. Соответственно, общее потребление электричества от сети будет большим, а общий КПД – низким. На дорезонансных частотах – еще ниже.

Вследствие этого индукционные печи для плавки металла работают чаще всего на 2-й, 3-й и др. высших гармониках (Поз. 2 на рис.) Требуемая для разогрева/расплавления мощность при этом возрастает; для того же полкило стали на 2-й понадобится 7-8 кВт, на 3-ей 10-12 кВт. Но прогрев происходит очень быстро, за минуты или доли минут. Поэтому и КПД выходит высокий: печка не успевает «съесть» много, как расплав уже можно лить.

У печей на гармониках есть важнейшее, даже уникальное достоинство: в расплаве возникает несколько конвективных ячеек, мгновенно и тщательно его перемешивающих. Поэтому можно вести плавку в режиме т. наз. быстрой шихты, получая сплавы, которые в любых других плавильных печах выплавить принципиально невозможно.

Если же «задрать» частоту в 5-6 и более раз выше основной, то КПД несколько (ненамного) падает, но проявляется еще одно замечательное свойство индукционки на гармониках: поверхностный нагрев вследствие скин-эффекта, вытесняющего ЭМП к поверхности заготовки, Поз. 3 на рис. Для плавки этот режим используется редко, но для разогрева заготовок под поверхностную цементацию и закалку – милое дело. Современная техника без такого способа термообработки была бы просто невозможна.

О левитации в индукторе

А теперь проделаем фокус: накрутим первые 1-3 витка индуктора, затем перегнем трубку/шину на 180 градусов, и остальную обмотку навьем в обратном направлении (Поз 4 на рис.) Подключим к генератору, введем в индуктор тигель в шихтой, дадим ток. Дождемся расплавления, уберем тигель. Расплав в индукторе соберется в сферу, которая там останется висеть, пока не выключим генератор. Тогда – упадет вниз.

Эффект электромагнитной левитации расплава используют для очистки металлов путем зонной плавки, для получение высокоточных металлических шариков и микросфер, и т.п. Но для надлежащего результата плавку нужно вести в высоком вакууме, поэтому здесь о левитации в индукторе упомянуто только для сведения.

Зачем индуктор дома?

Как видим, даже маломощная индукционная печка для квартирной проводки и лимитов потребления мощновата. Для чего же стоит ее делать?

Во-первых, для очистки и разделения драгоценных, цветных и редких металлов. Берем, к примеру, старый советский радиоразъем с позолоченными контактами; золота/серебра на плакировку тогда не жалели. Кладем контакты в узкий высокий тигелек, суем в индуктор, плавим на основном резонансе (выражаясь профессионально, на нулевой моде). По расплавлении постепенно снижаем частоту и мощность, давая застыть болванке в течение 15 мин – получаса.

По остывании разбиваем тигелек, и что видим? Латунный столбик с ясно различимым золотым кончиком, который остается только отрезать. Без ртути, цианидов и прочих убийственных реагентов. Нагревом расплава извне любым способом этого не добиться, конвекция в нем не даст.

Ну, золото-золотом, а сейчас и черный металлолом на дороге не валяется. Но вот необходимость равномерного, или точно дозированного по поверхности/объему/температуре нагрева металлических деталей для качественной закалки у самодельщика или ИП-индивидуала всегда найдется. И тут опять выручит печка-индуктор, причем расход электричества будет посильным для семейного бюджета: ведь основная доля энергии нагрева приходится на скрытую теплоту плавления металла. А меняя мощность, частоту и расположение детали в индукторе, можно нагреть именно нужное место именно как надо, см. рис. выше.

Наконец, сделав индуктор специальной формы (см. рис. слева), можно отпустить закаленную деталь в нужном месте, на нарушая цементации с закалкой на конце/концах. Затем, где надо – гнем, плющим, а остальное остается твердым, вязким, упругим. В конце можно снова разогреть, где отпускали, и опять закалить.

Приступаем к печке: что нужно знать обязательно

Электромагнитное поле (ЭМП) воздействует на человеческий организм, хотя бы прогревая его во всем объеме, как мясо в микроволновке. Поэтому, работая с индукционной печью в качестве конструктора, мастера или эксплуатанта, нужно четко уяснить себе суть следующих понятий:

ППЭ – плотность потока энергии электромагнитного поля. Определяет общее физиологическое воздействие ЭМП на организм независимо от частоты излучения, т.к. ППЭ ЭМП одной и той же напряженности растет с ростом частоты излучения. По санитарным нормам разных стран допустимое значение ППЭ от 1 до 30 мВт на 1 кв. м. поверхности тела при постоянном (свыше 1 часа в сутки) воздействии и втрое-впятеро больше при однократном кратковременном, до 20 мин.

Примечание: особняком стоят США, у них допустимая ППЭ – 1000 мВт (!) на кв. м. тела. Фактически, американцы считают началом физиологического воздействия внешние его проявления, когда человеку уже становится плохо, а долговременные последствия облучения ЭМП полностью игнорируют.

ППЭ при удалении от точечного источника излучения падает по квадрату расстояния. Однослойная экранировка оцинковкой или мелкоячеистой оцинкованной сеткой снижает ППЭ в 30-50 раз. Вблизи катушки по ее оси ППЭ будет в 2-3 раза выше, чем сбоку.

Поясним на примере. Есть индуктор на 2 кВт и 30 МГц с КПД в 75%. Следовательно, наружу из него уйдет 0,5 кВт или 500 Вт. На расстоянии в 1 м от него (площадь сферы радиусом 1 м – 12,57 кв. м.) на 1 кв. м. придется 500/12,57=39,77 Вт, а на человека – около 15 Вт, это очень много. Индуктор нужно располагать вертикально, перед включением печи надевать на него заземленный экранирующий колпак, следить за процессом издали, а по его окончании немедленно выключать печь. На частоте в 1 МГц ППЭ упадет в 900 раз, и с экранированным индуктором можно работать без особых предосторожностей.

СВЧ – сверхвысокие частоты. В радиэлектронике СВЧ считают с т.наз. Q-диапазона, но по физиологии СВЧ начинается примерно со 120 МГц. Причина – электроиндукционный нагрев плазмы клеток и резонансные явления в органических молекулах. СВЧ обладает специфически направленным биологическим действием с долговременными последствиями. Достаточно получить 10-30 мВт в течение получаса, чтобы подорвать здоровье и/или репродуктивную способность. Индивидуальная восприимчивость к СВЧ крайне изменчива; работая с ним, нужно регулярно проходить специальную медкомиссию.

Пресечь СВЧ-излучение очень трудно, оно, как говорят профи, «сифонит» сквозь малейшую щелочку в экране или при малейшем нарушении качества заземления. Эффективная борьба с СВЧ-излучением аппаратуры возможна только на уровне его конструирования высококлассными специалистами.

Компоненты печи

Индуктор

Важнейшая часть индукционной печи – ее нагревательная катушка, индуктор. Для самодельных печей на мощность до 3 кВт пойдет индуктор из голой медной трубки диаметром 10 мм или медной же голой шины сечением не менее 10 кв. мм. Внутренний диаметр индуктора – 80-150 мм, количество витков – 8-10. Витки не должны соприкасаться, расстояние между ними – 5-7 мм. Также никакая часть индуктора не должна касаться его экрана; минимальный зазор – 50 мм. Поэтому для прохождения выводов катушки к генератору нужно предусмотреть окно в экране, не мешающее его снимать/ставить.

Индукторы промышленных печей охлаждают водой или антифризом, но на мощности до 3 кВт описанный выше индуктор при работе его в продолжении до 20-30 мин принудительного охлаждения не требует. Однако он сам при этом сильно нагревается, а окалина на меди резко снижает КПД печи вплоть до потери ею работоспособности. Сделать самому индуктор с жидкостным охлаждением невозможно, поэтому его придется время от времени менять. Применять принудительное воздушное охлаждение нельзя: пластиковый или металлический корпус вентилятора вблизи катушки «притянут» к себе ЭМП, перегреются, а КПД печи упадет.

Примечание: для сравнения – индуктор для плавильной печи на 150 кг стали согнут из медной трубы 40 мм наружным диаметром и 30 внутренним. Число витков – 7, диаметр катушки по внутри 400 мм, высота тоже 400 мм. Для его раскачки на нулевой моде нужно 15-20 кВт при наличии замкнутого контура охлаждения дистиллированной водой.

Генератор

Вторая главная часть печи – генератор переменного тока. Сделать индукционную печь, не владея основами радиоэлектроники хотя бы на уровне радиолюбителя средней квалификации, не стоит и пытаться. Эксплуатировать – тоже, ведь, если печка не под компьютерным управлением, настроить ее в режим можно, только чувствуя схему.

При выборе схемы генератора следует всячески избегать решений, дающих жесткий спектр тока. В качестве антипримера приводим довольно распространенную схему на тиристорном ключе, см. рис. выше. Доступный специалисту расчет по прилагаемой к ней автором осциллограмме показывает, что ППЭ на частотах свыше 120 МГц от индуктора, запитанного таким образом, превышает 1 Вт/кв. м. на расстоянии 2,5 м от установки. Убийственная простота, ничего не скажешь.

В качестве ностальгического курьеза приводим еще схему древнего лампового генератора, см. рис. справа. Такие делали советские радиолюбители еще в 50-х годах, рис. справа. Настройка в режим – воздушным конденсатором переменной емкости С, с зазором между пластинами не менее 3 мм. Работает только на нулевой моде. Индикатор настройки – неоновая лампочка Л. Особенность схемы – очень мягкий, «ламповый» спектр излучения, так что пользоваться этим генератором можно без особых мер предосторожности. Но – увы! – ламп для него сейчас не найдешь, а при мощности в индукторе около 500 Вт энергопотребление от сети – более 2 кВт.

Примечание: указанная на схеме частота 27,12 МГц не оптимальна, она выбрана из соображений электромагнитной совместимости. В СССР она была свободной («мусорной») частотой, для работы на которой разрешения не требовалось, лишь бы устройство помех никому не давало. А вообще-то С можно перестраивать генератор в довольно широком диапазоне.

На следующем рис. слева – простейший генератор с самовозбуждением. L2 – индуктор; L1 – катушка обратной связи, 2 витка эмалированного провода диаметром 1,2-1,5 мм; L3 – болванка или шихта. В качестве контурной емкости используется собственная емкость индуктора, поэтому эта схема не требует настройки, она автоматически входит в режим нулевой моды. Спектр мягкий, но при неправильной фазировке L1 мгновенно сгорает транзистор, т.к. он оказывается в активном режиме с КЗ по постоянному току в цепи коллектора.

Также транзистор может сгореть просто от изменения наружной температуры или саморазогрева кристалла – каких-либо мер по стабилизации его режима не предусмотрено. В общем, если у вас завалялись где-то старые КТ825 или им подобные, то начинать эксперименты по индукционному нагреву можно с этой схемки. Транзистор должен быть установлен на радиатор площадью не менее 400 кв. см. с обдувом от компьютерного или ему подобного вентилятора. Регулировка можности в индукторе, до 0,3 кВт – изменением напряжения питания в пределах 6-24 В. Его источник должен обеспечивать ток не менее 25 А. Мощность рассеивания резисторов базового делителя напряжения не менее 5 Вт.

Схема на след. рис. справа – мультивибратор с индуктивной нагрузкой на мощных полевых тразисторах (450 B Uk, не менее 25 A Ik). Благодаря применению емкости в цепи колебательного контура дает довольно мягкий спектр, но внемодовый, поэтому пригоден для разогрева деталей до 1 кг для закалки/отпуска. Главный недостаток схемы – дороговизна компонент, мощных полевиков и быстродействующих (граничная частота не менее 200 кГц) высоковольтных диодов в их базовых цепях. Биполярные мощные транзисторы в этой схеме не работают, перегреваются и сгорают. Радиатор здесь такой же, как и в предыдущем случае, но обдува уже не нужно.

Следующая схема уже претендует на звание универсальной, мощностью до 1 кВт. Это – двухтактный генератор с независимым возбуждением и мостовым включением индуктора. Позволяет работать на 2-3 моде или в режиме поверхностного нагрева; частота регулируется переменным резистором R2, а диапазоны частот переключаются конденсаторами С1 и С2, от 10 кГц до 10 МГц. Для первого диапазона (10-30 кГц) емкость конденсаторов С4-С7 должна быть увеличена до 6,8 мкФ.

Трансформатор между каскадами – на ферритовом кольце с площадью сечения магнитопровода от 2 кв. см. Обмотки – из эмалированного провода 0,8-1,2 мм. Радиатор транзисторов – 400 кв. см. на четверых с обдувом. Ток в индукторе практически синусоидальный, поэтому спектр излучения мягкий и на всех рабочих частотах дополнительных мер защиты не требуется, при условии работы до 30 мин в день через 2 дня на 3-й.

Видео: самодельный индукционный нагреватель в работе

Индукционные котлы

Индукционные водогрейные котлы, без сомнения, вытеснят бойлеры с ТЭНами везде, где электричество обходится дешевле других видов топлива. Но их неоспоримые достоинства породили и массу самоделок, от которых у специалиста иной раз буквально волосы дыбом встают.

Скажем, такая конструкция: пропиленовую трубу с проточной водой окружает индуктор, а он запитан от сварочного ВЧ-инвертора на 15-25 А. Вариант – из термостойкого пластика делают пустотелый бублик (тор), по патрубкам пропускают через него воду, а для нагрева обматывают шиной, образующий свернутый в кольцо индуктор.

ЭМП передаст свою энергию воде хорошо; та обладает неплохой электропроводностью и аномально высокой (80) диэлектрической проницаемостью. Вспомните, как стреляют в микроволновке оставшиеся на посуде капельки влаги.

Но, во-первых, для полноценного обогрева квартиры или зимой нужно не менее 20 кВт тепла, при тщательном утеплении снаружи. 25 А при 220 В дают всего 5,5 кВт (а сколько это электричество стоит по нашим тарифам?) при 100% КПД. Ладно, пусть мы в Финляндии, где электричество дешевле газа. Но лимит потребления на жилье – все равно 10 кВт, а за перебор нужно платить по увеличенному тарифу. И квартирная проводка 20 кВт не выдержит, нужно тянуть отдельный фидер от подстанции. Во что такая работа обойдется? Если еще электрикам далеко до перебора мощности по району и они ее разрешат.

Затем, сам теплообменник. Он должен быть или металлическим массивным, тогда будет действовать только индукционный нагрев металла, или из пластика с низкими диэлектрическими потерями (пропилен, между прочим, к таким не относится, годится только дорогой фторопласт), тогда вода непосредственно поглотит энергию ЭМП. Но в любом случае выходит, что индуктор греет весь объем теплообменника, а воде тепло отдает только внутренняя его поверхность.

В итоге, ценой больших трудов с риском для здоровья, получаем бойлер с КПД пещерного костра.

Индукционный котел отопления промышленного изготовления устроен совсем по-иному: просто, но в домашних условиях невыполнимо, см. рис. справа:

Массивный медный индуктор подключается непосредственно к сети.
Его ЭМП греет также массивный металлический лабиринт-теплообменник из ферромагнитного металла.
Лабиринт одновременно изолирует индуктор от воды.

Стоит такой бойлер в несколько раз дороже обычного с ТЭНом, и пригоден для установки только на пластиковые трубы, но взамен дает массу выгод:

Никогда не сгорает – в нем нет раскаленной электроспирали.
Массивный лабиринт надежно экранирует индуктор: ППЭ в непосредственной близости от 30 кВт индукционного бойлера – ноль.
КПД – более чем 99,5%
Абсолютно безопасен: собственная постоянная времени обладающей большой индуктивностью катушки – более 0,5 с, что в 10-30 раз больше времени срабатывания УЗО или автомата. Его еще ускоряет «отдача» от переходного процесса при пробое индуктивности на корпус.
Сам же пробой вследствие «дубовости» конструкции исключительно маловероятен.
Не требует отдельного заземления.
Безразличен к удару молнии; сжечь массивную катушку ей не под силу.
Большая поверхность лабиринта обеспечивает эффективный теплообмен при минимальном температурном градиенте, что почти исключает образование накипи.
Огромная долговечность и простота пользования: индукционный бойлер совместно с гидромагнитной системой (ГМС) и фильтром-отстойником работает без обслуживания не менее 30 лет.

О самодельных котлах для ГВС

Здесь на рис. приведена схема маломощного индукционного нагревателя для систем ГВС с накопительным баком. В ее основе – любой силовой трансформатор на 0,5-1,5 кВт с первичной обмоткой на 220 В. Очень хорошо подходят сдвоенные трансформаторы от старых ламповых цветных телевизоров – «гробов» на двухстержневом магнитопроводе типа ПЛ.

Вторичную обмотку с таких снимают, первичку перематывают на один стержень, увеличив количество ее витков для работы в режиме, близком к КЗ (короткому замыканию) по вторичке. Сама же вторичная обмотка – вода в U-образном колене из трубы, охватывающем другой стержень. Пластиковая труба или металлическая – на промчастоте все равно, но металлическая должна быть изолирована от остальной системы диэлектрическими вставками, как показано на рис, чтобы вторичный ток замыкался только через воду.

В любом случае такая водогрейка опасна: возможная протечка соседствует с обмоткой под сетевым напряжением. Если уж идти на такой риск, то в магнитопроводе нужно насверлить отверстие под болт-заземлитель, и прежде всего наглухо, в грунт, заземлить трансформатор и бак стальной шиной не менее 1,5 кв. см. (не кв. мм!).

Далее трансформатор (он должен располагаться непосредственно под баком), с подключенным к нему сетевым проводом в двойной изоляции, заземлителем и водогрейным витком заливают в одну «куклу» силиконовым герметиком, как моторчик помпы аквариумного фильтра. Наконец, крайне желательно весь агрегат подключить к сети через быстродействующее электронное УЗО.

Видео: “индукционный” котел на основе бытовой плитки

Индуктор на кухне

Индукционные варочные поверхности для кухни стали уже привычными, см. рис. По принципу действия это та же индукционная печка, только в роли короткозамкнутой вторичной обмотки выступает днище любой металлической варочной посудины, см. рис. справа, а не только из ферромагнитного материала, как часто не знаючи пишут. Просто алюминиевая посуда выходит из употребления; медики доказали, что свободный алюминий – канцероген, а медная и оловянная давно уже не в ходу по причине токсичности.

Бытовая индукционная плитка – порождение века высоких технологий, хотя идея ее зародилась одновременно с индукционными плавильными печами. Во-первых, для изоляции индуктора от стряпни понадобился прочный, стойкий, гигиеничный и свободно пропускающий ЭМП диэлектрик. Подходящие стеклокерамические композиты появились в производстве сравнительно недавно, и на долю верхней пластины плиты приходится немалая доля ее стоимости.

Затем, все варочные посудины разные, а их содержимое изменяет их электрические параметры, и режимы приготовления блюд тоже разные. Осторожным подкручиванием ручек до нужной моды тут и специалист не обойдется, нужен высокопроизводительный микроконтроллер. Наконец, ток в индукторе должен быть по санитарным требованиям чистой синусоидой, а его величина и частота должны сложным образом меняться сообразно степени готовности блюда. То есть, генератор должен быть с цифровым формированием выходного тока, управляемым тем самым микроконтроллером.

Делать кухонную индукционную плиту самому нет смысла: на одни только электронные компоненты по розничным ценам денег уйдет больше, чем на готовую хорошую плитку. И управлять этими приборами пока еще сложновато: у кого есть, тот знает, сколько там кнопочек или сенсоров с надписями: «Рагу», «Жаркое» и т.п. Автор этой статьи видал плитку, где значилось отдельно «Борщ флотский» и «Суп претаньер».

Тем не менее, индукционные плиты имеют массу преимуществ перед прочими:

Почти нулевая, в отличие от микроволновок, ППЭ, хоть сам на эту плитку садись.
Возможность программирования для приготовления самых сложных блюд.
Растопка шоколада, вытапливание рыбьего и птичьего жира, приготовление карамели без малейших признаков пригорания.
Высокая экономичность как следствие быстрого нагрева и почти полного сосредоточения тепла в варочной посуде.

К последнему пункту: взгляните на рис. справа, там графики разогрева стряпни на индукционной плите и газовой конфорке. Кто знаком с интегрированием, тот сразу поймет, что индуктор на 15-20% экономичнее, а с чугунным «блином» его можно и не сравнивать. Затраты денег на энергоноситель при приготовлении большинства блюд для индукционной плиты сравнимы с газовой, а на тушение и варку густых супов даже меньше. Индуктор пока уступает газу только при выпечке, когда необходим равномерный прогрев со всех сторон.

Видео: неудавшийся индукционный нагреватель из кухонной плиты

В заключение

Итак, индукционные электроприборы для подогрева воды и приготовления пищи лучше покупать готовые, дешевле и проще выйдет. А вот завести самодельную индукционную тигельную печку в домашней мастерской не помешает: станут доступными тонкие способы плавки и термообработки металлов. Нужно только помнить о ППЭ с СВЧ и строго соблюдать правила конструирования, изготовления и эксплуатации.

Недавно возникла необходимость создать небольшой индукционный нагреватель своими руками. Бродя по просторам интернета, нашел несколько схем индукционных нагревателей. Многие схемы не устраивали из-за довольно сложной обвязки, некоторые не работали, но попадались и рабочие варианты.

Несколько дней назад пришел к выводу, что индукционный нагреватель можно сделать из электронного трансформатора с минимальными затратами.

Принцип индукционного нагрева заключается в воздействии на металл токами Фуко. Такой нагреватель активно применяется в самых разных сферах науки и техники. По идее токам Фуко безразличны виды и свойства металлов, поэтому индуктор может подогреть или расплавить абсолютно любой металл.

Электронный трансформатор — импульсный блок питания, на базе которого построен наш нагреватель. Это простой полумостовой инвертор, построенный на двух мощный биполярных транзисторах серии MJE13007, которые жутко перегреваются в ходе работы, поэтому им нужен очень хороший теплоотвод.

Для начала с электронного трансформатора нужно выпаять основной трансформатор. Своего рода индуктор мы изготовим на базе ферритовой чашки. Для этого берем чашку 2000НМ (размер чашки особо не важен, но желательно побольше). На каркасе мотаем 100 витков проводом 0,5 мм, с кончиков проводов снимаем лаковое покрытие и залужаем. Затем концы проводов запаиваем на место штатного импульсного трансформатора — все готово!

Получился довольно мощный самодельный индукционный нагреватель (КПД не более 65%), на основе которого, можно собрать даже небольшую индукционную печку. Если взять кусок металла и приблизить этот металл к центру катушки, то через несколько секунд металл нагреется. Таким нагревателем можно плавить провода с диаметром 1,5 мм — мне это удалось всего за 20 секунд, но при этом высоковольтные транзисторы ЭТ так нагрелись, что на них можно было яичницу жарить!

В ходе работы, возможно, будет нужда дополнительного охлаждения для теплоотводов, поскольку опыт показал, что теплоотвод попросту не успевает отводить тепло с транзисторов.

Основа работы такого инвертора довольно проста. Сама схема индукционного нагревателя удобна тем, что не требует никакой настройки (в более сложных схемах часто возникает необходимость подгонки схемы в частоту резонанса, точный расчет количества витков и диаметра провода контура, а также подсчет контурного конденсатора, а тут всего этого нет и схема работает сразу).

Напряжение сети (220 Вольт) сначала выпрямляется диодным выпрямителем, затем поступает на схему. Частоту задает динистор (диак) марки DB3. Сама схема не имеет никаких защит, только ограничивающий резистор на входе питания, который якобы должен работать в качестве сетевого предохранителя, но при малейшей проблеме в первую очередь вылетают транзисторы. Надежность схемы индукционного нагревателя можно поднять, заменив диоды в выпрямителе более мощными, добавив сетевой фильтр на вход схемы и заменив силовые транзисторы на более мощные, скажем на MJE13009.

Вообще не советую включать такой нагреватель на долгое время, если не имеется активного охлаждения, иначе каждые 5 минут будете вынуждены менять транзисторы.

Индукционные отопительные котлы – это приборы, которые отличаются очень высоким КПД. Они позволяют заметно снизить затраты на электроэнергию по сравнению с традиционными приборами, оборудованными ТЭНами.

Модели промышленного производства недешевы. Однако сделать индукционный нагреватель своими руками сможет любой домашний мастер, владеющий нехитрым набором инструментов. Ему в помощь мы предлагаем подробное описание принципа действия и сборки эффективного обогревателя.

Индукционный нагрев невозможен без использования трех основных элементов:

индуктора;
генератора;
нагревательного элемента.

Индуктор представляет собой катушку, обычно выполненную из медной проволоки, с ее помощью генерируют магнитное поле. Генератор переменного тока используют для получения высокочастотного потока из стандартного потока домашней электросети с частотой 50 Гц.

В качестве нагревательного элемента применяется металлический предмет, способный поглощать тепловую энергию под воздействием магнитного поля. Если правильно соединить эти элементы, можно получить высокопроизводительный прибор, который прекрасно подходит для подогрева жидкого теплоносителя и .

С помощью генератора электрический ток с необходимыми характеристиками подается на индуктор, т.е. на медную катушку. При прохождении через нее поток заряженных частиц формирует магнитное поле.

Принцип действия индукционных нагревателей основан на возникновении электротоков внутри проводников, появляющихся под воздействием магнитных полей

Особенность поля состоит в том, что оно обладает способностью на высоких частотах изменять направление электромагнитных волн. Если в это поле поместить какой-нибудь металлический предмет, он начнет нагреваться без непосредственного контакта с индуктором под воздействием созданных вихревых токов.

Высокочастотный электрический ток, поступающий от инвертора к индукционной катушке, создает магнитное поле с постоянно изменяющимся вектором магнитных волн. Помещенный в это поле металл быстро разогревается

Отсутствие контакта позволяет сделать потери энергии при переходе из одного вида в другой ничтожными, чем и объясняется повышенный КПД индукционных котлов.

Чтобы подогреть воду для отопительного контура, достаточно обеспечить ее контакт с металлическим нагревателем. Часто в качестве нагревательного элемента используют металлическую трубу, через которую просто пропускают поток воды. Вода попутно охлаждает нагреватель, что значительно увеличивает срок его службы.

Электромагнит индукционного прибора получают путем намотки проволоки вокруг сердечника из ферромагнита. Полученная в результате катушка индукции разогревается и передает тепло нагреваемому телу или протекающему рядом теплоносителю через теплообменник

Преимущества и недостатки прибора

“Плюсов” у вихревого индукционного нагревателя великое множество. Это простая для самостоятельного изготовления схема, повышенная надежность, высокий КПД, относительно низкие затраты на электроэнергию, длительный срок эксплуатации, малая вероятность возникновения поломок и т.п.

Производительность прибора может быть значительной, агрегаты этого типа успешно используются в металлургической промышленности. По скорости нагрева теплоносителя устройства этого типа уверенно соперничают с традиционными электрическими котлами, температура воды в системе быстро достигает необходимого уровня.

Во время функционирования индукционного котла нагреватель слегка вибрирует. Эта вибрация стряхивает со стенок металлической трубы известковый осадок и другие возможные загрязнения, поэтому в очистке такой прибор нуждается крайне редко. Конечно, отопительную систему следует защитить от этих загрязнений с помощью механического фильтра.

Индукционная катушка нагревает металл (трубу или куски проволоки), помещенные внутри нее, с помощью высокочастотных вихревых токов, контакт не обязателен

Постоянный контакт с водой сводит к минимуму и вероятность перегорания нагревателя, что является довольно частой проблемой для традиционных котлов с ТЭНами. Несмотря на вибрацию, котел работает исключительно тихо, дополнительная шумоизоляция в месте установки прибора не понадобится.

Еще индукционные котлы хороши тем, что они практически никогда не протекают, если только монтаж системы выполнен правильно. Это очень ценное качество для , так как исключает или значительно сокращает вероятность возникновения опасных ситуаций.

Отсутствие протечек обусловлено бесконтактным способом передачи тепловой энергии нагревателю. Теплоноситель с помощью описанной выше технологии можно разогреть чуть ли не до парообразного состояния.

Это обеспечивает достаточную тепловую конвекцию, чтобы стимулировать эффективное перемещение теплоносителя по трубам. В большинстве случаев отопительную систему не придется оборудовать циркуляционным насосом, хотя все зависит от особенностей и схемы конкретной системы отопления.

Выводы и полезное видео по теме

Ролик #1. Обзор принципов индукционного нагрева:

Ролик #2. Интересный вариант изготовления индукционного нагревателя:

Для установки индукционного нагревателя не нужно получать разрешение контролирующих органов, промышленные модели таких устройств вполне безопасны, они подходят и для частного дома, и для обычной квартиры. Но владельцам самодельных агрегатов не следует забывать о технике безопасности.

Умельцы придумали много способов для отопления дома. Один из них — индукционный нагреватель. Как и любой другой, он имеет свои преимущества и недостатки.

Принцип действия

В основе работы лежит закон Джоуля-Ленца, который отражает прямую зависимость тепловой отдачи проводника от напряженности электрического поля. Всем известна взаимосвязь магнетизма и электричества, которые просто не могут существовать одно без другого. Если на катушку подать ток высокой частоты, вокруг нее образуется магнитное поле. Его поток будет пронизывать токопроводящий сердечник, вставленный в катушку. Возникшая магнитная индукция будет постоянно меняться по направлению и времени, что вызовет появление вихревых токов, движущихся по замкнутому кругу. А это преобразовывает электромагнитную энергию в тепловую. Такова в общих чертах схема индукционного нагревателя.

Индукционные нагреватели блестяще зарекомендовали себя в самых разных областях применения. С их помощью можно проводить поверхностную закалку металлических изделий, сверхчистую, бесконтактную сварку, точечный прогрев и даже плавку токопроводящих материалов. Производственные индукторы оборудованы мощным трансформатором, способным подавать на них большие токи.

Индуктор в быту

Поскольку схема подобного нагревателя не отличается сложностью, а КПД такого устройства очень высок (до 98%), вихревой индукционный нагреватель не мог не заинтересовать народных умельцев.

Очень часто у многих возникает идея об использовании принципа индукции для отопления дома. Ведь индукционный обогреватель способен нагревать воду чуть ли не мгновенно. Поэтому существует целый ряд конструкций, представляющих собой самодельный индукционный нагреватель.

В физике много законов, обойти которые не получится никогда. Энергия не берется из ниоткуда, а потому количество потребляемого электричества не может быть меньше, чем требуется тепловой энергии.

Другими словами, если для прогрева помещения требуется 5 кВт/ч, то не получится сделать это, потребляя всего 2 кВт/ч электроэнергии, какой бы замечательной ни была конструкция нагревателя. Если планируется отапливаться с помощью индуктора, нужно быть готовым к повышению выплат за электричество.

Самым популярным вариантом среди мастеров-умельцев является индукционный нагреватель из сварочного инвертора. Этому есть ряд причин:

Инвертор выдает ток повышенных частот, что значительно повышает напряженность электрического поля, а это благотворно сказывается на теплоотдаче.
Сварочный инвертор способен на подачу больших токов. Из всех приборов, доступных для бытового применения, инвертор лучше всего подходит для использования в качестве блока питания индукционного нагревателя.

Элементы конструкции

Индукционный нагреватель своими руками делается следующим образом:

Кусок пластиковой трубы с толщиной стенок не менее 3 мм заполняется кусками металлической проволоки. Длина их примерно около 5 см.
Оба края этого отрезка трубы закрываются металлической сеткой, чтобы она удерживала эти куски на месте. Труба должна быть заполнена проволокой полностью.
После этого она должна быть аккуратно обмотана толстым медным проводом — порядка 90 витков. Желательно выбирать провод с диаметром не ниже 3 мм.
С помощью переходников и фитингов труба присоединяется к отопительной системе, которая после этого заполняется водой.
Концы провода присоединяются к клеммам сварочного инвертора.
Необходимо обеспечить выполнение всех мер пожарной и электробезопасности.

После включения устройства металлические куски проволоки мгновенно нагреются и начнут отдавать тепло проходящей свозь них воде.

Особо стоит заострить внимание на том, что вода обязательно должна непрерывно циркулировать.

В противном случае температура трубы поднимется настолько, что появится угроза ее расплавления

Это является 1 из самых серьезных недостатков подобных нагревателей. В случае частого отсутствия хозяев необходима система автоматического компьютерного контроля за работой нагревателя.

Индукционный нагреватель вполне пригоден для отопления, но при этом имеет свои недостатки. Они вполне исправимы и при грамотной проработке деталей данная конструкция способна конкурировать с другими.

Самодельный индуктор для нагрева. Простейший индукционный нагреватель своими руками. Печь для плавки металла на сварочном инверторе

Индукционный нагрев невозможен без использования трех основных элементов:

Преимущества и недостатки прибора

Выводы и полезное видео по теме

Ролик #1. Обзор принципов индукционного нагрева:

Ролик #2. Интересный вариант изготовления индукционного нагревателя:

Целью является практическая реализации обогрева дома с использованием техники индукционной плавки металлов. Идея, не обладает новизной и состоит в том, чтобы индуктор разместить вокруг трубы отопления. Нагревая трубу, тем самым мы нагреваем воду которая циркулирует в системе отопления. Базовой предпосылкой, которая может значительно снизить затраты на электроэнергию является колебательный контур (индуктор->конденсаторы) который работает в резонансе. Возникает повышение напряжения примерно в десятки раз, которым и осуществляется нагрев металла.

Классические индукционные схемы, как показала практика замены выходящих из строя транзисторов, требует дорогой элементной базы. За основу была взята схема индукционного нагрева использующая ZVS (zero voltage switching) метод переключения транзисторов. Схема взята с сайта http://www.rmcybernetics.com/projects/DIY_Devices/diy-induction-heater.htm.

В собранной схеме, были использованы транзисторыы STP40N10, диоды шоттки 50SQ100 5A,100В; резисторы 240 ОМ, измереенная ёмкость батареи конденсаторов CBB81/224/2000V — 2,3 мкф. Магнитная проницаемость ферритового кольца — L2, по заявлению продавца 10000, но схема запускается с ферритовым кольцом. Источниеи питания — два аккумулятора замененны на трансформатор ОСМ1-1.6 c переменным напряжением 24 вольта и постоянным на конденсаторе порядка 27 Вольт. Схема заработала сразу, каких либо настроек не протребовалось. Более или менее интересный результат при данном размере индуктора начинается от 20 вольт.

Напряжение на каждом из транзисторов относительно корпуса по 800 Вольт, не важно где мерять. Частота работы схемы без металлической трубы в индукторе, 321 Кгц, ток потребления 1,7 Ампера. При добавлении металлической трубы частота понижается до 138 Кгц, ток потребления вырастает до 5А. Труба 0,5 дюйма, индуктором с внутренним диаметром 85 мм нагревается в районе средней точки до вишневого цвета.

Лучше всего в таких схемах использовать плёночные конденсаторы фирм Evox Rifa,Faratronic,Pilcor. КПД поднимется,да и количество кондёров потребуется в разы меньше.

Ток потребления определяется заполнением индуктора металлом. Стоит использовать под бесшовную трубу с максимальной толщиной стенок. При токе потребления более 12 ампер, транзисторы STP40N10 долго не живут. Рекомендованное на сайте водяное охлаждение не используется. Греются радиатор и индуктор, конденсаторы холодные. Для охлаждения транзисторных радиаторов я использовал вентилятор от компьютера. При необходимости отвод тепла можно организовать на тот же стояк отопления.

Трансформатор тока.

Вторым, не менее, если не более интересным способом нагрева теплоносителя является трансформатор тока. Трансформатор тока представляет из себя ферритовое кольцо, установленное на проводе идущем от блока конденсаторов к индуктору. Подойдут ферритовые кольца, любой магнитопроницаемости. В том числе и кольцо из трансформаторного железа. Чем ниже магнитная проницаемость магнитопровода, тем меньший радиус кольца допустим, тем ниже частота тока на выходе, тем сильнее греется магнитопровод. В случае использования трансформаторного железа эффективность нагрева максималена. Ферритовые кольца с внутренним диаметром менее 60мм для длительной работы схемы не использовать. При малом, внутреннем, диаметре ферритового кольца, менее 50мм, резко растает ток потребления, необходимый для поддержания резонанса, транзисторы выходят из строя. В случае использования сердечника от ТВС необходим зазор, это не по феншую. В случае встречной намотки обмоток, как показано на фотографии, эдс отсутсвует.

Ниже представлена схема подключения нагрузки. Лампу 220В 95W включать без диодного моста можно, но при этом следует уменьшить число витков трансформатора тока примерно до пяти, иначе лампа эффектоно сгорит. На сдвоенную пару витков, используемых в намотке обращать внимание не стоит. Так же следует поступить с парой проводов черный и красный, на транзисторных радиаторах к ним подключались высоковольтные конденсаторы от СВЧ печей. Конденсаторы сильно грелись, пришлось их заменить, провода пусть пока будут.

Ферритовые кольца размещенные в индукторе увеличивают частоту до 400 кГц, токовый трансформатор ее понижает до 100 кГц. Яркость свечения лампы регулируется частотой за счет увеличения либо уменьшения сердечника из ферритовых колец в индукторе.

На тестере видно, что при подключении нагрузки ток вырос на два ампера. (В первом случае ток необходимо умножить на 100) Это примерно равно мощности используемой лампы. Безвомездного съема энергии с токового трансформатора нет. Подключение активной нагрузки увеличивает ток потребляемый устройством. А вот использовать ферритовые кольца для нагрева теплоносителя в дополнение к индуктору — очень интересный вариант.

Дуговой разряд.

На каждые три-четыре витка токового трансформатора приходится 1000 вольт. Попытка замера напряжения на большем числе витков закончилась неудачей по причине выхода из строя тестера. Можно предположить, что напряжение на токовом рансформаторе около пяти-шести тысяч вольт, поэтому третьим источником тепла, в предлагаемой схеме является дуговой разряд. Как его еспользовать для нагрева теплоносителя, я пока не решил. Плавится все с чем дуговой разряд находится в тесном контакте.

Промежуточный итог.

1. Осуществлять нагрев трубы отопления токами фуко.
2. Дополнительная тепловая мощность за счет охлаждения радиаторов, на которых установлены транзисторы.
3. Охлаждения феррита токового трансформатора теплоносителем (водой).
4. Использование дугового разряда — проблематично. Очень высокая температура. Но очень перспективно. Наличие дуги не увеличивает потребление тока устройством.

Пример страниц руководства:

Скачать руководство полностью:

Индукционный нагреватель — это высокая стадия эволюции электроприборов. Благодаря такому устройству можно значительно экономить потребление энергии. Тепловой генератор, используемый в этом приборе, совершенно безвреден, при работе не выделяет копоти. Например, по эффективности отопительный котел (схема индукционного нагревателя приведена ниже) уступает лишь инфракрасному обогревателю. Однако в отличие от ИК-приборов, которые продаются лишь в специализированных магазинах, индукционные нагреватели можно не только купить, но и собрать своими руками.

Такие устройства бывают нескольких уровней сложности и назначения, например, для воды и металла. Их устройства, конечно, отличаются, однако принцип работы идентичный. На фото ниже изображена схема индукционного нагревателя металла, по ней достаточно легко собрать данный прибор.

Итак, в этой статье мы рассмотрим процесс сборки индукционного нагревателя из подручных средств, которые можно найти в «закромах» любого домашнего мастера.

Как работает индукционный нагреватель, сделанный своими руками?

Принцип работы самодельного нагревателя ничем не отличается от заводского прибора. То есть теплоноситель циркулирует в сердечнике, нагреваясь от его стенок или содержимого. Он разогревается благодаря вихревым токам, генерируемым обмоткой.

Важно : полимерные сердечники набивают рубленой проволокой!

В свою очередь, обмотка накручивается на тело сердечника и замыкается на источник тока высокой частоты. Именно такая энергия способна сгенерировать переменное электромагнитное поле — первопричину появления вихревых токов в неподвижном сердечнике (или его наполнителе).

Схема индукционного нагревателя воды, представленная ниже, часто используется в отопительных котлах.

В роли источника высокочастотного переменного тока может выступать обычный или более сложная система на основе трансформатора и частотного преобразователя.

Необходимо отметить, что при правильном подходе к выбору источника и формированию обмотки можно создать действительно эффективный прибор, который будет работать не хуже заводского аналога. Кстати, в его комплекте всегда есть инструкция и схема индукционного нагревателя.

Своими руками собираем индукционный прибор: важные детали

Для сбора такого нагревателя понадобятся:

Именно этот прибор будет источником переменного электрического тока высокой частоты, питающего индуктор.

После этого необходимо взять Намотать ее пружиной на корпус сердечника. Это устройство будет выполнять роль индуктора. Очень важно контакты проволоки соединить с клеммами инвертора, избегая спаек и скруток. Исходя из этого, отрезок данного материала, используемый для формирования сердечника, должен иметь достаточную длину. Количество витков обычно равно 50, а диаметр проволоки, как правило, равен 3 мм. Схема индукционного нагревателя показывает последовательность соединения отдельных составляющих.

Делаем сердечник

В роли сердечника выступает обычная полимерная труба, изготовленная из сшитого полиэтилена или полипропилена. Эти сорта пластмасс выдерживают максимально высокую температуру. Пропускной диаметр трубы-сердечника должен равняться 50 мм, а толщина стенок не может быть меньше 2,5-3 мм. Тогда эту деталь можно использовать в роли калибра, на который навивают медную проволоку, формируя индуктор.

Приблизительная схема индукционного нагревателя отображена на этой картинке.

Нагревательным элементом такого котла будет наполнитель полимерного сердечника — рубленые отрезки диаметром 7 мм. Причем длина их не может быть менее 5 см.

Сборка устройства на примере отопительного индукционного котла

Сам процесс сборки всех этих компонентов в единую систему выглядит следующим образом:

Вначале берете отрезок полимерной трубы, фиксируете его и наматываете поверх будущего сердечника 50 витков 3-миллиметровой медной проволоки.
Далее обрезаете торцы сердечника, оставляя по 7-10 см от края проволоки на отводы.

Важно : Схема индукционного нагревателя своими руками выполняется в несколько этапов, последовательность которых нарушать ни в коем случае нельзя. Во избежание ошибок необходимо в точности следовать инструкции.

Изготавливая индукционный нагреватель собственными руками, необходимо побеспокоиться о безопасности устройства. Для этого требуется руководствоваться следующими правилами, повышающими уровень надежности общей системы:

В верхний тройник стоит врезать предохранительный клапан, стравливающий лишнее давление. Иначе при выходе из строя циркуляционного насоса сердечник попросту лопнет под воздействием пара. Как правило, схема простого индукционного нагревателя предусматривает такие моменты.
Инвертор включается в сеть только через УЗО. Это устройство срабатывает в критических ситуациях и поможет избежать короткого замыкания.
Сварочный инвертор нужно заземлить, выводя кабель на особый металлический контур, смонтированный в грунте за стенами сооружения.
Корпус индукционного нагревателя нужно размещать на высоте 80 см над уровнем пола. Причем расстояние до потолка должно быть не менее 70 см, а до других предметов меблировки — более 30 см.
Индукционный нагреватель — это источник очень сильного электромагнитного поля, поэтому такую установку нужно держать подальше от жилых помещений и вольеров с домашними животными.

Подведение итогов

Индукционный нагреватель, изготовленный своими руками, будет работать не хуже заводского прибора. Он не уступает в производительности, эффективности и безопасности, конечно же, если были соблюдены все правила.

Принцип действия

Индуктор в быту

Инвертор выдает ток повышенных частот, что значительно повышает напряженность электрического поля, а это благотворно сказывается на теплоотдаче.
Сварочный инвертор способен на подачу больших токов. Из всех приборов, доступных для бытового применения, инвертор лучше всего подходит для использования в качестве блока питания индукционного нагревателя.

Элементы конструкции

Индукционный нагреватель своими руками делается следующим образом:

Кусок пластиковой трубы с толщиной стенок не менее 3 мм заполняется кусками металлической проволоки. Длина их примерно около 5 см.
Оба края этого отрезка трубы закрываются металлической сеткой, чтобы она удерживала эти куски на месте. Труба должна быть заполнена проволокой полностью.
После этого она должна быть аккуратно обмотана толстым медным проводом — порядка 90 витков. Желательно выбирать провод с диаметром не ниже 3 мм.
С помощью переходников и фитингов труба присоединяется к отопительной системе, которая после этого заполняется водой.
Концы провода присоединяются к клеммам сварочного инвертора.
Необходимо обеспечить выполнение всех мер пожарной и электробезопасности.

Особо стоит заострить внимание на том, что вода обязательно должна непрерывно циркулировать.

В противном случае температура трубы поднимется настолько, что появится угроза ее расплавления

Индукционный нагрев (Induction Heating) — метод бесконтактного нагрева токами высокой частоты (англ. RFH — radio-frequency heating, нагрев волнами радиочастотного диапазона) электропроводящих материалов.

Описание метода.

Индукционный нагрев — это нагревание материалов электрическими токами, которые индуцируются переменным магнитным полем. Следовательно — это нагрев изделий из проводящих материалов (проводников) магнитным полем индукторов (источников переменного магнитного поля). Индукционный нагрев проводится следующим образом. Электропроводящая (металлическая, графитовая) заготовка помещается в так называемый индуктор, представляющий собой один или несколько витков провода (чаще всего медного). В индукторе с помощью специального генератора наводятся мощные токи различной частоты (от десятка Гц до нескольких МГц), в результате чего вокруг индуктора возникает электромагнитное поле. Электромагнитное поле наводит в заготовке вихревые токи. Вихревые токи разогревают заготовку под действием джоулева тепла (см. закон Джоуля-Ленца).

Система «индуктор-заготовка» представляет собой бессердечниковый трансформатор, в котором индуктор является первичной обмоткой. Заготовка является вторичной обмоткой, замкнутой накоротко. Магнитный поток между обмотками замыкается по воздуху.

На высокой частоте вихревые токи вытесняются образованным ими же магнитным полем в тонкие поверхностные слои заготовки Δ (Поверхностный-эффект), в результате чего их плотность резко возрастает, и заготовка разогревается. Нижерасположенные слои металла прогреваются за счёт теплопроводности. Важен не ток, а большая плотность тока. В скин-слое Δ плотность тока уменьшается в e раз относительно плотности тока на поверхности заготовки, при этом в скин-слое выделяется 86,4 % тепла (от общего тепловыделения. Глубина скин-слоя зависит от частоты излучения: чем выше частота, тем тоньше скин-слой. Также она зависит от относительной магнитной проницаемости μ материала заготовки.

Для железа, кобальта, никеля и магнитных сплавов при температуре ниже точки Кюри μ имеет величину от нескольких сотен до десятков тысяч. Для остальных материалов (расплавы, цветные металлы, жидкие легкоплавкие эвтектики, графит, электролиты, электропроводящая керамика и т. д.) μ примерно равна единице.

Например, при частоте 2 МГц глубина скин-слоя для меди около 0,25 мм, для железа ≈ 0,001 мм.

Индуктор сильно нагревается во время работы, так как сам поглощает собственное излучение. К тому же он поглощает тепловое излучение от раскалённой заготовки. Делают индукторы из медных трубок, охлаждаемых водой. Вода подаётся отсасыванием — этим обеспечивается безопасность в случае прожога или иной разгерметизации индуктора.

Применение:
Сверхчистая бесконтактная плавка, пайка и сварка металла.
Получение опытных образцов сплавов.
Гибка и термообработка деталей машин.
Ювелирное дело.
Обработка мелких деталей, которые могут повредиться при газопламенном или дуговом нагреве.
Поверхностная закалка.
Закалка и термообработка деталей сложной формы.
Обеззараживание медицинского инструмента.

Преимущества.

Высокоскоростной разогрев или плавление любого электропроводящего материала.

Возможен нагрев в атмосфере защитного газа, в окислительной (или восстановительной) среде, в непроводящей жидкости, в вакууме.

Нагрев через стенки защитной камеры, изготовленной из стекла, цемента, пластмасс, дерева — эти материалы очень слабо поглощают электромагнитное излучение и остаются холодными при работе установки. Нагревается только электропроводящий материал — металл (в том числе расплавленный), углерод, проводящая керамика, электролиты, жидкие металлы и т. п.

За счёт возникающих МГД усилий происходит интенсивное перемешивание жидкого металла, вплоть до удержания его в подвешенном состоянии в воздухе или защитном газе — так получают сверхчистые сплавы в небольших количествах (левитационная плавка, плавка в электромагнитном тигле).

Поскольку разогрев ведётся посредством электромагнитного излучения, отсутствует загрязнение заготовки продуктами горения факела в случае газопламенного нагрева, или материалом электрода в случае дугового нагрева. Помещение образцов в атмосферу инертного газа и высокая скорость нагрева позволят ликвидировать окалинообразование.

Удобство эксплуатации за счёт небольшого размера индуктора.

Индуктор можно изготовить особой формы — это позволит равномерно прогревать по всей поверхности детали сложной конфигурации, не приводя к их короблению или локальному непрогреву.

Легко провести местный и избирательный нагрев.

Так как наиболее интенсивно разогрев идет в тонких верхних слоях заготовки, а нижележащие слои прогреваются более мягко за счёт теплопроводности, метод является идеальным для проведения поверхностной закалки деталей (сердцевина при этом остаётся вязкой).

Лёгкая автоматизация оборудования — циклов нагрева и охлаждения, регулировка и удерживание температуры, подача и съём заготовок.

Установки индукционного нагрева:

На установках с рабочей частотой до 300 кГц используют инверторы на IGBT-сборках или MOSFET-транзисторах. Такие установки предназначены для разогрева крупных деталей. Для разогрева мелких деталей используются высокие частоты (до 5 МГц, диапазон средних и коротких волн), установки высокой частоты строятся на электронных лампах.

Также для разогрева мелких деталей строятся установки повышенной частоты на MOSFET-транзисторах на рабочие частоты до 1,7 МГц. Управление транзисторами и их защита на повышенных частотах представляет определённые трудности, поэтому установки повышенной частоты пока ещё достаточно дороги.

Индуктор для нагрева мелких деталей имеет небольшие размеры и небольшую индуктивность, что приводит к уменьшению добротности рабочего колебательного контура на низких частотах и снижению КПД, а также представляет опасность для задающего генератора (добротность колебательного контура пропорциональна L/C, колебательный контур с низкой добротностью слишком хорошо «накачивается» энергией, образует короткое замыкание по индуктору и выводит из строя задающий генератор). Для повышения добротности колебательного контура используют два пути:
— повышение рабочей частоты, что приводит к усложнению и удорожанию установки;
— применение ферромагнитных вставок в индукторе; обклеивание индуктора панельками из ферромагнитного материала.

Так как наиболее эффективно индуктор работает на высоких частотах, промышленное применение индукционный нагрев получил после разработки и начала производства мощных генераторных ламп. До первой мировой войны индукционный нагрев имел ограниченное применение. В качестве генераторов тогда использовали машинные генераторы повышенной частоты (работы В. П. Вологдина) или искровые разрядные установки.

Схема генератора может быть в принципе любой (мультивибратор, RC-генератор, генератор с независимым возбуждением, различные релаксационные генераторы), работающей на нагрузку в виде катушки-индуктора и обладающей достаточной мощностью. Необходимо также, чтобы частота колебаний была достаточно высока.

Например, чтобы «перерезать» за несколько секунд стальную проволоку диаметром 4 мм, необходима колебательная мощность не менее 2 кВт при частоте не менее 300 кГц.

Выбирают схему по следующим критериям: надёжность; стабильность колебаний; стабильность выделяемой в заготовке мощности; простота изготовления; удобство настройки; минимальное количество деталей для уменьшения стоимости; применение деталей, в сумме дающих уменьшение массы и габаритов, и др.

На протяжении многих десятилетий в качестве генератора высокочастотных колебаний применялась индуктивная трёхточка (генератор Хартли, генератор с автотрансформаторной обратной связью, схема на индуктивном делителе контурного напряжения). Это самовозбуждающаяся схема параллельного питания анода и частотно-избирательной цепью, выполненной на колебательном контуре. Она успешно использовалась и продолжает использоваться в лабораториях, ювелирных мастерских, на промышленных предприятиях, а также в любительской практике. К примеру, во время второй мировой войны на таких установках проводили поверхностную закалку катков танка Т-34.

Недостатки трёх точки:

Низкий кпд (менее 40 % при применении лампы).

Сильное отклонение частоты в момент нагрева заготовок из магнитных материалов выше точки Кюри (≈700С) (изменяется μ), что изменяет глубину скин-слоя и непредсказуемо изменяет режим термообработки. При термообработке ответственных деталей это может быть недопустимо. Также мощные твч-установки должны работать в узком диапазоне разрешённых Россвязьохранкультурой частот, поскольку при плохом экранировании являются фактически радиопередатчиками и могут оказывать помехи телерадиовещанию, береговым и спасательным службам.

При смене заготовок (например, более мелкой на более крупную) изменяется индуктивность системы индуктор-заготовка, что также приводит к изменению частоты и глубины скин-слоя.

При смене одновитковых индукторов на многовитковые, на более крупные или более малогабаритные частота также изменяется.

Под руководством Бабата, Лозинского и других учёных были разработаны двух- и трёхконтурные схемы генераторов, имеющих более высокий кпд (до 70 %), а также лучше удерживающие рабочую частоту. Принцип их действия состоит в следующем. За счёт применения связанных контуров и ослабления связи между ними, изменение индуктивности рабочего контура не влечёт сильного изменения частоты частотозадающего контура. По такому же принципу конструируются радиопередатчики.

Современные твч-генераторы — это инверторы на IGBT-сборках или мощных MOSFET-транзисторах, обычно выполненные по схеме мост или полумост. Работают на частотах до 500 кГц. Затворы транзисторов открываются с помощью микроконтроллерной системы управления. Система управления в зависимости от поставленной задачи позволяет автоматически удерживать

А) постоянную частоту
б) постоянную мощность, выделяемую в заготовке
в) максимально высокий КПД.

Например, при нагреве магнитного материала выше точки Кюри толщина скин-слоя резко увеличивается, плотность тока падает, и заготовка начинает греться хуже. Также пропадают магнитные свойства материала и прекращается процесс перемагничивания — заготовка начинает греться хуже, сопротивление нагрузки скачкообразно уменьшается — это может привести к «разносу» генератора и выходу его из строя. Система управления отслеживает переход через точку Кюри и автоматически повышает частоту при скачкообразном уменьшении нагрузки (либо уменьшает мощность).

Замечания.

Индуктор по возможности необходимо располагать как можно ближе к заготовке. Это не только увеличивает плотность электромагнитного поля вблизи заготовки (пропорционально квадрату расстояния), но и увеличивает коэффициент мощности Cos(φ).

Увеличение частоты резко уменьшает коэффициент мощности (пропорционально кубу частоты).

При нагреве магнитных материалов дополнительное тепло также выделяется за счет перемагничивания, их нагрев до точки Кюри идет намного эффективнее.

При расчёте индуктора необходимо учитывать индуктивность подводящих к индуктору шин, которая может быть намного больше индуктивности самого индуктора (если индуктор выполнен в виде одного витка небольшого диаметра или даже части витка — дуги).

Имеются два случая резонанса в колебательных контурах: резонанс напряжений и резонанс токов.
Параллельный колебательный контур – резонанс токов.
В этом случае на катушке и на конденсаторе напряжение такое же, как у генератора. При резонансе, сопротивление контура между точками разветвления становится максимальным, а ток (I общ) через сопротивление нагрузки Rн будет минимальным (ток внутри контура I-1л и I-2с больше чем ток генератора).

В идеальном случае полное сопротивление контура равно бесконечности — схема не потребляет тока от источника. При изменение частоты генератора в любую сторону от резонансной частоты полное сопротивление контура уменьшается и линейный ток (I общ) возрастает.

Последовательный колебательный контур – резонанс напряжений.

Главной чертой последовательного резонансного контура является то, что его полное сопротивление минимально при резонансе. (ZL + ZC – минимум). При настройке частоты на величину, превышающую или лежащую ниже резонансной частоты, полное сопротивление возрастает.
Вывод:
В параллельном контуре при резонансе ток через выводы контура равен 0, а напряжение максимально.
В последовательном контуре наоборот — напряжение стремится к нулю, а ток максимален.

Статья взята с сайта http://dic.academic.ru/ и переработана в более понятный для читателя текст, компанией ООО «Проминдуктор».

Индукционный нагрев — Digilent Blog

Знаете ли вы, что можно плавить металл с помощью магнитных полей? Это кажется довольно безумным, но возможно.

Как это работает

Так как это работает? Большое количество переменного тока проходит через медную катушку, которая охлаждается водой, чтобы не перегреться. Большой ток в катушке генерирует сильные магнитные импульсы. Эти магнитные импульсы заставляют электроны течь внутри куска металла.Этот внутренний поток электронов называется вихревым током. Частота магнитных импульсов настраивается в зависимости от размера объекта и состава материала. Правильная настройка частоты импульсов вызывает более сильные вихревые токи. Естественное электрическое сопротивление металла и сильные вихревые токи в конечном итоге делают металл достаточно горячим, чтобы плавиться.

Полезные приложения

Индукционный нагрев — обычное дело в промышленном мире. Его можно использовать в самых разных сферах, таких как промышленные печи, сварка, приготовление пищи, термосварка, термообработка и т. Д.Индукционный нагрев популярен, потому что он более энергоэффективен для некоторых приложений, а нагревательные элементы более гибкие. Традиционные нагревательные элементы, основанные на конвекции и теплопроводности, должны быть обработаны до определенных размеров и форм. Индукционные нагреватели работают до тех пор, пока рассматриваемый объект помещается в катушку. Еще одно интересное преимущество индукционного нагрева — его использование в вакууме. Тепло нуждается в среде, через которую оно может распространяться, поэтому передача тепла почти в вакууме практически невозможна.С другой стороны, магнитные поля не имеют проблем с перемещением в вакууме, поэтому индукционные нагреватели популярны из-за того, что особый металл подвержен окислению во время их производства.

Если вы хотите узнать больше или попробовать создать свой собственный мини-индукционный нагреватель, ознакомьтесь с этим руководством о том, как это сделать.

Кузница лося

Индукционная кузница

Эта информация
взята verbatem
из Википедии
(написано на оригинальном английском
)

Индукционная печь — это электрическая печь, в которой тепло подается за счет индукционного нагрева металла.Преимущество индукционной печи — это чистый, энергоэффективный и хорошо контролируемый процесс плавления по сравнению с большинством других способов плавления металлов. Большинство современных литейных заводов используют этот тип печи, и теперь все больше чугунолитейных заводов заменяют вагранки индукционными печами для плавления чугуна, поскольку первые выделяют много пыли и других загрязняющих веществ. Производительность индукционных печей составляет от менее одного килограмма до ста тонн, и они используются для плавки чугуна и стали, меди, алюминия и драгоценных металлов.Поскольку не используется дуга или горение, температура материала не выше, чем требуется для его плавления; это может предотвратить потерю ценных легирующих элементов. [1] Одним из основных недостатков использования индукционных печей в литейном производстве является недостаточная мощность рафинирования; шихтовые материалы должны быть очищены от продуктов окисления и иметь известный состав, а некоторые легирующие элементы могут быть потеряны из-за окисления (и должны быть повторно добавлены в расплав).

Рабочие частоты варьируются от рабочей частоты (50 или 60 Гц) до 400 кГц или выше, обычно в зависимости от плавящегося материала, мощности (объема) печи и требуемой скорости плавления.Как правило, чем меньше объем расплавов, тем выше частота использования печи; это происходит из-за глубины скин-слоя, которая является мерой расстояния, на которое переменный ток может проникнуть под поверхность проводника. При той же проводимости более высокие частоты имеют небольшую толщину скин-слоя, т.е. меньшее проникновение в расплав. Более низкие частоты могут вызвать перемешивание или турбулентность металла.

Предварительно нагретый чугун массой 1 тонна может расплавить холодную шихту до готовности к выпуску в течение часа.Электропитание варьируется от 10 кВт до 15 МВт с размером расплава от 20 кг до 30 тонн металла соответственно.

Работающая индукционная печь обычно издает гудение или вой (из-за колебаний магнитных сил и магнитострикции), шаг которого может использоваться операторами, чтобы определить, правильно ли работает печь или на каком уровне мощности.

Индукционная ковка

Индукционная ковка — это использование индукционного нагревателя для предварительного нагрева металлов перед деформацией с помощью пресса или молотка.Обычно металлы нагревают до температуры от 1100 ° C (2010 ° F) до 1200 ° C (2190 ° F), чтобы повысить их пластичность и улучшить текучесть в штампе для ковки. [1]

Процесс

Индукционный нагрев — это бесконтактный процесс, в котором используется принцип электромагнитной индукции для нагрева детали. Помещая проводящий материал в сильное переменное магнитное поле, в материале протекает электрический ток, тем самым вызывая джоулев нагрев. В магнитных материалах дополнительно выделяется тепло ниже точки Кюри из-за гистерезисных потерь.Генерируемый ток протекает преимущественно в поверхностном слое, глубина которого определяется частотой переменного поля и проницаемостью материала [2].

Потребляемая мощность

Источники питания для индукционной ковки различаются по мощности от нескольких киловатт до многих мегаватт и, в зависимости от геометрии компонента, могут изменяться по частоте от 50 Гц до 200 кГц. В большинстве приложений используется диапазон от 1 кГц до 100 кГц. [3]

Для выбора правильной мощности необходимо сначала рассчитать тепловую энергию, необходимую для нагрева материала до требуемой температуры за отведенное время.Это может быть сделано с использованием теплосодержания материала, которое обычно выражается в киловатт-часах на тонну, веса обрабатываемого металла и временного цикла. После того, как это будет установлено, необходимо учесть другие факторы, такие как излучаемые потери в компоненте, потери в катушке и другие системные потери. Традиционно этот процесс включал длительные и сложные вычисления в сочетании с сочетанием практического опыта и эмпирической формулы. Современные методы используют анализ методом конечных элементов [4] и другие методы компьютерного моделирования, однако, как и в случае со всеми такими методами, по-прежнему требуется доскональное знание процесса индукционного нагрева.

Выходная частота

Второй важный параметр, который следует учитывать, — это выходная частота источника питания. Поскольку тепло в основном генерируется на поверхности компонента, важно выбрать частоту, которая обеспечивает наибольшую практическую глубину проникновения в материал без риска гашения тока. [5] Следует понимать, что, поскольку нагревается только оболочка, потребуется время, чтобы тепло проникло в центр компонента, и что, если слишком большая мощность приложена слишком быстро, можно расплавить поверхность компонента, оставляя ядро круто.Используя данные теплопроводности материала [6] и требования к однородности (физике), указанные заказчиком в отношении поперечного сечения ∆T, можно рассчитать или создать модель для определения необходимого времени нагрева. Во многих случаях время достижения приемлемого ∆T будет превышать время, которое может быть достигнуто при нагревании компонентов по одному. Ряд решений по перемещению, включая конвейеры, линейные питатели, системы толкания и питатели с шагающими балками, используются для облегчения нагрева нескольких компонентов при одновременной доставке отдельных компонентов оператору в требуемом временном цикле.

Преимущества

Управляемость процесса — в отличие от традиционной газовой печи, индукционная система не требует цикла предварительного нагрева или контролируемого отключения. Тепло доступно по запросу. В дополнение к преимуществам быстрой доступности в случае прерывания производства на выходе, питание может быть отключено, что позволяет экономить энергию и уменьшать масштабирование компонентов.

Энергоэффективность — благодаря теплу, выделяемому внутри компонента, передача энергии чрезвычайно эффективна.Индукционный нагреватель нагревает только часть, но не атмосферу вокруг него.
Быстрое повышение температуры — Высокая удельная мощность гарантирует, что компонент очень быстро нагревается. Снижается окалина, дефекты поверхности и нежелательные воздействия на металлургию поверхности.
Стабильность процесса — процесс индукционного нагрева обеспечивает чрезвычайно равномерное равномерное нагревание, что повышает точность поковки и может в крайних случаях уменьшить припуски на обработку после поковки и положительно сказаться на сроке службы штампа.

Типы

Подогрев конца стержня

Подогрев конца прутка обычно используется там, где должна быть кована только часть прутка. Типичные области применения нагрева концов прутков:

Горячая высадка болтов
Стабилизаторы поперечной устойчивости
Горный инструмент

В зависимости от требуемой пропускной способности системы манипулирования могут варьироваться от простых двух- или трехпозиционных пневматических толкающих систем до шагающих балок и конвейеров.

Нагрев заготовки

В индукционном нагревателе заготовки нагревается вся заготовка или заготовка.Обычно для коротких заготовок или заготовок используется бункер или чаша, чтобы автоматически подавать заготовки в линию для прижимных роликов, тягачей с цепным приводом или, в некоторых случаях, пневматических толкателей. Затем заготовки проходят через змеевик одна за другой по рельсам с водяным охлаждением или через отверстие змеевика используются керамические вкладыши, которые уменьшают трение и предотвращают износ. Длина бухты зависит от требуемого времени выдержки, времени цикла на компонент и длины заготовки. В больших объемах работы с большим поперечным сечением нет ничего необычного в том, что 4 или 5 катушек последовательно соединяют, чтобы получить 5 м (16 футов) катушки или более.[8]

Типовые детали, обрабатываемые при поточном нагреве заготовок: [9]

Малые коленчатые валы
Распредвалы
Пневматическая и гидравлическая арматура
Головки молотковые
Клапаны двигателя
Одноступенчатый

Для длинных заготовок можно использовать однократный нагрев. В этом процессе используются аналогичные системы для нагрева концов прутков, за исключением того, что вся заготовка превращается в отдельные катушки. Как и в случае нагрева концов стержня, количество витков зависит от требуемого ∆T и тепловых свойств нагреваемого материала.

Типовые детали, обработанные однократным нагревом заготовок: [10]

Оси легковые
Распредвалы для судостроения

Индукционная закалка — это форма термической обработки, при которой металлическая деталь нагревается индукционным нагревом, а затем закаляется. Закаленный металл подвергается мартенситному превращению, повышая твердость и хрупкость детали. Индукционная закалка используется для выборочного упрочнения участков детали или сборки, не влияя на свойства детали в целом.[1]

Процесс

Индукционный нагрев — это процесс бесконтактного нагрева, в котором используется принцип электромагнитной индукции для выработки тепла внутри поверхностного слоя детали. Помещая проводящий материал в сильное переменное магнитное поле, можно заставить электрический ток течь в стали, тем самым создавая тепло из-за потерь I2R в материале. В магнитных материалах дополнительно выделяется тепло ниже точки Кюри из-за гистерезисных потерь. Генерируемый ток протекает преимущественно в поверхностном слое, глубина которого определяется частотой переменного поля, поверхностной плотностью мощности, проницаемостью материала, временем нагрева и диаметром стержня или толщиной материала.При закалке этого нагретого слоя в воде, масле или закалке на основе полимера поверхностный слой изменяется с образованием мартенситной структуры, которая тверже основного металла [2].

Определение

Широко используемый процесс поверхностного упрочнения стали. Компоненты нагреваются с помощью переменного магнитного поля до температуры в пределах или выше диапазона превращения с последующей немедленной закалкой. Сердцевина детали не подвергается воздействию обработки, и ее физические свойства аналогичны свойствам прутка, из которого он был изготовлен, в то время как твердость корпуса может находиться в диапазоне 37/58 HRC.Углеродистые и легированные стали с эквивалентным содержанием углерода в диапазоне 0,40 / 0,45% наиболее подходят для этого процесса [1].

Источник высокочастотного электричества используется для пропускания большого переменного тока через катушку. Прохождение тока через эту катушку создает очень интенсивное и быстро меняющееся магнитное поле в пространстве внутри рабочей катушки. Обогреваемая деталь помещается в это интенсивное переменное магнитное поле, в котором внутри детали генерируются вихревые токи, а сопротивление приводит к джоулева нагреву металла.

Эта операция чаще всего используется для стальных сплавов. Многие механические детали, такие как валы, шестерни и пружины, перед поставкой подвергаются поверхностной обработке, чтобы улучшить их износостойкость. Эффективность этих обработок зависит как от изменения свойств материалов поверхности, так и от введения остаточных напряжений. Среди этих обработок индукционная закалка — одна из наиболее широко используемых для повышения долговечности компонентов. Он определяет в заготовке прочный сердечник с остаточными напряжениями растяжения и твердый поверхностный слой с напряжением сжатия, которые доказали свою эффективность в увеличении усталостной долговечности и износостойкости компонентов.[3]

Низколегированные среднеуглеродистые стали с индукционной поверхностной закалкой широко используются в автомобилях и машиностроении, требующих высокой износостойкости. Износостойкость деталей с индукционной закалкой зависит от глубины закалки, а также от величины и распределения остаточного напряжения сжатия в поверхностном слое [2].

История

Основа всех систем индукционного нагрева была открыта в 1831 году Майклом Фарадеем. Фарадей доказал, что, наматывая две катушки провода вокруг общего магнитного сердечника, можно создать мгновенную ЭДС во второй обмотке, включая и выключая электрический ток в первой обмотке.Он также заметил, что если ток поддерживается постоянным, во второй обмотке не индуцируется ЭДС и что этот ток течет в противоположных направлениях в зависимости от того, увеличивается или уменьшается ток в цепи [4].

Фарадей пришел к выводу, что электрический ток может создаваться изменяющимся магнитным полем. Поскольку не было физической связи между первичной и вторичной обмотками, считалось, что ЭДС во вторичной катушке индуцирована, и таким образом родился закон индукции Фарадея.После открытия эти принципы использовались в течение следующего столетия или около того в конструкции динамо (электрических генераторов и электродвигателей, которые являются вариантами одного и того же) и в форме электрических трансформаторов. В этих приложениях любое тепло, выделяемое в электрических или магнитных цепях, считалось нежелательным. Инженеры пошли на многое и использовали многослойные сердечники и другие методы, чтобы минимизировать эффекты. [4]

В начале прошлого века эти принципы были исследованы как средство плавления стали, и был разработан двигатель-генератор, обеспечивающий мощность, необходимую для индукционной печи.После всеобщего принятия методологии плавки стали инженеры начали изучать другие возможности использования этого процесса. Уже было понятно, что глубина проникновения тока в сталь зависит от ее магнитной проницаемости, удельного сопротивления и частоты приложенного поля. Инженеры Midvale Steel и Ohio Crankshaft Company использовали эти знания для разработки первых систем индукционного нагрева с упрочнением поверхности с использованием двигателей-генераторов [5].

Потребность в быстрых, легко автоматизированных системах привела к значительному прогрессу в понимании и использовании процесса индукционной закалки, и к концу 1950-х годов многие системы, в которых использовались двигатели-генераторы и триодные генераторы с термоэлектронной эмиссией, стали регулярно использоваться во многих отраслях промышленности.В современных индукционных нагревательных установках используются новейшие полупроводниковые технологии и цифровые системы управления для развития диапазона мощностей от 1 кВт до многих мегаватт.

Основные методы

Закалка однократным выстрелом

В однокомпонентных системах компонент удерживается статически или вращается в змеевике, и вся обрабатываемая область одновременно нагревается в течение заданного времени с последующей закалкой потоком или системой закалки каплей. Одиночный выстрел часто используется в тех случаях, когда никакой другой метод не позволяет достичь желаемого результата, например, при упрочнении плоской поверхности молотков, упрочнении кромок инструментов сложной формы или производстве малых зубчатых колес.[6]

В случае упрочнения вала дополнительным преимуществом метода однократной закалки является время производства по сравнению с методами упрочнения с прогрессивным поперечным перемещением. Кроме того, возможность использования катушек, которые могут создавать продольный ток в компоненте, а не диаметральный поток, может быть преимуществом при определенной сложной геометрии.

У метода одиночного выстрела есть недостатки. Конструкция змеевика может быть чрезвычайно сложным и трудоемким процессом. Часто требуется использование феррита или слоистых загрузочных материалов, чтобы влиять на концентрацию магнитного поля в определенных областях, тем самым улучшая получаемую тепловую картину.Другой недостаток заключается в том, что требуется гораздо больше мощности из-за увеличенной площади нагреваемой поверхности по сравнению с подходом с поперечным расположением. [7]

Закалка траверса

В системах поперечной закалки заготовка постепенно пропускается через индукционную катушку и используется последующий закалочный распылитель или кольцо. Упрочнение траверсы широко используется при производстве таких компонентов вала, как полуоси, пальцы ковша экскаватора, компоненты рулевого управления, валы для электроинструментов и приводные валы.Компонент подается через индуктор кольцевого типа, который обычно имеет один виток. Ширина поворота определяется скоростью траверсы, доступной мощностью и частотой генератора. Это создает движущуюся полосу тепла, которая при закалке создает твердый поверхностный слой. Закалочное кольцо может быть либо составной частью следующей конструкции, либо их комбинацией в зависимости от требований приложения. Изменяя скорость и мощность, можно создать вал, закаленный по всей длине или только на определенных участках, а также закалку валов со ступеньками по диаметру или шлицами.При закалке круглых валов нормально вращать деталь во время процесса, чтобы гарантировать удаление любых отклонений из-за соосности катушки и детали.

Методы поперечного перемещения

также используются при производстве кромочных элементов, таких как ножи для бумаги, ножи для кожи, нижние ножи газонокосилок и ножовочные полотна. В этих типах применений обычно используется шпилька или катушка с поперечным потоком, которая находится над краем компонента. Компонент проходит через змеевик и последующую закалку распылением, состоящую из сопел или просверленных блоков.

Многие методы используются для обеспечения поступательного движения через катушку, и используются как вертикальные, так и горизонтальные системы. Обычно в них используются цифровой энкодер и программируемый логический контроллер для позиционного управления, переключения, контроля и настройки. Во всех случаях необходимо тщательно контролировать и согласовывать скорость перемещения, поскольку изменение скорости будет влиять на глубину твердости и достигаемое значение твердости.

Оборудование

Требуемая мощность

Источники питания для индукционной закалки различаются по мощности от нескольких киловатт до сотен киловатт в зависимости от размера нагреваемого компонента и используемого метода производства i.е. однократная закалка, поперечная закалка или закалка под флюсом.

Чтобы выбрать правильный источник питания, сначала необходимо рассчитать площадь поверхности нагреваемого компонента. Как только это будет установлено, можно использовать различные методы для расчета необходимой плотности мощности, времени нагрева и рабочей частоты генератора. Традиционно это делалось с использованием серии графиков, сложных эмпирических расчетов и опыта. Современные методы, как правило, используют анализ методом конечных элементов и автоматизированные производственные технологии, однако, как и в случае со всеми такими методами, по-прежнему требуется доскональное знание процесса индукционного нагрева.

Для однократных применений необходимо рассчитать общую площадь обогрева. В случае поперечной закалки длина окружности детали умножается на ширину лицевой поверхности бухты. При выборе ширины лицевой стороны катушки необходимо проявлять осторожность, чтобы было практично построить катушку выбранной ширины и чтобы она работала при мощности, необходимой для применения.

Частота

Системы индукционного нагрева для закалки доступны во множестве различных рабочих частот, обычно от 1 кГц до 400 кГц.Доступны более высокие и более низкие частоты, но обычно они используются для специализированных приложений. Зависимость между рабочей частотой и глубиной проникновения тока и, следовательно, глубиной твердости обратно пропорциональна. т.е. чем ниже частота, тем глубже корпус.

Глубина корпуса [мм]	Диаметр стержня [мм]	Частота [кГц]
0,8 — 1,5	от 5 до 25	от 200 до 400
1.5 по 3,0	от 10 до 50	от 10 до 100
1.5 по 3,0	> 50	от 3 до 10
3,0 — 10,0	от 20 до 50	от 3 до 10
	от 50 до 100	от 1 до 3
	> 100	1

Примеры частот для различной глубины корпуса и диаметра материала

Приведенная выше таблица является чисто иллюстративной, хорошие результаты могут быть получены за пределами этих диапазонов путем балансировки плотности мощности, частоты и других практических соображений, включая стоимость, которая может повлиять на окончательный выбор, время нагрева и ширину катушки.Так же, как плотность мощности и частота, время, в течение которого нагревается материал, будет влиять на глубину, на которую тепло будет течь за счет теплопроводности. Время в катушке может зависеть от скорости перемещения и ширины катушки, однако это также будет влиять на общую потребляемую мощность или пропускную способность оборудования.

Из приведенной выше таблицы видно, что выбор подходящего оборудования для любого применения может быть чрезвычайно сложным, поскольку для получения определенного результата можно использовать более одной комбинации мощности, частоты и скорости.Однако на практике многие варианты сразу становятся очевидными, исходя из предыдущего опыта и практичности.

Мама, посмотри, что еще я нашла!

Мудрость моего отца: «Человеку нужно больше, чтобы уйти от битвы, чем остаться и сражаться».

Успешный индукционный нагрев стальных заготовок

За последние три десятилетия индукция стала все более популярным выбором для нагрева стальных заготовок перед ковкой из-за ее способности быстро создавать высокую теплоемкость внутри заготовки.Эта способность позволяет сократить время технологического цикла (высокая производительность) при неизменно высоком качестве, занимая минимум места в цехе.

Различные соображения, которые способствуют успеху в индукционном нагреве, были подробно описаны доктором Валерием Рудневым, Induction Heat Group; Дуг Браун, Inductoheat Inc.; и д-р Честер Дж. Ван Тайн и д-р Кестер Д. Кларк, оба из Колорадской горной школы, в докладе, который они представили прошлой осенью на Международном кузнечном конгрессе 2008 г. — «Тонкости успешного индукционного нагрева стали в современной кузнице. Магазины.”

По мнению авторов, индукционный нагрев привлекателен, поскольку он более энергоэффективен и по своей природе более экологичен, чем большинство других источников тепла для стальных заготовок. К другим преимуществам относятся 1) заметное уменьшение окалины, 2) короткое время пуска и останова, 3) готовность к автоматизации с меньшими затратами на рабочую силу и 4) возможность нагрева в защитной атмосфере, если это необходимо ».

Подходы к нагреву — Прогрессивный и статический нагрев — два основных подхода к индукционному нагреву заготовок.

При прогрессивном многоступенчатом горизонтальном нагреве заготовки перемещаются с помощью толкателя или механизма деления через одинарный или многокатушечный горизонтальный индукционный нагреватель. Каждая заготовка постепенно нагревается в заданных положениях внутри индукционного нагревателя.

При статическом нагреве заготовка помещается в индукционную катушку на заданный период времени, в то время как заданное количество энергии подается до тех пор, пока она не достигнет желаемых условий нагрева. Когда цикл нагрева завершен, система управления проверяет, готов ли пресс принять заготовку.Если он не завершен, режим индуктора переходит с нагрева в режим выдержки.

Выбор мощности, частоты и длины катушки для индукционного нагрева заготовок очень субъективен и зависит от типа нагреваемого металла, требуемой однородности температуры, размера заготовки и т. Д. В зависимости от области применения уровни мощности от сотен до тысяч киловатт а частоты от 60 Гц до 10 кГц обычно используются для индукционного нагрева заготовок.

Температуры нагрева — Выбор температур ковки для простых углеродистых и легированных сталей основан на четырех основных факторах: (1) содержание углерода, (2) состав сплава, (3) температурный диапазон для оптимальной пластичности (максимальная ковкость) и (4) размер снижения.Исходя из этих четырех соображений, температуры ковки выбираются таким образом, чтобы материал имел минимально возможное напряжение текучести (и, следовательно, самое низкое возможное давление ковки).

Рекомендуемые температуры ковки примерно на 300 ° F ниже температуры солидуса для простых углеродистых сталей и еще на 50-100 ° F ниже для легированных сталей. Выше этих температур стали могут быть повреждены начальным плавлением или перегревом.

Авторы отмечают, что обычно требуется не только поднять температуру заготовки до заданного уровня, но и обеспечить определенную степень однородности тепла.Требование однородности может включать максимально допустимые температурные градиенты: «от поверхности к сердцевине», «от конца к концу» и «из стороны в сторону».

Расположение и величина максимальной температуры внутри нагретой заготовки является сложной функцией четырех факторов: частоты, огнеупора, конечной температуры и распределения мощности вдоль линии нагрева.

Более низкая частота приводит к более «глубокому» нагреву, что приводит к более быстрому нагреву внутренних поверхностей заготовки и ее сердцевины.Это укорачивает индукционную линию, но также может увеличивать максимум подповерхностной температуры и сдвигать ее положение дальше от поверхности.

Использование значительно толстого огнеупора с более низкой теплопроводностью делает прямо противоположное, уменьшая подповерхностный перегрев и смещая его к поверхности заготовки.

Требование более высоких конечных температур приводит к эффекту, аналогичному снижению частоты позиционирования и величины максимальной температуры.

Конструкция обогрева — Общий подход к проектированию линии обогрева заключается в использовании одного источника питания для нескольких катушек с разным числом витков и / или последовательным / параллельным подключением цепи катушки. Добавление большей мощности вперед может звучать как «практическое правило», потому что оно заставляет больше энергии попадать в заготовку в передней части нагревательной линии, давая ей больше времени, чтобы впитаться в сердцевину заготовки. Температура в центре заготовки может достигать температуры ковки за более короткий период времени, что сокращает длину линии рулона.

Авторы предупреждают, что проблема этого типа конструкции заключается в том, что распределение мощности по линии нагрева не может быть легко изменено при изменении производительности. Например, если производительность снижается, проблема подземного перегрева усугубляется и может негативно повлиять на подповерхностную микроструктуру заготовки.

Также очень часто встречаются проблемы с наклеиванием заготовок на калиброванных рулонах. Это происходит, когда система работает со скоростью ниже максимальной, на которую она рассчитана.Поскольку система вкладывает больше энергии в заготовку в первых витках, слишком много энергии проникает в подповерхностную область заготовки, когда линия работает медленно.

Чтобы оптимизировать производительность индукционного нагрева, улучшить качество продукции и избежать неприятных сюрпризов, связанных с подповерхностным перегревом, крайне важно, чтобы индукционная система была способна перераспределять мощность по линии при нагревании заготовок различных размеров и производительности.

При нагревании больших заготовок с номинальной мощностью необходимо перенести большую мощность в сторону начала индукционной линии.Однако при более медленных скоростях при нагреве заготовок меньшего, чем номинальный размер, мощность должна быть смещена к концу индукционной линии.

Система CrankPro от Inductoheat для автомобильных коленчатых валов устраняет необходимость во вращении продукта и перемещении индуктора во время нагрева и закалки.

Система закалки / отпуска для коленчатых валов
Inductoheat Inc.сообщает, что недавно она поставила четыре системы CrankPro нескольким ведущим поставщикам автомобильных коленчатых валов. Система CrankPro — это «машина для индукционной закалки и отпуска без вращения», в которой используется технология SHarP-C, исключающая вращение коленчатого вала и перемещение индуктора во время циклов нагрева и закалки.

Эта стационарная технология дает производителям коленчатых валов несколько практических и технических преимуществ: уменьшение площади пола; прочные обработанные катушки; низкие частичные искажения; и минимальный рост детали.Кроме того, он работает с коротким временем нагрева (

Непрерывный индукционный нагрев алюминиевых заготовок | 2017-02-07

Индукция — проверенный, надежный и эффективный метод нагрева алюминиевых сплавов. Однако алюминиевые сплавы обладают свойствами материала, которые, если их не учитывать, могут привести к неожиданным проблемам. Понимание уникальных аспектов индукционного нагрева алюминия может быть достигнуто путем рассмотрения свойств, которые делают алюминиевые сплавы такими выгодными материалами.

Учитывая, что алюминий и его сплавы обладают многочисленными преимуществами по сравнению со многими другими металлами, неудивительно, что запросы об оборудовании для индукционного нагрева заготовок все чаще включают нагрев алюминиевых сплавов. Многие из этих запросов касаются того, чем индукционный нагрев алюминия отличается от индукционного нагрева других материалов, обычно стали, и как эти различия влияют на качество нагрева, эффективность и производительность. Электромагнитная индукция хорошо подходит для нагрева заготовок из алюминиевых сплавов.Однако есть некоторые критические, но легко упускаемые из виду реалии нагрева алюминиевых заготовок, которые следует учитывать при проектировании, эксплуатации и техническом обслуживании этого типа оборудования.

По сути, индукционный нагрев алюминиевых сплавов ничем не отличается от индукционного нагрева других распространенных материалов (например, углеродистой стали и сплавов нержавеющей стали). В конечном счете, разница в свойствах материала и материалах отличает индукционный нагрев алюминиевых сплавов от других металлов. Эти различия между материалами и свойствами, если их не учитывать, могут привести к неожиданным характеристикам оборудования и практическим проблемам.Поскольку пользователи большинства систем непрерывного индукционного нагрева заготовок знакомы с индукционным нагревом сталей, углеродистой стали и сплавов нержавеющей стали, они представляют собой удобную точку отсчета при рассмотрении вопроса о непрерывном нагреве заготовок из алюминиевых сплавов.

Плотность

Возможно, наиболее очевидным различием между алюминиевыми и стальными сплавами является их резко различающаяся плотность. Плотность большинства алюминиевых сплавов составляет около 2700-2800 кг / м ³ (0.097-0,101 фунта / дюйм ³), что намного меньше плотности 7600-8000 кг / м ³ (0,275-0,289 фунта / дюйм ³) типичных сплавов углеродистой стали и нержавеющей стали. Соответственно, масса алюминиевой заготовки заданного диаметра и длины намного меньше (примерно в 2,7-2,9 раза), чем масса идентичной заготовки из углеродистой или нержавеющей стали, что означает:

Для заданного размера заготовки и Скорость подачи, эффективная производительность (массовый расход) для алюминиевых заготовок намного ниже, чем для стальных.
Алюминиевые заготовки более восприимчивы к магнитным силам, особенно с учетом того, что для нагрева алюминиевых сплавов требуется более высокая напряженность магнитного поля. К этой теме мы вернемся более подробно при обсуждении удельного электрического сопротивления.

Температура ковки

Температуры горячей ковки для обычно кованных алюминиевых сплавов обычно составляют порядка 400-480 ° C (752-896 ° F), в то время как температуры горячей ковки для большинства углеродистых сталей порядка 1200-1290 ° C (2192-2354 ° F).С точки зрения индукционного нагрева это означает, что:

Несмотря на то, что алюминиевые сплавы имеют значительно более высокую удельную теплоемкость (на единицу массы), чем стальные сплавы, теоретическое количество тепловой энергии, необходимое для нагрева алюминиевого тела данной массы до температуры горячей штамповки, значительно меньше, чем это требуется для нагрева стального тела идентичной массы до температуры горячей штамповки (намного более высокой). Это, однако, не принимает во внимание присущие различия эффективности между индукционным нагревом алюминия и стальных сплавов, которые обсуждаются в следующих разделах.
Тепловой КПД индукционного нагрева алюминиевых сплавов высок (во многих случаях превышает 95%), поскольку тепловые потери из-за конвекции и излучения относительно невелики из-за пониженной максимальной температуры поверхности. Относительно низкий коэффициент излучения алюминия дополнительно снижает потери на излучение.
Температура ковки некоторых алюминиевых сплавов (например, сплава 7075) очень близка к температуре солидуса, а это означает, что частота и плотность мощности должны быть тщательно выбраны, чтобы снизить риск расплавления материала во время нагрева.

Удельное электрическое сопротивление

Удельное электрическое сопротивление, свойство материала, показывающее, насколько сильно материал сопротивляется току, резко отличает алюминиевые сплавы от сплавов углеродистой стали и нержавеющей стали. Удельное сопротивление алюминия довольно низкое по сравнению с углеродистой сталью и нержавеющей сталью, как показано на Рисунке 1.

При соответствующих температурах горячей штамповки удельное сопротивление алюминиевого сплава 6061 составляет примерно одну десятую, чем у сплава углеродистой стали 1045. и сплав нержавеющей стали 304.Низкое электрическое сопротивление алюминия важно по ряду причин.

Как показано математически, глубина скин-слоя δ (м) — глубина, на которой большая часть переменного тока протекает в проводящем материале — является функцией удельного электрического сопротивления материала ρ (Ом · м) и относительной магнитной проницаемости µ _r , а также частоту F (Гц) протекающего по нему тока.

Соответственно, материалы с высоким удельным сопротивлением имеют большую толщину скин-слоя, чем материалы с низким удельным сопротивлением.Например, рассмотрим независимо нагрев (от комнатной температуры) двух круглых 70-миллиметровых заготовок одинаковой длины — из алюминиевого сплава 6061 (AL6061) и из нержавеющей стали 304 (SS304).

Как показано на рисунке 2, при идентичной геометрии индукционной катушки и параметрах процесса (например, электрическая частота и напряженность магнитного поля), наведенная плотность мощности гораздо более сконцентрирована вблизи поверхности алюминиевой заготовки, чем заготовка из аустенитной нержавеющей стали. Это характерная особенность индукционного нагрева алюминиевых сплавов.Следовательно, перегрев поверхности заготовок является законной проблемой в процессах индукционного нагрева алюминия.

Обычно высокая теплопроводность алюминиевых сплавов действительно снижает этот риск. Однако это всегда следует учитывать, особенно при нагреве заготовок большого диаметра очень близко к температуре их солидуса. Программное обеспечение сопряженного электромагнитно-теплового компьютерного моделирования очень полезно для прогнозирования и предотвращения этих потенциальных проблем.

Концентрация силовых линий магнитного потока у поверхности алюминиевых заготовок также создает возможность локального перегрева концов заготовок.Это явление происходит из-за искажения силовых линий магнитного поля, которое возникает на конце заготовки (когда в непосредственной близости нет другой заготовки).

Поскольку заготовки подают встык через системы непрерывного нагрева заготовок, обычно считается, что перегрев концов заготовок не является проблемой в процессах непрерывного нагрева алюминиевых заготовок. Однако это опасное предположение. Это понятие на самом деле является достаточно точным при установившемся производстве (при условии, что механизм извлечения заготовки на конце линии индукционной катушки правильно спроектирован и расположен), но могут возникнуть серьезные проблемы, если это явление не будет принято во внимание в переходных условиях, таких как запуск пустого змеевика.

При запуске с пустой катушкой передний конец первой заготовки испытывает значительные искажения магнитного поля и, в некоторых случаях, может превышать температуру плавления внутри индукционной катушки (катушек), последствия чего показаны на Рис. 3. Использование «пустышек» и изменение выходной мощности источника питания и режимов управления — некоторые из способов снижения этого риска.

На электромагнитную эффективность индукционного нагрева существенно влияет сопротивление нагрузки (заготовки, стержня, трубы и т. Д.).). Соответственно, материалы с высоким удельным сопротивлением имеют тенденцию нагреваться более эффективно, поскольку они по своей природе имеют более высокое электрическое сопротивление (при условии, что все остальные свойства материалов и параметры процесса идентичны). Это можно проиллюстрировать достаточно ясно, интегрировав кривые плотности мощности, показанные на рисунке 2. Результат этого интегрирования представляет собой общую наведенную мощность на единицу длины в каждой заготовке в начале процессов нагрева (при условии, что электромагнитные конечные эффекты незначительны). Общая индуцированная мощность на единицу длины для заготовки AL6061 составляет 112 кВт / м, а для заготовки SS304 — 484 кВт / м.

Это резкое различие помогает объяснить, почему достижимая электромагнитная эффективность для индукционного нагрева алюминиевых сплавов до типичных температур ковки заметно ниже, чем у аустенитных сплавов нержавеющей стали (приблизительно 40-45% против 70-75%). Несмотря на это, электромагнитная индукция может по-прежнему обеспечивать существенные преимущества по эффективности по сравнению с другими методами нагрева алюминиевых сплавов.

Низкое удельное сопротивление алюминия также означает, что для удовлетворения требований к производительности часто требуются относительно высокие напряженности магнитного поля, особенно при использовании более низких частот.В результате магнитные силы могут быть высокими при нагревании алюминиевых заготовок. При непрерывном нагреве заготовки, когда заготовка приближается и проходит через конечный выход рулона, она подвергается воздействию искаженного магнитного поля.

Это искажение является результатом того факта, что линии магнитного потока должны образовывать непрерывную петлю вокруг индуктора. В концевой области катушки (рис. 4) заметная радиальная составляющая магнитного поля может создавать результирующую продольную силу, которая в некоторых случаях может преодолевать силы трения и выдвигать заготовку из катушки.В таких случаях необходимо рассмотреть дополнительные подходы к проектированию или схемы обращения с материалами. Компьютерное моделирование — это эффективный способ прогнозирования магнитных сил и определения необходимости таких соображений.

Низкое удельное сопротивление алюминиевых сплавов также снижает коэффициент мощности катушки, соотношение реальной мощности (кВт) и полной мощности (кВА) на выводах катушки. Фактически, низкий коэффициент мощности катушки означает, что источник питания должен обеспечивать очень высокую полную мощность (кВА) для катушки и / или для компенсации высокого индуктивного реактивного сопротивления цепи используются дополнительные конденсаторы согласования нагрузки.В некоторых случаях низкий коэффициент мощности катушки также может создать некоторые проблемы при проектировании катушки из-за практических ограничений по размеру медных трубок.

Магнитная проницаемость

В отличие от углеродистой стали, а также ферритных и мартенситных сплавов нержавеющей стали, алюминиевые сплавы практически немагнитны. (Технически алюминиевые сплавы являются парамагнитными материалами.) Соответственно, алюминиевые сплавы не сильно «притягивают» линии магнитного потока, как вышеупомянутые ферромагнитные материалы, что имеет некоторые важные последствия:

Реальность, что магнитные материалы (материалы с относительной магнитной проницаемостью больше чем 1) «притягивание» линий магнитного потока приводит к очень малой глубине скин-слоя и увеличению электромагнитной эффективности.Снова рассмотрим пример нагрева заготовки из AL6061 и SS304 диаметром 70 мм, за исключением того, что теперь рассмотрим дополнительную заготовку из сплава 1045 (CS1045) из углеродистой стали. Рисунок 5 отражает добавление этой заготовки и иллюстрирует выраженный скин-эффект и очень высокую плотность мощности у поверхности, обычно связанную с индукционным нагревом сплавов углеродистой стали. Опять же, интегрирование этой кривой показывает, что общая наведенная мощность на единицу длины (без учета электромагнитных торцевых эффектов) составляет 1299 кВт / м. Этот сравнительно большой рисунок математически иллюстрирует, почему при нагреве углеродистой стали ниже температуры Кюри (во многих случаях более 90%) может быть получен очень высокий электромагнитный КПД, а также дополнительно отличает индукционный нагрев алюминиевых сплавов от индукционного нагрева сплавов ферромагнитной стали.
Алюминиевые заготовки не испытывают намагничивающей силы при воздействии магнитного поля и поэтому никогда не «тянутся» в продольном направлении к (внутрь) индукционной входной катушке, как в случае с заготовками из магнитной стали. Это относительно второстепенный момент, потому что эта сила обычно не приводит к каким-либо проблемам с нагревом или обращением с материалом, но это физическая разница, наблюдаемая время от времени.

Заключение

Индукция — проверенный, надежный и эффективный метод нагрева многих различных материалов, включая алюминиевые сплавы.Хотя индукционный нагрев алюминия принципиально не отличается от нагрева других металлов, обычно нагреваемых индукционным нагревом, алюминиевые сплавы обладают различными свойствами материала, которые, если их не учитывать, могут привести к неожиданным проблемам. Компьютерное моделирование — ценный инструмент при проектировании оборудования и процессов для нагрева алюминиевых заготовок. Однако для пользователей оборудования лучшего понимания уникальных аспектов индукционного нагрева алюминия часто можно достичь, просто рассматривая свойства, которые делают алюминиевые сплавы такими выгодными материалами.

Индукционный нагреватель

Учебное пособие по левитации для индукционного нагревателя

Индукционный нагрев и левитация — это круто. Используя катушку левитации, вы левитируете проводящий объект в магнитном поле и нагреваетесь внутри этого поля. В зависимости от металла и мощности, вы можете даже варить на воздухе. Алюминий будет левитировать и легко плавиться при входной мощности 1–1,5 кВт. Вы можете левитировать медные и стальные шары. Их можно даже растопить; однако твердые шары у моего 2 были слишком плотными.Уровень мощности 5кВт. Чтобы расплавить твердую медь и сталь, вам потребуется около 8 кВт мощности; для суспендирования расплавленной меди и стали требуется более 10 кВт мощности. Нагрев компонентов может быть проблемой, поэтому вам необходимо убедиться, что у вас есть надежная система охлаждения для МОП-транзисторов, IGBT-транзисторов, диодов, трансформатора и катушки.

Ток, проходящий через катушку, создает магнитное поле. Это поле, согласно закону Ленца, создает в заготовке противоположное магнитное поле. Это магнитное поле противостоит тому, которое его вызывает, и отталкивает объект вверх.На картинке ниже показан моментальный снимок. Поле чередуется. Катушка также увеличивается в диаметре по мере продвижения вверх. Это приводит к возникновению магнитной силы под объектом, но ничего прямо над ним. Это приводит к восходящей силе. Объект перемещается вверх до тех пор, пока расстояние от заготовки до внутренней поверхности катушки не станет таким, что магнитное поле станет слишком слабым, чтобы его больше двигать вверх. Противооткатная пластина наверху поворачивается в противоположном направлении. Два поля уравновешиваются, поэтому в этой точке нет движущей силы вверх.Это нулевая зона.

Теперь магнитное поле, созданное в заготовке, создает циркулирующие вихревые токи. Эти токи нагревают заготовку. Чем ближе деталь к катушке, тем лучше сцепление, что создает больший нагрев. Вы обнаружите, что если осторожно надавить на объект кварцевым стержнем, он очень быстро нагреется.

Ниже приведены схемы, показывающие то, что только что обсуждалось.

Ниже приведены фотографии катушки левитации.Повороты тугие, поэтому вам понадобится песок или соль, чтобы вы могли согнуть его, не деформируя трубчатую форму. Змеевик представляет собой коническую спираль. Нижняя часть имеет меньший внутренний диаметр, чем верхняя. Сделайте лук, чтобы изменить направление, и поверните 1-2,5 витка в противоположном направлении для опорной пластины. Держите катушку плотно, но убедитесь, что катушки не закорачивают. Вам понадобится кварцевый стержень, чтобы удерживать объект на месте, пока он не поднимется в воздух или пока нагревается. Это одна катушка левитации, которую я сделал.Я сделал еще один, чуть больше. Когда я поднимаю в воздух плотные металлы, я держу противооткатную пластину подальше от основной катушки, чтобы минимизировать направленные вниз силы на заготовку.

Что такое индукционный нагрев?

Электромагнетизм Индукционный нагрев
Процесс индукционного нагрева
Индукционный нагрев похож на эффект джоулевого нагрева, но с одной важной модификацией.Токи, которые нагревают материал, индуцируются посредством электромагнитной индукции; это бесконтактный процесс нагрева.
Путем подачи высокочастотного переменного тока на индукционную катушку создается изменяющееся во времени магнитное поле. Нагреваемый материал, известный как заготовка , помещается внутрь магнитного поля, не касаясь катушки. Обратите внимание, что не все материалы можно нагревать индукцией, только материалы с высокой электропроводностью (например, медь, золото и алюминий).Переменное электромагнитное поле индуцирует вихревые токи в заготовке, что приводит к резистивным потерям, которые затем нагревают материал.
Плотность наведенного тока в медной пластине при 10 Гц. Плотность наведенного тока в медной пластине при 10 Гц.
Кроме того, высокая частота приводит к скин-эффекту. Переменный ток вынужден протекать тонким слоем к поверхности заготовки.Это, в свою очередь, приводит к увеличению сопротивления проводника, что в конечном итоге приводит к значительному увеличению теплового эффекта.
Черные металлы легче нагреваются с помощью индукции, чем другие материалы. Это связано с тем, что их высокая проницаемость усиливает наведенные вихревые токи и скин-эффект. Кроме того, возникает еще один механизм нагрева. Кристаллы железа материала намагничиваются и размагничиваются переменным магнитным полем. Это приводит к быстрому повороту магнитных доменов вперед и назад, что приводит к гистерезисным потерям, что приводит к дополнительному нагреву.
Индукционный нагрев в конструкции
Итак, индукционный нагрев происходит без физического контакта между заготовкой и индукционной катушкой. Это делает его пригодным для процессов, в которых первостепенное значение имеет высокая степень чистоты, например, в производстве полупроводников.
Плотность магнитного потока. Плотность магнитного потока.
Кроме того, этот метод нагрева очень эффективен, поскольку тепло вырабатывается внутри заготовки , а не где-то еще, а затем применяется к заготовке.Другими словами, с помощью индукционного нагрева мы можем избежать потерь тепла с поверхностей, которые будут обеспечивать электрическое соединение, тем самым повышая общую эффективность нагрева.
Индукционный нагрев включает два различных типа физики: электромагнетизм и теплопередачу. Некоторые свойства материала зависят от температуры, то есть они меняются при воздействии тепла. В этом случае вы можете рассматривать два физических явления как взаимосвязанные.
Скин-эффект: высокая плотность тока у поверхности проводника. Скин-эффект: высокая плотность тока у поверхности проводника.
Конструкции с использованием индукционного нагрева
Одним из нововведений, использующих преимущества индукционного нагрева, является индукционная плита. В этой конструкции катушка расположена под плитой, и ее электромагнитные поля воздействуют на металлический горшок. Поскольку таким образом можно нагревать только материалы с высокой проводимостью, кастрюля нагревается, а если вы положите руку на плиту, она не будет горячей.
В полупроводниковой промышленности также используется этот процесс для нагрева кремния. Другие области применения включают герметизацию, термообработку и сварку, и это лишь некоторые из них.
Когда нагрев приводит к потере энергии
Несмотря на то, что существует множество продуктов и процессов, которые функционируют благодаря индукционному нагреву, есть одно применение, в котором нагрев приводит к потере энергии. Когда дело доходит до трансформаторов, важно, чтобы , а не , позволял вихревым токам течь внутри сердечников.Если вихревые токи нагревают магнитный сердечник трансформатора, энергия теряется и могут возникнуть дополнительные проблемы, такие как структурное повреждение.
Дата публикации: 6 ноября 2014 г.
Последнее изменение: 21 февраля 2017 г.
NFC — Сборка индукционных нагревателей своими руками и справочная информация
И тесты проводятся на 18350 элементах. Все они сообщили о менее чем 1100 мАч, но более 1000 мАч. Не могу дождаться, чтобы испытать их. Я верю, что эта емкость восполнит то, чего не хватало 14500 для использования на целый день.Будем надеяться, что в ближайшее время будет выпущено еще 18350 предложений. Нужно еще спроектировать сотовый носитель. Ни минуты покоя.
И тест катушки начался! Интересный вывод — 9-витковая катушка была немного тяжелой по току свободного хода 1,75 А, тогда как 11-витковая катушка оказалась ниже эталонной на уровне около 1,3 А. Это говорит мне о том, что импеданс катушки — простой фактор, который можно использовать для диапазона аккумуляторных батарей. Только одна крошечная проблема … катушка становится слишком длинной вдоль оси. У вас может быть отличное магнитное поле, но вам просто нужно нагреть колпачок и наконечник.Вот почему я надеялся, что катушка 9T подойдет. Это действительно не помогает. Меньший провод? Конечно. Если вы защищаете пользователя и знаете, что вам это нужно, хорошо. Больший импеданс означает меньший ток холостого хода, а также несколько других вещей, которые здесь тоже не важны. Достаточно сказать, что выполнение первоначального замысла катушки означает провод диаметром 12 дюймов и общей длиной около 28 дюймов. Использование этой меры гарантирует охлаждение змеевика нагревателя.
Почему меня беспокоит длина катушки. змеевики широко открыты на некоторых нагревателях.Это означает, что между катушками есть зазоры, и весь блок в целом довольно длинный. Фактически, именно так работает IH для обработки металлов. Они просто накачивают эти катушки чистой энергией. Но цель состоит в том, чтобы катушка оставалась прохладной, чтобы она оставалась стабильной. Мощность в катушке IH соответствует частоте, на которой работает цепь. А частота, на которой работает схема, в свою очередь, имеет дополнительный коэффициент глубины проникновения. Следовательно, при проектировании также необходимо учитывать, на какой частоте будет работать цепь. Меня это беспокоит, поскольку я меняю состав компонентов, и это повлияет на частоту.
Итак, что мне остается? Что ж, у меня все еще остается 28-дюймовый магнитный провод 12 калибра, который можно обернуть вокруг типа VapCap. … не намного больше, чем крышка.
Хорошо
Я думал об этом почти неделю. у меня было предчувствие, к чему все идет, но я не был уверен, что смогу справиться с этим. 3D-принтер и шпиндель спешат на помощь.
Whadajathink?
На самом деле это, в лучшем случае, либо 11-1 Катушка / 2 или 12-1 / 2 витка.У меня, наверное, немного не хватает длины, но это очень компактная катушка.В этом случае идентификатор сокращен благодаря тому удачному атрибуту, что мои маленькие пузырьки плотно прилегают без каких-либо прокладок. OD немного больше оригинала. Общая толщина примерно равна толщине конденсаторов. Как же чертовски удобно!
Я восстановил свой оригинальный IH. Вытащил все биты и проверил. Надеялся заменить светодиод но не повезло. Оказывается, когда я сдул светодиод, я также выдул металлическое сквозное отверстие на плюсовом входе. За этим было интересно погнаться.Однако я обнаружил один тревожный фактор. Я должен перестать предполагать, что все эти платы подключены одинаково. Разумеется, на этой плате положительный вход и положительный выход не соединены вместе. Очень удобно, за исключением того, что 2 индуктора (катушки) подключаются к входной стороне. К счастью, я делал второй прототип HalfPint IH. Это работает идеально, поскольку мне не нужно вырезать дорожку, чтобы отделить цепь управления от цепи питания.
Я также решил поставить большую крышку (одиночную для HalfPint) сбоку с полевыми транзисторами.Это оставляет красиво чистую заднюю часть с несколькими следами цепи, о которых нужно беспокоиться о замыкании с кольцом. Я зачерпнул провод из мертвой точки индуктора для положительного контакта; построил узел индуктора / крышки, зачистил отрицательную дорожку между полевыми транзисторами и прикрепил к нему черный провод 16 калибра; сделал положительный вывод и припаял его к центральной площадке выходного разъема; провода проходят под крышкой, где они естественным образом разряжены; и я припаиваю колпачок к плате (сдвинута «вперед»), нажимая вниз, чтобы сжать силиконовую проволочную оболочку; и, наконец, припаяйте штырь 14-го калибра, к которому я припаял положительный провод, к центральной дорожке индуктора.Теперь все готово для катушки. И все это должно быть идеально!
Выключатель — еще одна аварийная ситуация. Присматривался к этой установке какое-то время. Поскольку трассировка не была подключена, я подключил ее к переключателю. Как снова чертовски удобно. Но здесь я серьезно разочаровался. Подключаю схему и сверчки долбаные! ЧУВАК! ОТСТОЙ! … ой!
Помните ту обшивку в положительном входном отверстии? Да, мне тоже потребовалось время. Пропаял провод сверху и снизу через отверстие и все было хорошо.Черт побери!
В любом случае, я полагаю, я был недостаточно высок, чтобы просто бросить это на край пропасти. Я заметил, что один из стабилитронов выглядит немного шатким. Понятия не имею, работает ли он. Это был мой недуг. Потом я вспомнил, что стабилитрон — это всего лишь шунт, и его можно удалить. Вот так этот маленький HalfPint выжил в мусорном ведре.
Я должен сказать, что этот маленький зверь имеет толщину 3/4 дюйма без флакона, и он остается крутым.
No related posts.