5.Индукторы для индукционного нагрева и закалки деталий

5.1 Нагревательные и закалочные индуктора с магнитопроводами из магнитодиэлектриков

Многие индукционные нагреватели содержат магнитопроводы, которые при частотах ниже 1000 Гц изготовляются из листов электротехнической стали, а при радиочастотах из ферритов. Основное назначение магнитопроводов в относительно длинных системах «индуктор –заготовка» - экранирование элементов установки и обслуживающего персонала от электромагнитного поля и обеспечение жесткости крепления витков индуктора. В коротких системах (длина индуктора много меньше диаметра) применение магнитопроводов дополнительно позволяет повысить КПД и коэффициент мощности индукционных установок.

Сложность изготовления магнитопроводов из листов электротехнической стали и ферритов, высокие трудозатраты при этом определяют перспективность конструирования индукторов с магнитопроводами из магнитодиэлектриков.

Для изготовления различных индукторов с магнитопроводами из магнитодиэлектриков используются различные порошкообразные ферромагнитные материалы и связующие. В качестве ферромагнитных материалов могут использоваться железный порошек, ферритовый порошек различных марок, ферромагнитные порошкообразные отходы различных производств [1-3].

В качестве связующего могут быть использованы различные эпоксидные компаунды, холоднотвердеющие фосфатные связующие, алюмо-хромо-фосфатные связующие и т.п.

В зависимости от назначения индукторов, условий их эксплуатации и предявляемым к ним техническим и экономическим требованиям, они могут быть изготовленны методом свободного лиья, литьем с вакуумированием, литьем и отверждением в магнитном поле самого индуктора, ручной формовкой, формовкой прессованием, формовкой под вибрацией и др.

Для конструирования большинства индукторов индукционных нагревательных и закалочных установок с магнитопроводами из магнитодиэлектриков, перспективно применение железных и ферритовых порошков с высокой магнитной проницаемостью и эпоксидных компаундов в качестве связующего[1-5].

Условия работы индукционных нагревателей характеризуются наличием высокого напряжения на индукторе, воздействие на них повышенных значений температуры, влажности, давлений, вибраций, ударов, агрессивных сред. При этом электрические и механические характеристики индуктора должны иметь высокую стабильность и полностью соответствовать заданным требованиям для широкого диапазона частот и напряжений, мощностей и действующих нагрузок.

Соответствие магнитопроводов из магнитодиэлектриков этим требованиям в значительной мере определяется свойствами магнитных материалов и связующих, используемых при разработке таких индукторов. Среди указанных материалов, обладающих хорошими электромагнитными свойствами, повышенной стабильностью в условиях эксплуатации, имеющих хорошую обрабатываемость резанием и низкую стоимость, необходимо отметить магнитодиэлектрики на основе железного порошка типа ПЖС ( ГОСТ 9849-86 ) со связующим компаундом К153 с отвердителем ПЭПА ( полиэтиленполиамин) в соотношении 10:1. Магнитопровод такого инуктора, полученный методом свободного литья (соотношение железного порошка к эпоксидному компаунду по массе 3:1), имеет магнитную проницаемость равную 6,31.

Для улучшения диэлектрических свойств магнитодиэлектрика, располагающегося непосредственно на трубке индуктора питающегося от высокого напряжения, на поверхность железного порошка необходимо нанести электроизоляционный слой. Изоляционный слой может быть нанесен окислением поверхности частиц железного порошка нагревом, механическим перемешиванием с изоляционным материалом (водным раствором жидкого стекла), химическим методом (фосфотированием в растворе ортофосфорной кислоты) и т.п.

Окисление железного порошка в электрической печи сопротивления приводит к уменьшению магнитной проницаемости магнитодиэлектрика до 4,58, однако из-за более гладкой поверхности окисленных частиц железного порошка его наполнение в эпоксидной смоле можно увеличить (до соотношения 4:1) и тем самым увеличить магнитную проницаемость до 5,78.

Фосфотирование феррочастиц обеспечивает высокие электроизоляционные свойства магнитодиэлектрика, однако с ухудшением его магнитных свойств.

Наиболее перспективно нанесение изоляции жидкого стекла механическим перемешиванием. Литейные свойства магнитодиэлектрика при этом улучшаются, магнитную проницаемость удается поднять до 7,25.

Применение железных порошков мелкой или крупной фракции ограничивается количеством набивки ферромагнетика и связующего, либо неравномерным распределением феррочастиц по высоте магнитодиэлектрика.

Применение различных ферритовых порошков для изготовления индукторов с магнитопроводами из магнитодиэлектриков, значительно улучшает их эксплуатационные и энергетические характеристики [2-3]. Однако, они имеют более высокую стоимость. Наибольшее применение они находят для изготовления различных закалочных индукторов.

Изготавливаемые и поставляемые нами индуктора с магнитопроводами из различных магнитодиэлектриков эффективно работают и эксплуатируютяся на различных предприятиях. Примеры некоторых изготавливаемых нами индукторов приведены на фотографиях рис.1.

Существеным повышением эффективности проектируемых и поставляемых нами индукторов с магнитопроводами из магнитодиэлектриков, получаемых методом свободного литья, достигается их отверждением в магнитном поле самого индуктора. Для этих целей нами изготавливаются и поставляются специальные тиристорные преобразователи частоты малой мощности. Распределение магнитных частиц магнитодиэлектриков в характерном магнитном поле для данной конструкции индуктора и их отверждение в нем, существенно повышают эффективность индукторов. Коэффициент полезного действия индукторов при этом увеличивается до 10-30 % от исходных значений, экранирующие свойства улучшаются до 10-50 %.

Другим направлением изготовления магнитопроводов для индукторов, является их комбинированное проектирование из листов электротехнической стали и литьевых магнитодиэлектриков [1]. Изготовление магнитопроводов комбинированными, в замен набранных и шихтованных из листов электротехнической стали, в некоторых случаях определяется тем, что магнитный поток по сечению пакетов магнитопровода распределяется не равномерно и материал магнитопровода расходуется не рационально [6].

          

Рис.1. Закалочные индуктора с магнитопроводом из магнитодиэлектрика:

а – индуктор для закалки внутренних поверхностей полых цилиндрических деталей; изготовленный методом свободного литья;

б – секция индуктора для закалки сложной плоской поверхности детали, изготовленная с магнитопроводом из магнитодиэлектрика методом ручной формовки.

Примеры проектируемых и изготавляемых нами различных закалочных индукторов приведены на фотографиях рис.2 – рис.5.

Рис.2. Кольцевой индуктор

Рис.3. Плоский двухвитковый индуктор

Рис.4. Петлевой индуктор

Рис.5. Вид индуктора после трехмесячного срока эксплуатации

Эффективность индукторов с магнитопроводами из магнитодиэлектриков проверена в лабораторных и промышленных условиях на частотах от 50 до 66000 Гц.

Улучшение экранирующих свойств и энергетических показателей индукторов фиксировалась показаниями приборов, измерялось методом каллориметрирования.

Исследуемые индукционные нагреватели имеют выше КПД, обладают хорошими экранирующими свойствами, характеризуются меньшими потерями из-за отсутствия вихревых потерь, просты в изготовлении, не ржавеют, позволяют крепить витки индуктора, обеспечивая безшумность его работы, позволяют конструировать различные камеры нагрева, работающие как с вакуумом, так и с защитными или технологическими средами.

Для конструирования индукционных нагревателей с магнитопроводами из магнитодиэлектриков разработана технологическая инструкция, для расчета и проектирования цилиндрических индукторов с магнитопроводами из магнитодиэлектриков разработана методика их расчета [7].

Литература:

1. Никитин С.И., Илларионов И.Е. Разработка и исследование магнитодиэлектриков на основе формовочных материалов и эпоксидных смол. Отчет по НИР тема 40/86-87, (20/86-87/677), № гос. регистрации 0186.0127148, Чебоксары, Чув.ГУ, 1987, 94 стр.

2. Никитин С.И., Илларионов И.Е, Малышев В.Н., Никитин С.А. Разработка и исследование магнитодиэлектриков для конструирования вакуумных индукционных нагревателей. Тезисы докладов межреспубликанского научно-практического семинара литейщиков «Современные технологические процессы получения высококачественных отливок, повышения стойкости литейной оснастки и режущего инструмента», Чебоксары, 1987, стр. 99-100.

3. Коршунова В.И., Никитин С.И., Свинкин Э.В. Разработка магнитопроводов из эпоксидных магнитодиэлектриков для индукционных нагревателей. Тезисы докладов межреспубликанского научнопрактического семинара литейщиков «Современные технологические процессы получения высококачественных отливок, повышения стойкости литейной оснастки и режущего инструмента», Чебоксары, 1987, стр. 146.

4. Абанников Ю.Н., Изосимов Н.А., Никитин С.И. Полуавтомат Р71 для закалки токами высокой частоты деталей трактора Т-330 Информационный листок «Универсальный закалочный полуавтомат Р71». Каталог Международной специализированной выставки термического оборудования: «Мото-90», СССР, Москва, Выставочный комплекс на Красной Пресне, 11-18 декабря 1990 г., стр. 41-42.

5. Никитин С.И., Малышев В.Н. Конструирование индукторов для установок рекристаллизационного прессования оптических материалов. Тезисы докладов II Республиканской научно-практической конференции литейщиков: «Прогрессивная технология изготовления форм и стержней для производства отливок из черных и цветных металлов, охрана труда », Чебоксары, 1986, стр.147-148.

6. Никитин С.И., Захаров Н.В., Терехов В.П., Терехов Е.П., Ломоносов А.П. К расчету индукционных нагревательных установок с магнитопроводами. Межвузовский сборник. «Специальные вопросы электротермии», Чебоксары, 1979, вып. 8, стр. 54-58.

7. Захаров Н.В., Никитин С.И. Расчеты напряженности электромагнитного поля цилиндрического индуктора с магнитопроводом из магнитодиэлектриков. Тезисы докладов республиканского научно-практического семинара: «Совершенствование методов формообразования, повышения стойкости инструментов и технологической оснастки», Чебоксары, 1988, стр. 52.

За дополнительной информацией обращаться по адресам и телефонам,
указанным на  странице контактов

На главную


© 2009 - 2016 Научный руководитель работ к.т.н. Никитин Сергей Иванович.
моб. телефон:  8-905-344-00-79,  e-mail:  iofran@mail.ru