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中频电磁感应加热器设计
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硕士学位论文
感应加热器的计算机辅助设计
姓名：杨晓鸣
申请学位级别：硕士
专业：控制工程
指导教师：沈锦飞;冯尚坚
本文以感应加热为研究对象，简要介绍了感应加热的基本原理和特点，阐述了感应
加热技术的现状及其发展趋势。本文主要研究了感应加热器的计算机辅助设计方法。感
应加热是利用工件中涡流的焦耳效应将工件加热，这种加热方式具有效率高、控制精确、
污染少等特点，在工业生产中得到了广泛的应用。如何设置感应线圈的参数使之满足被
加热工件中性能要求是普遍关注的问题。
传统的设计方法是利用线圈在整个电路中的等效电阻地位，利用一系列电磁学公式
计算出线圈的性能参数。然而这种基于实验的系统设计方法却耗时费力，并且测量成本
高。因此，近似模拟方法对于感应加热器的设计和研究具有重要意义。
本文的主要工作是建立感应加热器的近似设计方法。从感应加热理论中的一系列经
过实验数据修正过的理论曲线为依据，根据工艺要求得出相关的物理参数，并通过计算
得到感应器的设计参数。计算机辅助设计方法则是通过近似法以折线拟合原始曲线，并
选取关键点建立数据库，编写计算机程序查询数据库得到所需参数。然后经过简单运算，
得出感应线圈的各项性能参数。
程序计算出的结果与实验测试所得的结果相比较，证明数值数拟的结果达到了工艺
上的准确性，可应用于生产实际。
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中频电磁感应加热器设计81
摘要；本文以感应加热为研究对象，简要介绍了感应加热的基；传统的设计方法是利用线圈在整个电路中的等效电阻地；本文的主要工作是建立感应加热器的近似设计方法；关键词：；第一章绪论；1.1国内外感应加热的发展与现状；随着现代科学技术的发展，对机械零件的性能和可靠性；在我国，感应加热技术起步比较晚，与世界发达国家相；金属感应热处理中的加热目标是将金属加热到特定温度；总
摘要本文以感应加热为研究对象，简要介绍了感应加热的基本原理和特点，阐述了感应加热技术的现状及其发展趋势。本文主要研究了感应加热器的设计方法。感应加热器是利用工件中的涡流的焦耳效应将工件加热，这种加热方式具有效率高、控制精确、污染少等特点，在工业生产中得到了广泛的应用。如何设置感应线圈的参数使之满足被加热工件中性能要求普遍关注的问题。传统的设计方法是利用线圈在整个电路中的等效电阻地位，利用一系列电磁学公式计算出线圈的性能参数。然而这种基于实验的系统设计方法却耗时费力，并且测量成本高。因此，近似模拟方法对于感应加热器的设计和研究具有重要意义。本文的主要工作是建立感应加热器的近似设计方法。从感应加热理论的一系列经过实验数据修正过的理论曲线为依据，根据工艺要求得出相关物理参数，并通过计算得到感应器的设计参数。 关键词： 第一章 绪论1.1 国内外感应加热的发展与现状随着现代科学技术的发展，对机械零件的性能和可靠性要求越来越高，金属零件的性能和质量除材料成分特新外，更与其加热技术密不可分。例如，加热速度的快慢不仅影响生产效率而且影响产品的氧化程度，局部温度过冷或过热可能导致产品变形甚至损坏等。由于感应加热具有热效率高，便于控制等优点，目前在金属材料加工，处理等方面得到广泛应用。
在工业发达国家，感应加热研究起步较早，应用也更为广泛。1890年瑞士技术人员发明了第一台感应熔炼炉――开槽式有芯炉，1916年美国人发明了闭槽式有芯炉，感应加热技术开始进入实用化阶段。1966年，瑞士和西德开始利用可控硅半导体器件研制感应加热装置。从此感应加热技术开始飞速发展，并且被广泛用于生产活动中。在我国，感应加热技术起步比较晚，与世界发达国家相比存在较大的差距。直到80年代初，感应加热设备才有一定的应用，但因其与其它加热方式相比在节能和无环境污染等方面的显著优势，近几年来得到了长足的发展，已经广泛应用于钢铁、石油、化工、有色金属、汽车、机械、和军工产品的零部件热处理方面，且随着感应加热技术的进一步发展，其市场应用前景将越来越广阔。金属感应热处理中的加热目标是将金属加热到特定温度分布，比如热轧，不仅要求表面达到一定的温度，而且要求工件加热温度均匀，即工件径向与轴向温差小。在此特定温度下进行轧制既能保证能源的合理利用，又能使轧制力在正常范围内以方便轧制。又如在淬火加热中，除了表面温度要求外，对加热层厚度也有不同要求。所有这些都要求加热功率、加热时间等工艺参数选择合理。而在实际生产中，生产过程的复杂性以及人工控制的不精确性和随机性，可能就会产生两种不希望出现的情况：一是加热功率过大，加热时间过短。虽然钢坯的表面温度已达到要求，但钢坯内部却没达到工艺温度分布要求，将会影响后续工艺。如在轧制过程中，如果钢坯没被加热透，硬度较大，不仅对热成型的成品、半成品的质量造成很大影响，损坏产品信誉，而且会使轧制钢坯的轧锟逐渐产生裂纹，严重缩短轧锟的寿命，导致轧锟仅在短短数月甚至是一个月左右就不能再用。而轧锟成本一般比较高，会给工厂造成较大的损失；二是加热功率过小，加热时间过长。这种情况不仅会增加氧化皮含量，而且浪费能源。在能源价格日益上涨和能源危机日趋严重情况下，应尽可能避免这种现象发生，以节约能源，造福后世。同时加热时间过长也会降低工厂的生产率，增加产品的成本。总而言之，加热炉内的加热温度，一方面影响加热炉的能耗和工件烧损，另一方面又影响后续工艺。将工件温度控制在合理的范围内，既可保证产品的性能，又可使加热炉和后续设备的总能耗最低。因此，如何在复杂的生产过程中有效地控制加热温度是当前迫切需要解决的问题。要有效地控制加热温度， 其中最关键的是在确定钢坯表面温度的同时，也确定钢坯的芯部温度，然而就目前的测温技术而言，很难用仪器直接测量出被加热钢坯的芯部温度。目前的做法是热处理完毕之后，在室温状态下通过解剖方法测定组织状态和残留应力分布情况下来进行估算。这种算法不仅耗费大量人力、物力、和时间，而且所得的仅是某一零件、某一具体工艺条件下的最后情况，很难获得直接推广应用的规律性成果。故目前感应加热热处理工艺大多数还是建立在定性分析基础上，凭经验制定的，生产力迅速发展要求的高质量、低成本相去甚远。1.2 感应加热的优点1）加热速度快：用电磁感应加热时，温度上升的速度远比用石油或煤气加热的速度快得多；2）铁屑损耗少：快速加热能有效地降低材料损耗。而用煤气为燃料的装置，加热速度慢，损耗很大；3)启动快：在有些加热装置中，有很多耐火材料，加热启动时它们吸收热量，即装置的热惯性大。感应加热不存在这类问题，因而启动快；4)节能：不工作时感应加热电源可以关闭，因为感应加热启动快的特点，而对其他装置来说，由于启动慢，不工作时，也必须维持一定的加热温度；5）生产效率高：由于加热时间短，感应加热可以提高生产效率，降低成本。除此之外，感应加热还有便于控制、易于实现自动化、减少设备占地面积、工作环境安静、安全、洁净、维护简单等优点。第二章 感应加热基本原理2.1 感应加热原理及主要特点2.1.1 电磁感应与涡流发热感应加热实质是利用电磁感应在导体内产生的涡流发热来加热工件的电加热，它是依靠感应器通过电磁感应把电能传递给被加热的金属，电能在金属内部转变为热能，达到加热金属的目的。以加热圆柱形工件为例，其原理如图2.1，电流通过线圈产生交变的磁场，当磁场内磁力通过待加热金属工件时，交变的磁力线穿透金属工件形成回路，故在其横截面内产生感应电流，此电流称为涡流，可使待加热工件局部迅速发热，进而达到工业加热的目的。 感应加热基本原理可以用电磁定理和焦耳一楞次定理来描述，电磁感应定理内容为：当穿过任何一闭合回路所限制的面的磁通量随时间发生变化时，在回路上就会产生感应电动势e:
e??d?dt需要加热的金属工件自成回路，在横截面内产生感应电流，此电流称涡流，并用表示If，其值取决于感应电动势E和涡流回路的阻抗Z： If?EZ? 式中：E――感应电动势等效值；R――涡流回路内的电阻;XL――涡流回路内的感抗；由于Z值很小，涡流If可以达到很高的数值，在此电流流动时，为克服导体本身的电阻而产生焦耳热，因而能在极短时间里加热工件到很高的温度。感应电动势使工件导体中产生涡流i，进而产生焦耳热Q。这一过程可用焦耳一楞次定律表达为：Q?iRt
（2.3） 2感应加热的加热过程是电磁感应过程和热传导过程的综合体现，电磁感应过程具有主导作用，它影响并在一定程度上决定着热传导过程。热传导过程中所需要的热能是由电磁感应过程中所产生的涡流功率提供的。应当指出，对磁铁材料来讲，除涡流产生热效应外，还有磁滞热效应，但这部分热量比涡流产生的热量小得多，故在以后的讨论中我们将忽略此部分的热量。2.1.2 集肤效应及透入深度众所周知，直流电流经导体时，电流在导体截面上是均匀分布的，而当给一个圆形断面直导线通以交流电时，这时电流在导体截面上的分布将不再是均匀的，导体表面上各点的电流密度最大，而在导体中心轴线上电流密度最小，由外表面向内层以幂指数规律逐渐递减，这种现象叫做集肤效应，也称表面效应或趋肤效应。在感应加热中，电源电流是交流电，工件中的感应电流也是交流电流，因此同样具有集肤效应，在此效应作用下，工件中的电流密度分布是不均匀的，以圆柱形工件为例，设表面的电流Io，沿工件半径方向x方向的电流密度为：Ir?IDe?x
（2.4）当 x=?，Ix?IDe，即为表面层密度的36.8%，把电流密度为Io/e的?层称为电流透入深度。可以计算出，在?层中放出的能量为86.5%。在设计使用时，认为金属被加热的能量先在 层产生，内层金属靠传热传导而被加热。实际上工件表面?的地方，电流密度就差不多降到零。电流透入深度?可按下式计算：?式（2.5）中：，一般来说金属的温度越高，其电阻率越大，当温度从?――工件的电阻率（??cm）钢的电阻率增加4~5倍，而且可大致认为，在(850~900)C0C升高到(850~900)C时，?4温度范围内，各类钢的电阻率几乎相等，约为10??cm； o00?――工件的相对磁导率，真空中和非铁磁性物质其取值1，磁铁性物质在居里点以下时远大于1，居里点以上时接近1；； f――电源频率（Hz）由式（2.5）可以看出，电流透入深度取决于电流频率f、零件材料的电阻率?和磁导率?。在材料?和?一定时，可以通过调节f来调节?，也就是说对于工件的加热厚度可以方便的通过调节电源频率加以控制，频率越高，工件的加热厚度就越薄，这种性质在工业金属热处理方面获得广泛的应用。需要说明的是，对磁铁物质而言，式2.5表示材料在失磁前的涡流透入深度，称为“冷态的涡流透入深度”，随材料温度的上升，会导致?增大和?下降，从而使涡流分布平缓，透入深度增大。当温度上升到磁性转变点时，由于其中?急剧下降，可使涡流透入深度增大几倍至几十倍。材料在失去磁性后的涡流透入深度称为“热态的涡流透入深度”，对于钢铁材料在800C热态时的涡流透入深度?热可按式2.6求出： ?热=2.1.3圆环效应圆环形的导体通过高频（或中频）交变电流时所产生的磁场在环内空间集中，环外分散，见图2.2。.环内的磁通不仅穿过环外空间，同时也穿过环形导体自身，这样就使环形导体外侧交链的磁通多于内侧，于是环形导体外侧产生较大的感应电动势，迫使电流在环形导体内侧的电流透入深度层中流过，这种现象称为电流的圆环效应或环状效应。环状效应使感应器上的电流密度集到感应器内侧，对加热零件外表面十分有利，但对加热零件内孔时，此效应使感应器电流远离加热零件表面，是有害的。如图2.2，在圆环导体中通以交流电时，所产生的磁通在环内空间集中，环外分散，最大电流密度分布在环状导体内侧，这种现象叫环状效应，也叫圆环效应。圆环效应的实质是环形感应器的临近效应。 图2.2 圆环效应2.1.4 透入式加热和传导式加热当感应线圈刚刚接通电源，工件温度开始明显升高前的瞬间，涡流在零件中的透入深度是符合冷态分布式（2.5）的。由于越趋近零件表面涡流强度越大，因此表面升温也越快。当表面出现已超过失磁温度的薄层时，加热层就被拆分成两层：外层的失磁层和与之毗邻的未失磁层。失磁层内的材料导磁率?的急剧下降，造成了涡流强度的明显下降，从而使最大的涡流强度出现在失磁层和未失磁层的交界处。涡流强度分布的变化，使两层交界处的升温速度比表面的升温速度更大，因此使失磁层不断向纵深移动，零件就这样得到逐层而连续的加热，直到热透深度?热为止。这种加热方式称为透入式加热。当失磁的高温层厚度超过热态的涡流透入深度?热后，继续加热时，热量基本上是依靠在厚度为?热的表层中析出，而在此层内越靠近表面，涡流强度和所得的能量越大。同时，由于热传导的作用，加热层的厚度将随时间的延长而不断增大。当零件的加热层厚度远远大于材料在该电流频率下热态的涡流透入深度时，那么这种加热层就是主要依靠传导式方式获得的，其加热过程及沿截面的温度分布特性与用外热源加热（如在炉内加热或火焰加热）的基本相同，为热传导加热方式。热总是从温度高的地方向温度低的方向转移，称之为热传递。从微观来看，就是区域分子受到外界能量冲击后，由能量高的区域分子传递至能量低的区域分子。热传递主要有三种方式：传导、对流和辐射。固体的热传递方式就是热传导。热传导是指完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。从微观角度看，热传导是依靠物体中分子、原子或自由电子等微观粒子的热运动而进行的热能传输过程。其基本定律是傅里叶定律，级单位时间内通过单位截面积的导热能量与温度梯度成正比。包含各类专业文献、幼儿教育、小学教育、生活休闲娱乐、高等教育、文学作品欣赏、中学教育、中频电磁感应加热器设计81等内容。　
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&诉讼案例 >
洛阳市知识产权局受理《洛阳金诺机械工程有限公司请求对洛阳中硅高科技有限公司、西安理工晶体科技有限公司》专利侵权纠纷案
发表日期：
浏览 196 次
作者：admin
答 &辩 &书
被请求人：西安理工晶体科技有限公司
地址：710077 陕西省西安市高新区锦业路69号
请求人：洛阳金诺机械工程有限公司
地址：471003 河南省洛阳市国家高新技术开发区金鑫路2号
对洛阳市知识产权局受理的《洛阳金诺机械工程有限公司请求对洛阳中硅高科技有限公司、西安理工晶体科技有限公司》专利侵权纠纷行政调处一案，现答辩如下：
1.我公司没有销售给洛阳中硅高科技有限公司涉案的专利产品，所以也就不存在专利侵权的事实，对请求人诉请的停止使用侵权设备、对侵权损失进行调解、承担立案费、调查费以及停止其它继续侵权行为的请求应当驳回；
2.&写出书面保证书&的请求没有法律依据，应当驳回；
3.涉案专利与现有技术相比，不具有创造性；涉案专利不具有实用性；
4.本案应当中止审理。
事实和理由：
一、涉案专利《一种一次可生产六根硅芯或其它晶体材料的高频线圈》，其保护的是
&一次可生产六根硅芯的高频线圈&产品，我公司没有销售给被请求人之一洛阳中硅高科技有限公司&一次生产六根硅芯& 的设备，所以侵权事实无从说起。
根据《最高人民法院关于民事诉讼证据的若干规定》中谁主张谁举证的原则，请求人认为我公司使用了&一次生产六根硅芯& 的设备，应当由其举证，举证不能应当承担对其不利的法律后果。
二、关于请求人提交的证据3侵权照片
没有相关联的证据说明其来源，随便在外面拿张照片来，就说是我公司的产品，进而诉至行政部门，给我公司带来诉累，打乱了一个国有企业的正常生产秩序，我公司保留向其追诉的权利。
向行政部门提请调处，是一个严肃的法律行为。作为请求方，应当尽到其应尽的举证责任，随意的证据，想告谁就告谁，被诉请的一方却要花费时间和精力去应对。请求人提交的照片，既没有相关的证据证明其来源合法，照片中又没有显示两个被请求人的任何信息，不能证明两被请求人与请求人有利害关系，也不能拿这张照片来进行是否侵权的比对，而因为请求人没有尽到提交涉案侵权标的物的责任，本案应当被驳回。
三、事实上，我公司根本没有生产、销售给洛阳中硅高科技有限公司&一次生产六根硅芯& 的设备，所以根本不存在侵权一说。请求人诉请的停止使用侵权设备、对侵权损失进行调解、承担立案费、调查费以及停止其它继续侵权行为的请求应当驳回；&写出书面保证书&的请求没有法律依据，应当驳回。
本着程序节约的原则，我公司继续答辩如下：
四、关于请求人提交的证据2《检索报告》
该《检索报告》的出具单位&专利检索咨询中心&，该单位属于国家知识产权局的下属事业单位，是一个提供检索咨询的服务机构，不是国家的行政部门，该检索报告没有法律效力，在报告中也有注明：&检索结果仅供参考，不作为任何法律依据&。明确的说，请求人应当提交的是由&国家知识产权局出具的实用新型专利检索报告&，加盖&中华人民共和国国家知识产权局实用新型专利检索报告专用章&。因此，该证据不能确认涉案专利的新颖性和创造性。
五、涉案专利与现有技术相比，不具有创造性
涉案专利请求保护范围中所陈述的内容与洛阳单晶硅有限公司现在正在使用的&丹麦&区熔单晶炉上装备的&O4&P单匝、铜质、单孔高频线圈的工作原理相同，此类铜质高频线圈在上世纪七十年代国外半导体行业已广泛用于&O4&P区熔单晶的生产设备上。
1980年至2001年为了加快我国半导体工业产业的发展，洛阳单晶硅有限公司（原洛阳单晶硅厂）先后从&丹麦&引进了两台&FZ14&和&FZ14-1&型区熔单晶炉，用于生产&P3〞和&P4〞区熔单晶，此设备上配备的高频线圈为单匝、铜质单孔高频线圈，其外观和工作原理与金诺公司请求保护范围中所陈述的内容基本相同。
2003年洛阳中硅高科技有限公司与西安理工大学工厂（原北京机械学院工厂，现为西安理工晶体科技有限公司）、九江市庐山新华电子设备厂，在原北京机械学院工厂上世纪70年代初为洛阳单晶硅厂（现洛阳单晶硅有限责任公司）设计的硅芯炉GX-1100型和洛阳单晶硅厂上世纪60年代引进的日本303（A）型区熔单晶炉的基础上，设计、开发了目前国内半导体行业多晶硅产业普遍使用的硅芯炉和磷、硼检炉，主要用于我国半导体行业多晶硅产业及光伏产业链中多晶硅材料其中间产品&生长载体&硅芯&的生产和多晶硅产品质量的检验，并在实际使用过程中，按照顾客的工艺技术要求不断进行着改进。
2004年洛阳中硅高科技有限公司启动多晶硅二期扩建工程700吨项目时，欲购置能同时拉制多根硅芯的生产设备，在互联网上了解到德国CGS公司在&丹麦&的一家企业生产：一次可同时拉制2根硅芯的设备，此设备使用的是单匝、铜质两孔高频线圈，配置的高频电源功率为15KW，震荡频率是3.0MHz，可拉制硅芯的长度是2500mm，其单匝、铜质两孔高频线圈的结构及工作原理与铜质单孔高频线圈完全相同。此设备在上世纪九十年代就已生产、销售。
2005年国内相关企业（新疆新能源）组织国内半导体行业的多名硅多晶专家赴吉尔吉斯坦实地考察一个年产多晶硅660吨欲拍卖的国外企业，其硅芯拉制所使用的区熔炉一次可拉制硅芯5&7根，使用的单匝、铜质多孔高频线圈也是在此单孔高频线圈上改造的，只是根据需要在单孔高频线圈的圆周上均匀的加工了几个孔。
2010年初根据我国加快发展半导体光伏产业的需要，洛阳中硅高科技有限公司会同西安理工晶体科技有限公司（原西安理工大学工厂）及九江市庐山新华电子设备厂对洛阳中硅高科技有限公司一分公司的西安理工晶体科技有限公司生产的TDL-GX31B硅芯炉进行了技术改造，使其具备一次可同时拉制5根硅芯的功能，对此设备的高频加热系统、提拉头、下传动等部分进行了技术改造。
半导体行业区熔炉使用的高频线圈均为单匝、铜制法兰型，其结构由聚流环、铜管和连接管座通过银焊或铜焊组焊而成，聚流环主要的功能是在高频交变的电压作用下，产生一个高频交变的感应磁场，利用高频交变的感应磁场产生的能量来加热负载；铜管的主要功能是连接聚流环和高频电源的导线，由于在运行过程中温度较高，故可以在铜管内通冷却水进行冷却，保证高频线圈在运行过程中不被烧坏；管座主要是用于聚流环和铜管与高频电源输出端的连接、固定，起导电、密封和固定的作用。从上世纪七十年代至今，高频线圈是半导体行业用区熔法生产区熔单晶、拉制多晶硅磷、硼检验棒、以及拉制多晶硅生长载体&硅芯过程中一个不可缺少的工艺消耗件，其工作原理和结构完全相同，外形均为&法兰&形，高频线圈上孔的位置、数量、大小、几何形状及相关参数，取决于拉制硅半导体材料相关产品的工艺技术要求及所配置的区熔炉高频电源的性能，大同小异。
根据上述现有技术，领域中技术人员能够不经创造性劳动想到涉案专利的技术方案，所以，涉案专利不具有创造性。
另外，请求人是将广泛使用的现有技术去申报了专利，利用实用新型专利不检索的制度获得了证书，但是已经广泛使用的技术被请求人独家垄断，对社会大众来说肯定是不公平的。
六、涉案专利不具有实用性
涉案专利《一种一次可生产六根硅芯或其它晶体材料的高频线圈》公布的技术方案是：高频线圈3有带斜面的高频线圈上面9、梯形的高频线圈下面10，高频线圈3的中部设六个孔8，冷却水道4环绕高频线圈3，冷却水道4的两端与冷却水输送铜管11和冷却水输送铜管12连接。
该技术方案存在下面两个问题：
1）该方案中没有设置用于电流导流的结构，导致专利产品不能工作，根本不能拉制硅芯。
该专利变更前的专利权人刘朝轩，在日申报了另一份专利文本，《可同时生产六根硅芯及其它晶体材料的高频线圈结构》，在说明书的背景技术中的记载：将涉案专利作为现有技术进行评述，认为涉案专利所表述的结构，&内孔放射形状排列，出现了除中部连接斜开口的内孔电流运行较多，另外五个内孔的环绕电流受到高频电流运行原理的影响，使得大部分内孔的温度低于靠近或连接斜开口内孔的温度（也就是电流走近路），由于电流的走近路现象，所产生的后果是提升起来的籽晶直径悬殊非常大，从而造成残次品数量增加。&
从上可以看出，请求人也知道涉案专利存在着上述问题，而没有&设置用于电流导流的结构&的缺陷并不是象其所说的&造成残次品数量增加&，而是线圈根本无法工作，根本不能拉制出硅芯，不能达到本发明的目的。也就是说，涉案专利由于没有&设置用于电流导流&的结构不能使用，所以不具有实用性。
2）高频线圈3的中部设六个孔8，不能同时生产出六根硅芯。根据理论及实际操作证明，由于交变电流产生的电磁场叠加或抵消，使得中间一个内孔温度比其它四个孔的温度高许多，因此中间的一个内孔不能拉制出硅芯。该结构不能达到同时生产出六根硅芯的发明目的，不具有实用性。
关于上面提到的涉案专利技术方案中存在的两个问题，可以组织进行专家论证以及现场实地验证，让专利权人验证其专利技术方案。
七、本案应当中止审理
由于涉案专利存在着上述五、六所叙述的问题，我公司西安理工晶体科技有限公司已经向国家知识产权局提交了涉案专利的无效宣告请求，本案应当中止审理。
洛阳市知识产权局
答辩人：西安理工晶体科技有限公司
委托代理人：罗笛
2011 年1月5日