Електромагнітна хвиля, створювана високочастотним генератором, циркулює в повітряному зазорі між індуктором і нагрівається сталевим виробом. Виріб і індуктор утворюють собою хвилевід, який направляє магнітні та електричні сили у хвилі. Лінії сил деформуються, згинаються, слідуючи формам металу.

У металі виникає рух електронів – електронні вихори. Ці вихрові струми і нагрівають метал. Вихор завжди замкнений. У нього немає ні початку, ні кінця. Але в одному місці вихор може розтектися ширше. Щільність електронних струмів тут мала. Гріють вони слабо. В іншому місці струми вихору стискаються, концентруються. Щільність їх велика. Нагрівання тут інтенсивний.

Концентрація струмів в тому чи іншому місці вихору не визначається однією тільки близькістю даної ділянки стали до провідника індуктора.

Ось аналогія з суміжної області: увігнуте дзеркало або опукле скло – це також направітель електромагнітних хвиль – правда, хвиль, в мільярди разів більш коротких, ніж хвилі, що застосовуються для нагріву під загартування. Скло та дзеркало створюють найбільшу концентрацію хвиль на певній відстані від поверхні.

Так і вихрові струми в певних умовах фокусуються, згущуються не так на ділянках, близьких до індуктора, а подалі, в западинах вироби. Тут в западинах виходить максимальна щільність вихрового струму, найбільше виділення тепла.

Електронні вихори всередині металу можна подумки розбити на окремі тонкі нитки. Кожна подібна гумовою. А весь електронний потік цілком має щось спільне з гумовою мембраною або мильною плівкою, хоча магнітні сили і діють трохи інакше, ніж сили внутрішнього натягу в плівках і мембранах.

Електронний вихровий потік прагне розширитися, окремі нитки струму взаємно розштовхувати, вихровий

Фіг. 7-34. Різні типи індукторів для місцевого (зонального) нагріву сталевих виробів при поверлностной загартуванню.

ток витісняється на поверхню сталі, магнітні сили підтягують його до індуктора.

Міркування про зовсім різні речі, здавалося б: крижаних горах, мильних бульбашках, про хитромудрої Дидоне, яка обдурила царя Іорбаса, привели нас до законів, керуючим розподілом вихрових струмів.

Якщо западина в сталевому виробі йде впоперек річки вихрового струму, то магнітні сили притискають ток до дна западини, і тут нагрів найсильніше. А у виступ, перпендикулярний течією вихрових струмів, ці струми мало поширяться. Нагрівання виступу незначний.

Якщо ж западини і виступи у виробі знаходяться вздовж течії вихрових струмів, то магнітні сили винесуть електронну вихревую річку на вершини виступів. Виступи будуть інтенсивно нагріватися, а западини отримають нагрів тільки за рахунок теплопередачі.

Ось розгадка розподілу тепла. Вихрові струми розташовуються так, щоб створити найбільш зручний, з найменшим опором шлях для електромагнітної хвилі в зазорі між індуктором і сталлю.

У велосипедної зірочці, коли вона поміщена в індуктор, який має форму круглого витка, вихрові струми йдуть поперек виступів. Найсильніша нагрів при цьому – в западинах. У черв’ячному ж гвинті, коли він знаходиться в тому ж самому індукторі, вихровий струм йде уздовж виступів і вони нагріваються сильніше всього.

Гонець з корабля і промінь світла рухаються по найкоротшому шляху. Так і для задач поверхневого гарту принцип найменшої дії – керівна нитка для відшукання розподілу електромагнітних хвиль і викликаних ними вихрових струмів.

Електронні вихори в нагреваемом виробі циркулюють, суворо дотримуючись законів варіаційного числення.

Багато задач індукційного нагріву важко вирішувати аналітичним шляхом. Знаючи закони, яким підкоряється циркуляція вихрових струмів, можна підібрати фізичні явища, які також підпорядковуються цим законам. Так моделюють електронні вихори.

Якщо на гумову мембрану покласти важку шестерню, то крутизна вигину гуми буде відповідати наближено щільності струму в стали.

Можна робити дротяні каркаси, подібні обрису поверхонь гартованих виробів, натягувати на них мильні плівки. По кутах між плівками можна судити про щільність вихрового струму.

Мембрани і плівки моделюють розподіл вихрових струмів. Але іноді навіть немає потреби виробляти досвід з моделювання. Можна уявити його мислення.

Практика і теорія

Перші індуктори для нагріву під загартування я вигинав і паял сам. Потім лабораторія розширилася і до нас на роботу поступив слюсар Труфанов (загинув у Ленінграді в 1942 г.). До цього Труфанов з високочастотними установками ніколи не стикався, і перший день він з подивом дивився, як всередині холодного індуктора раптом спалахувала помаранчевим напруженням сталева деталь.

Труфанова було доручено виготовлення індукторів. Йому доводилося на різні лади вигинати мідні витки і стежити за тим, як із зміною їх форми змінюється нагрів.

Ні про які мінімальних поверхнях, варіаційних принципах або екстремуму ми з ним розмов не вели. Треба було терміново підібрати технологічні режими для ряду складних деталей. Ми готували індуктори, включали їх в генератор. Переробляли індуктори наново, знову включали; і так день у день.

Минуло всього кілька тижнів роботи, і у Труфанова розвинулося те, що можна назвати чуттям законів нагріву. Скажеш, бувало: – пристосувати-ка, Труфанич, індукторок до того он кулачку так, щоб розжарений шар ось досі по голівці ліг.

І Труфанов без подальших пояснень вигинав індуктор, і нагрівання виходив якийсь потрібно.

У 1939 р на заводі «Світлана» організували спеціальні курси по високочастотному нагріванню. З усього Союзу до нас з’їжджалися інженери для перепідготовки.

Передати їм в короткий термін досвід, накопичений в нашій лабораторії за кілька років, можна було тільки зв’язавши всі експерименти і висновки якимись узагальнюючими теоріями. Засвоїти не пов’язані один з одним численні рекомендації і настанови так само важко, як завчити набір випадкових слів. Теорія пов’язує окремі факти, як ритм думка вірша. Розрізнені рецепти перетворюються в поему.

З кожним днем ​​кількість індукторів в нашій лабораторії зростала. «Індукторні парк» обчислювався вже багатьма десятками. А весь час надходили нові деталі, для яких жоден з вже наявних індукторів не годився, і доводилося виготовляти нові.

Я повернувся тоді до основ теорії циркуляції вихрових струмів в металевих масивах при високих частотах. І оброблюваний виріб, і індуктор-це тільки «направітель» магнітного потоку. При високій частоті магнітний потік не проникає вглиб металу. Магнітні лінії відхиляються поверхнею металу, як струмені води.

Так виникла думка виробляти нагрів різних виробів в одній і тій же просторій котушці. Щоб при цьому отримати зосередження вихрових струмів на необхідних ділянках вироби, я вирішив поміщати в зазорі між котушкою і нагрівається виробом мідні розрізні кільця і ​​шайби. Вони направляли магнітний потік. Ця конструкція отримала назву концентратор вихрових струмів.

Концентратори – це не універсальний засіб. Але в багатьох випадках застосування їх зручно і економічно. Вони були вперше описані в журналі «Електрика» в 1939 р і в наступні роки увійшли в промислову практику. Згодом їх запозичили й американці.

Теорія-це не тільки «полегшення пам’яті», «внесення порядку» в спостереження, узгодження їх з деякою штучної системою. Теорія веде на пошуки нового, полегшує шлях у майбутнє.

Важко пробиратися в темряві по незнайомій місцевості. При слабкому світильнику ще неясно помітні навколишні предмети. Але якщо людина не спотикається на кожному кроці, то значить дещо він уже бачить правильно.

Висновок

Можна виробляти все більш тонкі і складні обчислення для визначення найвигідніших розмірів і пропорцій інженерних споруд. Але врешті-решт і самі методи розрахунку треба вибирати, керуючись законами оптимальних досліджень.

Формула довше 10 см не придатна для повсякденного інженерної практики. Ця страва для ласунів. Цінність уточнень, одержуваних занадто складним розрахунком, не виправдовує часу і зусиль. Надмірно тонкі розрахунки – це не економія, а, яаооброт, розкрадання коштів. Виробництво не може чекати надто довго результатів теоретичних досліджень.

Інженер не повинен недооцінювати математики, але й не повинен надто вірити в могутність її методів. Остання крайність найбільш небезпечна саме для електриків. Лікарі та хіміки обходяться без, скажімо, гіпергеометричних рядів. Але їх діяльність не менше наукова, ніж робота електрика, що обчислює за допомогою складних функцій випромінювання антен.

Інженер в прямому значенні цього слова повинен насамперед добре знати свої будівельні матеріали, технологію свого виробництва. Математичний розрахунок – лише допоміжний знаряддя.

Не можна занадто довго прицілюватися. Треба швидше відкривати стрілянину і коригувати наводку знаряддя спостереженням за попаданнями. Замість розрахунків на максимум і мінімум часто вигідніше замовити в експериментальній майстерні кілька дослідних екземплярів конструкції і досліджувати їх у роботі.

Але врешті-решт не можна дати єдиний рецепт на всі випадки інженерної діяльності. Кожен повинен сам знайти свій оптімум.1 і 2 – порцелянові ізолятори, які є зовнішнім кожухом гасітельних камери. Від землі гасітельних камера ізолюється подібним же порожнистим порцеляновим ізолятором 3; 4 – ізолюючі бакелітові циліндри; 5 і б- сталеві фланці, що закривають зверху і знизу гасітельних камеру.

Щоб зробити відключення, по трубі 11 подається стиснене повітря, що надходить всередину бакелітових циліндрів 4. Через отвер стия 7f і 5 ‘сжагий повітря надходить всередину контактних циліндрів 7 і 8, тисне на поршні 26, 27. Поршні захоплюють рухливі контакти 22 і 23. Виникають два розриву струму: між контактами 20 – 22 і 21 – 23. Стисле повітря вривається у внутрішні порожнини трубок 22-23 і через вихлопні отвори 9 і 10 виходить назовні. Під дією потоку повітря дуга розтягується і розривається, як це показано стрілками на правому малюнку. Через 0,02 сек. дуга -1 гасне.

Після припинення подачі стисненого повітря в циліндр 4 контакти вимикача вное сходяться під дією пружин 28 і 29. Але до зтому часу вже виявляється розімкненим роз’єднувач, включений послідовно з головними контактами.

У високочастотного трасформатора, показаного на фіг. 7-14, коефіцієнт зв’язку дорівнює 0,6-0,8, але часто застосовуються й інші високочастотні трансформатори, у яких коефіцієнт зв’язку лише кілька сотих. Прикладом подібної конструкції є високочастотний транспорт: між ділянкою безконтактної мережі і прийомним контуром на екіпажі коефіцієнт зв’язку буває менше 0,1.

І в межах витті тієї ж «високої частоти» застосовуються різні рішення. При частотах до 50 кГц втрати в котушках залежать, головним чином, від перетину міді в її провідниках. Збільшуючи вагу міді, можна знижувати втрати. При більш високих частотах втрати значною мірою визначаються ізоляцією між віткамі- Збільшення витрати міді на трансформатор не підвищує його к. П. Д.

У кожній області частот свої припущення, свої спрощення. Низкочастотники вважають, що опір провідника визначається його перетином, вони мають справу з конструкціями, в яких струм рівномірно розподілений по всьому перетину провідника.

Джерело: Електрика працює Г.І.Бабат 1950-600M