Литцендрат в индукционных нагревателях: где он стоит внутри установки и как считается

Разберём установку по узлам, пройдём от розетки до заготовки. На каждом узле покажем, что там стоит, почему именно эта конструкция, как считается провод и какая серия из каталога ДИАДА туда подходит. База по скин-эффекту и эффекту близости — в статье про скин-эффект, оптимум Салливана — в LLC-статье. Здесь — индукционно-нагревательная специфика установки в целом.

Ключевые термины

Силовой тракт установки: где что стоит

Промышленный индукционный нагреватель — это шкаф или моноблок, в котором последовательно стоят пять основных узлов. Через них идёт энергия от трёхфазной сети 380 В / 50 Гц до индуктора с заготовкой.

Из пяти узлов в трёх стоит литцендрат: PFC-дроссель на входе, ВЧ-кабель между инвертором и согласующим трансформатором, обмотки самого согласующего трансформатора. В четвёртом узле (индуктор) литцендрат используется выборочно. В первом (мост Грейтца + DC-шина) литцендрата нет вообще.

В сумме на установку мощностью 30 кВт уходит: PFC-дроссель 3–5 кг, ВЧ-кабель 0,5–2 кг, согласующий трансформатор 4–8 кг, индуктор 1–3 кг. Итого 8,5–18 кг литцендрата. Из них ~75 % — это согласующий трансформатор и PFC-дроссель. Индуктор по килограммам — самая маленькая позиция.

Узел 1: входной PFC-дроссель

Корректор коэффициента мощности (Power Factor Corrector, PFC) на входе нужен по двум причинам: норматив IEC 61000-3-2 (с 2001 года требует cos φ ≥ 0,95 для оборудования >600 Вт) и техническая (без PFC ёмкость DC-шины надо кратно увеличивать).

Топология обычно boost-converter: дроссель, ключ (IGBT или SiC MOSFET), диод, выходной конденсатор. Рабочая частота PFC — 50–100 кГц для IGBT, 100–250 кГц для SiC.

В режиме непрерывной проводимости через дроссель PFC идёт почти синусоидальный ток сетевой частоты 50 Гц с ВЧ-пульсацией от широтно-импульсной модуляции (ШИМ) ключа размахом 20–30 %. Расчёт литцендрата идёт по ВЧ-составляющей. На 100 кГц при 100 °C δ_меди = 0,21 мм. Серия 0,15 мм или 0,2 мм.

Для дросселя PFC мощностью 30 кВт (I_RMS = 50 А):

• Сечение Cu: 12,5 мм² при плотности 4 А/мм² (воздушное охлаждение)
• Число жил серии 0,15 мм: 707 → каталог 705×0,15 мм, серия 0,15 мм
• Покрытие: ПЭТ-плёнка (Литц ПЭТ), пробивное 1000 В
• F_R на 100 кГц при двухслойной обмотке: 1,15–1,25

В однофазных установках до 5 кВт дроссель PFC обычно выполнен проводом ПЭТВ-2 без транспозиции. Литцендрат появляется в PFC при мощности от 8–10 кВт.

Узел 2: инвертор и резонансный конденсатор

Сам инвертор литцендрата не содержит. Полупроводниковые ключи на радиаторе с водяным охлаждением, керамические конденсаторы DC-link, шинопроводы из медных пластин 3–5 мм. Соединения короткие, паразитная индуктивность критичнее, чем потери.

Резонансный конденсатор стоит рядом с инвертором, замыкает резонансный контур. На промышленных установках 30–500 кВт — блок параллельных керамических KEMET или Murata серии PHE850 на 2–6 кВ, либо плёночные WIMA FKP1.

Между конденсатором и согласующим трансформатором — ВЧ-шинопровод. Короткое расстояние — медная пластина. Несколько метров до выносной головы — коаксиальный литц-кабель (см. ниже).

Узел 3: ВЧ-шины и коаксиальный литц-кабель

Передача мощности на ВЧ — нетривиальная задача. На 200 кГц при 200 А и 1000 В обычным проводом ехать нельзя: скин-эффект, ЭМ-помехи, индуктивные потери. На 2 м потери могут составлять 500–1500 Вт (2–5 % мощности установки).

Конструкция коаксиального литц-кабеля

Стандарт — коаксиальный литцендратный кабель (патент US 20020011913, Inductotherm 2002):

• Внутренний проводник — литцендрат серии 0,1 мм (например 500×0,1 мм)
• Изоляция — фторопластовая лента или PEEK-оболочка на 1500–3000 В
• Внешний проводник — литцендрат концентрически вокруг изоляции
• Внешняя оболочка — фторопластовый шланг или гофрированный полиамид
• Канал водяного охлаждения — внутри полого проводника или рядом

Коаксиальная конструкция снижает паразитную индуктивность в 5–10 раз: внутренний и внешний проводник несут антипараллельные токи. ЭМ-излучение наружу — почти нулевое.

Расчёт литцендрата для коаксиального ВЧ-кабеля

Для типового кабеля 30 кВт на 250 кГц: ток 200 А, длина 2 м, сечение каждого проводника 5 мм² при плотности 40 А/мм² (водяное охлаждение). Серия 0,1 мм, число жил 637 → каталог 630×0,1 мм. Покрытие — фторопластовая плёнка (Литц 200 Ф), пробивное 3000 В.

В каталогах ДИАДА — марки Литц 200 Ф и Литц 200 фПЭ. Опыт изготовления коаксиальных ВЧ-кабелей есть. Готового кабеля с интегрированным водяным каналом мы серийно не выпускаем — это перспективное направление для совместной разработки. Подробнее — в разделе «Водоохлаждаемый литц-кабель».

Когда нужен коаксиал

Узел 4: согласующий трансформатор — главный потребитель литцендрата

Согласующий трансформатор (matching transformer) — самая большая по количеству литцендрата позиция в установке. Преобразует ВЧ-напряжение инвертора (400–800 В) в напряжение индуктора (40–200 В), поднимает ток. Типовое соотношение витков 1:4 ... 1:10.

Почему этот узел самый «литцендратоёмкий»

В отличие от индуктора, где есть выбор между трубкой и литцендратом, в согласующем трансформаторе выбора нет — только литцендрат. В трансформаторе обмотки уложены плотно, многослойно, окружены сердечником с ярко выраженным магнитным полем. Это режим максимального эффекта близости. У медной трубки F_R на 200 кГц составит 8–15. Это превращает трансформатор в нагреватель самого себя. Все производители — Inductotherm, Ambrell, EFD, Inductoheat — делают согласующие трансформаторы только на литцендрате.

Конструкция и расчёт

Сердечник — феррит Ferroxcube 3C95 или нанокристалл FT-3KL. Геометрия — тороид или ETD/PQ. Для трансформатора 30 кВт на 250 кГц: ETD 59/31/22. Чередование обмоток P-S-P обязательно.

F_R на 250 кГц при P-S-P: 1,30–1,40. Для трансформаторов свыше 100 кВт вторичка — прямоугольный литцендрат (ЛитцПр), коэффициент заполнения 85–90 % против 70 % у круглого.

Изоляция

При напряжениях 400–800 В между обмотками межобмоточная изоляция должна выдерживать 3000 В. Стандарт: литцендрат с фторопластовой плёнкой (Литц 200 Ф), межобмоточная фторопластовая лента или эпоксидная пропитка, класс 200 °C.

Сердечники для ВЧ-трансформатора: феррит, нанокристалл, FINEMET

На частотах 100–500 кГц электротехническая сталь не работает — потери растут как f². Применяется один из трёх классов: ферриты, нанокристалл, аморфные сплавы.

Ферриты Mn-Zn

Стандартное решение последних 40 лет. Производители: Ferroxcube, Hitachi Metals (Magnetics Inc.), TDK, Acme Electronics.

Плюсы: низкие удельные потери, доступность, низкая цена (ETD 59/31/22 на 3C95 — 800–1200 ₽). Минусы: низкая индукция насыщения (0,33 Тл), хрупкость.

Нанокристаллические сплавы: VITROPERM, FINEMET, NANOPERM

Лента сплава Fe-Si-B-Cu-Nb (14–20 мкм) с термообработкой для наноразмерных зёрен в аморфной матрице. Состав: Fe73.5 Si13.5 B9 Cu1 Nb3.

Производители: VACUUMSCHMELZE (Германия) — VITROPERM 500F, 550HF (с апреля 2025); Hitachi Metals/Proterial (Япония) — FINEMET FT-3KL, FT-3M; Magnetec (Германия) — NANOPERM M-038, M-067.

В работе Дилкса и соавторов (M. Dilks et al., IEEE PCIM 2022): у VITROPERM 550HF удельные потери на ~30 % ниже, чем у 500F, в широком диапазоне индукций.

Удельные потери у нанокристалла выше, чем у феррита, на той же индукции. Но рабочая индукция в 3–4 раза выше: 1,0 Тл против 0,3 Тл. Сердечник из нанокристалла на ту же мощность в 1,75 раза меньше по объёму (показано в работе Петреску и соавторов, Materials 2021, vol. 14, no. 7745). Критично для зарядных станций EV и встраиваемого оборудования.

Аморфные сплавы Metglas

Промежуточное звено. Производитель — Metglas Inc. (США, Conway), серии 2605SA1 и 2714A. В индукционном нагреве — ограниченно, чаще в фильтрах низкочастотных установок (кузнечный нагрев до 30 кГц).

Выбор сердечника под задачу

• f до 100 кГц, до 30 кВт — феррит N87 или 3C90.
• f 100–500 кГц, 30–300 кВт — феррит 3C95 или N97.
• f 500 кГц – 1 МГц, до 30 кВт — феррит 3F4 или нанокристалл VITROPERM 500F.
• f выше 1 МГц — феррит 3F4 или нанокристалл VITROPERM 550HF.
• Зарядные станции EV, высокая плотность мощности — VITROPERM 550HF без альтернатив. Выигрыш в массе 30–40 %.
• Военная и космическая техника — нанокристалл (−40 до 200 °C).

Узел 5: индуктор — медная трубка или литцендрат

Это рабочая катушка, обнимающая заготовку. Снаружи установки, иногда у раскалённой до 1200 °C заготовки.

Когда индуктор делают из трубки

Большинство индукторов — медные трубки с водяным охлаждением, сечения 6×8 мм, 8×12 мм, 10×15 мм. Производители Ambrell, EFD, Inductoheat, ВНИИТВЧ применяют это по умолчанию. Причины: до 100 кГц F_R = 1,1–1,3, прямая интеграция водяного охлаждения, жёсткость, простота нестандартных геометрий, стойкость к раскалённым заготовкам.

Когда индуктор делают из литцендрата

Главная причина — высокие частоты. На 500 кГц+ скин-слой в стенке трубки 1 мм составляет менее 90 мкм. F_R доходит до 8–15. Литцендрат серии 0,1 мм даёт 1,3–1,5.

Дальше — бытовые плиты (плоская спиральная катушка), прецизионная закалка со сложной формой, беспроводная зарядка EV (литцендратная плоская катушка — стандарт по SAE J2954).

Расчёт литцендрата для индуктора

Индуктор работает без сердечника. Магнитное поле замыкается через заготовку и воздух. Расчёт через 3D-FEMM или Ansys Maxwell с моделированием заготовки.

Для типового индуктора 30 кВт на 250 кГц: ток 170 А, сечение Cu 2,1 мм² при плотности 80 А/мм², серия 0,1 мм, каталог Литц 200 фПЭ 255×0,1 мм, F_R = 1,28.

Резонансные топологии и режим мягкой коммутации

Резонанс нужен из-за реактивного характера нагрузки (cos φ 0,1–0,3) и для обеспечения мягкой коммутации (ZVS/ZCS).

Полумостовой инвертор с последовательным резонансом

Стандарт для маломощных 1–30 кВт. Применяется в бытовых плитах и закалочных установках до 30 кВт. Wolfspeed CAS300M12BM2 или Infineon FF300R12KE7.

Полномостовой инвертор

Стандарт промышленных 30–500 кВт: Inductotherm VIP, EFD Sinac, Ambrell EKOHEAT, ВЧ-генераторы ВНИИТВЧ. Регулирование — phase-shift PWM.

Class E (однотранзисторный)

КПД до 98 % на оптимальной нагрузке. Применяется в МГц-инверторах для ювелирки, пайки медицинских игл. Типовой набор: GaN Systems GS66516B, дроссель из литцендрата 0,071 мм на нанокристалле VITROPERM.

Однокаскадный AC-AC резонансный на SiC

Описан в работе Сасаки и соавторов (S. Sasaki et al., IEEE IECON 2018). Преобразование 50 Гц напрямую в 100 кГц без DC-link. КПД 96,5 % при 3 кВт. Пока опытные разработки.

Условие мягкой коммутации

За «мёртвое время» t_d ток индуктора должен перезарядить C_oss обоих ключей. Разница с LLC — в индукторе сама нагрузка меняется во времени (нагрев заготовки, точка Кюри). Инверторы Ambrell, Ajax TOCCO, ELDEC после 2020 года отслеживают резонансную частоту с шагом 100 Гц.

Эволюция элементной базы: IGBT → SiC → GaN

Этап 1: IGBT, до 100 кГц (1990–2015)

Биполярный транзистор с изолированным затвором. Рабочие частоты 50–100 кГц. Модули: Infineon FF400R12KE3, Fuji 2MBI100VA-120-50, Mitsubishi CM450DY-24H. Главное ограничение — длинный «хвост тока» при выключении.

Этап 2: SiC MOSFET, 200 кГц – 1 МГц (2015 → сейчас)

Wolfspeed C3M0021120K: 1200 В, 21 мОм, C_oss ≈ 80 пФ, t_on 25 нс, t_off 32 нс. Infineon CoolSiC IMW120R045M1H: 1200 В, 45 мОм. ROHM SCT4080KE: 1200 В, 80 мОм.

Этап 3: GaN HEMT, до 13,56 МГц (2018 → сейчас)

GaN Systems GS66516B: 650 В, 25 мОм, C_oss ≈ 60 пФ, t_on 3,7 нс. EPC GaN EPC2034C: 200 В, 5 мОм, t_sw 1 нс. Infineon CoolGaN IGT60R070D1: 600 В, 70 мОм.

В обзорной работе Хатипоглу и Бодана (M. Hatipoğlu, Ö. Bodan, Applied Sciences 2024, Vol. 14, No. 7996): SiC даёт на 30 % меньшие потери переключения по сравнению с IGBT на 100 кГц, GaN — ещё в 2,5 раза меньшие по сравнению с SiC на 500 кГц. На 1 МГц только GaN остаётся выше 90 % КПД.

Сравнительная таблица

Физика заготовки и выбор частоты

Рабочая частота установки выбирается под глубину проникновения тока в заготовку.

δ_w = √(ρ / (π · μ · f))

Правило: δ_w = 10–25 % радиуса заготовки для объёмного прогрева, либо = глубине упрочнения для поверхностной закалки. При нагреве до точки Кюри (~770 °C) сталь теряет магнитные свойства, μ_r падает 200 → 1, δ_w растёт в 14 раз.

Тепловое управление и плотность тока

Плотность 80–100 А/мм² для водоохлаждаемого литцендрата в 20–30 раз больше воздушного охлаждения. Вода на единицу объёма забирает тепла в 4000 раз больше воздуха.

Для индуктора 30 кВт с потерями 380 Вт, охлаждаемого водой 8 л/мин: ΔT = 0,68 K. Производители Ambrell, EFD закладывают ΔT не более 5 K при максимальной нагрузке.

Главная проблема — теплопроводность изоляции литцендрата: ПЭТ 0,15 Вт/(м·К), фторопласт 0,25, полиимид 0,12. Тонкая плёнка 50 мкм на 100 см² при 380 Вт даёт перепад 12,7 K. Для прецизионных индукторов — термопасты или компаунды.

Водоохлаждаемый литц-кабель: открытое направление сотрудничества

История вопроса

Идея водоохлаждаемого литцендратного индуктора впервые запатентована в US 5,461,215 (1995) компанией Massachusetts Institute of Technology. В патенте: жгут 21 875 жил AWG #48 (~0,03 мм), 5 пучков в окончательной свивке, шаг 1,5 дюйма, внешний диаметр 7,4 мм. Деионизированная вода. Испытания на индукционной установке Lepel Corporation.

Развитие — US 6,229,126 (2001) и US 6,346,690 (2002). Прямое сравнение: при передаче 800 А через медную трубку ¼ дюйма потери ≈ 8 кВт, на литцендрате — ≈ 1,5 кВт. Снижение в 5,3 раза.

В 2009 году патент CN 201229803Y описал гибкий коаксиальный двухконтурный водоохлаждаемый кабель. В 2023 году TE Connectivity запатентовала US 12,476,390 — индукционный обжим терминалов на литц с водяным охлаждением.

Четыре варианта конструкции

Вариант 1. Литцендрат внутри полой PTFE-трубки, вода омывает жилы напрямую. Максимальный теплоотвод, но деионизированная вода и до ~500 В.

Вариант 2. Литцендрат и отдельный водяной канал в общей оболочке PEEK/фторопласта. Обычная водопроводная вода, высокие напряжения. Плотность тока 60–80 А/мм².

Вариант 3. Коаксиал с центральным водяным каналом (стальная или керамическая трубка, поверх литцендратная оплётка). YDK Litz Wire (Япония). Минимальная паразитная индуктивность.

Вариант 4. Двухконтурный коаксиал (патент CN 201229803Y). Два независимых водяных контура. Максимально гибкий, резервирование охлаждения.

Что делают мировые производители

Открытые задачи

• Нет единого стандарта на водоохлаждаемые литц-кабели
• Герметизация концов — отдельная инженерная задача
• Долговечность фторопластовых оболочек 5–7 лет, реальный меньше
• Контроль расхода и качества охлаждающей жидкости
• Экстремальные применения (выше 150 °C, агрессивные среды) — каждый кейс НИОКР

Кейс 1: установка индукционной закалки 30 кВт на 250 кГц — что внутри

Разберём конкретный кейс — закалочник поверхностной закалки шестерён модуля 4–6 мм. Глубина закалки 1,5 мм.

Исходные данные

• P_out = 30 кВт на нагрев заготовки
• Трёхфазный вход 380 В / 50 Гц
• Заготовка — сталь 40Х, шестерня Ø 180 мм
• Глубина закалки 1,5 мм
• Цикл: 8 с нагрев + 4 с охлаждение

Расчёт частоты

Сталь 40Х при 800 °C: ρ ≈ 1,2 мкОм·м, μ_r ≈ 1. f = 270 кГц → стандартное 250 кГц.

Силовой тракт

Узел 1. PFC-дроссель: Литц ПЭТ 705×0,15 мм, 80 витков, сердечник Hitachi AMCC-200. F_R = 1,18. Потери 90 Вт.

Узел 2. Инвертор: Полумост на двух Wolfspeed CAS300M12BM2. C_res = 5 × KEMET 22 нФ/2 кВ = 110 нФ. Потери 3,5 кВт (sw) + 690 Вт (cond) = 4,2 кВт.

Узел 3. ВЧ-кабель: Коаксиальный, Литц 200 Ф 630×0,1 мм внутр., 630×0,1 мм внеш., канал водяного охлаждения. Потери 50 Вт.

Узел 4. Согласующий трансформатор (1:5): Ferroxcube 3C95, ETD 59/31/22. Первичка Литц 200 фПЭ 255×0,1, 20 витков. Вторичка Литц 200 фПЭ 1260×0,1, 4 витка. P-S-P. F_R = 1,32. Потери 250 + 180 = 430 Вт.

Узел 5. Индуктор: Одновитковая медная трубка 8×8 мм. F_R = 4,3, длина 0,6 м. Потери 380 Вт.

Полный баланс мощности

P_out (нагрев заготовки)            = 30 000 Вт
─────────────────────────────────────────────
Потери в установке:
  PFC-дроссель                       =    90 Вт
  Транзисторы (переключение)         = 3 500 Вт
  Транзисторы (проводимость)         =   690 Вт
  ВЧ-кабель                          =    50 Вт
  Согласующий трансформатор          =   430 Вт
  Индуктор                           =   380 Вт
  Конденсаторы, шины, мост Грейтца   =   860 Вт
─────────────────────────────────────────────
P_total                              = 36 000 Вт
КПД установки                        =    83,3 %

КПД 83 % — нормальный показатель. Лучшие SiC-установки достигают 87–89 %, на оптимизациях — до 91 %.

Сколько литцендрата ушло

• PFC-дроссель: 705×0,15 мм, 32 м → 4,2 кг (72 %)
• ВЧ-кабель: 630×0,1 мм, 8 м → 1,3 кг (23 %)
• Согласующий трансформатор: первичка 4 м + вторичка 1,2 м → 0,3 кг (5 %)
• Индуктор — медная трубка, литцендрата нет

Рис. 2. Распределение литцендрата по узлам установки 30 кВт

Кейс 2: бытовая индукционная плита 3,5 кВт на GaN

Параллельный кейс из совсем другой области.

Исходные данные

• P_out = 3500 Вт, регулировка 200–3500 Вт
• Однофазный вход 220 В / 50 Гц
• Диаметр зоны 220 мм
• Высота моноблока не более 70 мм

Расчёт частоты

Для нержавейки с ферромагнитным покрытием при 200–300 °C: ρ ≈ 0,8 мкОм·м, μ_r от 100 до 30. Для δ_w = 1 мм: f ≈ 70 кГц. Реальная частота 80–100 кГц.

Силовой тракт

Здесь нет PFC и согласующего трансформатора в традиционном смысле. Установка построена по упрощённой single-stage топологии на GaN-полумосте напрямую к индуктору.

Узел 1. Выпрямитель + DC-link: 4 SiC диода Шоттки, CDE 947D × 6.

Узел 2. Полумост на GaN: GaN Systems GS-065-150-1-D2 (650 В, 8,5 мОм, C_oss ≈ 75 пФ). Драйверы TI LMG1210.

Узел 3. Резонансный конденсатор: WIMA FKP1 (1000 В, 0,33 мкФ × 4).

Узел 4. Индуктор — здесь и стоит литцендрат. Плоская спираль 28 витков, Ø 220 мм. Ток 25 А, сечение Cu 2 мм², серия 0,15 мм, каталог Литц ПЭТ 200×0,15 мм. F_R = 1,12. Потери 135 Вт.

Полный баланс мощности

P_out (нагрев посуды)            = 3 500 Вт
─────────────────────────────────────────
GaN-транзисторы (переключение)   =   55 Вт
GaN-транзисторы (проводимость)   =   65 Вт
Индуктор                         =  135 Вт
Конденсаторы, выпрямитель        =   45 Вт
─────────────────────────────────────────
P_total                          = 3 800 Вт
КПД установки                    =  92,1 %

КПД 92 % для бытовой плиты — отличный показатель. Типовая IGBT-плита 2018 — 86–88 %, премиум Miele/Bosch 2024 — 90–93 %.

Сколько литцендрата

• Индуктор: 200×0,15 мм, 28 витков по 0,55 м = 15,4 м → 0,38 кг

Никаких PFC и трансформаторов. Это всё.

Премиальные плиты 2024

В премиум-сегменте (Miele KMDA 7634, Bosch FlexInduction Pro, AEG TotalFlex) — полноповерхностные индукторы из множества катушек 60–80 мм. Каждая литцендратная, серия 0,1–0,15 мм, 80–150 жил. В Miele Triflex до 22 индивидуальных индукторов, всего ~1,5 кг литцендрата.

Типичные ошибки проектирования

Ошибка 1. Расчёт обмотки трансформатора только на основной частоте

При частотном регулировании в режимах низкой мощности гармоники до 10–15 %. Литцендрат на гармониках работает в 3–4 раза хуже. Обмотка греется на 20–30 °C выше расчётной. Решение: расчёт по SFD (метод квадрата производной поля) Салливана через FEMM с реальным спектром. Та же методика, что для LLC-конвертеров.

Ошибка 2. Недооценка теплового сопротивления изоляции

Фторопластовая плёнка при 150–180 °C теряет предел текучести. Витки «плывут», параметры контура уходят. Решение: PEEK вместо PTFE или эпоксидная заливка с SiO₂/Al₂O₃.

Ошибка 3. Игнорирование сопротивления соединений на ВЧ

Через скрутку или болтовое соединение на 250 кГц теряется 20–40 Вт без видимых признаков. ВЧ-сопротивление контакта в 5–10 раз выше DC. Решение: обжимные ВЧ-наконечники (Phoenix Contact NSWS) или лужение в ванне с припоем по методике из статьи про лужение.

Ошибка 4. Резонансные конденсаторы с электролитом

Электролиты не работают выше 100 кГц. На 250 кГц могут рассеивать до 30 % мощности. Решение: только плёночные (KEMET PHE850, WIMA FKP1, Vishay MKP) или керамические NP0/C0G.

Ошибка 5. Расчёт индуктора без учёта связи с заготовкой

Свободный индуктор и индуктор с заготовкой имеют разное сопротивление и индуктивность. Решение: 3D-FEMM с моделью заготовки. Для прецизионных задач — мультифизическая модель с изменением свойств материала во времени.

Ошибка 6. Экономия на классе нагревостойкости

Класс A (105 °C) на индукторе — лак деградирует за месяц-два. Решение: для мощности >1 кВт — минимум класс F (155 °C), для промышленных — класс 200 °C.

Рис. 3. Где течёт ток на 200 кГц — медная трубка vs литцендрат

Российская и мировая индустрия

Мировые лидеры

США: Inductotherm Group (плавильные до 5000 кВт), Ambrell Corporation (закалочные 2–500 кВт, серии EASYHEAT, EKOHEAT, ECOHEAT), Inductoheat.

Германия: EFD Induction (1–10000 кВт, поставки в BMW, VW, Daimler), eldec Schwenk, HIMMELWERK.

Япония: Fuji Electric, Yashima Densan Co.

Китай: Inductotherm China, Shenzhen GY, Shuangping Power — массовое производство до 100 кВт.

Россия: ВНИИТВЧ им. В.П. Вологдина (СПб, серии «Тор», «ВЧИ», «Тиристор», 5–1000 кВт), АО «РЭЛТЕК» (Екатеринбург), ООО «Парус-Электро» (Москва), АО «Малиен», АО «Завод Электрик».

Структура мирового потребления литцендрата

• Автомобильная (закалка, EV-зарядки, тяговые двигатели) — 35–40 %
• Металлургия и кузнечное — 20–25 %
• Бытовая техника — 15–20 %
• Сварка и пайка — 10 %
• Прецизионная электроника (МЭМС, медтехника, ювелирка) — 5–8 %
• НИОКР — 5–10 %

Тенденции 2024–2026

Массовый переход с IGBT на SiC в среднем и тяжёлом сегменте. EFD Sinac (2023) — все новые модели на SiC. Inductoheat StatiPower (2024) — SiC до 500 кГц. GaN остаётся до 5 кВт, но с прогнозом удешевления на 25–30 % к 2027 году.

Для производителей литцендрата — переход на более тонкие серии: 2018 серия 0,2 мм → 2025 серия 0,1 мм → 2028 серия 0,071 мм.

Что мы делаем под индукционные проекты

• Серия 0,2 мм — бытовые и промышленные индукторы 20–60 кГц
• Серия 0,15 мм — PFC-дроссели 80–150 кГц и низкочастотные трансформаторы
• Серия 0,1 мм — основная для согласующих трансформаторов и индукторов 150–400 кГц
• Серия 0,071 мм — ВЧ-трансформаторы и индукторы 400 кГц – 1 МГц
• Серия 0,05 мм (заказ) — МГц-инверторы на GaN

Базовые исполнения изоляции:

• Литц ПЭТ — PFC-дроссели на воздушном охлаждении, 155 °C, 1000 В
• Литц 200 фПЭ — самое востребованное для согласующих трансформаторов и индукторов, 200 °C, 5000 В
• Литц 200 Ф — ВЧ-кабели и высоковольтные обмотки, 200 °C, 3000 В
• Литц 200 ПИ — прецизионные трансформаторы, полиимид, 200 °C, 3500 В
• ЛитцА-200 — Арселон до 240 °C, прямой контакт с раскалённой заготовкой

Прямоугольная формовка (индекс «Пр») на любую серию.

Готового каталога «литц для индукционной закалки» не существует, как не существует каталога «трансформатор для серверного БП». Один и тот же по конструкции провод (например, 255×0,1 мм 200 °C) в первичке трансформатора 1:5 даёт F_R = 1,3, в индукторе той же установки уже 1,5, в PFC-дросселе другой установки — 1,2. Разница берётся из геометрии окна, числа слоёв, режима тока, расположения относительно зазоров и заготовки. Подбирать литцендрат имеет смысл под конкретный узел и режим, а не «вообще».

Открытое сотрудничество с разработчиками индукционного оборудования

КБ ДИАДА производит транспозиционный литцендрат серийно с 2020 года. Основная специализация — ТУ ДСГТ.685660.019ТУ (ТУ 27.32.11-019-59596873-2025).

Направление 1. Водоохлаждаемый литц-кабель серийного производства

Главное приоритетное направление 2026–2027. Нужен инженерный диалог с разработчиком: определение требований, выбор конструкции, НИОКР по разъёмам, совместные тепловые испытания. В обмен — локализация производства в России, индивидуальные ценовые условия, приоритет в сроках.

Направление 2. Литцендрат под прецизионные применения

Тонкие серии (0,071 и 0,05 мм) под бортовые зарядные станции EV, индукторы спецтехники, ВЧ-генераторы лабораторного класса.

Направление 3. НИОКР и опытные партии

Партии от 30 м в любой комбинации параметров, срок 2–4 недели. К каждой опытной партии — паспорт партии. Измерения F_R — задача стенда заказчика, мы консультируем.

Направление 4. Производственная кооперация

Долгосрочные контракты с прогнозируемыми объёмами. Перенастройка под любую конструкцию за несколько дней.

Как начать диалог

Через форму контакта с пометкой «индукционный нагрев». Достаточно ответить:

1. Какое индукционное оборудование вы разрабатываете?
2. Какие частоты, токи, мощности вас интересуют?
3. Какие узлы установки требуют литцендрата?
4. Нужно ли серийное снабжение или разовая партия?

«Индукционный нагрев в России растёт быстрее, чем экспертиза по нему. Мы видим, как разработчики тратят месяцы на подбор провода методом проб и ошибок, потому что не с кем посоветоваться. Мы хотим менять эту ситуацию — быть для отрасли инженерным партнёром, а не только поставщиком». — Игорь Топоров, генеральный директор ДИАДА

FAQ

Какой узел индукционной установки потребляет больше всего литцендрата?

Не индуктор. Главные потребители — согласующий ВЧ-трансформатор (4–8 кг на установку 30 кВт) и PFC-дроссель (3–5 кг). Сам индуктор — 1–3 кг, а часто и вовсе медная трубка без литцендрата. На 30 кВт уходит 8,5–18 кг литцендрата, ~75 % — трансформатор и PFC.

Почему в согласующем ВЧ-трансформаторе нельзя использовать медную трубку?

В трансформаторе обмотки уложены плотно, многослойно, окружены сердечником с ярким полем. У медной трубки F_R на 200 кГц — 8–15. Трансформатор превращается в нагреватель самого себя. Все производители — Inductotherm, Ambrell, EFD, Inductoheat — делают трансформаторы только на литцендрате.

Какую частоту индукционного нагрева выбрать под мою заготовку?

δ_w должна составлять 10–25 % от радиуса (объёмный прогрев) или равняться требуемой глубине упрочнения (поверхностная закалка). Для углеродистой стали: 1–10 кГц для болванок 100–300 мм, 20–100 кГц для валов и шестерён, 200–500 кГц для зубьев, 500 кГц – 2 МГц для проволоки, 2–13,56 МГц для ювелирки.

Когда медная трубка лучше литцендрата в индукторе?

В трёх случаях: частоты ниже 30 кГц на больших мощностях; индукционные плавильные печи у расплава 1200 °C; сложная геометрия одношагового штампованного индуктора под нестандартную деталь.

SiC или GaN — что выбрать для нового индукционного инвертора?

До 100 кГц — IGBT. 100 кГц – 1 МГц — SiC MOSFET (Wolfspeed C3M0021120K, Infineon CoolSiC, ROHM SCT4080KE). 1–13,56 МГц — только GaN HEMT (GaN Systems GS66516B). SiC даёт КПД 95–97 % на 100–500 кГц; GaN — единственный класс в готовых модулях выше 90 % на 1 МГц.

Что такое нанокристаллический сердечник VITROPERM и зачем он нужен в ВЧ-трансформаторе?

VITROPERM (VACUUMSCHMELZE) и FINEMET (Hitachi/Proterial) — сердечники из ленты Fe-Si-B-Cu-Nb. Индукция насыщения 1,2 Тл против 0,33 Тл у феррита — в 3–4 раза выше. Сердечник в 1,75 раза меньше по объёму. Критично для зарядных станций EV и встраиваемого оборудования.

Где взять водоохлаждаемый литцендратный кабель в России?

Серийного продукта с интегрированным водяным каналом в России пока нет. КБ ДИАДА имеет все технологические возможности для всех четырёх вариантов конструкции, но запускает это как направление под совместную разработку. Для запуска — форма контакта с пометкой «водоохлаждаемый индукционный литц-кабель».

Можно ли использовать литцендрат в индукционной плавильной печи?

Почти никогда. Плавильные печи 1–10 кГц с обмоткой у расплава 1200–1500 °C. Литцендрат не даёт выигрыша по F_R, тепловое излучение убивает полимерную изоляцию за дни. Стандарт — массивная медная шина с водяным охлаждением.

Какая глубина скин-слоя в меди на типичных частотах индукционного нагрева?

При 100 °C: 0,66 мм на 10 кГц, 0,21 мм на 100 кГц, 0,066 мм на 1 МГц, 0,018 мм на 13,56 МГц. По формуле δ ≈ 2,09 / √f (f в кГц, δ в мм).

Что происходит с обмоткой индуктора при проходе заготовки через точку Кюри?

Для углеродистой стали при 770 °C μ_r падает с 200 до 1, ρ растёт с 0,16 до 1,1 мкОм·м. δ_w увеличивается в 14 раз. Связь катушки с заготовкой ослабевает, мощность падает на 30–50 %. Лучшие установки (Ambrell, Inductoheat) подстраивают f_sw с шагом 100 Гц.