感应加热是一种高效、快速的方法,它利用磁场以非接触方式加热金属和半导体等导电材料。由于与电阻、火焰和烤箱/熔炉等传统加热技术相比,该方法具有许多优点,因此在工业、医疗和家庭应用中越来越受欢迎。感应加热有利于高精度或重复性操作,其中一致的加热和温度控制对于最终产品的质量和可重复性至关重要。
在感应加热中,交流 (AC) 源用于向感应加热线圈提供电流。结果,线圈产生交变磁场。当物体放置在该场中时,会发生两种加热效应:
磁滞损耗——这种损耗仅发生在铁、镍、钴等磁性材料中,这是由于当材料在不同方向上连续磁化时分子之间的摩擦造成的。较高的磁场振荡频率会导致更快的粒子运动,从而导致更多的摩擦,从而产生更多的热量。
涡流损耗——由于波动磁场感应的电流,这些损耗在任何导电材料中都会以焦耳热效应的形式出现。
这两种效应都会导致被处理物体的加热,但第二种效应是 IH 工艺中最常见的主要热源。此外,在非磁性材料中观察不到磁滞现象,而磁性材料如果加热到特定温度(所谓的居里点)以上,就会失去其磁性特性。
由于集肤效应,涡流还取决于磁场频率- 在高频下,电流靠近导体表面流动。这种特异性用于控制感应加热过程的穿透深度。因此,可以加热整个物体或仅加热其特定部分(例如,仅表面)。因此,感应加热可用于不同的应用——从金属熔化到钎焊和表面硬化。
尽管感应加热系统作为一项技术已经成熟,但现代技术的发展不断为新的研究趋势和工业兴趣提供选择。未来几年,以下主题预计将引起人们的极大兴趣:
效率提高——随着半导体技术的进步,感应加热系统有望实现更高的效率。此外,特殊的线圈形状和设计可提高效率。这些努力的目的不仅是提高感应加热系统的性能,而且提高其可靠性。
具有多个线圈的感应加热器——使用多个同时工作的线圈可以实现更好的热量分布、更高的性能和灵活性。这些系统代表了重大技术突破,不仅在工业领域而且在家庭应用中越来越普遍地实施。应努力优化多输出功率转换器设计和先进控制算法。另一个需要考虑的问题是各个线圈之间的耦合效应。
先进的控制——需要强大的控制算法来为不同的感应加热负载和工作点提供适当的功率转换器操作。多线圈系统的控制是另一个挑战。通过实施具有自适应算法的实时识别控制单元,有望提高性能并优化瞬态过程。
特殊应用——随着技术的发展,感应加热应用的范围预计会进一步扩大。低电阻率材料的加热以及用于医疗目的的生物组织的加热是特别令人感兴趣的主题。还有其他应用需要进一步研究以优化工艺参数。
感应加热是由迈克尔·法拉第(Michael Faraday)在研究磁铁在电线中感应电流时首次发现的。感应加热的基本原理后来由 James C. Maxwell 在他的统一电磁理论中建立和发展。詹姆斯·焦耳 (James P. Joule) 是第一个描述电流流经导电材料的热效应的人。
1887年,Sebastian Z. de Ferranti提出用感应加热来熔化金属,并提交了第一个关于感应加热工业应用的专利。第一台全功能感应炉由 FA Kjellin 于 1891 年提出,第一台感应加热高频炉应用由 Edwin F. Northrup 于 1916 年实现。
第二次世界大战期间及之后,飞机和汽车工业推动了感应加热技术的使用。感应加热不仅用于金属熔化,还用于先进的材料处理,这显着扩大了感应加热的应用范围。
使用新功率半导体技术的固态发电机的开发为工业环境之外的 IH 提供了潜力。自20世纪80年代末以来,国内出现了不同的应用。近年来,人们对用于医疗的感应加热产生了特别的兴趣,因为这种方法可以提供精确且有针对性的局部加热。
如今,感应加热技术为各种应用提供了高效、可靠的系统。