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什么是感应加热?感应加热的原理及优点介绍

时间:2021-10-18 10:50:44 来源:青岛海越 点击:

什么是感应加热?
感应加热是一种快速有效的非接触式方法,通过施加波动磁场来加热金属和半导体等导电材料。近年来,由于其优于传统加热技术(电阻加热、火焰加热、烘箱、熔炉等)的优势,它已成为工业、医疗和家庭应用的首选加热技术之一。感应加热对于执行高精度或重复性操作特别有用。
 
感应加热的基础知识
在感应加热中,交流 (AC) 电源用于向感应加热线圈提供电流。结果,线圈产生交变磁场。当一个物体被放置在这个场中时,会发生两种加热效应:
 
磁滞损耗——这些只发生在磁性材料中,如铁、镍、钴等,这是由于材料在不同方向连续磁化时分子之间的摩擦。更高的磁场振荡频率导致更快的粒子运动,这会导致更多的摩擦,从而产生更多的热量。
涡流损耗——由于波动的磁场会产生电流,因此会在任何导电材料中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,在非磁性材料中没有观察到磁滞现象,如果加热到特定温度(所谓的居里点)以上,磁性材料就会失去磁性。
 
由于趋肤效应,涡流还取决于磁场频率——在高频下,电流靠近导体表面流动。这种特殊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。
 
在感应线圈导体内部也观察到趋肤效应。因此,可以使用管道代替实心电线。当电流流过电感器时,由于焦耳效应,观察到类似的电阻损耗。为了防止线圈熔化和损坏,通常采用水冷却。
 什么是感应加热?感应加热的原理及优点介绍
感应加热的优点
与一些经典的加热技术(电阻加热、火焰加热、熔炉等)相比,感应加热具有以下优点:
 
1.缩短时间——通过感应加热,目标被直接加热,从而减少了加热时间和浪费的热量。这种方法提供了高功率密度和低热惯性或没有热惯性。
2.高效率——由于电源转换器和线圈的正确设计,效率值高于 90%。此外,由于环境热损失显着减少,因此可以快速轻松地达到高温。
3.改进的控制——通过适当的线圈设计和功率转换器的控制,可以实现对加热功率的精确调节。结果,可以实现附加特征,例如局部加热和预热、预定义的温度分布。
4.工业自动化选项——感应加热可以提高生产率和过程质量。由于加热是非接触式的(不受加热工具的干扰),因此质量得到了额外保证。
5.安全性和清洁度- 没有热或空气污染,因为目标是直接加热的,不使用燃料物质。
 
感应加热的创新与未来发展
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。在未来几年,预计以下主题将引起重大关注:
 
1.效率提升——随着半导体技术的改进,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提供了更高的效率。这些努力的目的不仅是提高感应加热系统的性能,而且是提高其可靠性。
2.具有多个线圈的感应加热器——使用多个同时运行的线圈可以实现更好的热分布、更高的性能和灵活性。这些系统代表了一项重大的技术突破,不仅在工业中而且在家庭应用中也越来越普遍。应努力优化多输出功率转换器设计和高级控制算法。另一个需要考虑的问题是各个线圈之间的耦合效应。
3.高级控制——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电源转换器操作。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,预计会提高瞬态过程的性能和优化。
4.特殊应用——随着技术的发展,感应加热应用的范围有望进一步扩大。低电阻材料的加热以及用于医疗目的的生物组织的加热是特别感兴趣的主题。还有其他应用需要进一步研究以优化工艺参数。
 
感应加热的历史
感应加热最早是由迈克尔法拉第在研究磁铁在导线中感应电流时发现的。感应加热的基本原理后来由 James C. Maxwell 在他的电磁统一理论中建立和发展。James P. Joule 是第一个描述电流流过导电材料的热效应的人。
 
1887 年,Sebastian Z. de Ferranti 提出了用于金属熔化的感应加热,并申请了感应加热工业应用的第一项专利。FA Kjellin 于 1891 年推出了第一台全功能感应炉,1916 年 Edwin F. Northrup 实施了感应加热的第一个高频炉应用。
 
在第二次世界大战及之后,感应加热技术的使用受到飞机和汽车工业的推动。感应加热不仅用于金属熔炼,还用于先进的材料处理,显着扩大了感应加热的应用范围。
 
使用新功率半导体技术开发固态发电机为 IH 提供了超越工业环境的潜力。自 80 年代后期以来,出现了不同的国内应用程序。近年来,人们对用于医疗的感应加热产生了特殊的兴趣,因为这种方法可提供精确且有针对性的局部加热。
 
今天,感应加热技术为各种应用提供了高效可靠的系统。

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