什么是感应加热?感应加热的工作原理

感应加热是一种用于粘合,硬化或软化金属或其他导电材料的过程。对于许多现代制造工艺而言,感应加热提供了速度,一致性和控制性的完美结合。

自1920年代以来,感应加热的基本原理已被理解并应用于制造业。在第二次世界大战期间,该技术迅速发展,可满足战时的紧急要求,以快速,可靠地对金属发动机零件进行硬化。最近,对精益制造技术的关注以及对改进质量控制的关注,导致了感应技术的重新发现,以及对精确控制的全固态感应电源的开发。

是什么使这种加热方法如此独特?在最常见的加热方法中,将炬管或明火直接施加到金属零件上。但是对于感应加热,实际上是通过循环电流在零件本身内部“感应”热量。

感应加热原理

感应加热依赖于射频(RF)能量的独特特性-电磁频谱中低于红外和微波能量的那部分。由于热量是通过电磁波传递给产品的,因此该零件永远不会直接与任何火焰接触,因此电感器本身不会变热,也不会污染产品。正确设置后,该过程将变得非常可重复且可控制。

感应加热的工作原理

感应加热到底如何工作?它有助于对电原理有一个基本的了解。当交流电施加到变压器的初级时,会产生交流磁场。根据法拉第定律,如果变压器的次级绕组位于磁场内,则会感应出电流。

基本感应加热设置中,固态RF电源通过感应器(通常是铜线圈)发送交流电流,并将要加热的零件(工件)放在感应器内部。电感器用作变压器的初级,被加热的部分成为短路的次级。当金属零件放置在感应器内并进入磁场时,零件内会感应出涡流。

电磁辐射

这些涡流逆着金属的电阻率流动,产生精确的局部热量,而零件与电感器之间没有任何直接接触。这种加热同时发生在磁性和非磁性部件上,通常被称为“焦耳效应”,指的是焦耳的第一定律–一种科学公式,表示通过导体的电流产生的热量之间的关系。

其次,通过滞后现象会在磁性零件内产生额外的热量–磁性零件通过电感时会产生内部摩擦。磁性材料自然可以为电感器中迅速变化的磁场提供电阻。这种阻力会产生内部摩擦,进而产生热量。

因此,在加热材料的过程中,感应器和零件之间没有接触,也没有燃烧气体。可以将待加热的材料放置在与电源隔离的环境中。浸没在液体中,在孤立的物质中,在气态大气中或什至在真空中。
要考虑的重要因素
用于特定应用的感应加热系统的效率取决于几个因素:零件本身的特性,电感器的设计,电源的容量以及应用所需的温度变化量。

零件的特征

金属或塑料

首先,感应加热仅直接对导电材料(通常为金属)起作用。通常可以通过首先加热导电金属基座来间接加热塑料和其他非导电材料,该金属基座将热量传递给非导电材料。

磁性或非磁性

加热磁性材料比较容易。除了涡流感应的热量外,磁性材料还通过所谓的磁滞效应(如上所述)产生热量。在高于“居里”点的温度(磁性材料失去其磁性)的温度下,这种作用不再发生。磁性材料的相对电阻在“导磁率”等级为100到500之间;非磁性材料的磁导率是1,磁性材料的磁导率可以高达500。

厚或薄

使用导电材料时,约有85%的加热效果发生在零件的表面或“皮肤”上。加热强度随着与表面距离的增加而减小。因此,较小或较薄的部件通常比较大的较厚的部件加热更快,尤其是在较大的部件需要完全加热的情况下。

研究表明,交流电的频率与穿透的加热深度之间存在关系:频率越高,零件的加热越浅。100至400 kHz的频率会产生相对较高的能量热量,非常适合快速加热较小的零件或较大零件的表面/皮肤。对于较深的穿透性热量,在5至30 kHz的较低频率下较长的加热周期已被证明是最有效的。

电阻率

如果您使用完全相同的感应过程来加热两个相同尺寸的钢和铜,结果将大不相同。为什么?钢–以及碳,锡和钨–具有高电阻率。由于这些金属强烈抵抗电流流动,因此热量会迅速累积。低电阻率的金属,例如铜,黄铜和铝,需要更长的时间加热。电阻率随温度增加而增加,因此非常热的钢片比寒冷的钢片更容易感应加热。

电感设计

在感应器内部,感应电流所需的变化磁场是通过交流电的流动而产生的。因此,电感器设计是整个系统最重要的方面之一。设计良好的电感器可为您的零件提供合适的加热方式,并最大程度地提高感应加热电源的效率,同时仍可轻松插入和卸下零件。

电源容量

加热特定零件所需的感应电源的尺寸可以轻松计算。首先,必须确定需要向工件传递多少能量。这取决于被加热材料的质量,材料的比热以及所需的温度升高。还应考虑传导,对流和辐射引起的热损失。

需要的温度变化程度

最后,针对特定应用的感应加热效率取决于所需的温度变化量。可以适应各种温度变化;根据经验,通常使用更多的感应加热功率来增加温度变化的程度。

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