感應(yīng)加熱是一種快速有效的非接觸式方法，通過(guò)施加波動(dòng)磁場(chǎng)來(lái)加熱金屬和半導(dǎo)體等導(dǎo)電材料。近年來(lái)，由于其優(yōu)于傳統(tǒng)加熱技術(shù)（電阻加熱、火焰加熱、烘箱、熔爐等）的優(yōu)勢(shì)，它已成為工業(yè)、醫(yī)療和家庭應(yīng)用的首選加熱技術(shù)之一。感應(yīng)加熱對(duì)于執(zhí)行高精度或重復(fù)性操作特別有用。
感應(yīng)加熱的基礎(chǔ)知識(shí)
在感應(yīng)加熱中，交流 (AC) 電源用于向感應(yīng)加熱線圈提供電流。結(jié)果，線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。當(dāng)一個(gè)物體被放置在這個(gè)場(chǎng)中時(shí)，會(huì)發(fā)生兩種加熱效應(yīng)：
磁滯損耗——這些只發(fā)生在磁性材料中，如鐵、鎳、鈷等，這是由于材料在不同方向連續(xù)磁化時(shí)分子之間的摩擦。更高的磁場(chǎng)振蕩頻率導(dǎo)致更快的粒子運(yùn)動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致更多的摩擦，從而產(chǎn)生更多的熱量。
渦流損耗——由于波動(dòng)的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電流，因此會(huì)在任何導(dǎo)電材料中以焦耳熱效應(yīng)的形式出現(xiàn)。
這兩種效應(yīng)都會(huì)導(dǎo)致被處理物體的加熱，但第二種效應(yīng)是 IH 工藝中最常見的主要熱源。此外，在非磁性材料中沒(méi)有觀察到磁滯現(xiàn)象，如果加熱到特定溫度（所謂的居里點(diǎn)）以上，磁性材料就會(huì)失去磁性。
由于趨膚效應(yīng)，渦流還取決于磁場(chǎng)頻率——在高頻下，電流靠近導(dǎo)體表面流動(dòng)。這種特殊性用于控制感應(yīng)加熱過(guò)程的穿透深度。因此，可以加熱整個(gè)物體或僅其特定部分（例如，僅表面）。因此，感應(yīng)加熱可用于不同的應(yīng)用——從金屬熔化到釬焊和表面硬化。
在感應(yīng)線圈導(dǎo)體內(nèi)部也觀察到趨膚效應(yīng)。因此，可以使用管道代替實(shí)心電線。當(dāng)電流流過(guò)電感器時(shí)，由于焦耳效應(yīng)，觀察到類似的電阻損耗。為了防止線圈熔化和損壞，通常采用水冷卻。
與一些經(jīng)典的加熱技術(shù)（電阻加熱、火焰加熱、熔爐等）相比，感應(yīng)加熱具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1.縮短時(shí)間——通過(guò)感應(yīng)加熱，目標(biāo)被直接加熱，從而減少了加熱時(shí)間和浪費(fèi)的熱量。這種方法提供了高功率密度和低熱慣性或沒(méi)有熱慣性。
2.高效率——由于電源轉(zhuǎn)換器和線圈的正確設(shè)計(jì)，效率值高于 90%。此外，由于環(huán)境熱損失顯著減少，因此可以快速輕松地達(dá)到高溫。
3.改進(jìn)的控制——通過(guò)適當(dāng)?shù)木€圈設(shè)計(jì)和功率轉(zhuǎn)換器的控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱功率的精確調(diào)節(jié)。結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)附加特征，例如局部加熱和預(yù)熱、預(yù)定義的溫度分布。
4.工業(yè)自動(dòng)化選項(xiàng)——感應(yīng)加熱可以提高生產(chǎn)率和過(guò)程質(zhì)量。由于加熱是非接觸式的（不受加熱工具的干擾），因此質(zhì)量得到了額外保證。
5.安全性和清潔度- 沒(méi)有熱或空氣污染，因?yàn)槟繕?biāo)是直接加熱的，不使用燃料物質(zhì)。
感應(yīng)加熱的創(chuàng)新與未來(lái)發(fā)展
盡管感應(yīng)加熱系統(tǒng)作為一項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成熟，但現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展不斷為新的研究趨勢(shì)和工業(yè)興趣提供選擇。在未來(lái)幾年，預(yù)計(jì)以下主題將引起重大關(guān)注：
1.效率提升——隨著半導(dǎo)體技術(shù)的改進(jìn)，感應(yīng)加熱系統(tǒng)有望實(shí)現(xiàn)更高的效率。此外，特殊的線圈形狀和設(shè)計(jì)提供了更高的效率。這些努力的目的不僅是提高感應(yīng)加熱系統(tǒng)的性能，而且是提高其可靠性。
2.具有多個(gè)線圈的感應(yīng)加熱器——使用多個(gè)同時(shí)運(yùn)行的線圈可以實(shí)現(xiàn)更好的熱分布、更高的性能和靈活性。這些系統(tǒng)代表了一項(xiàng)重大的技術(shù)突破，不僅在工業(yè)中而且在家庭應(yīng)用中也越來(lái)越普遍。應(yīng)努力優(yōu)化多輸出功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)和高級(jí)控制算法。另一個(gè)需要考慮的問(wèn)題是各個(gè)線圈之間的耦合效應(yīng)。
3.高級(jí)控制——需要強(qiáng)大的控制算法來(lái)為不同的感應(yīng)加熱負(fù)載和工作點(diǎn)提供適當(dāng)?shù)碾娫崔D(zhuǎn)換器操作。多線圈系統(tǒng)的控制是另一個(gè)挑戰(zhàn)。通過(guò)實(shí)施具有自適應(yīng)算法的實(shí)時(shí)識(shí)別控制單元，預(yù)計(jì)會(huì)提高瞬態(tài)過(guò)程的性能和優(yōu)化。
4.特殊應(yīng)用——隨著技術(shù)的發(fā)展，感應(yīng)加熱應(yīng)用的范圍有望進(jìn)一步擴(kuò)大。低電阻材料的加熱以及用于醫(yī)療目的的生物組織的加熱是特別感興趣的主題。還有其他應(yīng)用需要進(jìn)一步研究以優(yōu)化工藝參數(shù)。
感應(yīng)加熱的歷史
感應(yīng)加熱最早是由邁克爾法拉第在研究磁鐵在導(dǎo)線中感應(yīng)電流時(shí)發(fā)現(xiàn)的。感應(yīng)加熱的基本原理后來(lái)由 James C. Maxwell 在他的電磁統(tǒng)一理論中建立和發(fā)展。James P. Joule 是第一個(gè)描述電流流過(guò)導(dǎo)電材料的熱效應(yīng)的人。
1887 年，Sebastian Z. de Ferranti 提出了用于金屬熔化的感應(yīng)加熱，并申請(qǐng)了感應(yīng)加熱工業(yè)應(yīng)用的第一項(xiàng)專利。FA Kjellin 于 1891 年推出了第一臺(tái)全功能感應(yīng)爐，1916 年 Edwin F. Northrup 實(shí)施了感應(yīng)加熱的第一個(gè)高頻爐應(yīng)用。
在第二次世界大戰(zhàn)及之后，感應(yīng)加熱技術(shù)的使用受到飛機(jī)和汽車工業(yè)的推動(dòng)。感應(yīng)加熱不僅用于金屬熔煉，還用于先進(jìn)的材料處理，顯著擴(kuò)大了感應(yīng)加熱的應(yīng)用范圍。
使用新功率半導(dǎo)體技術(shù)開發(fā)固態(tài)發(fā)電機(jī)為 IH 提供了超越工業(yè)環(huán)境的潛力。自 80 年代后期以來(lái)，出現(xiàn)了不同的國(guó)內(nèi)應(yīng)用程序。近年來(lái)，人們對(duì)用于醫(yī)療的感應(yīng)加熱產(chǎn)生了特殊的興趣，因?yàn)檫@種方法可提供精確且有針對(duì)性的局部加熱。
今天，感應(yīng)加熱技術(shù)為各種應(yīng)用提供了高效可靠的系統(tǒng)。
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