高频加热 ,即 感应加热 是一种利用 电磁感应 来加热 电导体 (一般是金属)的方式,会在金属中产生 涡电流 ,因 电阻 而造成金属的 焦耳 加热。感应 加热器 包括一个 电磁铁 ,其中会通过高频的 交流电 ,若物体有较大的 磁导率 ,也可能会因为磁迟滞现象的损失而产生热。使用的交流频率依欲加热物品的尺寸金属种类,加热 线圈 和欲加热物品的 耦合 程度以及渗透深度来决定。
电磁感应
电磁感应 ( 英语 :Electromagneticinduction ),是指放在变化 磁通量 中的 导体 ,会产生 电动势 。此电动势称为 感应电动势 或 感生电动势 ,若将此导体闭合成一回路,则该电动势会驱使 电子 流动,形成 感应电流 ( 感生电流 )。
迈克尔·法拉第 是一般被认定为于1831年发现了感应现象的人,虽然FrancescoZantedeschi在1829年的工作可能对此有所预见。法拉第发现产生在闭合回路上的电动势和通过任何该路径所包围的 曲面 的磁通量的变化率成正比,这意味着,当通过导体所包围的曲面的磁通量变化时,电流会在任何闭合导体内流动。这适用于当 磁场 本身变化时或者 导体 运动于磁场时。 电磁感应 是 发电机 、感应 马达 、变压器和大部分其他电力设备的操作的基础。
定律
感应 电动势 由法拉第 电磁感应定律 给出: 其中是单位为 伏特 的电动势, 是单位为韦伯的 磁通量 。当趋近于零时,此式表示瞬时感应电动势,否则表示一段时间的平均感应电动势。
对于除了特殊情况外,一般来说,绕着同一区域有N匝回路的 线圈 ,电磁感应的法拉第电磁感应定律表明
其中是单位为伏特的 电动势 , N 是线圈匝数, 是单位为韦伯的穿过一个回路的磁通量。
进一步的, 楞次定律 给出了感应电动势的方向如下:
电路上所诱导出的电动势的方向,总是使得它所驱动的电流,会阻碍原先产生它(即电动势)的 磁通量 之变化。
所以楞次定律决定了上面 方程 中的负号。
动生电动势
导体 以垂直于 磁感线 的方向在 磁场 中运动,在同时垂直于磁场和运动方向的两端产生的电动势,称为动生电动势。
动生电动势是由于导体中 载流子 在磁场中运动受到垂直于磁场和运动方向的洛仑兹力的作用,在导体内移动的结果。当洛仑兹力和导体内 电压 产生的电场力平衡时,导体两端 电动势 稳定。此时:
是导体两端电动势,是磁感应强度,是产生电动势的两端的距离,是导体运动速度。
导体棒接入一个回路时,动生电动势也可以认为是由于导体运动,使得回路面积改变而使 磁通量 变化,产生的电动势。
感生电动势
由于 导体 置于变化的 电场 而产生的电动势,称为感生电动势。变化的 磁场 会产生 涡旋 电场,导体中 载流子 在其中运动一周降低的电动势就是感生电动势,满足:
应用
感应加热可以针对一些物件在特定的部分加热,可以应用在表面硬化、熔化、硬焊、软钎[qiān]焊,以及加热物件来和其他物件配合。铁和钢因为其铁磁性的特性,对感应加热有最佳的反应,不过任何金属都会因为感应加热产生 涡电流 ,而磁性材料则会产生磁滞现象。感应加热已被用来加热液态的 导体 (例如熔融的金属)及等离子的导体(例如感应等离子技术)。感应加热也可以用来加热石墨坩埚(其中放置其他材料)。广泛的在半导体产业中加热硅或是其他半导体材料。电网频率(50/60Hz)感应加热因为不需要额外的逆变器产生其他频率的交流电,常用在许多低成本的工业应用中。
感应电炉
感应电炉用感应的方式来熔化金属。在熔化后,高频的 磁场 也可以搅动金属,若是制作合金时可以确保加入的金属和原金属充份混合。大部分的感应电炉包括一个 水冷 的铜环, 外层 包着一层耐热材料。感应电炉比 反射炉 及 高炉 要环保,在熔化金属时,已经取代这二种 生产方式 ,成为现代工厂常用的 清洁生产 方式。可加热金属的量从一公斤到数百公吨不等。在运行时,感应电炉多半会有高频率的嗡嗡声,依其工作频率而变。可以处理的金属包括铁及钢、铜、铝及贵金属。因为 感应电炉 是清洁的非接触制程,可以用在真空或是在惰性气体的环境中。有些特殊的钢或是合金在空气中加热会氧化,这类合金或钢就可以用真空电炉来生产。
感应电焊
感应电焊是和感应电炉类似,但规模较小的加工方法。若塑胶中加入了铁磁性的颗粒(材料中磁滞的特性在感应时生热)或金属颗粒,也可以用感应电焊来焊接。
管件的缝隙也可以用此方式焊接。在缝隙附近引入的电流加热材料,最后产生可以焊接的高温。此时缝隙两侧的材料会受力互相接近,焊接缝隙。电流也可以用电刷传导到管件中,但结果是一样的,缝隙附近的材料加热而焊接。
电磁炉
在电磁炉中,感应 线圈 加热锅具中铁制底部,铜、铝或其他非铁材料的锅具则不能配合电磁炉使用。电磁炉加热时,锅具底部的热会由 热传导 方式传导到食物中。电磁炉的好处有效率、安全性及速度。电磁炉有固定式的,也有移动式的。
感应硬焊
感应硬焊一般会用在高产量的生产制程中,可以产生一致性的结果,而且有高度可重复性。
感应密封
感应密封用在食品及制药业中,在瓶子或罐子的开口处放了一片 铝箔 ,用感应的方式加热,使其和容器密合。这就形成一个防止更改内容物的密封,因为更改内容物需要破坏铝箔。
加热配合
感应加热 也可以用在组装时,将某一零件加热,以便和其他零件组合。轴承一般是用此方式,以电网频率(50/60Hz)加热,感应时有一个材料为叠层钢的变压器 型芯 穿过轴承中心。
热处理
感应加热常用在金属件的热处理,最见的应用是钢件的感应硬化,为了结合金属件所做的 硬焊 及 软钎焊 ,以及钢件中要软化部位的 退火 。
感应加热可以产生高的功率密度,可以在短的接触时间内达到要求的温度,可以调整 磁场 来精准调整要加热的部分,减少热变形及损坏。
上述的热处理可以用来作局部硬化,产生有不同性质的零件。常见的硬化应用是产生一块局部硬化耐蚀的区域,但又可以保持其他部分的韧性。可以调整感应频率、功率密度及接触时间来调整感应硬化的深度。
此制程在灵活性上有受限,因此在一些应用中需要制作特别的 电感 器,一般都很贵,而且需要在小的铜线电感中产生大的 电流密度 ,需要特殊的 工程技术 及 铜 fitting。
塑胶加工
感应加热 用在塑胶的射出机中,感应加热提高射出及挤出制程的 能源效率 。热直接在机器内部产生,减少暖机时间以及能量消耗。感应 线圈 可以放在隔热层的外部,因此可以在较低温下工作,延长寿命。工作频率一般由30kHz到5kHz之间,若机器越薄,工作频率越低。感应加热也可以用在模具中,提供更平均的模具温度,产品的品质也可以提高。
细节
感应加热用的电源一般是低电压大电流的 交流电 。要加热的工件放在由交流电驱动的电磁线圈中,一般会配合 电容器 ,设置为LC电路以产生虚功率,交流 磁场 产生了工件中的 涡电流 。
磁性材料因为其 磁滞现象 ,会加强其加热的效果。高相对 磁导率 (100–500)的材料也比较容易加热,磁滞发生在 居里点 以下,此时材料仍维持原有的磁性质。工件在低于 居里 温度时的高磁导率相当的有用。温度差、比热及质量都会影响工件的加热。
感应加热 的能量转换会受到 线圈 及工件之间距离的影响。能量的损耗包括有工作到 夹具 之间的 热传导 、热对流及 热辐射 。
感应 线圈 一般是用 铜管 制成,而且是用 水冷 冷却,直径、形式及绕线圈数影响效率及 磁场 造型。