感应加热

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感应加热过程

感应加热与焦耳热效应基本类似,但有一个重要的不同之处:对材料进行加热的电流是通过电磁感应的方式产生的,这是一种非接触式的加热过程。

位于导电铜板上方的感应线圈几何模型。

位于一种导电材料(铜板)上方的感应线圈

位于一种导电材料(铜板)上方的感应线圈

通过在感应线圈上施加高频交流电,可以产生一个时变磁场。将被加热的材料(称为工件 )放置在磁场内,但不接触线圈。在交变电磁场的感应作用下,工件中会产生涡流,导致电阻损耗,从而达到对材料进行加热的目的。请注意,并非所有材料都可以实现感应加热,这种方法只适用于电导率较高的材料(如铜、金、铝等)。

该示意图显示铜板中通过感应加热产生的感应电流密度。 在 10 Hz 频率下,铜板中的感应电流密度。 在 10 Hz 频率下,铜板中的感应电流密度。

更进一步来说,高频电流会引起集肤效应,促使交流电在工件表面的薄层中流动;这反过来又使导体的电阻增加,最终使加热效应得到大幅提升。

与其他材料相比,铁金属更容易实现感应加热。其原因在于,除涡流以外,还有另一种加热机制在发挥作用。这种材料的铁晶体被交变磁场反复磁化和消磁,导致磁畴快速来回翻转,引起磁滞损耗,进而产生热量。

感应加热在设计中的应用

由此可见,在感应加热过程中,工件和感应线圈之间不发生物理接触。因为这个原因,这种方法可被用于对清洁度要求极高的工艺,比如半导体制造。

该图显示铜板内的磁通密度。 磁通密度。 磁通密度。

不仅如此,由于热量是在工件内部 产生,而不是先在其他位置产生,再作用于工件,因此这种加热方法非常高效。换句话说,通过感应加热,我们可以避免用于电气连接的表面产生热损失,从而提高整体加热效率。

感应加热过程涉及两种不同类型的物理现象:电磁和传热。由于某些材料属性与温度相关,这意味着它们在受热时会发生改变。对于这种情况,您可以考虑将这两种物理现象进行耦合分析。

该模型显示铜导体表面附近的集肤效应。 集肤效应:导体表面附近的电流密度非常高。 集肤效应:导体表面附近的电流密度非常高。

利用感应加热的创新设计

电磁炉便是利用感应加热的一种创新设计。在这一设计中,线圈放置在炉面下方,其电磁场作用在金属锅上。由于这种方式只能对高导电材料进行加热,因此金属锅会受热升温;然而,如果您将手放在炉面上,却并不会感到热。

在半导体工业中,人们也利用这一过程来加热硅材料。其他应用还包括密封、热处理、焊接,等等。

加热导致电能浪费的情况

尽管众多的产品和工艺都离不开感应加热技术带来的优势,然而在其中一种应用中,加热会造成电能的浪费:对于变压器而言,设计上很重要的一点是 让涡流通过磁芯内部。如果变压器的磁芯被涡流加热,那么不仅会浪费电能,还有可能导致更多问题,比如结构损伤。

发布日期:2014 年 11 月 6 日
上次修改日期:2017 年 2 月 21 日