Podstawy ogrzewania indukcyjnego
Ogrzewanie indukcyjne ma miejsce w przewodzącym elektrycznie obiekcie (niekoniecznie ze stali magnetycznej), gdy obiekt jest umieszczony w zmiennym polu magnetycznym. Nagrzewanie indukcyjne wynika z histerezy i strat wiroprądowych.
Ogrzewanie indukcyjne jest procesem podgrzewania obiektu przewodzącego prąd elektryczny (zwykle metalu) za pomocą indukcji elektromagnetycznej przez ciepło wytwarzane w obiekcie przez prądy wirowe. Nagrzewnica indukcyjna składa się z elektromagnesu i elektronicznego oscylatora, który przepuszcza prąd przemienny o wysokiej częstotliwości (AC) przez elektromagnes. Szybko przemienne pole magnetyczne przenika do obiektu, wytwarzając prądy elektryczne wewnątrz przewodnika, zwane prądami wirowymi. Prądy wirowe przepływające przez opór materiału ogrzewają go przez ogrzewanie Joule'a. W materiałach ferromagnetycznych (i ferrimagnetycznych), takich jak żelazo, ciepło może być również generowane przez straty histerezy magnetycznej. Częstotliwość wykorzystywanego prądu zależy od wielkości obiektu, rodzaju materiału, sprzężenia (między cewką roboczą a przedmiotem do ogrzania) oraz głębokości penetracji.
Straty histerezy występują tylko w materiałach magnetycznych, takich jak stal, nikiel i bardzo niewiele innych. Strata histerezy stwierdza, że jest to spowodowane tarciem między cząsteczkami, gdy materiał jest namagnesowany najpierw w jednym kierunku, a następnie w drugim. Cząsteczki mogą być uważane za małe magnesy, które obracają się z każdym odwróceniem kierunku pola magnetycznego. Praca (energia) jest wymagana, aby je odwrócić. Energia zamienia się w ciepło. Tempo wydatkowania energii (mocy) wzrasta wraz ze wzrostem szybkości odwracania (częstotliwości).
Straty wiroprądowe występują w jakimkolwiek przewodzącym materiale w zmiennym polu magnetycznym. Powoduje to kurs, nawet jeśli materiały nie mają żadnych właściwości magnetycznych zwykle związanych z żelazem i stalą. Przykładami są: miedź, mosiądz, aluminium, cyrkon, niemagnetyczna stal nierdzewna i uran. Prądy wirowe są prądami elektrycznymi indukowanymi przez działanie transformatora w materiale. Jak sugeruje ich nazwa, wydają się płynąć w wirach na wirach w masie materiału. Straty wiroprądowe są znacznie ważniejsze niż straty histerezy w ogrzewaniu indukcyjnym. Należy zauważyć, że ogrzewanie indukcyjne jest stosowane do materiałów niemagnetycznych, w których nie występują straty histerezy.
Do ogrzewania stali do hartowania, kucia, topienia lub do jakichkolwiek innych celów, które wymagają temperatury wyższej od temperatury Curie, nie możemy polegać na histerezie. Stal traci swoje właściwości magnetyczne powyżej tej temperatury. Kiedy stal jest ogrzewana poniżej punktu Curie, udział histerezy jest zwykle tak mały, że można go zignorować. Ze wszystkich praktycznych zastosowań, I2R prądów wirowych jest jedynym sposobem, w którym energia elektryczna może zostać przekształcona w ciepło do celów indukcyjnego ogrzewania.
Dwie podstawowe rzeczy do wystąpienia nagrzewania indukcyjnego:
- Zmieniające się pole magnetyczne
- Materiał przewodzący elektryczność umieszczony w polu magnetycznym