Индукционный нагрев начинается с катушки из проводящего материала, такого как медь. Устройство индукционного нагрева представляет собой форму конструкции трансформатора с «открытым» воздушным сердечником без обычного сердечника, используемого для сдерживания магнитного потока и максимального КПД. Когда ток течет через катушку, он создает магнитное поле внутри и вокруг катушки.

Этот первичный ток должен быть непостоянным, непостоянным, переменным током (AC), чтобы работала индукция трансформатора, опять же после открытия Фарадея (мы рассмотрим частоту этого переменного тока позже). Способность магнитного поля совершать работу зависит от конструкции катушки, а также от величины тока, протекающего через катушку.

Ведомая катушка индуктивности служит первичной стороной трансформатора, в то время как нагреваемая часть, часто называемая заготовкой, становится вторичной стороной (даже если это низкоомное или даже короткое замыкание. Когда магнитное (ферромагнитное) или немагнитное часть из черного металла помещается в индуктор и входит в магнитное поле переменного тока, внутри части индуцируются циркулирующие токи, называемые вихревыми токами (Рисунок 2) .

Ток, проходящий через вторичную сторону, пропорционален обратному квадрату расстояния между ними. Поскольку нет магнитного сердечника для направления и ограничения потока, вторичная сторона или заготовка обычно окружена первичной катушкой, чтобы максимизировать передачу передачи магнитной энергии ( Рисунок 3) . ( Это не относится к конструкциям бытовой техники, обсуждаемым в Части 4 ).

Поскольку вихревые токи протекают через среду, движению электронов будет оказываться некоторое сопротивление. Вихревые токи текут против удельного электрического сопротивления металла и генерируют локализованное тепло без прямого контакта между деталью и индуктором.

Таким образом, индукционный нагрев является формой нагрева I ² R, за исключением того, что «соединение» между источником питания и нагревательным элементом не является прямым проводным соединением с потоком электронов. Вместо этого это переменное магнитное поле, которое заставляет электроны двигаться — это ток — и это движение электронов встречает сопротивление в виде удельного сопротивления металла, что затем вызывает нагрев.

Этот нагрев происходит как с магнитными, так и с немагнитными электропроводящими частями. С точки зрения физики это часто называют «эффектом Джоуля», ссылаясь на первый закон Джоуля, который определяет взаимосвязь между теплом, выделяемым электрическим током при его прохождении через проводник.

В некоторых случаях работает еще один нагревательный механизм. Дополнительное тепло вырабатывается внутри магнитных деталей за счет гистерезиса и гистерезисного нагрева — внутреннего трения, которое создается, когда магнитные материалы проходят через меняющиеся магнитные поля, которые изменяют магнитную полярность компонента. Это сопротивление также создает внутреннее трение, которое, в свою очередь, производит тепло.

Однако этот вторичный эффект гистерезисного нагрева проявляется только в компоненте до температуры Кюри, температуры, при которой магнитная проницаемость материала уменьшается до единицы (обычно 500–600°C/1000–1150°F). Напротив, нагрев за счет вихревых токов продолжается.

Одним из важных свойств стандартного электрического трансформатора является то, что он обеспечивает гальваническую (омическую) электрическую изоляцию между первичной и вторичной сторонами, используя изменяющееся магнитное поле для передачи энергии через барьер. Это также относится к индукционному нагреву. Нагреваемый материал может быть расположен в месте, изолированном от первичной стороны источника питания; он может быть заземлен, погружен в жидкость, покрыт изолированными веществами, в газовой атмосфере или даже в вакууме.

В следующей части этой статьи рассматривается общая система индукционного нагрева и некоторые важные общие характеристики.

Родственный EE World Content

• Использование закона индукции Фарадея
• IGBT с обратной проводимостью предназначен для приложений индукционного нагрева
• Какие передовые методы обнаружения используются для поиска потерянных сокровищ? Часть 2: Электромагнитная индукция
• БТИЗ снижают затраты на индукционные плиты
• Основы индукции
• Проблемы переменного тока с катушками индуктивности

Дополнительные ссылки

Профессиональные и промышленные ссылки

• Википедия, «Индукционный нагрев»
• AZO Materials, «Что такое индукционный нагрев и как работают индукционные катушки?»
• GH Induction Atmospheres, «Что такое индукционный нагрев?»
• Inductoheat, «Что такое индукционный нагрев?»
• RDO Induction L. L.C, «Основы индукционного нагрева»
• UltraFlex Power Technologies, «Как работает индукционный нагрев»
• Википедия, «Осциллятор Ройера»

Справочные материалы для потребителей

• Википедия, «Индукционная кулинария» (есть показатели эффективности)
• Consumer Reports, «Плюсы и минусы индукционных варочных панелей и плит»
• Марта Стюарт, «Плюсы и минусы индукционной кулинарии»
• Don’s Appliances, «Индукционная кулинария: что это такое и как это работает?»
• CDA, «Как работает индукционная кулинария?»

Самодельные ссылки

• Самодельные схемы, «2 простые схемы индукционных нагревателей — плиты с конфорками»
• Самодельные схемы, «Как спроектировать схему индукционного нагревателя»
• Инновационные открытия, «Как построить индукционный нагреватель и как он работает?»
• RM Cybernetics, «Как работает индукционный нагрев?»
• Autodesk/Instructables, «Мощный индукционный нагреватель своими руками»

Взаимная индуктивность и трансформаторы: когда ЭДС становится ЭМП

13 апреля 2017 г. Джанет Хит

Взаимная индуктивность прекрасно продемонстрирована в трансформаторе.Трансформаторы состоят из двух проволочных катушек, расположенных близко друг к другу, так что ток, протекающий в одной катушке, может индуцировать напряжение в другой катушке без катушки соприкасаются.Мощность может передаваться без металлического соединения с трансформатором, а трансформаторы могут использоваться для увеличения напряжения с первичной стороны (первая катушка) трансформатора до более высокого напряжения на вторичной стороне (вторая катушка). Повышение напряжения с помощью трансформатора чрезвычайно распространено, например, при передаче мощности на большие расстояния, поскольку более высокие напряжения не теряют столько энергии. Трансформаторы также используются для понижения напряжения до более низких уровней напряжения, поэтому преобразование формирователи обычно встречаются в электронике и блоках питания. Кроме того, трансформаторы являются хорошим буфером для изоляции одной цепи от другой.

Возможно, вы уже знали из начальной школы, что электричество и магнетизм тесно связаны.Если присутствует одно, то и другое будет присутствовать в той или иной форме.Кинетическая энергия в движении воды преобразуется в энергию в виде электричества. Турбины в воде, падающей через плотину, используются для вращения магнитов, что, в свою очередь, вызывает электрический ток в проводах, которые каким-то образом связаны с магнитами или обмотаны вокруг них. Двигатели, генераторы и трансформаторы все они используют принципы электромагнетизма и индукционного тока для передачи энергии. Как указывалось ранее, трансформаторы являются взаимными индукторами. Это означает, что ток, протекающий в первой катушке, создает изменяющийся магнитный поток во второй катушке. множество формул, включающих интегралы, производные, дифференциальные уравнения и многое другое, которые объясняют точные отношения между электричеством и магнетизмом, написанные на языке инженерной математики. Однако достаточно констатировать, что во второй катушке существует наведенная электродвижущая сила (ЭДС). Поскольку электричество всегда связано с магнетизмом, электродвижущая сила (ЭДС) может стать электромагнитной помехой (ЭМП), когда индуцированный ток возникает там, где он не нужен.

С сигналами на высоких частотах или радиочастотах взаимная индуктивность становится большей проблемой, чем сопротивление, поскольку дорожки на печатной плате, хотя и не соприкасаются, могут индуцировать блуждающий ток там, где это не желательно и не ожидается. В таких ситуациях взаимную индуктивность также можно назвать «связью», которая создает «перекрестные помехи». Перекрёстные помехи относятся к нежелательным сигналам, возникающим между соседними цепями, кабелями или дорожками из-за взаимной индукции. Поэтому крайне важно экранировать кабели и разъемы от высокочастотных сигналов.

Разделение цепей на расстоянии помогает уменьшить взаимную индуктивность, вызванную линиями магнитного потока, но две цепи, разделенные в пространстве, имеют тенденцию «находить друг друга» в магнитном отношении лучше, чем если бы две цепи располагались на плоскости. Две доски, расположенные в точке (т. н. кошачьем углу или по диагонали друг к другу), будут испытывать меньшее сцепление, чем когда они расположены рядом. Сегодня у проектировщиков меньше выбора, где разместить схемы и печатные платы, поскольку компоненты и продукты становятся меньше. Экранирование плат друг от друга будет работать до тех пор, пока экран заземлен. Короткие провода не будут создавать петли (индукторы), как длинные провода, и ток, даже индуцированный ток, всегда будет искать кратчайший путь к земле, поэтому убедитесь, что вы создаете кратчайший путь к земле, чтобы вы знали, где ток будет течь.