乐动体育赛事播报

通过模拟预测感应加热的影响

经过艾伦·佩特里洛（Alan Petrillo）

2021年11月19日

当我们使用导电材料移动电流时，我们经常寻求最大程度地减少电阻，但是电阻及其效果（例如光和热）也可以有用。感应加热使用电流故意引起电气行为，从而通过电阻效应加热材料。这些效果可用于从超过1500°C的温度到在感应炉子上制作一锅茶的所有物品！

感应创造无接触的电流

如上所述，虽然导电材料流动的电流将由于电阻而产生热量。烤面包机，吹风机，房间加热器和其他日常设备利用了这种效果。在这些情况下，现象被称为焦耳加热或者电阻加热。它通过导电元件与当前源之间的直接物理接触发生。

相比之下，感应加热电气加热一个物体，而无需直接与电流源进行物理接触。相反，导电对象（或工件）放置在一个附近感应线圈，带有交替电流（AC）。AC会在感应线圈周围产生一个时间变化的磁场。该磁场诱导涡流在工件内产生热量。

铝制导体板中诱导的电流密度的模拟。
通过携带正弦曲线变化电流的伤口铜线圈在铝导体中诱导的电流密度的模拟。（学习如何模拟这种系统这里）

为了获得有用的电感加热，必须满足许多条件。工件必须由具有高电导率的材料制成。应用的电流应以与工件的电导率和磁性良好结合的频率循环。通过仔细选择材料和频率，我们可以在几秒钟内将纤毛工件从环境温度加热到超过700°C。这是因为含铁材料的高渗透性导致更强的涡流和皮肤影响，其中交替的电流更强烈地围绕工件的表面流动。通过交替的电流流对铁晶体的周期性磁化进一步加强了铁金属中的电感加热。快速转移的交流磁场导致磁滞损失，从而产生更多的热量。

诱导加热有什么好处？

有效，精确地不触摸的能力有效地加热导电材料的能力使诱导加热成为许多有用过程的重要方面。例如，考虑一个感应炉。AC穿过隐藏在炉灶表面下方的感应线圈中，在铁锅中形成了交替的磁场。锅中的电阻效应会产生足够的热量来煮沸水，但是锅的炉灶和底部几乎不比室温温暖。与典型的炉灶烹饪方法相比，这种有针对性的加热既更安全又高效。

锅中的感应炉灶沸水的照片。
一种感应的炉灶将一锅水加热到煮沸，但表面不足以在锅下面点燃报纸。在下面许可的图像CC BY-SA 3.0，通过Wikimedia Commons。

在工业规模上应用时，诱导加热的好处更大。与其他加热和熔化方法相比感应炉消耗较少的能量，散发出更少的污染。诱导加热的清洁度也使其成为必不可少的过程制造半导体和其他电子产品。

在酿造茶和熔化金属的极端情况之间，诱导加热也可以提供其他目的。熟悉的冶金技术（如焊接，焊接和铜管）都可以归纳地进行。如下所述的教程模型所证明的那样，诱导电流的热也可以用来以精心控制的方式来硬化金属。

亚铁金属的诱导效应模型

金属加工是文明的签名技巧，正如我们在谈论历史青铜时代和铁器时代时所承认的那样。我们自己的工业化时代有效地始于19中铁的生产和加工的巨大进步^Th世纪。传统上，金属史密斯一次在砧上锤击热铁，一次小块，燃煤厂可以净化和硬化史无前例的铁质金属。电气金属加工的进步20^Th世纪包括诱导硬化过程，其模拟示例如下所示。

一个铁色工件的模型，穿过感应线圈。
通过将其通过感应线圈移动到诱导金属部分的过程。线圈中的电流流以红色显示。

该示例对一个过程进行了建模，在该过程中，该过程通过感应线圈移动了一个纤维工件，该工程会产生诱导零件加热的场。该过程通常用于硬化驱动轴，安装销和其他类似的比例组件，这些组件受到强烈的机械应力。该模型利用了功能AC/DC模块考虑到工件和物理变化中的电磁和传热行为的耦合。

AC/DC模块提供了支持用用户选择的构型关系选项分析磁性行为。这有效的B-H曲线选项非常适合此分析，因为这两者都考虑到磁饱和（除了外部磁场无法增加材料的磁化之外的一点）和居里点工件材料。当被加热到居里点（以皮埃尔·库里（Pierre Curie）的名字命名，发现并描述了）时，一种材料将失去其在较低温度下显示的磁性特性。饱和点和居里点效应都会改变工件中应用电流和产生的变化之间的关系。

展示B-H曲线关系的图。
B-H曲线关系的图，通过在一个AC周期中绘制磁通密度作为磁场的函数来显示滞后行为。该图来自电磁教程模型，可用于重现测试电磁分析方法（团队）问题32.团队问题32评估数值方法，以模拟各向异性磁性磁滞。