高頻加熱

高頻加熱，即感應加熱是一種利用電磁感應來加熱電導體（一般是金屬）的方式，會在金屬中產生渦電流，因電阻而造成金屬的焦耳加熱。感應加熱器包括一個電磁鐵，其中會通過高頻的交流電，若物體有較大的磁導率，也可能會因為磁遲滯現象的損失而產生熱。使用的交流頻率依欲加熱物品的尺寸金屬種類，加熱線圈和欲加熱物品的耦合程度以及滲透深度來決定。

基本介紹

• 中文名：高頻加熱
• 外文名：High frequency heating
• 別稱：感應加熱
• 原理：電磁感應

電磁感應

電磁感應（英語：Electromagneticinduction），是指放在變化磁通量中的導體，會產生電動勢。此電動勢稱為感應電動勢或感生電動勢，若將此導體閉合成一迴路，則該電動勢會驅使電子流動，形成感應電流（感生電流）。

麥可·法拉第是一般被認定為於1831年發現了感應現象的人，雖然FrancescoZantedeschi在1829年的工作可能對此有所預見。法拉第發現產生在閉合迴路上的電動勢和通過任何該路徑所包圍的曲面的磁通量的變化率成正比，這意味著，當通過導體所包圍的曲面的磁通量變化時，電流會在任何閉合導體內流動。這適用於當磁場本身變化時或者導體運動於磁場時。電磁感應是發電機、感應馬達、變壓器和大部分其他電力設備的操作的基礎。

定律

感應電動勢由法拉第電磁感應定律給出：

其中是單位為伏特的電動勢，Φ_B是單位為韋伯的磁通量。當趨近於零時，此式表示瞬時感應電動勢，否則表示一段時間的平均感應電動勢。

對於除了特殊情況外，一般來說，繞著同一區域有N匝迴路的線圈，電磁感應的法拉第電磁感應定律表明

其中是單位為伏特的電動勢，N是線圈匝數，Φ_B是單位為韋伯的穿過一個迴路的磁通量。

進一步的，楞次定律給出了感應電動勢的方向如下：

電路上所誘導出的電動勢的方向，總是使得它所驅動的電流，會阻礙原先產生它（即電動勢）的磁通量之變化。

所以楞次定律決定了上面方程中的負號。

動生電動勢

導體以垂直於磁感線的方向在磁場中運動，在同時垂直於磁場和運動方向的兩端產生的電動勢，稱為動生電動勢。

動生電動勢是由於導體中載流子在磁場中運動受到垂直於磁場和運動方向的洛侖茲力的作用，在導體內移動的結果。當洛侖茲力和導體內電勢差產生的電場力平衡時，導體兩端電動勢穩定。此時：

是導體兩端電動勢，是磁感應強度，是產生電動勢的兩端的距離，是導體運動速度。

導體棒接入一個迴路時，動生電動勢也可以認為是由於導體運動，使得迴路面積改變而使磁通量變化，產生的電動勢。

感生電動勢

由於導體置於變化的電場而產生的電動勢，稱為感生電動勢。變化的磁場會產生渦旋電場，導體中載流子在其中運動一周降低的電動勢就是感生電動勢，滿足：

套用

感應加熱可以針對一些物件在特定的部分加熱，可以套用在表面硬化、熔化、硬焊、軟釺焊，以及加熱物件來和其他物件配合。鐵和鋼因為其鐵磁性的特性，對感應加熱有最佳的反應，不過任何金屬都會因為感應加熱產生渦電流，而磁性材料則會產生磁滯現象。感應加熱已被用來加熱液態的導體（例如熔融的金屬）及等離子的導體（例如感應等離子技術）。感應加熱也可以用來加熱石墨坩堝（其中放置其他材料），廣泛的在半導體產業中加熱矽或是其他半導體材料。電網頻率(50/60Hz)感應加熱因為不需要額外的逆變器產生其他頻率的交流電，常用在許多低成本的工業套用中。

感應電爐

感應電爐用感應的方式來熔化金屬。在熔化後，高頻的磁場也可以攪動金屬，若是製作合金時可以確保加入的金屬和原金屬充份混合。大部分的感應電爐包括一個水冷的銅環，外層包著一層耐熱材料。感應電爐比反射爐及高爐要環保，在熔化金屬時，已經取代這二種生產方式，成為現代工廠常用的清潔生產方式。可加熱金屬的量從一公斤到數百公噸不等。在運行時，感應電爐多半會有高頻率的嗡嗡聲，依其工作頻率而變。可以處理的金屬包括鐵及鋼、銅、鋁及貴金屬。因為感應電爐是清潔的非接觸製程，可以用在真空或是在惰性氣體的環境中。有些特殊的鋼或是合金在空氣中加熱會氧化，這類合金或鋼就可以用真空電爐來生產。

感應電焊

感應電焊是和感應電爐類似，但規模較小的加工方法。若塑膠中加入了鐵磁性的顆粒（材料中磁滯的特性在感應時生熱）或金屬顆粒，也可以用感應電焊來焊接。

管件的縫隙也可以用此方式焊接。在縫隙附近引入的電流加熱材料，最後產生可以焊接的高溫。此時縫隙兩側的材料會受力互相接近，焊接縫隙。電流也可以用電刷傳導到管件中，但結果是一樣的，縫隙附屬檔案的材料加熱而焊接。

電磁爐

在電磁爐中，感應線圈加熱鍋具中鐵制底部，銅、鋁或其他非鐵材料的鍋具則不能配合電磁爐使用。電磁爐加熱時，鍋具底部的熱會由熱傳導方式傳導到食物中。電磁爐的好處有效率、安全性及速度。電磁爐有固定式的，也有移動式的。

感應硬焊

感應硬焊一般會用在高產量的生產製程中，可以產生一致性的結果，而且有高度可重複性。

感應密封

感應密封用在食品及製藥業中，在瓶子或罐子的開口處放了一片鋁箔，用感應的方式加熱，使其和容器密合。這就形成一個防止更改內容物的密封，因為更改內容物需要破壞鋁箔。

加熱配合

感應加熱也可以用在組裝時，將某一零件加熱，以便和其他零件組合。軸承一般是用此方式，以電網頻率(50/60Hz)加熱，感應時有一個材料為疊層鋼的變壓器型芯穿過軸承中心。

熱處理

感應加熱常用在金屬件的熱處理，最見的套用是鋼件的感應硬化，為了結合金屬件所做的硬焊及軟釺焊，以及鋼件中要軟化部位的退火。

感應加熱可以產生高的功率密度，可以在短的接觸時間內達到要求的溫度，可以調整磁場來精準調整要加熱的部分，減少熱變形及損壞。

上述的熱處理可以用來作局部硬化，產生有不同性質的零件。常見的硬化套用是產生一塊局部硬化耐蝕的區域，但又可以保持其他部分的韌性。可以調整感應頻率、功率密度及接觸時間來調整感應硬化的深度。

此製程在靈活性上有受限，因此在一些套用中需要製作特別的電感器，一般都很貴，而且需要在小的銅線電感中產生大的電流密度，需要特殊的工程技術及copper-fitting。

塑膠加工

感應加熱用在塑膠的射出機中，感應加熱提高射出及擠出製程的能源效率。熱直接在機器內部產生，減少暖機時間以及能量消耗。感應線圈可以放在隔熱層的外部，因此可以在較低溫下工作，延長壽命。工作頻率一般由30kHz到5kHz之間，若機器越薄，工作頻率越低。感應加熱也可以用在模具中，提供更平均的模具溫度，產品的品質也可以提高。

細節

感應加熱用的電源一般是低電壓大電流的交流電。要加熱的工件放在由交流電驅動的電磁線圈中，一般會配合電容器，設定為LC電路以產生虛功率，交流磁場產生了工件中的渦電流。

磁性材料因為其磁滯現象，會加強其加熱的效果。高相對磁導率（100–500）的材料也比較容易加熱，磁滯發生在居里溫度以下，此時材料仍維持原有的磁性質。工件在低於居里溫度時的高磁導率相當的有用。溫度差、比熱及質量都會影響工件的加熱。

感應加熱的能量轉換會受到線圈及工件之間距離的影響。能量的損耗包括有工作到夾具之間的熱傳導、熱對流及熱輻射。

感應線圈一般是用銅管制成，而且是用水冷冷卻，直徑、形式及繞線圈數影響效率及磁場造型。