誘導加熱回路の原理、設計、ワークコイル応用を徹底解説

誘導加熱回路は、導電性材料を非接触プロセスで加熱するために使用されます。また、高周波磁場を使用して強磁性セラミックスと金属を加熱するデバイスでもあります。さらに、誘導加熱装置は鋼やアルミニウムの溶解と鍛造にも適しています。商業用途では、ろう付け、はんだ付け、熱処理にも使用できます。

誘導加熱装置は、誘導加熱素子を必要としないため、構築する上で特に興味深いです。代わりに、電子デバイスは温度を維持するコンロに似ています。この記事では、誘導加熱回路の構築について説明します。基本的な誘導加熱回路は構築が容易で、標準的なコンポーネントのみを使用します。

早速始めましょう。

1. 誘導加熱装置の動作原理

ファラデーの法則によれば、誘導加熱プロセスを学ぶことは不可欠です。ファラデーの電磁誘導の法則によれば、導体を電場で切り替えると交互磁場が生成されます。誘導加熱回路プロセスでは、周波数が鉄中の電子より速く動きます。間違いなく、これにより逆電流、すなわち渦電流が発生します。

高い渦電流の発展により、鉄も加熱されます。この原理は、導体の磁場が変化するときにも逆向きに機能します。極限の熱は、電流の2乗×鉄の抵抗に等しくなります。負荷金属が鉄であるため、金属鉄の抵抗をRとして参照します。したがって、固体RF周波数電源がインダクタコイルと加熱する材料に適用されます。

熱 = I² × R（鉄）

鉄の抵抗率 = 97 nΩ·m

上記の熱が動作周波数に等しいため、通常のゲートドライブトランスは高周波誘導加熱アプリケーションでは機能しません。次のプロセスはジュール加熱の原理です。ここで、電流が材料を通過した後、磁性材料を生成します。さらに、誘導加熱回路のシンプルな設計は、銅コイルと回路バンクの共振周波数に設定され、タンク回路に類似しています。

2. 誘導加熱回路の要素

誘導加熱装置をどのように構築できるでしょうか？ここでは、誘導コイルと高速振動信号の設計、誘導電流の流れを作って金属を熱くする方法について説明します。ほとんどのデバイスと同様に、誘導加熱回路には回路基板とその他のアクティブコンポーネントが必要です。

2.1 材料

• インピーダンス整合： 誘導加熱電源容量は他の前世代デバイスと類似しています。ACと最大電圧の両方を持つため、電力インピーダンスと負荷は、ワークピースにフル電力を供給するために近接している必要があります。インピーダンス整合制御回路は誘導加熱で動作し、電圧、電流、電力値が最高限界に達するようにします。また、電気トランスでも有用です。

• 電源： 誘導電源は誘導加熱システムの不可欠な部分です。動作周波数範囲と電力で定格されることが多いです。また、周波数乗算器、スパークギャップコンバーター、インバーター電圧など、いくつかの種類の電源があります。

• 共振タンク： 誘導加熱共振タンクは通常、共振周波数を持つ並列接続されたインダクタとコンデンサです。タンク回路で起こることは、振子の振動に似ています。タンクコンデンサでは、電源がコンデンサ（静電エネルギー）とインダクタ（電磁エネルギー）の間で振動するエネルギーを提供します。エネルギー移動は、インダクタ、負荷、コンデンサの損失により減衰します。さらに、コンデンサバンクは電源と同じ容量の共振周波数を達成するために必要な静電容量を提供します。

（共振回路）

• 誘導加熱インダクタ

2.2 誘導加熱回路 - 誘導ワークコイルの設計

誘導加熱コイルは、複数の形で電力を適用する成形銅チューブです。材料内の誘導電流はコイル巻数に等しくなります。したがって、加熱パターンの効率と効果のために、一次コイルの設計が不可欠です。

また、交流が通過して磁場を作る導電性材料です。導電性コンポーネントと金属部品は通常、誘導加熱コイルの内側、横、または通過する位置に留まります。これらの材料はリングに触れることはありませんが、金属に磁気誘導を生成して熱を作り出します。

一般的に、誘導コイルは水冷銅誘導として機能します。用途に応じてさまざまなコイル形状があります。しかし、マルチターンヘリカルコイルが一般的に使用されます。リングでは、加熱パターンの幅はループの巻数によって決まります。したがって、シングルターンロックは、シリコン、材料の先端、狭いバンドの加熱が不可欠な用途に適しています。

一方、マルチポジションヘリカルコイルは多くのワークピースを加熱します。メーカーはさらに内部リングを使用して内部ボアを加熱し、パンケーキコイルは材料の片側のみを加熱します。

（誘導コイル）

考慮すべき条件

1. 磁性材料にコイルを適用すると、ヒステリシス効果と渦電流の両方によって熱が発生します。
2. 個別コイルの接続位置に近い場所は磁束密度が低くなります。したがって、加熱コイルのID中心は誘導加熱の中心にはなりません。
3. 誘導加熱の効率を高めるには、パンケーキコイルと負荷の距離を縮める必要があります。
4. 部品を誘導加熱コイルの中央に配置する場合、磁気ワイヤーまたは磁場とともに結合するのが理想的です。しかし、オフセンターの場合、ターンに近い負荷領域は熱損失が少なくなります。
5. コイルの電力容量を決めるには、対流、放射、伝導による熱損失を考慮に入れてください。
6. 交流の臨界周波数が高いほど、加熱浸透深度は低くなります。
7. 共振周波数が高い材料は速く加熱されます。

（共振タンク回路）

コイル効率

以下はコイル効率の式です：

コイル効率 = バイフィラコイルから負荷に伝達されたエネルギー効率 / コイルに伝達されたエネルギー

誘導加熱回路 - 用途に応じたコイル改造

誘導加熱対象物には均一加熱が必要ですが、多くの用途では一定のプロファイルを持ちません。しかし、2つの方法で改造できます。まず、ヘリカルコイルの断面が大きい場所で曲線をデカップリングします。もう1つの方法は、断面積がより大きい場所で巻線間隔を広げることです。

大きなパンケーキコイルで平らな表面を加熱する場合も同様の状況が発生します。他の領域は中央領域より少ない熱を受け取ります。これを防ぐには、パンケーキコイルに円錐パターンを接続して、平らな物体とコイル表面の間のスペースを広げます。

誘導加熱回路 - 加熱コイルの種類

チャネルコイル

産業では、加熱時間が短くも長くもないが、比較的低い電力レベルを必要とする場合にチャネルコイルを使用します。いくつかの加熱コイルが一定の速度で通過し、デバイスから出るときに最大圧力を達成します。コイルの出入りを提供するため、端はしばしば曲げられます。鉄にプロファイル加熱が必要な場合、産業ではプレートフラックスコンセントレーターをマルチターンチャネルコイルとともに使用します。

ダブル変形コイル

メーカーは、均一温度の達成、シャフト先端の加熱、ろう付け材料にダブル変形コイルを使用します。ロックには傾斜した側面があり、均一加熱に到達するのに役立ちます。磁気効果を得るには、一次巻線を形成する両方のパンケーキコイルの経路に注意を払う必要があります。

（加熱コイル）

スプリットリターンコイル

強磁性セラミックスでドープされた場合、プラスチック、金属、狭帯域の溶接などの用途で機能します。スプリットリターンコイルを使用すると、溶接領域に高電流を誘導し、それが2つに分割されます。このようにして、溶接パスでの誘導加熱プロセスが物体の他の部分より高くなります。

誘導加熱回路 - 誘導コイルのリード設計

リードは短いですが、有限のインダクタンスを持つため、タンク回路と誘導加熱コイルの不可欠な要素です。以下の図は、共振回路のヒートステーションの回路図を示しています。Cはヒートステーションの共振コンデンサです。さらに、Lはリードで、コイルリードの総インダクタンスです。Vは誘導電源から誘導加熱回路ワークへの総入力電圧です。

出典：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:FET_Armstrong_oscillator.svg

フラックスコンセントレーター

フラックスコンセントレーターは、低電気伝導性と高透磁率を持つ材料で、誘導加熱コイルで動作し、加熱負荷上の磁束または磁場を増幅します。フラックスコンセントレーターの誘導加熱回路への効果は、低電力レベルでの熱効率を改善することです。

誘導加熱回路 - リードインダクタンスの控除

産業では、L-リードがL-コイルより小さいため、高インダクタンスコイルを低周波で使用します。

（磁場中の渦電流）

3. 誘導加熱回路表示の例

以下は誘導加熱回路の回路図とセットアップです。

結論

いくつかの電子デバイスと比較して、誘導加熱器具はより高い効率、より良い制御、より高速さを提供します。しかし、達成される効率レベルは、どれだけうまく構築し実装するかに依存します。

誘導加熱回路は、加熱プロセスの迅速、清潔、非汚染の方法を提供します。上記の図で、タンク回路と誘導コイルの動作と設計が構築とテストしやすいことがお分かりいただけるはずです。いつでもご連絡ください。