Giới thiệu công nghệ gia nhiệt cảm ứng

GIỚI THIỆU

Gia nhiệt cảm ứng là một phương pháp không tiếp xúc nhanh và hiệu quả để làm nóng các vật liệu dẫn điện như kim loại và chất bán dẫn bằng cách áp dụng một từ trường dao động. Gần đây, nó đã trở thành một trong những công nghệ làm nóng được ưa chuộng cho các ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp  do những ưu điểm nổi trội của nó so với các kỹ thuật truyền thống (điện trở đốt, than củi, khí gas,  v.v.). Gia nhiệt cảm ứng đặc biệt hữu ích để thực hiện các hoạt động có độ chính xác cao, với tốc độ cao phù hợp cho ứng dụng tự động hóa đồng thời có vai trò quan trọng trong phương án giảm chi phí nhiên liệu và nhân công.

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN

Gia nhiệt cảm ứng lần đầu tiên được phát hiện bởi Michael Faraday khi ông nghiên cứu cảm ứng của dòng điện trong dây bằng nam châm.

Năm 1887, Sebastian Z. de Ferranti đề xuất gia nhiệt cảm ứng cho sự nóng chảy kim loại và nộp bằng sáng chế đầu tiên về các ứng dụng công nghiệp của gia nhiệt cảm ứng. Lò nung cảm ứng đầy đủ chức năng đầu tiên được trình bày vào năm 1891 bởi FA Kjellin, và ứng dụng lò cảm ứng đầu tiên của hệ thống gia nhiệt ứng được Edwin F. Northrup thực hiện vào năm 1916.

Trong Chiến tranh thế giới thứ hai và sau đó, việc sử dụng công nghệ gia nhiệt cảm ứng đã được thúc đẩy bởi máy bay và các ngành công nghiệp ô tô. Gia nhiệt cảm ứng không chỉ được sử dụng để nấu chảy kim loại mà còn được xử lý vật liệu tiên tiến, giúp tăng đáng kể phạm vi ứng dụng gia nhiệt cảm ứng.

Sự phát triển của máy phát điện trạng thái rắn sử dụng các công nghệ bán dẫn điện mới cung cấp tiềm năng cho IH vượt ra ngoài môi trường công nghiệp. Kể từ cuối những năm 1980, các ứng dụng trong nước khác nhau đã xuất hiện. Trong những năm gần đây, một mối quan tâm đặc biệt về gia nhiệt cảm ứng cho các phương pháp điều trị y tế đã xuất hiện, vì phương pháp này cung cấp hệ thống gia nhiệt cục bộ chính xác và nhắm mục tiêu.

Ngày nay, công nghệ gia nhiệt cảm ứng cung cấp các hệ thống hiệu quả cao và đáng tin cậy cho nhiều ứng dụng.

KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ GIA NHIỆT CẢM ỨNG

Trong gia nhiệt cảm ứng, một nguồn dòng điện xoay chiều (AC) được sử dụng để cung cấp dòng điện cho một cuộn dây gia nhiệt cảm ứng . Kết quả là, cuộn dây tạo ra một từ trường xen kẽ. Khi một đối tượng được đặt trong trường này, hai hiệu ứng gây nóng xảy ra bởi các quá trình vật lý diễn ra bên trong vật liệu:

• Trường hợp 1: Tổn thất trễ - những điều này chỉ xảy ra trong các vật liệu từ tính như sắt , niken , coban , v.v. do ma sát giữa các phân tử khi vật liệu liên tục bị từ hóa theo các hướng khác nhau. Tần số dao động từ trường càng cao hơn dẫn đến chuyển động của hạt nhanh hơn, gây ra ma sát nhiều hơn và do đó nhiều nhiệt hơn.
• Trường hợp 2: Tổn thất dòng điện xoáy - những điều này xảy ra như mộthiệu ứng gia nhiệt Joule trong bất kỳ vật liệu dẫn điện nào do dòng điện gây ra bởi từ trường dao động. Do đó các vật liệu không từ tính như nhóm kim loại màu nhôm, đồng, vàng, bạc v.v… cũng bị tăng nhiệt khi bị đặt trong một vùng từ trường xoáy.

Cả hai hiệu ứng này đều dẫn đến việc làm nóng vật thể được xử lý, nhưng trường hợp thứ hai thường là nguồn nhiệt chính trong các quy trình IH. Hơn nữa, độ trễ không được quan sát thấy trong các vật liệu không từ tính và vật liệu từ tính (trường hợp 1) sẽ mất tính đặc hiệu từ tính nếu được nung nóng trên một nhiệt độ cụ thể (cái gọi là điểm Curie ) và chuyển sang quá trình làm nóng trong trường hợp 2.

Dòng điện xoáy cũng phụ thuộc vào tần số từ trường do hiệu ứng da - ở tần số cao, dòng điện chạy gần bề mặt dây dẫn. Điều này dẫn đến càng vào tâm của vòng tròn gia nhiệt, từ trường càng yếu thậm chí biến mất khi tần số cực cao. Tính đặc hiệu này được sử dụng để kiểm soát độ sâu thâm nhập của quá trình gia nhiệt cảm ứng bằng cách điều chỉnh tần số dòng gia nhiệt của thiết bị. Kết quả là, toàn bộ vật thể hoặc chỉ một phần cụ thể của nó (ví dụ chỉ bề mặt) có thể được làm nóng ứng với phổ tần số từ thấp đến cao. Do đó, gia nhiệt cảm ứng có thể được sử dụng cho các ứng dụng khác nhau - từ nóng chảy kim loại (tần số thấp) đến hàn và làm cứng bề mặt (tần số cao).

ƯU ĐIỂM CỦA CÔNG NGHỆ GIA NHIỆT CẢM ỨNG

So với một số kỹ thuật gia nhiệt cổ điển, công nghệ gia nhiệt bằng phương pháp cảm ứng từ trường có những ưu điểm sau :

• Giảm thời gian gia công: Vật liệu được gia công có thể được làm nóng siêu tốc với mật độ cường độ từ trường lớn, tốc độ tăng nhiệt có thể lên đến trên 1.000°C/s
• Hiệu quả cao - Giá trị hiệu suất cao hơn 90% thu được do thiết kế phù hợp của bộ chuyển đổi năng lượng và mạch cộng hưởng LC.
• Kiểm soát nguồn năng lượng tham gia quá trình gia nhiệt được cải thiện - quy định chính xác của công suất gia nhiệt có thể đạt được thông qua thiết kế cuộn dây thích hợp và điều khiển bộ chuyển đổi năng lượng. Do đó, các tính năng bổ sung như gia nhiệt cục bộ và gia nhiệt trước, cấu hình nhiệt độ được xác định trước có thể được thực hiện.
• Dễ dàng ứng dụng tự động hóa.
• An toàn và sạch sẽ - Là một công nghệ tối ưu về môi trường (không có ô nhiễm nhiệt hoặc không khí ) vì mục tiêu được làm nóng trực tiếp và không sử dụng các chất nhiên liệu.

Mặc dù các hệ thống gia nhiệt cảm ứng ngày nay gần như đã đạt đến độ hoàn thiện, tuy nhiên, sự phát triển của các công nghệ hiện đại liên tục cung cấp các tùy chọn cho xu hướng nghiên cứu mới và mối quan tâm công nghiệp. Trong những năm tới, các chủ đề sau đây dự kiến sẽ được quan tâm:

• Cải thiện hiệu quả - hệ thống gia nhiệt cảm ứng với hiệu quả cao hơn được mong đợi với sự cải tiến của công nghệ bán dẫn. Hơn nữa, hình dạng cuộn đặc biệt và thiết kế được cung cấp tăng hiệu quả. Mục đích của những nỗ lực này là để cải thiện không chỉ hiệu suất mà còn độ tin cậy của các hệ thống gia nhiệt cảm ứng.
• Cải thiện nhược điểm của cuộn cảm ứng -  Với lò gia nhiệt cảm ứng, cuộn dây làm việc hiện luôn vẫn là yếu điểm duy nhất còn tồn tại. Hướng tương lai, cuộn làm việc sẽ được thiết kế với nhiều cuộn dây, hiện thực nó đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng nhưng có thể đang ở mức tiền công nghệ. - phân phối nhiệt tốt hơn, hiệu suất cao hơn và linh hoạt hơn có thể đạt được bằng cách sử dụng một số cuộn dây hoạt động đồng thời. Tôi đã từng nghiên cứu vấn đề này tại nhà máy Mabuchi, nơi các cuộn gia nhiệt đặt gần bên nhau khiến EMI của chúng gây hỗn loạn lên nhau, đó là một vấn đề khó và chưa thể giải quyết. Các hệ thống này sẽ đại diện cho một bước đột phá công nghệ lớn và ngày càng được thực hiện phổ biến. Cần nỗ lực để tối ưu hóa các thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng nhiều đầu ra và các thuật toán điều khiển tiên tiến. Một vấn đề khác cần được xem xét là hiệu ứng ghép giữa các cuộn riêng lẻ như vừa đề cập. Xem thêm: Nghiên cứu vật liệu mới cho thiết kế cuộn cảm ứng nhằm nâng cao hiệu quả thiết bị gia nhiệt
• Điều khiển nâng cao - Các thuật toán điều khiển mạnh mẽ được yêu cầu để cung cấp hoạt động của bộ chuyển đổi năng lượng thích hợp cho các tải thuần và tải cảm ứng gia nhiệt khác nhau. Việc kiểm soát các hệ thống đa cuộn là một thách thức khác. Cải thiện hiệu suất và tối ưu hóa các quy trình nhất thời được mong đợi bằng cách triển khai các đơn vị kiểm soát nhận dạng thời gian thực với các thuật toán thích ứng.
• Các ứng dụng đặc biệt - Một loạt các ứng dụng gia nhiệt cảm ứng dự kiến sẽ còn tăng hơn nữa với sự phát triển gia tăng của các công nghệ khác. Việc gia nhiệt các vật liệu có điện trở suất thấp, cũng như làm nóng các mô sinh học cho mục đích y tế là những chủ đề được đặc biệt quan tâm. Vẫn còn các ứng dụng khác cần nghiên cứu thêm để tối ưu hóa các tham số quy trình.