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誘導加熱装置は、あらゆる形態の誘導加熱に使用される重要な装置です。通常、誘導加熱装置は中周波（MF）または無線周波数（RF）の範囲で動作します。[1]
4つの主要コンポーネントシステムが現代の誘導加熱器の基礎を形成します
仕組み
誘導加熱は、強力な磁場を利用して導電性物体を非接触で加熱する方法です。供給（主）周波数 50 Hz または 60 Hz の誘導加熱器には、電源から直接電力が供給されるコイルが組み込まれており、通常は表面温度を低く抑える必要がある低電力の産業用途に使用されます。一部の特殊な誘導加熱器は、航空宇宙電力周波数である 400 Hzで動作します。
誘導加熱と誘導調理を混同しないでください。この 2 つの加熱システムは、物理的に大きく異なるからです。特に、誘導加熱システムは、鉄材料に交流磁場をかけて材料に交流電流を誘導し、材料内の原子を励起して加熱します。[要出典]
主な装備構成
誘導加熱装置は通常、3 つの要素で構成されています。
パワーユニット
インバーターや発電機とも呼ばれる。システムのこの部分は、主電源周波数を10Hzから400kHzまで上げるのに使われる 。ユニットシステムの典型的な出力電力は2kWから500kWである 。 [ 2]
作業ヘッド
これにはコンデンサと変圧器の組み合わせが含まれており、電源ユニットを作業コイルに接続するために使用されます。[3]
ワークコイル
コイルはインダクタとも呼ばれ、電源ユニットとワークヘッドからワークピースにエネルギーを伝達するために使用されます。インダクタは、マンドレルの周りに銅管を何度も巻いた単純な巻線ソレノイドから、固体銅から機械加工され、ろう付けおよびはんだ付けされた精密部品まで、複雑さが異なります。インダクタは加熱が行われる領域であるため、コイルの設計はシステムの最も重要な要素の1つであり、それ自体が科学です。[4]
定義
無線周波数（RF）誘導発電機は、100kHzから10MHzまでの周波数範囲で動作します 。ほとんどの誘導加熱装置（誘導周波数制御付き）の周波数範囲は100kHzから200kHzです。出力範囲は通常2.5kWから40kWです。この範囲の誘導加熱装置は、エンジンバルブの誘導硬化などの小型部品や用途に使用されます。 [5]
MF誘導発電機は1kHzから10kHzで動作します。出力範囲は通常50kWから500kWです。これらの範囲の誘導加熱器は、中型から大型の部品やシャフトの誘導鍛造などの用途に使用されます。 [1]
主電源（または供給電源）周波数誘導コイルは、標準の AC 電源から直接駆動されます。ほとんどの主電源周波数誘導コイルは単相動作用に設計されており、ドラムヒーターなどの局所加熱または低温表面領域加熱を目的とした低電流デバイスです。
歴史
誘導加熱の基本原理は、1831 年にマイケル ファラデーによって発見されました。ファラデーの研究は、電池と鉄芯に巻かれた 2 本の銅線で構成されたスイッチング DC 電源を使用するものでした。スイッチが閉じられると、二次巻線に瞬間電流が流れ、検流計で測定できることが分かりました。回路に通電されたままだと、電流は流れなくなります。スイッチを開くと、二次巻線に再び電流が流れますが、方向は逆です。ファラデーは、2 つの巻線の間に物理的なつながりがないため、二次コイルの電流は最初のコイルから誘導された電圧によって発生し、生成される電流は磁束の変化率に正比例すると結論付けました。[6]
当初、この原理は変圧器、モーター、発電機の設計に利用され、積層コアの使用によって望ましくない加熱の影響が制御されていました。
20 世紀初頭、エンジニアたちは鋼鉄を溶かすために誘導の熱発生特性を利用する方法を模索し始めました。この初期の研究では、モーター ジェネレーターを使用して中周波 (MF) 電流を生成しましたが、適切なオルタネーターと適切なサイズのコンデンサーがなかったため、初期の試みは妨げられました。しかし、1927 年までに、最初の MF 誘導溶解システムがイギリスのシェフィールドにあるEFCOによって設置されました。
同じ頃、アメリカのミッドベール・スチール社とオハイオ・クランクシャフト社の技術者たちは、クランクシャフトの表面を局所的に硬化させるために、高周波電流の表面加熱効果を利用しようとしていた。この研究の多くは、当時の機器で生成するのが最も容易な周波数である1920Hzと3000Hzの周波数で行われた。多くの技術系分野と同様に、第二次世界大戦の勃発により、車両部品や軍需品の製造における誘導加熱の利用が大きく進展した。[7]
時間が経つにつれて、技術は進歩し、3～10 kHz の周波数範囲で出力が 600 kW までのユニットが、誘導鍛造や大型誘導硬化アプリケーションで一般的に使用されるようになりました。モーター ジェネレーターは、1960 年代後半から 1970 年代前半に高電圧半導体が登場するまで、中周波発電の主力であり続けました。
進化の過程の初期段階で、より高い無線周波数範囲の機器を製造できれば柔軟性が高まり、さまざまな代替アプリケーションが実現できることがエンジニアにとって明らかになりました。200 ～ 400 kHz の範囲で動作するこれらのより高い RF 電源を製造する方法が模索されました。
この特定の周波数範囲の開発は、常にラジオ送信機やテレビ放送業界の開発を反映しており、実際にこの目的のために開発された部品が頻繁に使用されています。初期のユニットはスパークギャップ技術を使用していましたが、制限のため、このアプローチはすぐに多電極熱電子三極管（バルブ）ベースの発振器の使用に取って代わられました。 実際、この業界の先駆者の多くはラジオや電気通信業界にも深く関わっており、フィリップス、イングリッシュエレクトリック、レディフォンなどの企業は、1950年代と1960年代に誘導加熱装置の製造に携わっていました。
この技術は1990年代初頭まで使用されていましたが、その時点でこの技術はパワーMOSFETとIGBT ソリッドステート機器にほぼ置き換えられました。しかし、真空管発振器は現在でも数多く存在しており、5MHz以上の極端な周波数では真空管 発振器が唯一の実行可能なアプローチであることが多く、現在でも生産されています。[8]
主周波数誘導加熱器は、バッチ処理ラインの一部として部品や鋼鉄容器を加熱する必要がある場合、放射加熱に比べてコストと熱効率が比較的低いため、製造業界全体で依然として広く使用されています。
真空管発振器ベースの電源
バルブ発振器ベースの誘導加熱装置は、その柔軟性と周波数範囲の可能性により、近年まで産業界全体で広く使用されていました。[9] 1kWから1MWの電力と100kHzから数MHzの周波数範囲で容易に入手できるこのタイプの装置は、はんだ付けやろう付け、誘導硬化、チューブ溶接、誘導収縮フィッティングなど、何千もの用途で広く使用されています。この装置は3つの基本要素で構成されています。
高電圧DC電源
DC（直流）電源は、標準的な空冷式または水冷式の昇圧トランスと、発振器に電力を供給するために通常5～10kVの電圧を生成できる高電圧整流器ユニットで構成されています。ユニットは、発振器に必要な電流を供給するために適切なキロボルトアンペア（kVA）で定格されている必要があります。初期の整流器システムには、GXU4（高出力高電圧半波整流器）などのバルブ整流器が採用されていましたが、最終的には高電圧ソリッドステート整流器に取って代わられました。[10]
自己励起クラス「C」発振器
発振器回路は高周波電流を生成する役割を担っており、この電流がワークコイルに印加されると磁場が生成され、部品が加熱されます。回路の基本要素は、インダクタンス(タンク コイル)、キャパシタンス(タンク コンデンサ)、および発振器バルブです。基本的な電気原理では、コンデンサとインダクタを含む回路に電圧を印加すると、押されたブランコとほぼ同じように回路が振動します。ブランコを例えにすると、適切なタイミングで再度押さないと、ブランコは徐々に停止しますが、これは発振器でも同様です。バルブの目的は、振動を維持するために適切なタイミングでエネルギーが発振器に渡されるようにするスイッチとして機能することです。切り替えのタイミングを合わせるために、少量のエネルギーが三極管のグリッドにフィードバックされ、デバイスを効果的にブロックまたは起動するか、適切なタイミングで伝導できるようにします。このいわゆるグリッドバイアスは、発振器がコルピッツ発振器、ハートレー発振器、アームストロング発振器、マイスナー発振器のいずれであるかに応じて、容量性、導電的、または誘導的に生成されます。[11]
権力制御の手段
システムの電力制御は、さまざまな方法で実現できます。最近のユニットの多くは、全波AC（交流）駆動によって入力トランスの一次電圧を変化させるサイリスタ電力制御を備えています。より伝統的な方法には、入力電圧を制御するための3相バリアク（オートトランス）または電動ブレントフォード型電圧レギュレータが含まれます。もう1つの非常に一般的な方法は、エアギャップで分離された一次巻線と二次巻線を備えた2つの部分からなるタンクコイルを使用することです。電力制御は、2つのコイルを物理的に相互に移動させることによって、2つのコイルの磁気結合を変化させることによって行われました。[12]
ソリッドステート電源
誘導加熱の初期の頃は、モーター発電機は10kHzまでの中周波電力を生成するために広く使用されていました。交流発電機を駆動する標準的な誘導モーターを使用して、150Hzなどの供給周波数の倍数を生成することは可能ですが、制限があります。このタイプの発電機は、巻線に遠心力がかかるため、ローターの周速が制限されるローターマウント巻線を特徴としていました。これにより、機械の直径が制限され、その結果、その電力と物理的に収容できる極数が制限され、最大動作周波数が制限されました。[13]
これらの制限を克服するために、誘導加熱業界はインダクタージェネレーターに目を向けました。このタイプのマシンは、パンチングされた鉄の積層板から作られた歯付きローターを備えています。励磁巻線と AC 巻線は両方ともステーターに取り付けられているため、ローターはコンパクトで頑丈な構造で、上記の標準的な AC ジェネレーターよりも高い周速で回転できるため、所定のRPMで直径を大きくすることができます。この大きな直径により、より多くの極を収容でき、ローレンツゲージ条件やガイスロットなどの複雑なスロット配置と組み合わせると、1 ～ 10 kHz の周波数を生成できます。
すべての回転電気機械と同様に、磁束の変化を最大化するために、高速回転と小さなクリアランスが利用されます。このため、使用されるベアリングの品質とローターの剛性と精度に細心の注意を払う必要があります。オルタネーターの駆動は、慣例と単純さのために、通常、標準の誘導モーターによって行われます。垂直構成と水平構成の両方が利用され、ほとんどの場合、モーター ローターとジェネレーター ローターはカップリングなしで共通シャフトに取り付けられます。次に、アセンブリ全体が、モーターステーターとジェネレーター ステーターを含むフレームに取り付けられます。構造全体は、必要に応じて熱交換器と水冷システムを備えたキュービクルに取り付けられます。
1970 年代初頭に 固体技術が登場するまで、モーター発電機は中周波発電の主流となっていました。
1970 年代初頭、ソリッド ステート スイッチング技術の出現により、従来の誘導加熱発電方法から転換が見られました。当初は、個別の電子制御システムを使用して MF 範囲の周波数を生成するサイリスタの使用に限定されていました。
最先端のユニットでは、現在、SCR（シリコン制御整流器）、[14] IGBTまたはMOSFET技術を使用して、「MF」および「RF」電流を生成します。現代の制御システムは、通常、PIC、PLC（プログラマブルロジックコントローラ）技術、およびプリント基板の製造のための表面実装製造技術を活用したデジタルマイクロプロセッサベースのシステムです。現在、ソリッドステートが市場を支配しており、1 kHzから3 MHzの周波数で1 kWから数メガワットのユニットがデュアル周波数ユニットを含む現在入手可能です。[8]
半導体を使用したMFおよびRF電力の生成にはさまざまな技術が採用されていますが、実際に採用される技術は複雑な要因によって異なります。一般的な発電機は、電流または電圧のいずれかの供給トポロジを採用します。実際に採用されるアプローチは、必要な電力、周波数、個々の用途、初期コスト、その後のランニングコストに応じて異なります。ただし、採用されるアプローチに関係なく、すべてのユニットには4つの異なる要素が備わっている傾向があります。[15]
AC-DC整流器
これは主電源電圧を 50 Hz または 60 Hz の供給周波数から変換し、さらに「DC」に変換します。これにより、可変 DC 電圧、固定 DC 電圧、または可変 DC 電流を供給できます。可変システムの場合、システム全体の電力制御に使用されます。固定電圧整流器は、電力制御の代替手段と組み合わせて使用する必要があります。これは、スイッチ モード レギュレータを使用するか、インバータ セクション内でさまざまな制御方法を使用することによって実行できます。
DCからACへのインバータ
インバータは、 DC 電源を適切な周波数の単相 AC 出力に変換します。これは SCR、IGBT、または MOSFET を特徴とし、ほとんどの場合H ブリッジとして構成されます。H ブリッジには 4 つの脚があり、それぞれにスイッチがあり、出力回路はデバイスの中央に接続されています。関連する 2 つのスイッチが閉じると、電流が負荷を一方向に流れ、次にこれらのスイッチが開き、反対側の 2 つのスイッチが閉じて、電流が反対方向に流れるようになります。スイッチの開閉のタイミングを正確に調整することで、負荷回路の振動を維持することができます。
出力回路
出力回路の役割は、インバータの出力をコイルに必要な出力に合わせることです。最も単純な形態ではコンデンサが使われますが、場合によってはコンデンサとトランスの組み合わせが使われることもあります。
制御システム
制御セクションは、負荷回路、インバーターのすべてのパラメータを監視し、適切なタイミングでスイッチング パルスを供給して出力回路にエネルギーを供給します。初期のシステムには、スイッチング時間、電流制限、電圧制限、周波数トリップを調整するための可変ポテンショメータを備えた個別の電子機器が採用されていました。しかし、マイクロコントローラー技術の出現により、高度なシステムの大部分はデジタル制御を採用するようになりました。
電圧供給インバータ
電圧供給インバータは、インバータの入力にフィルタコンデンサを備え、直列共振出力回路を備えています。電圧供給システムは非常に人気があり、周波数 10 kHz までの SCR、100 kHz までの IGBT、および 3 MHz までの MOSFET で使用できます。並列負荷に直列接続された電圧供給インバータは、3 次システムとも呼ばれます。基本的にこれはソリッドステートに似ていますが、このシステムでは、直列接続された内部コンデンサとインダクタが並列出力タンク回路に接続されています。このタイプのシステムの主な利点は、内部回路が出力回路を効果的に分離し、スイッチング部品がコイルのフラッシュオーバーや不整合による損傷を受けにくくなるため、インバータが堅牢になることです。[16]
電流供給インバータ
電流供給インバータは、可変DC入力とそれに続くインバータブリッジの入力に大きなインダクタを使用する点で電圧供給システムとは異なります。電源回路は並列共振回路を備えており、通常1kHzから1MHzの動作周波数を持つことができます。電圧供給システムと同様に、SCRは通常10kHzまで使用され、IGBTとMOSFETはより高い周波数で使用されます。[17]
適切な材料
適切な材料は、その材料のキュリー温度以下に加熱される高透磁率（100～500）の材料です。
参照
参考文献
注記
- ^ ab Rudnev、p. 229。
- ^ ルドネフ、627ページ。
- ^ ルドネフ、628ページ。
- ^ ルドネフ、629ページ。
- ^ ルドネフ、227ページ。
- ^ ルドネフ、1ページ。
- ^ ルドネフ、2ページ。
- ^ ab Rudnev、632ページ。
- ^ ルドネフ、635ページ。
- ^ ルドネフ、636ページ。
- ^ ルドネフ、690ページ。
- ^ ルドネフ、478ページ。
- ^ ルドネフ、652ページ。
- ^ ルドネフ、630ページ。
- ^ ルドネフ、637ページ。
- ^ ルドネフ、640ページ。
- ^ ルドネフ、645ページ。
文献
- ルドネフ、ヴァレリー、ラヴレス、ドン、クック、レイモンド、ブラック、ミカ（2002）、誘導加熱ハンドブック、CRC Press、ISBN 0-8247-0848-2。
外部リンク
- シェフィールド大学は誘導加熱技術の実現に関する基礎研究と応用研究を実施 - シェフィールド大学 2009-01-03 にWayback Machineでアーカイブ
- TWI の誘導加熱技術を使用した誘導はんだ付けの例。2008-09-29 にWayback Machineでアーカイブされました。
- 主電源周波数の FEA から導出された加熱速度を示すアニメーション 誘導ドラムヒーター - LMK Thermosafe Ltd
- 金属を浮上させることができる低電力および高電力デバイスの回路図を含む、誘導加熱装置の理論と動作に関する包括的なチュートリアル。