本質的に、誘導加熱はファラデーの法則によって開始される2段階のプロセスによって機能します。まず、急速に変化する磁場を利用して、渦電流と呼ばれる強力な電流を導電性部品の内部に直接誘導します。次に、材料固有の電気抵抗がこれらの電流の流れを妨げ、原子レベルで巨大な摩擦を引き起こし、これによりクリーンで制御可能な熱が瞬時に発生します。
誘導加熱は、電磁気学の原理を熱エネルギーに変換します。磁場を媒体として利用してターゲット材料内部に電流を発生させ、その材料自体の抵抗を利用してそれらの電流を熱に変換します。
核心原理：磁気から電流へ
誘導加熱は、特定の種類の磁場を生成することから始まる非接触法です。このプロセスは、物理学の基本法則によって支配されています。
ステップ1：時間変化磁場の生成
プロセスは、通常銅管で作られた誘導コイルから始まります。このコイルに高周波の交流（AC）電流を流します。
この交流電流は、コイルの周囲および内部の空間に高濃度で急速に変化する磁場を生成します。
ステップ2：電磁誘導のファラデーの法則
導電性のワークピース（鋼片など）がこの磁場内に置かれると、磁力線がそれを通過します。
磁場が交流であるため、その強さと方向は絶えず変化しています。電磁誘導のファラデーの法則によれば、この変化はワークピース内に電圧、すなわち起電力を誘導します。
ステップ3：渦電流の発生
この誘導電圧は、導電性材料内部で電子の流れを強制します。ワークピースが固体であるため、これらの電流は閉じたループを描いて渦巻きます。
これらの渦巻く内部電流は渦電流として知られています。これらは、ワークピースに作用するファラデーの法則の直接的な結果です。
加熱のメカニズム：電流から熱へ
渦電流の生成は物語の半分にすぎません。実際の加熱は、これらの電流が材料自体と相互作用することによって生じます。
電気抵抗の役割
完璧な導体である材料はありません。すべての金属にはある程度の電気抵抗があります。この抵抗は電子の流れに対する摩擦のように作用します。
強力な渦電流が抵抗性のある金属内を流れることを強いられると、この「摩擦」を乗り越え、電気エネルギーが直接熱エネルギーに変換されます。
ジュール熱（I²R損失）
この現象はジュール熱として知られています。発生する熱量は、材料の抵抗（R）と電流の大きさの二乗（I²）に正比例します。
誘導渦電流は非常に大きくなる可能性があるため、結果として生じるI²R損失は、電流が流れているまさにその場所で急速かつ集中的な熱を発生させます。
表皮効果
誘導加熱で使用される高周波数では、渦電流は部品全体に均一に流れません。それらは表面近くの薄い層に集中する傾向があります。
これは表皮効果と呼ばれます。これにより、部品の表面がその中心部よりもはるかに速く集中的に加熱され、誘導加熱は表面硬化などの用途に理想的になります。
主要因の理解
誘導加熱の有効性と性質は偶然ではありません。それらは、エンジニアが操作できるいくつかの重要なパラメータによって制御されます。
周波数の影響
交流の周波数は重要な制御レバーです。周波数が高いほど表皮効果が強くなり、熱が表面に集中して浅く迅速な加熱になります。周波数が低いほど、磁場がより深く浸透し、材料の体積のより多くを加熱できます。
電力の影響
誘導コイルに印加される電力は、磁場の強さを決定します。より強い磁場はより高い電圧を誘導し、それがより大きな渦電流を生成し、熱をより速く発生させます。
材料特性の影響
ワークピースの材料は大きな役割を果たします。電気抵抗が高い材料（鋼やチタンなど）は、抵抗が低い材料（銅やアルミニウムなど）よりもはるかに容易に加熱されます。鋼のような磁性材料は、低温でのヒステリシス加熱からも恩恵を受け、これが全体的な効果に加算されます。
用途に応じた適切な選択
これらの原理を理解することで、さまざまな産業目標に対して加熱プロセスを正確に制御できます。
- 鋼製ギアの表面硬化が主な目的の場合：高周波数（50 kHz～400 kHz）を使用して熱を歯の薄い層に集中させ、その後急速に焼入れします。
- 鍛造のために大きなビレットを加熱することが主な目的の場合：低周波数（1 kHz～10 kHz）を使用して、熱が材料の中心部に深く浸透し、均一な展性を確保します。
- 銅のような高い導電性金属の溶解が主な目的の場合：十分な加熱電流を誘導するのに十分な強力な磁場を生成するために、非常に高出力のシステムを使用する必要があります。
これらの電磁気学の原理を習得することで、必要なときに必要な場所に、外科手術のような精度で熱を適用できます。
要約表：
| 原理 | 誘導加熱における役割 |
|---|---|
| ファラデーの法則 | 導電性ワークピースに電圧と渦電流を誘導する。 |
| ジュール熱（I²R損失） | 渦電流からの電気エネルギーを熱に変換する。 |
| 表皮効果 | 熱を表面に集中させ、正確な熱制御を可能にする。 |
| 周波数 | 熱浸透の深さを制御する（表面には高周波数、深部には低周波数）。 |
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