電磁加熱輥的結構與控制系統簡述

一、什么是電磁感應加熱輥？

 是一種用于工業用材料連續加工生產中，可自身發熱圓柱形輥體。其加熱的基本原理是采用輥體內部的線圈產生電磁場,通過磁力線切割金屬表面產生焦耳熱而達到輥體自身發熱的效果，輥面再與被加工對象材料進行熱交換，并通過閉環回路的溫度控制系統維持輥體設定的工作溫度。

自該產品的問世以來，被廣泛應用于各類高分子材料的深加工工藝，如PVC片材加工、化纖紡絲加工、復合材料加工、各類材料的烘干、無機材料的延展等領域。電磁加熱輥具有良好的溫度性能及傳統導熱油所不具備的環保及安全等方面的優勢，特別是部分高溫、高精度材料工藝生產中，是必不可少加熱源，電磁感應加熱輥發明以來很快得到各行業的認可。因電磁加熱輥目前成本相對導熱油輥或其它加熱方式的輥體成本較高，當前市場的普及率并不高。

一般電磁加熱輥外形圖樣

二、電磁加熱輥結構

電磁感應加熱輥內部結構較為復雜，本文只作一些大體結構的介紹。按照不同的生產工藝需要，電磁加熱輥分為單軸形及雙軸形兩種結構形式。即輥體是由單端支撐還是雙端支撐。單軸形一般應用化學纖維紡絲工藝較為多見，其次有應用于特種塑膜的烘干、牽伸等。雙軸形輥體的應用更為廣泛，如材料的壓延、壓光、壓整、烘干、復合、模壓、熱定型、熱轉移等。

單軸型電磁加熱輥按不同生產工藝分為一體式、分體式結構。也有與電機傳動合為一體式結構。但主體結構都是由線圈裝置、輥殼體、傳動支撐機構、測溫機構組成。

（單軸型電磁加熱輥圖樣）

 雙軸型電磁加熱輥結構由左端蓋、右端蓋、內軸加熱線圈、溫度測測裝置等組成。

(雙軸型電磁加熱輥圖樣)

關于電磁加熱輥內部結構由金屬輥體、支撐軸、感應線圈、溫度傳感器等組成，下面我們以雙軸形電磁加熱輥內部結構來簡要說明：

（一般雙軸型電磁加熱輥內部結構示意圖）

感應發熱方式：

電磁加熱輥按感應發熱方式分類，分為內置式線圈發熱及外置式線圈發熱兩種方式。通常，內置式加熱方式較為多見，因其加熱的效率、安全因素及溫度可控制程度要比外置式好太多。典型代表企業有日本t0kuden、上海聯凈等。

外置式加熱

（外置線圈式電磁感應加熱輥）

電磁感應加熱輥采用外置式感應線圈加熱輥,就是將一個或多個電磁感應線圈放置輥體周圍一定距離的位置，當線圈通入交變電流時，磁力線切割輥體表面，從而產生熱量。輥體感應發熱時，通過不停旋轉輥體，來讓輥體外表面相對均勻的來接受電磁場的磁力線的切割。

采用此方案的電磁加熱輥并不多見，限于一些特定的應用場景。外置線圈可以是一個或多個。此方案在日本及加拿大有應用，主要應用于導熱油超大寬幅紙張（通常４米以上寬幅）烘干整形的輥面溫度補償。通常采用多個單線圈對不同部位進行熱補償，一般輥體分為99段，即在輥體的外圓周上分布距離可以調節的99個感應線圈，紙張經過輥體后加X射線掃描，檢測紙張厚度，通過此數據的分析，再以由閉環系統進行每個線圈電流大小的調節。

關于內置線圈的電磁加熱輥，電磁加熱輥99%以上的內部線圈采用單線圈結構形式。極少情況會用多線圈結構形式。典型代表企業有日本tokuden、上海聯凈等。

通過單線圈，輥體內部磁場不存在多線圈結構的線圈與線圈之間相互干擾問題。制作時對于線圈磁密度分布也更好的調節，更利于溫度均勻性的控制；

單線圈對于電路控制及現場線路的施工也更加簡潔。操作簡單、維護方便。所以，除非是溫度均勻控制技術水平無法做到生產工藝要求，否則不會采用多線圈方案。 

三、電磁感應加熱輥的溫度調節控制

1.測溫方式分：按測溫方式，可分為直接測溫和間接測溫方式。

a.直接測溫，就是采用感溫元件直接在輥體的表面或是輥壁內部進行測溫。通常是采用在輥體內壁敷設感溫元器件進行溫度的采集。一般采用K型熱電偶或PT100，K型熱電偶測溫方式，成本較為低廉，連接線需要采用專用補償導線（變送通信傳輸的則不需要），相對熱電阻，穩定性會更好些，不過相對感溫元件成本會偏高。市場代表性企業有日本TOKUDEN、上海聯凈;

b.間接性測溫，一般分紅外測溫或空氣測溫。

紅外測溫：是利用黑體輻射定律進行測溫。但對于不同的材質及輥面粗糙度不同，對應的反射率會不同，加上紅外接收器的檢測角度、檢測距離、輥面的干潔程度（不同程度的清潔會對反射率有較大影響）、使用環境等因素，會存在測量較大偏差或錯誤的風險性較高。

因此，紅外測溫較少用于電磁加熱輥在線的測溫系統中。如干凈直空環境、高等級的無塵室，可以考慮采用紅外探頭方案來進行溫度的測量。紅外探頭測溫技術發展到今天也是十分成熟了，并可以將檢回信號進行4~20mA輸出，基于485通信的輸出等。也有紅外測量一條線溫度或紅外成像測量整個溫度場溫度，但都是基于工藝分析，較少有用于輥體的生產控溫檢測方式。

　　空氣測溫方式一般常用于化學纖維生產的電磁加熱輥，多為分體式結構采用。既在輥體壁靠傳動側的端面選取合適位置進行開槽處理。將感溫探頭放置于該槽空間中部，當輥壁發熱后，槽內空氣被加熱，輥體在高速度旋轉中，會保持一個相對溫度，控溫系統對采樣溫度做PID運算，再控制感應線圈子電流大小進行調節。

２.測溫位置：

a.測空氣溫度，既間接測溫的常用方式，多見于部分化學纖維生產。代表性企業有日本特電、上海聯凈。 

b.測輥壁，即在輥壁內按需要開設不同數量及長度的測溫小孔，進行溫度的檢測，代表性企業如tokuden、上海聯凈。 

c.測輥表面,一般采用紅外測溫或接觸式滾輪熱電偶測溫。此方法可靠性較差，一般不采用。

3.溫度傳送方式

a.信號直接傳送：將熱電偶或熱電阻信號直接向溫度控制單元傳送;

b.信號變送:將熱電偶或熱電阻信號先進行信號轉換處理，再向溫度控制單元傳送。轉變后的信號如4~20mA等工業常用控制信號，也可按需求，進行無線傳輸或有線通信傳輸。無線傳輸需要提供獨立干電池供電電源，在旋轉的輥體使用中，不是一種很好的方式。有線的通信傳輸則要來得可靠得多，通常，以工業常用的RS485形式，有較好的性價比及通用性，也可以按生產線通信實際的現場情況，選取MOBUS TCP、EtherNet/IP等工業通信協議。這類產品，最早是美國人發明，該技術在日本也較為成熟。性能及通信方面，歐州部分企業會更加有優勢，同時價格適中，最主要看應用需求。因為成本關系，采用率較為低一些。國內也有這方面的產品，不過只限于小部分的應用。

聯凈電磁加熱輥側面

　　在上述溫度檢測手端的基礎上，感溫探頭將輥體的溫度實時采樣后，送回溫度控制單元進行PID過算，輸信號源對電源調節模塊進行控制，從而改變勵磁線圈的電流大小，通過此閉環控制，達到溫度高低控制的目的。