電磁加熱輥的結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)簡述

一、什么是電磁感應(yīng)加熱輥？

 是一種用于工業(yè)用材料連續(xù)加工生產(chǎn)中，可自身發(fā)熱圓柱形輥體。其加熱的基本原理是采用輥體內(nèi)部的線圈產(chǎn)生電磁場,通過磁力線切割金屬表面產(chǎn)生焦耳熱而達(dá)到輥體自身發(fā)熱的效果，輥面再與被加工對象材料進(jìn)行熱交換，并通過閉環(huán)回路的溫度控制系統(tǒng)維持輥體設(shè)定的工作溫度。

自該產(chǎn)品的問世以來，被廣泛應(yīng)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(fù)合材料加工、各類材料的烘干、無機(jī)材料的延展等領(lǐng)域。電磁加熱輥具有良好的溫度性能及傳統(tǒng)導(dǎo)熱油所不具備的環(huán)保及安全等方面的優(yōu)勢，特別是部分高溫、高精度材料工藝生產(chǎn)中，是必不可少加熱源，電磁感應(yīng)加熱輥發(fā)明以來很快得到各行業(yè)的認(rèn)可。因電磁加熱輥目前成本相對導(dǎo)熱油輥或其它加熱方式的輥體成本較高，當(dāng)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(jié)構(gòu)

電磁感應(yīng)加熱輥內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，本文只作一些大體結(jié)構(gòu)的介紹。按照不同的生產(chǎn)工藝需要，電磁加熱輥分為單軸形及雙軸形兩種結(jié)構(gòu)形式。即輥體是由單端支撐還是雙端支撐。單軸形一般應(yīng)用化學(xué)纖維紡絲工藝較為多見，其次有應(yīng)用于特種塑膜的烘干、牽伸等。雙軸形輥體的應(yīng)用更為廣泛，如材料的壓延、壓光、壓整、烘干、復(fù)合、模壓、熱定型、熱轉(zhuǎn)移等。

單軸型電磁加熱輥按不同生產(chǎn)工藝分為一體式、分體式結(jié)構(gòu)。也有與電機(jī)傳動合為一體式結(jié)構(gòu)。但主體結(jié)構(gòu)都是由線圈裝置、輥殼體、傳動支撐機(jī)構(gòu)、測溫機(jī)構(gòu)組成。

（單軸型電磁加熱輥圖樣）

 雙軸型電磁加熱輥結(jié)構(gòu)由左端蓋、右端蓋、內(nèi)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(guān)于電磁加熱輥內(nèi)部結(jié)構(gòu)由金屬輥體、支撐軸、感應(yīng)線圈、溫度傳感器等組成，下面我們以雙軸形電磁加熱輥內(nèi)部結(jié)構(gòu)來簡要說明：

（一般雙軸型電磁加熱輥內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖）

感應(yīng)發(fā)熱方式：

電磁加熱輥按感應(yīng)發(fā)熱方式分類，分為內(nèi)置式線圈發(fā)熱及外置式線圈發(fā)熱兩種方式。通常，內(nèi)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(yè)有日本t0kuden、上海聯(lián)凈等。

外置式加熱

（外置線圈式電磁感應(yīng)加熱輥）

電磁感應(yīng)加熱輥采用外置式感應(yīng)線圈加熱輥,就是將一個(gè)或多個(gè)電磁感應(yīng)線圈放置輥體周圍一定距離的位置，當(dāng)線圈通入交變電流時(shí)，磁力線切割輥體表面，從而產(chǎn)生熱量。輥體感應(yīng)發(fā)熱時(shí)，通過不停旋轉(zhuǎn)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(yīng)用場景。外置線圈可以是一個(gè)或多個(gè)。此方案在日本及加拿大有應(yīng)用，主要應(yīng)用于導(dǎo)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(bǔ)償。通常采用多個(gè)單線圈對不同部位進(jìn)行熱補(bǔ)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(diào)節(jié)的99個(gè)感應(yīng)線圈，紙張經(jīng)過輥體后加X射線掃描，檢測紙張厚度，通過此數(shù)據(jù)的分析，再以由閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行每個(gè)線圈電流大小的調(diào)節(jié)。

關(guān)于內(nèi)置線圈的電磁加熱輥，電磁加熱輥99%以上的內(nèi)部線圈采用單線圈結(jié)構(gòu)形式。極少情況會用多線圈結(jié)構(gòu)形式。典型代表企業(yè)有日本tokuden、上海聯(lián)凈等。

通過單線圈，輥體內(nèi)部磁場不存在多線圈結(jié)構(gòu)的線圈與線圈之間相互干擾問題。制作時(shí)對于線圈磁密度分布也更好的調(diào)節(jié)，更利于溫度均勻性的控制；

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

三、電磁感應(yīng)加熱輥的溫度調(diào)節(jié)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(nèi)部進(jìn)行測溫。通常是采用在輥體內(nèi)壁敷設(shè)感溫元器件進(jìn)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(bǔ)償導(dǎo)線（變送通信傳輸?shù)膭t不需要），相對熱電阻，穩(wěn)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(yè)有日本TOKUDEN、上海聯(lián)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(jìn)行測溫。但對于不同的材質(zhì)及輥面粗糙度不同，對應(yīng)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(huán)境等因素，會存在測量較大偏差或錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)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(tǒng)中。如干凈直空環(huán)境、高等級的無塵室，可以考慮采用紅外探頭方案來進(jìn)行溫度的測量。紅外探頭測溫技術(shù)發(fā)展到今天也是十分成熟了，并可以將檢回信號進(jìn)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(gè)溫度場溫度，但都是基于工藝分析，較少有用于輥體的生產(chǎn)控溫檢測方式。

　　空氣測溫方式一般常用于化學(xué)纖維生產(chǎn)的電磁加熱輥，多為分體式結(jié)構(gòu)采用。既在輥體壁靠傳動側(cè)的端面選取合適位置進(jìn)行開槽處理。將感溫探頭放置于該槽空間中部，當(dāng)輥壁發(fā)熱后，槽內(nèi)空氣被加熱，輥體在高速度旋轉(zhuǎn)中，會保持一個(gè)相對溫度，控溫系統(tǒng)對采樣溫度做PID運(yùn)算，再控制感應(yīng)線圈子電流大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。

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(xué)纖維生產(chǎn)。代表性企業(yè)有日本特電、上海聯(lián)凈。 

b.測輥壁，即在輥壁內(nèi)按需要開設(shè)不同數(shù)量及長度的測溫小孔，進(jìn)行溫度的檢測，代表性企業(yè)如tokuden、上海聯(lián)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(jìn)行信號轉(zhuǎn)換處理，再向溫度控制單元傳送。轉(zhuǎn)變后的信號如4~20mA等工業(yè)常用控制信號，也可按需求，進(jìn)行無線傳輸或有線通信傳輸。無線傳輸需要提供獨(dú)立干電池供電電源，在旋轉(zhuǎn)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(yè)常用的RS485形式，有較好的性價(jià)比及通用性，也可以按生產(chǎn)線通信實(shí)際的現(xiàn)場情況，選取MOBUS TCP、EtherNet/IP等工業(yè)通信協(xié)議。這類產(chǎn)品，最早是美國人發(fā)明，該技術(shù)在日本也較為成熟。性能及通信方面，歐州部分企業(yè)會更加有優(yōu)勢，同時(shí)價(jià)格適中，最主要看應(yīng)用需求。因?yàn)槌杀娟P(guān)系，采用率較為低一些。國內(nèi)也有這方面的產(chǎn)品，不過只限于小部分的應(yīng)用。

聯(lián)凈電磁加熱輥側(cè)面

　　在上述溫度檢測手端的基礎(chǔ)上，感溫探頭將輥體的溫度實(shí)時(shí)采樣后，送回溫度控制單元進(jìn)行PID過算，輸信號源對電源調(diào)節(jié)模塊進(jìn)行控制，從而改變勵(lì)磁線圈的電流大小，通過此閉環(huán)控制，達(dá)到溫度高低控制的目的。