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Il riscaldamento a induzione è una tecnica accurata, veloce, ripetibile, efficiente e senza contatto per riscaldare metalli o qualsiasi altro materiale elettricamente conduttivo.

Un sistema di riscaldamento a induzione consiste in un alimentatore a induzione per convertire la potenza di linea in una corrente alternata e fornirla a una testa di lavoro, e una bobina di lavoro per generare un campo elettromagnetico all’interno della bobina. Il pezzo da lavorare è posizionato nella bobina in modo tale che questo campo induce una corrente nel pezzo da lavorare, che a sua volta produce calore.

La bobina raffreddata ad acqua è posizionata intorno o ai bordi del pezzo da lavorare. Non è in contatto con il pezzo da lavorare, e il calore è prodotto solo dalla corrente indotta trasmessa attraverso il pezzo da lavorare. Il materiale utilizzato per realizzare il pezzo può essere un metallo come il rame, l’alluminio, l’acciaio o l’ottone. Può anche essere un semiconduttore come la grafite, il carbonio o il carburo di silicio.

Per il riscaldamento di materiali non conduttivi come la plastica o il vetro, l’induzione può essere usata per riscaldare un suscettore elettricamente conduttivo, per esempio la grafite, che poi passa il calore al materiale non conduttivo.

Il riscaldamento a induzione trova applicazioni in processi dove le temperature sono basse come 100ºC (212°F) e alte come 3000°C (5432°F). È anche usato in processi di riscaldamento brevi che durano meno di mezzo secondo e in processi di riscaldamento che si estendono per diversi mesi.

Il riscaldamento a induzione è usato sia nella cucina domestica che in quella commerciale, in diverse applicazioni come il trattamento termico, la saldatura, il preriscaldamento per la saldatura, la fusione, il montaggio a caldo nell’industria, la sigillatura, la brasatura, l’indurimento e nella ricerca e sviluppo.

Come funziona il riscaldamento a induzione?

L’induzione produce un campo elettromagnetico in una bobina per trasferire energia a un pezzo da riscaldare. Quando la corrente elettrica passa lungo un filo, si produce un campo magnetico intorno a quel filo.

Benefici chiave dell’induzione

I benefici dell’induzione sono:

• Riscaldamento efficiente e veloce
• Riscaldamento accurato e ripetibile
• Riscaldamento sicuro perché non c’è fiamma
• Vita prolungata dei dispositivi grazie al riscaldamento accurato

Metodi di riscaldamento a induzione

Il riscaldamento a induzione avviene con due metodi:

Il primo metodo è indicato come riscaldamento a correnti parassite dalle perdite I²R causate dalla resistività del materiale di un pezzo. Il secondo è indicato come riscaldamento isteretico, in cui l’energia è prodotta all’interno di un pezzo dal campo magnetico alternato generato dalla bobina che modifica la polarità magnetica del componente.

Il riscaldamento isteretico si verifica in un componente fino alla temperatura di Curie quando la permeabilità magnetica del materiale diminuisce a 1 e il riscaldamento isteretico si riduce. Il riscaldamento a correnti parassite costituisce il restante effetto di riscaldamento per induzione.

Quando c’è un cambiamento nella direzione della corrente elettrica (AC) il campo magnetico generato viene meno, e viene prodotto nella direzione inversa, come la direzione della corrente viene invertita. Quando un secondo filo è posizionato in quel campo magnetico alternato, una corrente alternata è prodotta nel secondo filo.

La corrente trasmessa attraverso il secondo filo e quella attraverso il primo filo sono proporzionali tra loro e anche all’inverso del quadrato della distanza tra loro.

Sostituendo il filo in questo modello con una bobina, la corrente alternata sulla bobina genera un campo elettromagnetico e mentre il pezzo da riscaldare si trova nel campo, il pezzo si accoppia al secondo filo e si produce una corrente alternata nel pezzo. Le perdite I²R della resistività del materiale del pezzo da lavorare causano la creazione di calore nel pezzo da lavorare della resistività del materiale del pezzo da lavorare. Questo è chiamato riscaldamento a correnti parassite.

Figura 1.

Funzionamento di una bobina d’induzione

Con l’aiuto di un campo elettrico alternato, l’energia viene trasmessa al pezzo con una bobina di lavoro.

La corrente alternata che passa attraverso la bobina produce il campo elettromagnetico che induce una corrente che passa nel pezzo come immagine speculare alla corrente che passa nella bobina di lavoro. La bobina di lavoro/induttore è una parte del sistema di riscaldamento a induzione che mostra l’efficacia e l’efficienza del pezzo da lavorare quando viene riscaldato. Le bobine di lavoro sono di numerosi tipi che vanno dal complesso al semplice.

La bobina avvolta elicoidale (o solenoide) è un esempio di bobina semplice, che consiste di molti giri di tubo di rame avvolto intorno ad un mandrino. Una bobina lavorata con precisione dal rame solido e brasata insieme è un esempio di bobina complessa.

Figura 2.

Frequenza operativa (risonante)

Il pezzo che deve essere riscaldato e il materiale del pezzo decidono la frequenza operativa del sistema di riscaldamento a induzione. È fondamentale utilizzare un sistema a induzione che fornisca potenza nella gamma di frequenze adatte all’applicazione. Le ragioni delle varie frequenze di funzionamento possono essere comprese da quello che viene chiamato “effetto pelle”. Quando il campo elettromagnetico induce una corrente in un componente, questa passa principalmente alla superficie del componente.

Figura 3. (a) Il riscaldamento a induzione ad alta frequenza ha un effetto pelle poco profondo che è più efficiente per le parti piccole; (b) Il riscaldamento a induzione a bassa frequenza ha un effetto pelle più profondo che è più efficiente per le parti più grandi.

Quando la frequenza operativa è più alta, la profondità della pelle è meno profonda. Allo stesso modo, quando la frequenza operativa è più bassa, la profondità della pelle e la penetrazione dell’effetto di riscaldamento sono più profonde. La profondità della pelle/profondità di penetrazione si basa sulla temperatura, sulla frequenza operativa e sulle proprietà del materiale del pezzo.

Per esempio (vedi tabella 1), una barra d’acciaio di 20 mm può essere sottoposta a stress riscaldandola a 540°C (1000°F) con un sistema a induzione a 3 kHz. Tuttavia, un sistema a 10 kHz sarà necessario per indurire la stessa barra riscaldandola a 870°C (1600°F).

Pertanto si può dire che frequenze operative più alte, per lo più superiori a 50kHz, possono essere utilizzate per riscaldare parti più piccole con induzione e frequenze operative più basse possono essere utilizzate per riscaldare parti più grandi in modo più efficiente.

Nel caso di alimentatori a induzione a stato solido avanzati con sistemi di controllo a microprocessore incorporati, è possibile ottenere tecniche di riscaldamento coerenti ed efficaci basate sul fatto che tutte le parti sono collocate in una posizione coerente all’interno della bobina.

Parti di un sistema di riscaldamento a induzione

Un sistema di riscaldamento a induzione comprende un circuito serbatoio, un alimentatore e una bobina di lavoro. Nelle applicazioni industriali, c’è abbastanza corrente che passa attraverso la bobina per avere bisogno di un raffreddamento ad acqua; quindi un’installazione di base contiene un’unità di raffreddamento ad acqua. La corrente alternata dalla linea AC è convertita attraverso un alimentatore in una corrente alternata che è in linea con la combinazione di induttanza della bobina, capacità della testa di lavoro e resistività del componente.

Figura 4. Tipico sistema di riscaldamento a induzione

Fattori da considerare

Il materiale del pezzo da lavorare detta la velocità di riscaldamento e la potenza necessaria. Il ferro e l’acciaio si riscaldano facilmente perché hanno una resistività più alta, mentre l’alluminio e il rame hanno bisogno di più potenza per riscaldare a causa della loro bassa resistività.

Alcuni acciai sono magnetici in natura, quindi la resistività e le proprietà isteretiche del metallo vengono utilizzate quando vengono riscaldati con l’induzione. L’acciaio perde le sue proprietà magnetiche quando viene riscaldato al di sopra della temperatura di Curie (500-600°C/1000-1150°F); tuttavia il riscaldamento a correnti parassite fornisce la tecnica di riscaldamento necessaria per temperature più elevate.

La potenza richiesta è determinata da fattori come il tipo di materiale, le dimensioni del pezzo, l’aumento di temperatura richiesto e il tempo di riscaldamento. A seconda delle dimensioni del pezzo da riscaldare, il fattore essenziale da considerare è la frequenza operativa del sistema di riscaldamento a induzione.

Parimenti, nel caso di pezzi più piccoli è necessaria una frequenza più alta (>50kHz) per un riscaldamento efficiente, e nel caso di pezzi più grandi una frequenza più bassa (>10kHz) e una maggiore penetrazione del calore.

Quando la temperatura del pezzo riscaldato aumenta, il calore viene anche perso dal pezzo. Le perdite per irradiazione e convezione dal pezzo da lavorare diventano un fattore molto essenziale con temperature più alte. I metodi di isolamento sono frequentemente usati alle alte temperature per ridurre le perdite di calore e per diminuire la potenza richiesta dal sistema a induzione.

Figura 5. Famiglia di alimentatori per riscaldamento a induzione Ambrell

Queste informazioni sono state ricavate, riviste e adattate da materiali forniti da Ambrell Induction Heating Solutions.

Per ulteriori informazioni su questa fonte, visitare Ambrell Induction Heating Solutions.

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