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Induktionserwärmung ist eine genaue, schnelle, wiederholbare, effiziente, berührungslose Technik zur Erwärmung von Metallen oder anderen elektrisch leitenden Materialien.

Ein Induktionserwärmungssystem besteht aus einer Induktionsstromversorgung, die Netzstrom in Wechselstrom umwandelt und an einen Arbeitskopf liefert, und einer Arbeitsspule zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes innerhalb der Spule. Das Werkstück wird in der Spule so positioniert, dass dieses Feld einen Strom im Werkstück induziert, der wiederum Wärme erzeugt.

Die wassergekühlte Spule ist um das Werkstück herum oder an dieses angrenzend angeordnet. Sie berührt das Werkstück nicht, und die Wärme wird nur durch den induzierten Strom erzeugt, der durch das Werkstück übertragen wird. Das für das Werkstück verwendete Material kann ein Metall wie Kupfer, Aluminium, Stahl oder Messing sein. Es kann auch ein Halbleiter wie Graphit, Kohlenstoff oder Siliziumkarbid sein.

Zur Erwärmung von nichtleitenden Materialien wie Kunststoffen oder Glas kann die Induktion verwendet werden, um einen elektrisch leitenden Suszeptor, z. B. Graphit, zu erwärmen, der dann die Wärme an das nichtleitende Material weitergibt.

Die Induktionserwärmung findet Anwendung in Prozessen, bei denen die Temperaturen zwischen 100 ºC (212°F) und 3000°C (5432°F) liegen. Sie wird auch bei kurzen Erwärmungsvorgängen von weniger als einer halben Sekunde Dauer und bei Erwärmungsvorgängen, die sich über mehrere Monate erstrecken, eingesetzt.

Die Induktionserwärmung wird sowohl in der privaten als auch in der gewerblichen Küche, bei verschiedenen Anwendungen wie Wärmebehandlung, Löten, Vorwärmen zum Schweißen, Schmelzen, Schrumpfen in der Industrie, Versiegeln, Löten, Aushärten und in Forschung und Entwicklung eingesetzt.

Wie funktioniert die Induktionserwärmung?

Induktion erzeugt ein elektromagnetisches Feld in einer Spule, um Energie auf ein zu erwärmendes Werkstück zu übertragen. Wenn der elektrische Strom entlang eines Drahtes fließt, wird ein Magnetfeld um diesen Draht herum erzeugt.

Hauptvorteile der Induktion

Die Vorteile der Induktion sind:

• Effiziente und schnelle Erwärmung
• Genaue, wiederholbare Erwärmung
• Sichere Erwärmung, da keine Flamme vorhanden ist
• Verlängerte Lebensdauer der Vorrichtungen durch genaue Erwärmung

Methoden der induktiven Erwärmung

Die induktive Erwärmung erfolgt mit zwei Methoden:

Die erste Methode wird als Wirbelstromerwärmung bezeichnet und beruht auf den I²R-Verlusten, die durch den spezifischen Widerstand des Werkstoffs eines Werkstücks verursacht werden. Die zweite Methode wird als hysteretische Erwärmung bezeichnet, bei der die Energie in einem Werkstück durch das von der Spule erzeugte magnetische Wechselfeld erzeugt wird, das die magnetische Polarität des Bauteils verändert.

Die hysteretische Erwärmung tritt in einem Bauteil bis zur Curie-Temperatur auf, wenn die magnetische Permeabilität des Materials auf 1 sinkt und die hysteretische Erwärmung verringert wird. Die Wirbelstromerwärmung stellt den verbleibenden Induktionserwärmungseffekt dar.

Bei einer Änderung der Richtung des elektrischen Stroms (Wechselstrom) fällt das erzeugte Magnetfeld aus und wird in umgekehrter Richtung erzeugt, da die Stromrichtung umgekehrt wird. Wenn ein zweiter Draht in diesem magnetischen Wechselfeld positioniert wird, wird ein Wechselstrom in dem zweiten Draht erzeugt.

Der durch den zweiten Draht und der durch den ersten Draht übertragene Strom sind proportional zueinander und auch zum Kehrwert des Quadrats des Abstands zwischen ihnen.

Wenn der Draht in diesem Modell durch eine Spule ersetzt wird, erzeugt der Wechselstrom auf der Spule ein elektromagnetisches Feld, und während sich das zu erwärmende Werkstück in dem Feld befindet, passt sich das Werkstück an den zweiten Draht an, und ein Wechselstrom wird in dem Werkstück erzeugt. Die I²R-Verluste des Materialwiderstands des Werkstücks bewirken, dass im Werkstück Wärme in Höhe des Materialwiderstands des Werkstücks erzeugt wird. Dies wird als Wirbelstromerwärmung bezeichnet.

Abbildung 1.

Funktionsweise einer Induktionsspule

Mit Hilfe eines elektrischen Wechselfeldes wird mit einer Arbeitsspule Energie auf das Werkstück übertragen.

Der durch die Spule fließende Wechselstrom erzeugt ein elektromagnetisches Feld, das im Werkstück einen Strom induziert, der spiegelbildlich zu dem in der Arbeitsspule fließenden Strom ist. Die Arbeitsspule bzw. der Induktor ist ein Teil des Induktionserwärmungssystems, das die Effektivität und Effizienz der Erwärmung des Werkstücks anzeigt. Es gibt zahlreiche Arten von Arbeitsspulen, die von komplex bis einfach reichen.

Die schraubenförmig gewickelte Spule (oder Magnetspule) ist ein Beispiel für eine einfache Spule, die aus vielen Windungen eines um einen Dorn gewickelten Kupferrohrs besteht. Eine aus massivem Kupfer präzisionsgefertigte und zusammengelötete Spule ist ein Beispiel für eine komplexe Spule.

Abbildung 2.

Betriebsfrequenz (Resonanzfrequenz)

Das zu erwärmende Werkstück und der Werkstoff des Werkstücks bestimmen die Betriebsfrequenz der Induktionserwärmungsanlage. Es ist wichtig, eine Induktionsanlage zu verwenden, die die Leistung in einem für die Anwendung geeigneten Frequenzbereich liefert. Die Gründe für unterschiedliche Betriebsfrequenzen lassen sich durch den so genannten „Skin-Effekt“ erklären. Wenn das elektromagnetische Feld einen Strom in einem Bauteil induziert, fließt er hauptsächlich an der Bauteiloberfläche.

Abbildung 3. (a) Hochfrequenz-Induktionserwärmung hat einen flachen Skin-Effekt, der für kleine Teile effizienter ist; (b) Niederfrequenz-Induktionserwärmung hat einen tieferen Skin-Effekt, der für größere Teile effizienter ist.

Wenn die Betriebsfrequenz höher ist, ist die Skin-Tiefe flacher. Wenn die Betriebsfrequenz niedriger ist, sind die Hauttiefe und die Eindringtiefe des Erwärmungseffekts ebenfalls tiefer. Die Eindringtiefe hängt von der Temperatur, der Betriebsfrequenz und den Materialeigenschaften des Werkstücks ab.

Zum Beispiel (siehe Tabelle 1) kann ein 20-mm-Stahlstab durch Erwärmung auf 540°C (1000°F) mit einem 3-kHz-Induktionssystem spannungsfrei gemacht werden. Zum Härten desselben Stabes durch Erhitzen auf 870°C (1600°F) ist jedoch ein 10-kHz-System erforderlich.

Daher kann man sagen, dass man mit höheren Betriebsfrequenzen, meist über 50kHz, kleinere Teile durch Induktion erwärmen kann und mit niedrigeren Betriebsfrequenzen größere Teile effizienter erwärmen kann.

Bei modernen Festkörper-Induktionsstromversorgungen mit eingebetteten Mikroprozessor-Steuerungssystemen sind gleichmäßige und effektive Erwärmungstechniken möglich, da alle Teile an einer gleichmäßigen Stelle innerhalb der Spule platziert sind.

Teile eines Induktionserwärmungssystems

Ein Induktionserwärmungssystem besteht aus einem Tankkreis, einer Stromversorgung und einer Arbeitsspule. Bei industriellen Anwendungen fließt so viel Strom durch die Spule, dass eine Wasserkühlung erforderlich ist; daher enthält eine Grundinstallation eine Wasserkühleinheit. Der Wechselstrom aus der Wechselstromleitung wird durch ein Netzteil in einen Wechselstrom umgewandelt, der der Kombination aus Spuleninduktivität, Arbeitskopfkapazität und Bauteilwiderstand entspricht.

Abbildung 4. Typisches Induktionserwärmungssystem

Zu berücksichtigende Faktoren

Der Werkstoff des Werkstücks bestimmt die erforderliche Erwärmungsrate und Leistung. Eisen und Stahl lassen sich leicht erwärmen, da sie einen höheren spezifischen Widerstand haben, während Aluminium und Kupfer aufgrund ihres geringeren spezifischen Widerstands mehr Energie zum Erwärmen benötigen.

Bestimmte Stähle sind von Natur aus magnetisch, daher werden der spezifische Widerstand und die hysteretischen Eigenschaften des Metalls beim Erwärmen mit Induktion genutzt. Der Stahl verliert seine magnetischen Eigenschaften, wenn er über die Curie-Temperatur (500-600°C/1000-1150°F) hinaus erwärmt wird; die Wirbelstromerwärmung bietet jedoch die erforderliche Erwärmungstechnik für höhere Temperaturen.

Die erforderliche Leistung wird durch Faktoren wie die Art des Materials, die Größe des Werkstücks, den erforderlichen Temperaturanstieg und die Zeit bis zur Erwärmung bestimmt. Je nach Größe des zu erwärmenden Werkstücks ist der wesentliche Faktor die Betriebsfrequenz der Induktionserwärmungsanlage.

Für eine effiziente Erwärmung ist bei kleineren Werkstücken eine höhere Frequenz (>50kHz) erforderlich, während bei größeren Werkstücken eine niedrigere Frequenz (>10kHz) und eine größere Eindringtiefe der Wärme erzeugt wird.

Wenn die Temperatur des erwärmten Werkstücks steigt, geht auch Wärme aus dem Werkstück verloren. Strahlungs- und Konvektionsverluste des Werkstücks entwickeln sich bei höheren Temperaturen zu einem sehr wesentlichen Faktor. Bei hohen Temperaturen werden häufig Isolierverfahren eingesetzt, um die Wärmeverluste zu verringern und die vom Induktionssystem benötigte Leistung zu senken.

Abbildung 5. Familie der Ambrell Induktionserwärmungs-Netzteile

Diese Informationen stammen aus Materialien, die von Ambrell Induction Heating Solutions zur Verfügung gestellt wurden.

Für weitere Informationen über diese Quelle besuchen Sie bitte Ambrell Induction Heating Solutions.

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