Free Press

Induktiolämmitys on tarkka, nopea, toistettavissa oleva, tehokas, kosketukseton tekniikka metallien tai muiden sähköä johtavien materiaalien lämmittämiseen.

Induktiolämmitysjärjestelmä koostuu induktiovirtalähteestä, joka muuntaa verkkovirran vaihtovirraksi ja syöttää sen työstöpäähän, sekä työstökelasta, joka luo kelan sisällä sähkömagneettisen kentän. Työkappale sijoitetaan kelaan siten, että tämä kenttä indusoi työkappaleeseen virran, joka puolestaan tuottaa lämpöä.

Vesijäähdytteinen kela on sijoitettu työkappaleen ympärille tai sen ympärille. Se ei kosketa työkappaletta, ja lämpöä tuottaa ainoastaan työkappaleen läpi siirtyvä indusoitu virta. Työkappaleen materiaali voi olla metallia, kuten kuparia, alumiinia, terästä tai messinkiä. Se voi olla myös puolijohde, kuten grafiitti, hiili tai piikarbidi.

Epäjohtavien materiaalien, kuten muovin tai lasin, lämmittämiseen voidaan induktiolla lämmittää sähköä johtavaa suskeptoria, esim. grafiittia, joka sitten siirtää lämmön epäjohtavaan materiaaliin.

Induktiokuumennusta voidaan käyttää prosesseissa, joissa lämpötilat ovat niinkin alhaisia kuin 100 ºC ja niinkin korkeita kuin 3 000 ºC. (5.432). Sitä käytetään myös lyhyissä, alle puoli sekuntia kestävissä lämmitysprosesseissa ja useita kuukausia kestävissä lämmitysprosesseissa.

Induktiokuumennusta käytetään sekä kotitalouksissa että kaupallisessa ruoanlaitossa, useissa sovelluksissa, kuten lämpökäsittelyssä, juottamisessa, esilämmityksessä hitsausta varten, sulatuksessa, kutistussovituksessa teollisuudessa, sulkemisessa, juottamisessa, kovettamisessa, kovettumisessa sekä tutkimuksessa ja kehityksessä.

Miten induktiolämmitys toimii?

Induktio tuottaa sähkömagneettisen kentän kelassa siirtääkseen energiaa lämmitettävään työkappaleeseen. Kun sähkövirta kulkee lankaa pitkin, langan ympärille syntyy magneettikenttä.

Induktion tärkeimmät edut

Induktion etuja ovat:

• Tehokas ja nopea kuumentaminen
• Tarkka, toistettava kuumentaminen
• Turvallinen kuumentaminen, koska liekkiä ei ole
• Tarkan kuumentamisen ansiosta kiinnikkeiden käyttöikä pitenee

Induktiolämmityksen menetelmät

Induktiolämmitys tehdään kahdella menetelmällä:

Ensimmäistä menetelmää kutsutaan pyörrevirtalämmitykseksi työkappaleen materiaalin resistiivisyydestä aiheutuvien I²R-häviöiden vuoksi. Toista kutsutaan hystereettiseksi lämmitykseksi, jossa energiaa tuotetaan kappaleen sisällä kelan synnyttämästä vaihtelevasta magneettikentästä, joka muuttaa kappaleen magneettista polariteettia.

Hystereettistä lämpenemistä tapahtuu kappaleessa Curie-lämpötilaan asti, jolloin materiaalin magneettinen permeabiliteetti laskee 1:een ja hystereettinen lämpeneminen vähenee. Pyörrevirtalämmitys muodostaa jäljelle jäävän induktiolämmitysvaikutuksen.

Sähkövirran (vaihtovirta) suunnan muuttuessa syntyvä magneettikenttä pettää ja syntyy vastakkaiseen suuntaan, kun virran suunta kääntyy. Kun toinen johdin sijoitetaan tuohon vaihtuvaan magneettikenttään, toisessa johdimessa syntyy vaihtovirta.

Toisen johtimen läpi kulkeva virta ja ensimmäisen johtimen läpi kulkeva virta ovat verrannollisia toisiinsa ja myös niiden välisen etäisyyden neliön käänteislukuun.

Kun tässä mallissa lanka korvataan kelalla, kelassa oleva vaihtovirta synnyttää sähkömagneettisen kentän, ja kun lämmitettävä työkappale on kentässä, työkappale sovittuu toiseen lankaan ja työkappaleessa syntyy vaihtovirta. Työkappaleen materiaaliresistanssin I²R-häviöt aiheuttavat lämmön syntymisen työkappaleen materiaaliresistanssin mukaiseen työkappaleeseen. Tätä kutsutaan pyörrevirtalämmitykseksi.

Kuvio 1. Pyörrevirtalämmitys.

Induktiokelan toiminta

Vaihtelevan sähkökentän avulla energiaa siirretään työkappaleeseen työkelan avulla.

Kelan kautta kulkeva vaihtovirta synnyttää sähkömagneettisen kentän, joka indusoi työkappaleessa kulkevan virran peilikuvana työkelassa kulkevaan virtaan. Työkela/induktori on osa induktiolämmitysjärjestelmää, joka näyttää työkappaleen tehokkuuden ja hyötysuhteen, kun sitä lämmitetään. Työkeloja on monenlaisia monimutkaisista yksinkertaisiin.

Kierukkakela (tai solenoidi) on esimerkki yksinkertaisesta kelasta, joka koostuu monista kierroksista kupariputkea, joka on kierretty karan ympärille. Massiivisesta kuparista tarkasti työstetty ja yhteen juotettu kela on esimerkki monimutkaisesta kelasta.

Kuva 2.

Käyttö(resonanssi)taajuus

Induktiolämmitysjärjestelmän toimintataajuuden määräävät lämmitettävä työkappale ja työkappaleen materiaali. On tärkeää käyttää induktiojärjestelmää, joka tuottaa tehoa sovellukseen sopivalla taajuusalueella. Syitä eri toimintataajuuksiin voidaan ymmärtää niin sanotun ”ihovaikutuksen” avulla. Kun sähkömagneettinen kenttä indusoi komponenttiin virran, se kulkee pääasiassa komponentin pinnalla.

Kuva 3. (a) Korkeataajuisella induktiokuumentamisella on matala ihovaikutus, joka on tehokkaampi pienille osille; (b) matalataajuisella induktiokuumentamisella on syvempi ihovaikutus, joka on tehokkaampi suuremmille osille.

Kun toimintataajuus on korkeampi, ihosyvyys on matalampi. Vastaavasti kun toimintataajuus on matalampi, ihon syvyys ja lämmitysvaikutuksen tunkeutuminen ovat syvempiä. Ihosyvyys/ tunkeutumissyvyys perustuu lämpötilaan, toimintataajuuteen ja kappaleen materiaaliominaisuuksiin.

Esimerkiksi (ks. taulukko 1) 20 mm:n terästanko voidaan jännityksenpoistaa kuumentamalla se 540 °C:seen (1000 °F) 3 kHz:n induktiojärjestelmällä. Tarvitaan kuitenkin 10 khz:n järjestelmä saman tangon kovettamiseen kuumentamalla se 870 °C:seen (1600 °F).

Voidaan siis sanoa, että korkeammilla toimintataajuuksilla, useimmiten yli 50kHz, voidaan lämmittää induktiolla pienempiä osia ja matalammilla toimintataajuuksilla voidaan lämmittää isompia osia tehokkaammin.

Edistyneillä kiinteän tilan induktiovirtalähteillä, joissa on sulautetut mikroprosessoriohjausjärjestelmät, voidaan saavuttaa johdonmukaisia ja tehokkaita lämmitystekniikoita, jotka perustuvat siihen, että kaikki osat sijoitetaan johdonmukaiseen paikkaan kelan sisällä.

Induktiolämmitysjärjestelmän osat

Induktiolämmitysjärjestelmään kuuluu säiliöpiiri, virtalähde ja työkela. Teollisuussovelluksissa kelan läpi kulkee niin paljon virtaa, että tarvitaan vesijäähdytystä; siksi perusasennuksessa on vesijäähdytysyksikkö. Vaihtovirtajohdosta tuleva vaihtovirta muunnetaan virtalähteen kautta vaihtovirraksi, joka on sopusoinnussa kelan induktanssin, työpään kapasitanssin ja komponenttien resistiivisyyden yhdistelmän kanssa.

Kuvio 4. Vaihtovirtajohdosta tuleva vaihtovirta. Tyypillinen induktiolämmitysjärjestelmä

Huomioon otettavia tekijöitä

Työkappaleen materiaali sanelee lämmitysnopeuden ja tarvittavan tehon. Rauta ja teräs lämpenevät helposti, koska niillä on suurempi resistiivisyys, kun taas alumiini ja kupari tarvitsevat enemmän tehoa lämmittämiseen pienemmän resistiivisyytensä vuoksi.

Tietyt teräkset ovat luonteeltaan magneettisia, joten metallin resistiivisyyttä ja hystereettisiä ominaisuuksia hyödynnetään induktiolla lämmitettäessä. Teräs menettää magneettiset ominaisuutensa, kun sitä lämmitetään Curie-lämpötilan (500-600 °C/1000-1150 °F) yläpuolella; pyörrevirtalämmitys tarjoaa kuitenkin tarvittavan lämmitystekniikan korkeampia lämpötiloja varten.

Tarvittava teho määräytyy sellaisten tekijöiden mukaan kuin materiaalin tyyppi, työkappaleen koko, tarvittava lämpötilan nousu ja aika lämpötilaan. Lämmitettävän työkappaleen koon mukaan olennainen huomioon otettava tekijä on induktiolämmitysjärjestelmän toimintataajuus.

Kokoa pienempien työkappaleiden tapauksessa tarvitaan korkeampi taajuus (>50kHz) tehokkaaseen lämmitykseen ja suurempien työkappaleiden tapauksessa matalampi taajuus (>10kHz) ja suurempi lämmön tunkeutuvuus aikaansaadaan.

Lämmitettävän työkappaleen lämpötilan noustessa myös lämpöä häviää työkappaleesta. Säteily- ja konvektiohäviöt työkappaleesta kehittyvät hyvin olennaiseksi tekijäksi korkeammissa lämpötiloissa. Eristysmenetelmiä käytetään usein korkeissa lämpötiloissa lämpöhäviöiden vähentämiseksi ja induktiojärjestelmältä vaadittavan tehon pienentämiseksi.

Kuva 5. Ambrellin induktiolämmityksen teholähteiden perhe

Tämä tieto on peräisin, tarkistettu ja mukautettu Ambrell Induction Heating Solutionsin toimittamista materiaaleista.

Lisätietoa tästä lähteestä saat osoitteesta Ambrell Induction Heating Solutions.

Sitaatit