Free Press

Inductieverhitting is een nauwkeurige, snelle, herhaalbare, efficiënte, contactloze techniek voor het verhitten van metalen of andere elektrisch geleidende materialen.

Een inductieverwarmingssysteem bestaat uit een inductievoeding voor het omzetten van lijnstroom in een wisselstroom en het leveren daarvan aan een werkkop, en een werkspoel voor het opwekken van een elektromagnetisch veld binnen de spoel. Het werkstuk wordt zodanig in de spoel geplaatst dat dit veld een stroom in het werkstuk induceert, die op zijn beurt warmte produceert.

De watergekoelde spoel wordt rond of aan de rand van het werkstuk geplaatst. Hij raakt het werkstuk niet, en de warmte wordt alleen geproduceerd door de geïnduceerde stroom die door het werkstuk wordt geleid. Het materiaal dat wordt gebruikt om het werkstuk te maken kan een metaal zijn zoals koper, aluminium, staal, of messing. Het kan ook een halfgeleider zijn zoals grafiet, koolstof of siliciumcarbide.

Voor het verhitten van niet-geleidende materialen zoals plastics of glas, kan inductie worden gebruikt om een elektrisch geleidende susceptor te verhitten, b.v. grafiet, die dan de warmte doorgeeft aan het niet-geleidende materiaal.

Inductieverhitting vindt toepassingen in processen waar de temperatuur zo laag is als 100ºC (212°F) en zo hoog als 3000°C (5432°F). Het wordt ook gebruikt in korte verwarmingsprocessen die minder dan een halve seconde duren en in verwarmingsprocessen die zich over meerdere maanden uitstrekken.

Inductieverhitting wordt zowel in huishoudelijk als commercieel koken gebruikt, in verschillende toepassingen zoals warmtebehandeling, solderen, voorverwarmen voor lassen, smelten, krimpen in de industrie, afdichten, solderen, uitharden, en in onderzoek en ontwikkeling.

Hoe werkt inductieverwarming?

Inductie produceert een elektromagnetisch veld in een spoel om energie over te brengen op een werkstuk dat moet worden verwarmd. Wanneer de elektrische stroom langs een draad loopt, wordt rond die draad een magnetisch veld opgewekt.

Belangrijkste voordelen van inductie

De voordelen van inductie zijn:

• Efficiënt en snel verwarmen
• Nauwkeurige, herhaalbare verwarming
• Veilig verwarmen omdat er geen vlam is
• Lange levensduur van fixturing door nauwkeurige verwarming

Methoden van inductieverwarming

Inductieverwarming geschiedt volgens twee methoden:

De eerste methode wordt wervelstroomverwarming genoemd vanwege de I²R-verliezen die worden veroorzaakt door het weerstandsvermogen van het materiaal van een werkstuk. De tweede wordt hysteretische verwarming genoemd, waarbij energie in een onderdeel wordt geproduceerd door het wisselende magnetische veld dat door de spoel wordt opgewekt en dat de magnetische polariteit van het onderdeel wijzigt.

Hysteretische verwarming treedt in een onderdeel op tot de Curietemperatuur, wanneer de magnetische permeabiliteit van het materiaal tot 1 daalt en de hysteretische verwarming wordt verminderd. Wervelstroomverwarming vormt het resterende inductieverwarmingseffect.

Wanneer de richting van de elektrische stroom (AC) wordt gewijzigd, valt het opgewekte magnetische veld uit en wordt het in omgekeerde richting geproduceerd, naarmate de richting van de stroom wordt omgekeerd. Wanneer een tweede draad in dat wisselende magnetische veld wordt geplaatst, wordt een wisselstroom in de tweede draad geproduceerd.

De stroom die door de tweede draad en die door de eerste draad wordt overgebracht, zijn evenredig met elkaar en ook met het omgekeerde van het kwadraat van de afstand tussen hen.

Wanneer de draad in dit model wordt vervangen door een spoel, wekt de wisselstroom op de spoel een elektromagnetisch veld op en terwijl het te verhitten werkstuk zich in het veld bevindt, sluit het werkstuk aan op de tweede draad en wordt in het werkstuk een wisselstroom opgewekt. Door de I²R-verliezen van de materiaalweerstand van het werkstuk ontstaat er warmte in het werkstuk van de materiaalweerstand van het werkstuk. Dit wordt wervelstroomverwarming genoemd.

Figuur 1.

Werking van een inductiespoel

Met behulp van een elektrisch wisselveld wordt energie overgebracht op het werkstuk met een werkspoel.

De wisselstroom die via de spoel passeert, produceert het elektromagnetische veld dat een stroom induceert die in het werkstuk passeert als een spiegelbeeld van de stroom die in de werkspoel passeert. De werkspoel/inductor is een onderdeel van het inductie-verwarmingssysteem dat de doeltreffendheid en het rendement van het werkstuk weergeeft wanneer het wordt verwarmd. Werkspoelen zijn er in vele soorten, variërend van complex tot eenvoudig.

De spiraalvormig gewikkelde (of solenoïde) spoel is een voorbeeld van een eenvoudige spoel, die bestaat uit vele windingen van een koperen buis die rond een doorn is gewikkeld. Een spoel die met precisie is vervaardigd uit massief koper en aan elkaar is gesoldeerd, is een voorbeeld van een complexe spoel.

Figuur 2.

Werkfrequentie (resonantiefrequentie)

Het te verhitten werkstuk en het materiaal van het werkstuk bepalen de werkfrequentie van het inductie-verwarmingssysteem. Het is van vitaal belang een inductiesysteem te gebruiken dat vermogen levert over het bereik van frequenties die geschikt zijn voor de toepassing. De redenen voor de verschillende werkfrequenties kunnen worden verklaard door wat het “skin effect” wordt genoemd. Wanneer het elektromagnetische veld een stroom in een onderdeel induceert, passeert deze hoofdzakelijk aan het oppervlak van het onderdeel.

Figuur 3. (a) Hoogfrequente inductieverwarming heeft een ondiep huideffect dat efficiënter is voor kleine onderdelen; (b) Laagfrequente inductieverwarming heeft een dieper huideffect dat efficiënter is voor grotere onderdelen.

Wanneer de werkfrequentie hoger is, is de huiddiepte geringer. Evenzo wanneer de werkfrequentie lager is, zijn de huiddiepte en de doordringdiepte van het verwarmingseffect dieper. De huiddiepte/penetratiediepte is gebaseerd op de temperatuur, de werkfrequentie, en de materiaaleigenschappen van het onderdeel.

Bij voorbeeld (zie tabel 1), een stalen staaf van 20 mm kan spanningsarm worden gemaakt door deze te verhitten tot 540°C (1000°F) met behulp van een 3 kHz inductiesysteem. Er is echter een 10 kHz systeem nodig om dezelfde staaf te harden door deze te verhitten tot 870°C (1600°F).

Daarom kan worden gezegd dat hogere werkfrequenties, meestal meer dan 50kHz, kunnen worden gebruikt om kleinere onderdelen met inductie te verwarmen en dat lagere werkfrequenties kunnen worden gebruikt om grotere onderdelen efficiënter te verwarmen.

In het geval van geavanceerde solid-state inductie-voedingen met ingebedde microprocessor-regelsystemen, zijn consistente en effectieve verwarmingstechnieken haalbaar op basis van het feit dat alle onderdelen op een consistente plaats binnen de spoel worden geplaatst.

Onderdelen van een inductie-verwarmingssysteem

Een inductie-verwarmingssysteem bestaat uit een tankcircuit, een voeding, en een werkspoel. In industriële toepassingen gaat er voldoende stroom door de spoel om waterkoeling nodig te hebben; daarom bevat een basisinstallatie een waterkoeleenheid. De wisselstroom van de wisselstroomleiding wordt via een voeding omgezet in een wisselstroom die in overeenstemming is met de combinatie van spoelinductie, werkkopcapaciteit, en componentweerstand.

Figuur 4. Typical Induction Heating System

Factors to Consider

Het materiaal van het werkstuk dicteert de benodigde verwarmingssnelheid en het benodigde vermogen. Het ijzer en het staal verwarmen gemakkelijk aangezien zij hoger weerstandsvermogen hebben terwijl het aluminium en het koper meer macht vergen te verwarmen toe te schrijven aan hun lager weerstandsvermogen.

Zekere staalsoorten zijn magnetisch in aard vandaar worden het weerstandsvermogen en de hysteretische eigenschappen van het metaal gebruikt wanneer verwarmd met inductie. Het staal verliest zijn magnetische eigenschappen bij verhitting boven de Curietemperatuur (500-600°C/1000-1150°F); wervelstroomverwarming biedt echter de vereiste verhittingstechniek voor hogere temperaturen.

Het benodigde vermogen wordt bepaald door factoren als het soort materiaal, de grootte van het werkstuk, de vereiste temperatuurstijging en de tijd tot temperatuur. Afhankelijk van de grootte van het te verhitten werkstuk is de essentiële factor waarmee rekening moet worden gehouden de werkfrequentie van het inductie-verwarmingssysteem.

Zo is bij kleinere werkstukken een hogere frequentie (>50kHz) nodig voor een efficiënte verhitting, en bij grotere werkstukken een lagere frequentie (>10kHz) en meer doordringing van de warmte.

Wanneer de temperatuur van het verhitte werkstuk stijgt, gaat er ook warmte uit het werkstuk verloren. Stralings- en convectieverliezen van het werkstuk ontwikkelen zich tot een zeer essentiële factor bij hogere temperaturen. Isolatiemethoden worden vaak gebruikt bij hoge temperaturen om de warmteverliezen te verminderen en het benodigde vermogen van het inductiesysteem te verlagen.

Figuur 5. Familie van Ambrell inductieverwarmingsvoedingen

Deze informatie is ontleend aan, beoordeeld op en aangepast van materialen die door Ambrell Induction Heating Solutions zijn verstrekt.

Voor meer informatie over deze bron gaat u naar Ambrell Induction Heating Solutions.

Citaties