Free Press

Grzanie indukcyjne jest dokładną, szybką, powtarzalną, wydajną, bezkontaktową techniką ogrzewania metali lub jakichkolwiek innych materiałów przewodzących prąd elektryczny.

System nagrzewania indukcyjnego składa się z zasilacza indukcyjnego do przekształcania mocy liniowej na prąd zmienny i dostarczania go do głowicy roboczej oraz cewki roboczej do wytwarzania pola elektromagnetycznego w cewce. Przedmiot obrabiany jest umieszczony w cewce w taki sposób, że pole to indukuje prąd w przedmiocie obrabianym, który z kolei wytwarza ciepło.

Cewka chłodzona wodą jest umieszczona wokół przedmiotu obrabianego lub na jego obrzeżu. Nie styka się ona z obrabianym przedmiotem, a ciepło jest wytwarzane jedynie przez indukowany prąd przepływający przez obrabiany przedmiot. Materiałem używanym do wykonania elementu roboczego może być metal, taki jak miedź, aluminium, stal lub mosiądz. Może to być również półprzewodnik, taki jak grafit, węgiel lub węglik krzemu.

Do ogrzewania materiałów nieprzewodzących, takich jak tworzywa sztuczne lub szkło, indukcja może być stosowana do ogrzewania elektrycznie przewodzącego susceptora, np. grafitu, który następnie przekazuje ciepło do materiału nieprzewodzącego.

Grzanie indukcyjne znajduje zastosowanie w procesach, w których temperatury są tak niskie jak 100ºC (212°F) i tak wysokie jak 3000°C (5432°F). Jest ono również używane w krótkich procesach grzewczych trwających mniej niż pół sekundy oraz w procesach grzewczych trwających kilka miesięcy.

Grzanie indukcyjne jest używane zarówno w kuchni domowej, jak i komercyjnej, w wielu zastosowaniach, takich jak obróbka cieplna, lutowanie, podgrzewanie wstępne do spawania, topienie, pasowanie termokurczliwe w przemyśle, uszczelnianie, lutowanie twarde, utwardzanie oraz w badaniach i rozwoju.

Jak działa ogrzewanie indukcyjne?

Indukcja wytwarza pole elektromagnetyczne w cewce w celu przeniesienia energii na element roboczy, który ma być ogrzewany. Kiedy prąd elektryczny przepływa wzdłuż drutu, wokół niego wytwarzane jest pole magnetyczne.

Kluczowe korzyści z indukcji

Korzyści z indukcji to:

• Wydajne i szybkie grzanie
• Dokładne, powtarzalne grzanie
• Bezpieczne grzanie, ponieważ nie ma płomienia
• Dłuższa żywotność oprzyrządowania dzięki dokładnemu grzaniu

Metody grzania indukcyjnego

Grzanie indukcyjne odbywa się za pomocą dwóch metod:

Pierwsza metoda określana jest jako grzanie wiroprądowe od strat I²R spowodowanych rezystywnością materiału przedmiotu obrabianego. Druga metoda jest określana jako nagrzewanie histeretyczne, w której energia jest wytwarzana w części przez zmienne pole magnetyczne wytwarzane przez cewkę zmieniającą polaryzację magnetyczną elementu.

Nagrzewanie histeretyczne występuje w elemencie do temperatury Curie, kiedy przenikalność magnetyczna materiału spada do 1 i nagrzewanie histeretyczne ulega zmniejszeniu. Nagrzewanie wiroprądowe stanowi pozostały efekt nagrzewania indukcyjnego.

Gdy następuje zmiana kierunku prądu elektrycznego (AC) wytworzone pole magnetyczne zawodzi i jest wytwarzane w kierunku odwrotnym, gdyż kierunek prądu ulega odwróceniu. Kiedy drugi przewód jest umieszczony w tym zmiennym polu magnetycznym, prąd zmienny jest wytwarzany w drugim przewodzie.

Prąd przekazywany przez drugi przewód i prąd przekazywany przez pierwszy przewód są proporcjonalne do siebie, a także do odwrotności kwadratu odległości między nimi.

Gdy drut w tym modelu jest zastąpiony cewką, prąd zmienny na cewce wytwarza pole elektromagnetyczne i podczas gdy przedmiot obrabiany do ogrzania znajduje się w polu, przedmiot obrabiany dopasowuje się do drugiego drutu i prąd zmienny jest wytwarzany w przedmiocie obrabianym. Straty I²R rezystywności materiału przedmiotu obrabianego powodują powstawanie ciepła w przedmiocie obrabianym o rezystywności materiału przedmiotu obrabianego. Jest to tzw. nagrzewanie prądami wirowymi.

Rysunek 1.

Działanie cewki indukcyjnej

Z pomocą zmiennego pola elektrycznego energia jest przekazywana do przedmiotu obrabianego za pomocą cewki roboczej.

Prąd zmienny przepływający przez cewkę wytwarza pole elektromagnetyczne, które indukuje prąd płynący w przedmiocie obrabianym jako lustrzane odbicie prądu płynącego w cewce roboczej. Cewka robocza/induktor jest częścią systemu ogrzewania indukcyjnego, która pokazuje skuteczność i wydajność elementu roboczego, gdy jest on ogrzewany. Cewki robocze są wielu typów, od złożonych do prostych. Przykładem prostej cewki jest cewka zwijana spiralnie (lub solenoid), która składa się z wielu skrętów miedzianej rurki nawiniętej wokół trzpienia. Cewka precyzyjnie wykonana z litej miedzi i zlutowana razem jest przykładem cewki złożonej.

Rysunek 2.

Częstotliwość robocza (rezonansowa)

Obrabiany przedmiot, który musi być ogrzewany i materiał obrabianego przedmiotu decydują o częstotliwości roboczej systemu ogrzewania indukcyjnego. Ważne jest, aby używać systemu indukcyjnego, który zapewnia moc w zakresie częstotliwości odpowiednich dla danego zastosowania. Powody stosowania różnych częstotliwości roboczych można zrozumieć dzięki zjawisku określanemu mianem „efektu naskórkowości”. Kiedy pole elektromagnetyczne indukuje prąd w elemencie, przechodzi on głównie na powierzchni elementu.

Rysunek 3. (a) Nagrzewanie indukcyjne wysokiej częstotliwości ma płytszy efekt naskórkowy, który jest bardziej efektywny dla małych części; (b) Nagrzewanie indukcyjne niskiej częstotliwości ma głębszy efekt naskórkowy, który jest bardziej efektywny dla większych części.

Gdy częstotliwość robocza jest wyższa, głębokość naskórkowania jest płytsza. Podobnie, gdy częstotliwość robocza jest niższa, głębokość naskórka i penetracja efektu grzania są głębsze. Głębokość naskórkowania/głębokość penetracji zależy od temperatury, częstotliwości roboczej i właściwości materiałowych części.

Na przykład (patrz tabela 1), 20-milimetrowy pręt stalowy może zostać zredukowany poprzez podgrzanie go do 540°C (1000°F) przy użyciu systemu indukcyjnego o częstotliwości 3 kHz. Jednak do utwardzenia tego samego pręta poprzez podgrzanie go do temperatury 870°C (1600°F) potrzebny będzie system o częstotliwości 10 kHz.

.

Więc można powiedzieć, że wyższe częstotliwości pracy, przeważnie ponad 50kHz, mogą być używane do ogrzewania mniejszych części za pomocą indukcji, a niższe częstotliwości pracy mogą być używane do bardziej efektywnego ogrzewania większych części.

W przypadku zaawansowanych półprzewodnikowych zasilaczy indukcyjnych z wbudowanymi mikroprocesorowymi systemami sterowania, spójne i efektywne techniki ogrzewania są osiągalne w oparciu o fakt, że wszystkie części są umieszczone w spójnym miejscu wewnątrz cewki.

Części systemu ogrzewania indukcyjnego

System ogrzewania indukcyjnego składa się z obwodu zbiornika, zasilacza i cewki roboczej. W zastosowaniach przemysłowych, prąd przepływający przez cewkę jest na tyle duży, że potrzebne jest chłodzenie wodne; dlatego podstawowa instalacja zawiera urządzenie do chłodzenia wodą. Prąd zmienny z linii AC jest konwertowany przez zasilacz na prąd zmienny, który jest zgodny z kombinacją indukcyjności cewki, pojemności głowicy roboczej i rezystywności komponentów.

Rysunek 4. Typowy system ogrzewania indukcyjnego

Czynniki do rozważenia

Materiał przedmiotu obrabianego dyktuje szybkość ogrzewania i potrzebną moc. Żelazo i stal ogrzewają się łatwo, ponieważ mają wyższą rezystywność, podczas gdy aluminium i miedź potrzebują więcej mocy do ogrzewania ze względu na ich niższą rezystywność.

Niektóre stale są magnetyczne w naturze, stąd rezystywność i właściwości histeryczne metalu są wykorzystywane podczas ogrzewania indukcyjnego. Stal traci swoje właściwości magnetyczne po podgrzaniu powyżej temperatury Curie (500-600°C/1000-1150°F); jednakże ogrzewanie wiroprądowe zapewnia wymaganą technikę grzewczą dla wyższych temperatur.

Wymagana moc jest określana przez czynniki takie jak rodzaj materiału, wielkość obrabianego przedmiotu, wymagany wzrost temperatury oraz czas do osiągnięcia temperatury. W zależności od wielkości ogrzewanego elementu, istotnym czynnikiem, który należy rozważyć jest częstotliwość pracy systemu ogrzewania indukcyjnego.

Podobnie, w przypadku mniejszych elementów do efektywnego ogrzewania potrzebna jest wyższa częstotliwość (>50kHz), a w przypadku większych elementów niższa częstotliwość (>10kHz) i większa penetracja ciepła.

Gdy temperatura ogrzewanego elementu wzrasta, ciepło jest również tracone z elementu. Promieniowanie i straty konwekcyjne z obrabianego przedmiotu stają się bardzo istotnym czynnikiem przy wyższych temperaturach. Metody izolacyjne są często stosowane w wysokich temperaturach w celu zmniejszenia strat ciepła i zmniejszenia mocy wymaganej od systemu indukcyjnego.

Rysunek 5. Rodzina zasilaczy do ogrzewania indukcyjnego Ambrell

Informacja ta została pozyskana, zweryfikowana i zaadaptowana z materiałów dostarczonych przez Ambrell Induction Heating Solutions.

W celu uzyskania dodatkowych informacji na temat tego źródła, proszę odwiedzić stronę Ambrell Induction Heating Solutions.

Cytowania

.