Free Press

Încălzirea prin inducție este o tehnică precisă, rapidă, repetabilă, eficientă, fără contact, pentru încălzirea metalelor sau a oricăror alte materiale conductoare de electricitate.

Un sistem de încălzire prin inducție constă dintr-o sursă de alimentare prin inducție pentru a converti energia de linie într-un curent alternativ și a o furniza unui cap de lucru și o bobină de lucru pentru a genera un câmp electromagnetic în interiorul bobinei. Piesa de lucru este poziționată în bobină astfel încât acest câmp să inducă un curent în piesa de lucru, care, la rândul său, produce căldură.

Serpentina răcită cu apă este poziționată în jurul piesei de lucru sau mărginită de aceasta. Ea nu intră în contact cu piesa de prelucrat, iar căldura este produsă doar de curentul indus transmis prin piesa de prelucrat. Materialul utilizat pentru realizarea piesei de lucru poate fi un metal, cum ar fi cuprul, aluminiul, oțelul sau alama. Poate fi, de asemenea, un semiconductor, cum ar fi grafitul, carbonul sau carbura de siliciu.

Pentru încălzirea materialelor neconductoare, cum ar fi materialele plastice sau sticla, inducția poate fi folosită pentru a încălzi un susceptor electroconductor, de exemplu, grafitul, care apoi transmite căldura către materialul neconductor.

Încălzirea prin inducție își găsește aplicații în procese în care temperaturile sunt de până la 100ºC (212°F) și până la 3000°C (5432°F). Este, de asemenea, utilizată în procese de încălzire scurte care durează mai puțin de o jumătate de secundă și în procese de încălzire care se întind pe mai multe luni.

Încălzirea prin inducție este utilizată atât în bucătăria domestică, cât și în cea comercială, în mai multe aplicații, cum ar fi tratarea termică, lipirea, preîncălzirea pentru sudură, topirea, ajustarea prin contracție în industrie, etanșarea, lipirea, brazarea, întărirea, precum și în cercetare și dezvoltare.

Cum funcționează încălzirea prin inducție?

Inducția produce un câmp electromagnetic într-o bobină pentru a transfera energie către o piesă de lucru care urmează să fie încălzită. Atunci când curentul electric trece de-a lungul unui fir, se produce un câmp magnetic în jurul acelui fir.

Principalele beneficii ale inducției

Beneficiile inducției sunt:

• Încălzire eficientă și rapidă
• Încălzire precisă și repetabilă
• Încălzire sigură, deoarece nu există flacără
• Viața prelungită a dispozitivelor de fixare datorită încălzirii precise

Metode de încălzire prin inducție

Încălzirea prin inducție se realizează prin două metode:

Prima metodă este denumită încălzire prin curenți turbionari din cauza pierderilor I²R cauzate de rezistivitatea materialului piesei de prelucrat. A doua este denumită încălzire histeretică, în care energia este produsă în interiorul unei piese prin câmpul magnetic alternativ generat de bobina care modifică polaritatea magnetică a componentei.

Într-o componentă are loc încălzirea histeretică până la temperatura Curie, când permeabilitatea magnetică a materialului scade la 1 și încălzirea histeretică este redusă. Încălzirea prin curenți turbionari constituie restul efectului de încălzire prin inducție.

Când are loc o schimbare a direcției curentului electric (AC), câmpul magnetic generat cedează și se produce în sens invers, pe măsură ce direcția curentului este inversată. Când un al doilea fir este poziționat în acel câmp magnetic alternativ, se produce un curent alternativ în cel de-al doilea fir.

Curentul transmis prin cel de-al doilea fir și cel transmis prin primul fir sunt proporționale între ele și, de asemenea, cu inversul pătratului distanței dintre ele.

Când firul din acest model este înlocuit cu o bobină, curentul alternativ de pe bobină generează un câmp electromagnetic și, în timp ce piesa de lucru care trebuie încălzită se află în câmp, piesa de lucru se potrivește cu cel de-al doilea fir și se produce un curent alternativ în piesa de lucru. Pierderile I²R ale rezistivității materiale a piesei de prelucrat determină crearea de căldură în piesa de prelucrat a rezistivității materiale a piesei de prelucrat. Aceasta se numește încălzire prin curenți turbionari.

Figura 1.

Funcționarea unei bobine de inducție

Cu ajutorul unui câmp electric alternativ, energia este transmisă piesei de prelucrat cu ajutorul unei bobine de lucru.

Curentul alternativ care trece prin bobină produce câmpul electromagnetic care induce un curent care trece în piesa de prelucrat ca o imagine în oglindă față de curentul care trece în bobina de lucru. Bobina de lucru/inductorul de lucru este o parte a sistemului de încălzire prin inducție care afișează eficacitatea și eficiența piesei de lucru atunci când aceasta este încălzită. Bobinele de lucru sunt de numeroase tipuri, de la complexe la simple.

Bobina înfășurată elicoidal (sau solenoid) este un exemplu de bobină simplă, care constă din mai multe spire de tub de cupru înfășurate în jurul unui mandrină. O bobină prelucrată cu precizie din cupru masiv și lipită împreună este un exemplu de bobină complexă.

Figura 2.

Frecvența de funcționare (rezonantă)

Piesa de lucru care trebuie încălzită și materialul piesei de lucru decid frecvența de funcționare a sistemului de încălzire prin inducție. Este vital să se utilizeze un sistem de inducție care să furnizeze putere în intervalul de frecvențe adecvate pentru aplicație. Motivele pentru diferitele frecvențe de funcționare pot fi înțelese prin ceea ce se numește „efectul de piele”. Atunci când câmpul electromagnetic induce un curent într-o componentă, acesta trece în primul rând la suprafața componentei.

Figura 3. (a) Încălzirea prin inducție de înaltă frecvență are un efect de piele superficial, care este mai eficient pentru piesele mici; (b) Încălzirea prin inducție de joasă frecvență are un efect de piele mai profund, care este mai eficient pentru piesele mai mari.

Când frecvența de funcționare este mai mare, adâncimea pielii este mai mică. În mod similar, atunci când frecvența de funcționare este mai mică, adâncimea pielii și penetrarea efectului de încălzire sunt mai profunde. Adâncimea pielii/profunditatea de penetrare se bazează pe temperatura, frecvența de funcționare și proprietățile materialului piesei.

De exemplu (a se vedea tabelul 1), o bară de oțel de 20 mm poate fi eliberată de tensiuni prin încălzirea acesteia la 540°C (1000°F) folosind un sistem de inducție de 3 kHz. Cu toate acestea, va fi necesar un sistem de 10 kHz pentru a căli aceeași bară prin încălzirea ei la 870°C (1600°F).

.

În consecință, se poate spune că frecvențele de funcționare mai mari, de cele mai multe ori mai mari de 50kHz, pot fi folosite pentru a încălzi cu inducție piese mai mici, iar frecvențele de funcționare mai mici pot fi folosite pentru a încălzi mai eficient piese mai mari.

În cazul surselor avansate de alimentare prin inducție în stare solidă cu sisteme de control cu microprocesor încorporat, se pot realiza tehnici de încălzire consecvente și eficiente pe baza faptului că toate piesele sunt plasate într-o locație consecventă în interiorul bobinei.

Părțile unui sistem de încălzire prin inducție

Un sistem de încălzire prin inducție cuprinde un circuit de rezervor, o sursă de alimentare și o bobină de lucru. În aplicațiile industriale, există suficient curent care trece prin bobină pentru a avea nevoie de răcire cu apă; prin urmare, o instalație de bază conține o unitate de răcire cu apă. Curentul alternativ de la linia de curent alternativ este convertit, prin intermediul unei surse de alimentare, într-un curent alternativ care este în concordanță cu combinația de inductanță a bobinei, capacitatea capului de lucru și rezistivitatea componentelor.

Figura 4. Sistem tipic de încălzire prin inducție

Factori de luat în considerare

Materialul piesei de prelucrat dictează viteza de încălzire și puterea necesară. Fierul și oțelul se încălzesc ușor deoarece au o rezistivitate mai mare, în timp ce aluminiul și cuprul au nevoie de mai multă putere pentru a se încălzi din cauza rezistivității lor mai mici.

Certe oțeluri sunt magnetice prin natura lor, prin urmare, rezistivitatea și proprietățile histeretice ale metalului sunt folosite la încălzirea prin inducție. Oțelul își pierde proprietățile magnetice atunci când este încălzit peste temperatura Curie (500-600°C/1000-1150°F); cu toate acestea, încălzirea prin curenți turbionari oferă tehnica de încălzire necesară pentru temperaturi mai ridicate.

Puterea necesară este determinată de factori precum tipul de material, dimensiunea piesei de prelucrat, creșterea necesară a temperaturii și timpul până la temperatură. În funcție de dimensiunea piesei de prelucrat care urmează să fie încălzită, factorul esențial care trebuie luat în considerare este frecvența de funcționare a sistemului de încălzire prin inducție.

De asemenea, în cazul pieselor de prelucrat mai mici este necesară o frecvență mai mare (>50kHz) pentru o încălzire eficientă, iar în cazul pieselor de prelucrat mai mari este necesară o frecvență mai mică (>10kHz) și se generează o mai mare penetrare a căldurii.

Când temperatura piesei de prelucrat încălzite crește, se pierde și căldură din piesă. Pierderile prin radiație și convecție din piesa de prelucrat se transformă într-un factor foarte esențial cu temperaturi mai ridicate. Metodele de izolare sunt utilizate frecvent la temperaturi ridicate pentru a reduce pierderile de căldură și pentru a diminua puterea necesară din partea sistemului de inducție.

Figura 5. Familia de surse de alimentare pentru încălzire prin inducție Ambrell

Această informație a fost obținută, revizuită și adaptată din materiale furnizate de Ambrell Induction Heating Solutions.

Pentru mai multe informații despre această sursă, vă rugăm să vizitați Ambrell Induction Heating Solutions.

Citate

.