Free Press

Induktionsuppvärmning är en noggrann, snabb, repeterbar, effektiv, beröringsfri teknik för uppvärmning av metaller eller andra elektriskt ledande material.

Ett induktionsuppvärmningssystem består av en induktionsströmförsörjning för att omvandla nätström till växelström och leverera den till ett arbetshuvud, och en arbetsspole för att generera ett elektromagnetiskt fält i spolen. Arbetsstycket placeras i spolen så att detta fält inducerar en ström i arbetsstycket som i sin tur producerar värme.

Den vattenkylda spolen är placerad runt eller vid sidan av arbetsstycket. Den kommer inte i kontakt med arbetsstycket och värmen produceras endast av den inducerade strömmen som överförs genom arbetsstycket. Materialet som används för att göra arbetsstycket kan vara en metall som koppar, aluminium, stål eller mässing. Det kan också vara en halvledare som grafit, kol eller kiselkarbid.

För uppvärmning av icke-ledande material som plast eller glas kan induktion användas för att värma upp en elektriskt ledande susceptor, t.ex. grafit, som sedan överför värmen till det icke-ledande materialet.

Induktionsuppvärmning finner tillämpningar i processer där temperaturerna är så låga som 100 ºC (212°F) och så höga som 3000 °C (5432°F). Den används också i korta uppvärmningsprocesser som varar mindre än en halv sekund och i uppvärmningsprocesser som sträcker sig över flera månader.

Induktionsvärme används både i hushåll och i kommersiell matlagning, i flera tillämpningar som värmebehandling, lödning, förvärmning för svetsning, smältning, krympning inom industrin, tätning, lödning, härdning samt inom forskning och utveckling.

Hur fungerar induktionsuppvärmning?

Induktion producerar ett elektromagnetiskt fält i en spole för att överföra energi till ett arbetsstycke som ska värmas. När den elektriska strömmen passerar längs en tråd skapas ett magnetfält runt tråden.

Viktiga fördelar med induktion

Fördelarna med induktion är:

• Effektiv och snabb uppvärmning
• Precis, repeterbar uppvärmning
• Säker uppvärmning eftersom det inte finns någon låga
• Förlängd livslängd för fixturer på grund av noggrann uppvärmning

Metoder för induktionsuppvärmning

Induktionsuppvärmning sker med två metoder:

Den första metoden kallas virvelströmsuppvärmning på grund av I²R-förlusterna som orsakas av resistiviteten hos arbetsstyckets material. Den andra kallas hysteretisk uppvärmning, där energi produceras i en del genom att det växlande magnetfält som genereras av spolen ändrar komponentens magnetiska polaritet.

Hysteretisk uppvärmning sker i en komponent upp till Curie-temperaturen då materialets magnetiska permeabilitet minskar till 1 och den hysteretiska uppvärmningen minskar. Virvelströmsuppvärmning utgör den återstående induktionsuppvärmningseffekten.

När den elektriska strömmens riktning (växelström) förändras, misslyckas det genererade magnetfältet och produceras i omvänd riktning, eftersom strömmens riktning vänds om. När en andra tråd placeras i detta växlande magnetfält produceras en växelström i den andra tråden.

Den ström som överförs genom den andra tråden och den som överförs genom den första tråden är proportionella mot varandra och även mot omvänt av kvadraten på avståndet mellan dem.

När tråden i denna modell ersätts med en spole genererar växelströmmen i spolen ett elektromagnetiskt fält och medan det arbetsstycke som ska värmas befinner sig i fältet, matchar arbetsstycket den andra tråden och en växelström produceras i arbetsstycket. I²R-förlusterna i arbetsstyckets materialresistivitet gör att värme skapas i arbetsstycket av arbetsstyckets materialresistivitet. Detta kallas virvelströmsuppvärmning.

Figur 1.

Arbetssätt för en induktionsspole

Med hjälp av ett elektriskt växelfält överförs energi till arbetsstycket med en arbetsspole.

Växelströmmen som passerar via spolen producerar det elektromagnetiska fältet som inducerar en ström som passerar i arbetsstycket som en spegelbild av den ström som passerar i arbetsspolen. Arbetsspolen/induktorn är en del av induktionsuppvärmningssystemet som visar effektiviteten och verkningsgraden hos arbetsstycket när det värms upp. Det finns många olika typer av arbetsspolar, från komplexa till enkla.

Den spiralformade spolen (eller solenoidspolen) är ett exempel på en enkel spole, som består av många varv av kopparrör som är lindade runt en spindel. En spole som är precisionsbearbetad av massiv koppar och löddad är ett exempel på en komplex spole.

Figur 2.

Driftsfrekvens (resonansfrekvens)

Arbetsstycket som ska värmas och arbetsstyckets material avgör induktionsvärmesystemets driftfrekvens. Det är viktigt att använda ett induktionssystem som ger effekt inom det frekvensområde som är lämpligt för tillämpningen. Orsakerna till olika driftsfrekvenser kan förstås genom det som kallas ”hudeffekten”. När det elektromagnetiska fältet inducerar en ström i en komponent passerar den främst vid komponentens yta.

Figur 3. (a) Högfrekvent induktionsuppvärmning har en ytlig hudeffekt som är effektivare för små delar. (b) Lågfrekvent induktionsuppvärmning har en djupare hudeffekt som är effektivare för större delar.

När arbetsfrekvensen är högre blir huddjupet grundare. På samma sätt är huddjupet och värmeeffektens penetrering djupare när driftsfrekvensen är lägre. Huddjupet/genomträngningsdjupet baseras på delens temperatur, driftsfrekvens och materialegenskaper.

Till exempel (se tabell 1) kan en 20 mm stålstång spänningsreduceras genom att värmas upp till 540 °C (1000 °F) med hjälp av ett 3 kHz induktionssystem. Det behövs dock ett 10 kHz-system för att härda samma stång genom att värma den till 870°C (1600°F).

Därmed kan man säga att högre arbetsfrekvenser, oftast mer än 50 kHz, kan användas för att värma upp mindre delar med hjälp av induktion och att lägre arbetsfrekvenser kan användas för att värma upp större delar mer effektivt.

I fallet med avancerade induktionsaggregat i fast tillstånd med inbäddade mikroprocessorstyrsystem kan konsekventa och effektiva uppvärmningstekniker uppnås baserat på det faktum att alla delar är placerade på en konsekvent plats i spolen.

Delar i ett induktionsuppvärmningssystem

Ett induktionsuppvärmningssystem består av en tankkrets, ett strömförsörjningsaggregat och en arbetsspole. I industriella tillämpningar är det tillräckligt med ström som passerar genom spolen för att behöva vattenkylning; därför innehåller en grundinstallation en vattenkylningsenhet. Växelströmmen från växelströmslinjen omvandlas genom en strömförsörjning till en växelström som är i linje med kombinationen av spolinduktans, arbetshuvudkapacitans och komponentresistivitet.

Figur 4. Typiskt induktionsuppvärmningssystem

Faktorer att beakta

Arbetsstyckets material dikterar den uppvärmningshastighet och effekt som behövs. Järn och stål värms lätt eftersom de har högre resistivitet medan aluminium och koppar behöver mer kraft för att värmas på grund av sin lägre resistivitet.

Vissa stålsorter är magnetiska till sin natur, varför metallens resistivitet och hysteretiska egenskaper används vid induktionsuppvärmning. Stålet förlorar sina magnetiska egenskaper när det värms över Curie-temperaturen (500-600°C/1000-1150°F), men virvelströmsuppvärmning ger den nödvändiga uppvärmningstekniken för högre temperaturer.

Den effekt som krävs bestäms av faktorer som materialtyp, storleken på arbetsstycket, önskad temperaturhöjning och tiden till temperatur. Enligt storleken på det arbetsstycke som ska värmas är den viktigaste faktorn att beakta induktionsvärmesystemets driftfrekvens.

För mindre arbetsstycken krävs en högre frekvens (>50 kHz) för effektiv uppvärmning och för större arbetsstycken en lägre frekvens (>10 kHz) och en större genomträngning av värmen genereras.

När temperaturen på det uppvärmda arbetsstycket ökar förloras också värme från arbetsstycket. Strålnings- och konvektionsförluster från arbetsstycket utvecklas till en mycket väsentlig faktor med högre temperaturer. Isoleringsmetoder används ofta vid höga temperaturer för att minska värmeförlusterna och för att minska den effekt som krävs från induktionssystemet.

Figur 5. Familjen av Ambrell Induction Heating Power Supplies

Denna information har hämtats, granskats och anpassats från material som tillhandahålls av Ambrell Induction Heating Solutions.

För mer information om denna källa, besök Ambrell Induction Heating Solutions.

Citat

.