Was ist Induktionserwärmung?

Aufbau der Induktionserwärmung

Induktionserwärmung ist eine elektrische Erwärmung bei der die elektromagnetische Induktion genutzt wird. Wird ein elektrisch leitfähiger Körper in die Spule hineingelegt, durch deren Wicklung den Wechselstrom fließt, werden durch ein magnetisches Wechselfeld in dem hineingelegtem Körper Wirbelströme induziert. Im Prinzip geht es um einen Transformator, wo die sekundäre Wicklung das Werkstück bildet (Kurzschlusswindung) und die primäre Wicklung die Spule ist, die in diesem Bereich Induktor genannt wird. Das hineingelegte Material (Werkstück) wird durch Wirbelströme erwärmt. Die Wärme entsteht durch elektromagnetisches Wechselfeld unmittelbar im Werkstück selbst, also nicht durch Wärmeleitung wie bei indirekten Verfahren. Die Umgebung kann kalt bleiben, was ein großer Vorteil der Induktionserwärmung ist.

Die Wärme im Werkstück entsteht nicht in ganzem Querschnitt gleichmäßig. So ist z. B. bei der Erwärmung des zylindrischen Werkstücks die höchste Stromdichte in der Oberfläche und sinkt ungefähr exponentiell in der Richtung zur Mitte. Dieser Effekt wird Skineffekt genannt.

j_x = J_o e^-kx

Die Tiefe, in der die Stromdichte auf den Wert J_o/e sinkt, d. h. auf 0,368 (37 %) der Dichte in der Oberfläche sinkt, wird Skintiefe (Eindringtiefe)  δ  genannt.

wo sind:

• ω = 2πf Kreisfrequenz, f ist Frequenz
• ρ spezifischer Widerstand des Werkstückes
• µ_o Permeabilität des Vakuums (4π x 10-7Hm-1)
• µ_r relative Permeabilität des Werkstückes.

Diese Proportion wird für die Praxis wie folgt angepasst:

Onlinerechner der Eindringtiefe

In der Oberflächenschichte von einer Eindringtiefe entsteht 86,5 % der gesamten Wärme, in der Schicht von zwei Eindringtiefen  δ 98%, in der Schicht von drei Eindringtiefen 3δ 99,8 % (gilt für den Zylinder mit dem Durchmesser mehr als 8 δ).

Die Eindringtiefe hängt von der Stromfrequenz des Induktors, dem elektrischen Wiederstand und der relativen Permeabilität des Werkstückes bei der Betriebstemperatur des Werkstückes ab.

Die Tabelle  der Eindringtiefe bei Kupfer und Kohlenstoffstahl (mm):

Für die Berechnung der Betriebskosten ist interessant die Effizienz der Übertragung der Energie vom Induktor in die Spule – sog. elektrischer Wirkungsgrad der Erwärmung. Für eine lange Spule und ein zylindrisches Werkstück lässt sich der elektrische Wirkungsgrad η_e ungefähr mit dieser Proportion ausrechen:

wo sind:

• D Innendurchmesser der Induktionsspule
• d Durchmesser des Werkstückes
• δ₁ Eindringtiefe der Spule
• δ₂ Eindringtiefe des Werkstückes
• ρ₁ spezifischer Widerstand des Spulenmaterials
• ρ₂ spezifischer Widerstand des Werkstückmaterials
• µ_r relative Permeabilität des Werkstückmaterials.

Der elektrische Wirkungsgrad  sinkt bei der Erhöhung der Proportion D/d, weil die Bindung des magnetischen Feldes zum Werkstück sinkt. Aus diesem Grund wird nicht empfohlen nur einen Induktor für verschiedene Durchmesser der Werkstücke einzusetzen. Der Wirkungsgrad sinkt auch mit der höheren Eindringtiefe. Die niedrige Eindringtiefe nutzt man z.B. für Randschichthärten, wo die Randschicht schnell erwärmt und nachfolgend abgekühlt wird.

Bei der Umformung (Schmieden) muss das Material möglichst gleichmäßig durchwärmt werden. Deshalb wird langsamere Erwärmung gewählt, so dass die Wärme bis in die Mitte des Werkstückes gelangt. Die zu langsame Erwärmung senkt jedoch den Wärmewirkungsgrad, weil das auf hohe Temperatur erwärmte Material die Wärme durch die lange Abstrahlung verliert. Deshalb wird bei der Entwicklung einen Kompromiss bei der Frequenzwahl gemacht, um die gewünschte Durchwärmung bei gutem elektrischem Wirkungsgrad zu erreichen.

Aus unseren Erfahrungen ergeben sich folgende Frequenzen für die Erwärmung des Kohlenstoffstahls als die wirtschaftlichsten:

Beim dem flachen Werkstück soll dieses dicker sein als 2,5 mal der Eindringtiefe. Wenn das Werkstück dünner ist, kommt die Strahlung durch und der Wirkungsgrad wird kleiner, das muss man bei der Entwicklung der Anlage berücksichtigen.

Zur Versorgung des Induktors mit der Frequenz, die höher als in dem Distributionsnetz (50Hz) ist, werden statische Thyristor- oder Transistorfrequenzumrichter benutzt. Bei der Versorgung der Starkstromkreise des Frequenzumrichters wird vorwiegend ein Trenntransformator benutzt, der die Netzspannung an die gewünschte Eintrittsspannung des Frequenzumrichters anpasst. Er trennt auch galvanisch die Starkstromkreise des Frequenzumrichters vom Netz. Aus Sicherheitsgründen wird der Isolationswiderstand gegenüber dem Erdpotential gemessen. Die Dreieck- Stern - Schaltung des Transformators reduziert die störenden Einflüsse der ungeraden Harmonischen ins Netz. Parallel zum Induktor werden Kompensationskondensatoren angeschlossen. Ihre Kapazität zusammen mit der Induktivität des Induktors bestimmt die Arbeits- (Resonanz-) frequenz des Umrichters. Diese Kondensatoren kompensieren weiter noch den phasenverschobenen Strom, der durch den Induktor fließt. So fließt durch den Umrichteraustritt mehrmals niedriger Strom als durch den Induktor.

Die Induktionserwärmung ermöglicht gute Temperaturstabilisierung der erwärmten Werkstücke. Zur Prozesssteuerung werden meistens die programmierbaren Automaten benutzt, die Temperatur wird kontaktlos mit Pyrometern gemessen, bei der Erwärmung des Aluminiums und dessen Legierungen werden auch Thermoelemente benutzt.

Einer der Vorteile der Induktionserwärmung in dem industriellen Einsatz ist seine leichte Mechanisierung und Automatisierung. Die senkt den Bedarf an der menschlichen Arbeit und bei den Hochleistungsanlagen ist sie sogar unentbehrlich.

Mit der Induktionserwärmung können beliebige elektrisch leitfähige Werkstoffen erwärmt werden. Besonders geeignet ist die Induktionserwärmung für die Erwärmung der ferromagnetischen Werkstoffe, weil sie dabei den hohen Wirkungsgrad erreicht. Das Werkstück kann fest, flüssig oder Plasma sein. Nichtleitende Materialien können mithilfe der Induktion in leitenden Gefäßen erwärmt werden (Induktionsherd).

Die Induktionserwärmung kann durch ihre Vorteile in vielen Bereichen eingesetzt werden:

• Umformung – wichtig ist sie gleichmäßige Durchwärmung des Werkstückes
• Schmelzen – durch die Induktion wird oft das Gefäß erwärmt (Grafittiegel für Schmelzen verschiedener Metalle)
• Randschichthärtung –nur die dünne Schicht in der Oberfläche wird erwärmt
• Glühen – das Werkstück wird ganz durchwärmt und auf der bestimmten Temperatur gehalten
• Löten – zwischen die Metallteile wird das Lot eingelegt, die Teile werden in den Induktor hineingelegt und das Lot geschmolzen
• Schrumpfverbindungen – Wärmeausdehnung der Metalle wird ausgenutzt
• Schweißen – beim Längstnahtschweißen von Rohren werden durch die Induktion die Verbindungskanten verschmolzen
• Plasmatechnologien – durch die Induktion wird Plasma erwärmt
• Kochen – durch die Induktion wird der Boden des Behälters aus dem ferromagnetischen Werkstoff erwärmt