Induktive Erwärmung – häufig gestellte Fragen (FAQ) und Antworten
Materialien, welche elektrisch leitfähig sind. Grundsätzlich ist aber auch die indirekte Erwärmung von nicht-metallischen Materialien wie z.B. Kunststoffen, Glas, Klebstoffen etc. möglich.
Ein komplettes System besteht in der Regel aus einem Induktions-Generator, einem Kühler (für die Wasserkühlung), einem Induktor/Induktionsschlaufe und einem Pyrometer (für Temperaturregelung bzw. Überwachung).
Zu erwärmendes Bauteil (kurz WS). Werkstücke bestehen aus elektrisch leitfähigen Materialien wie z.B. Stahl, aber auch Messing, Kupfer, Aluminium etc.
Ein Induktor oder auch Induktionsspule/Induktionsschlaufe wird benötigt, um gezielt Wärme im Werkstück zu erzeugen. Induktoren werden speziell für die jeweilige Anwendung konzipiert und bestehen in der Regel aus wassergekühlten Kupferrohren bzw. Kanälen. Der an einem Induktionsgenerator angeschlossene und mit Wechselstrom durchflossene Induktor erzeugt ein elektromagnetisches Wechselfeld, welches im Werkstück Wirbelströme hervorruft. Bedingt durch den elektrischen Widerstand, erwärmt sich das Werkstück. Bei ferromagnetischen Materialien tragen zusätzlich Ummagnetisierungsverluste zur Erwärmung bei (solange sich das Material unterhalb der Curie-Temperatur befindet). Die Energieübertragung zwischen Induktor und Werkstück geschieht dabei berührungslos (d.h. über das elektromagnetische Feld).
Der Kopplungsabstand ist die Distanz zwischen Induktor/Induktionsspule und Werkstück (Luftspalt). In vielen Fällen wird dieser Abstand so klein wie möglich gehalten und beträgt meist nur ein paar wenige Millimeter, um eine maximale Energieübertragung zu erreichen.
Der Wirkungsgrad von modernen Induktionsgeneratoren liegt über 90%. Allerdings ist der Wirkungsgrad des Induktors unter anderem abhängig von der Induktor-Geometrie, Material des Werkstückes, Zieltemperatur etc.
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In den meisten Fällen bzw. bei gängigen Induktionsanlagen kann die Frequenz nicht frei gewählt werden. Dieser wird beim Bau des Generators (z.B. 120 -400 kHz) festgelegt bzw. ist durch die verbauten Komponenten definiert. Diese Induktionsgeneratoren arbeiten dann immer in Resonanz – in diesem Fall ist die Energieübertragung maximal. Da die Resonanzfrequenz aber vom gesamten Schwingkreis abhängt (also Kapazität und Induktivität), lässt sich die Frequenz bis zu einem gewissen Grad steuern (durch Veränderung der Induktor-Geometrie bzw. Leistungskondensatoren). Es stehen Mittel- und Hochfrequenz-Generatoren zur Verfügung, welche je nach Anwendung zum Einsatz kommen.
f_0 = \frac 1 {2 \cdot \pi \sqrt{L \cdot C}}(f_0: Resonanzfrequenz, L: Induktivität, C: Kapazität)
Auch Feldkonzentrator genannt, ist ein weichmagnetisches Material, welches das Magnetfeld eines Induktors beeinflusst. Somit kann das Feld gerichtet bzw. in eine Richtung konzentriert werden.
Die Simulation erlaubt es virtuell verschiedene Induktorgeometrien zu testen, ohne dass diese zunächst physisch gebaut werden müssen. Auch werden bei diesem Entwicklungsschritt keine Werkstücke benötigt. Dies spart Zeit und wertvolle Ressourcen wie Energie aber auch Rohstoff.
Eine Simulation eines induktiven Erwärmungsvorganges (Induktorstrom, Magnetfeld, induzierte Wirbelströme, Temperaturverteilung, Temperaturverlauf im Werkstück etc.) benötigt zwar Energie, um einen Hochleistungs-Rechner zu betreiben. Insbesondere bei grösseren Werkstücken bzw. Komplexen Erwärmungsvorgängen, bei welchen viele Iterationen notwendig sind, zeigen sich die Stärken von numerischen Berechnungen mittel FEM.
Eine thermische Abschätzung, also wie viel Energie eingebracht werden muss, um eine gewünschte Endtemperatur in vorgegebener Zeit zu erreichen dient in erster Linie dazu, die Leistungsklasse des benötigten Generators zu ermitteln. Es gilt, je grösser die Masse des Werkstücks und je kürzer die erlaubte Erwärmungszeit, desto höher die benötigte Leistung.
Die Berechnung basiert auf E_{th} = c_p \cdot m \cdot T (mit [ E_{th}] = J: Thermisch gespeicherte Energie in einem Körper, [c_p] = {J \over {kg \cdot K} }: Wärmekapazität, m: Masse, [T] = K: Temperatur)
Durch Subtraktion der Ausgangsenergie (also z.B. Start bei Raumtemperatur 293.15 K) und Division mit der Erwärmungszeit [t] = s erhält man die Leistung in Watt.
Eine solche Berechnung können Sie hier online durchführen: Leistungsberechnung