Grundlagen der Induktionserwärmung
Induktionserwärmung findet in einem elektrisch leitenden Objekt (nicht notwendigerweise magnetischer Stahl) statt, wenn das Objekt in ein veränderliches Magnetfeld gebracht wird. Die Induktionserwärmung ist auf die Hysterese und die Wirbelstromverluste zurückzuführen.
Induktionserwärmung ist der Prozess der Erwärmung eines elektrisch leitenden Objekts (in der Regel ein Metall) durch elektromagnetische Induktion, wobei die Wärme im Objekt durch Wirbelströme erzeugt wird. Ein Induktionsheizer besteht aus einem Elektromagneten und einem elektronischen Oszillator, der einen hochfrequenten Wechselstrom durch den Elektromagneten leitet. Das schnell wechselnde Magnetfeld durchdringt den Gegenstand und erzeugt im Inneren des Leiters elektrische Ströme, die als Wirbelströme bezeichnet werden. Die Wirbelströme, die durch den Widerstand des Materials fließen, erwärmen es durch Joulesche Wärme. Bei ferromagnetischen (und ferrimagnetischen) Materialien wie Eisen kann die Wärme auch durch magnetische Hystereseverluste erzeugt werden. Die Frequenz des verwendeten Stroms hängt von der Objektgröße, der Materialart, der Kopplung (zwischen der Arbeitsspule und dem zu erwärmenden Objekt) und der Eindringtiefe ab.
Hystereseverluste treten nur bei magnetischen Materialien wie Stahl, Nickel und einigen wenigen anderen auf. Der Hystereseverlust wird durch die Reibung zwischen den Molekülen verursacht, wenn das Material erst in eine Richtung und dann in die andere Richtung magnetisiert wird. Die Moleküle können als kleine Magnete betrachtet werden, die sich bei jeder Richtungsumkehr des Magnetfelds drehen. Um sie umzudrehen, ist Arbeit (Energie) erforderlich. Die Energie wandelt sich in Wärme um. Der Energieaufwand (Leistung) nimmt mit zunehmender Umkehrgeschwindigkeit (Frequenz) zu.
Wirbelstromverluste treten in jedem leitenden Material in einem wechselnden Magnetfeld auf. Dies führt zu einer Überschrift, auch wenn die Materialien keine der magnetischen Eigenschaften aufweisen, die man normalerweise mit Eisen und Stahl verbindet. Beispiele sind Kupfer, Messing, Aluminium, Zirkonium, nichtmagnetischer rostfreier Stahl und Uran. Wirbelströme sind elektrische Ströme, die durch Transformatorwirkung in das Material induziert werden. Wie der Name schon sagt, fließen sie scheinbar in Wirbeln innerhalb einer festen Materialmasse. Wirbelstromverluste sind bei der Induktionserwärmung viel wichtiger als Hystereseverluste. Beachten Sie, dass die Induktionserwärmung bei nichtmagnetischen Materialien angewendet wird, bei denen keine Hystereseverluste auftreten.
Bei der Erwärmung von Stahl zum Härten, Schmieden, Schmelzen oder für andere Zwecke, die eine Temperatur oberhalb der Curie-Temperatur erfordern, können wir uns nicht auf die Hysterese verlassen. Stahl verliert oberhalb dieser Temperatur seine magnetischen Eigenschaften. Wenn Stahl unterhalb des Curie-Punktes erhitzt wird, ist der Beitrag der Hysterese normalerweise so gering, dass er vernachlässigt werden kann. Für alle praktischen Zwecke ist der I2R der Wirbelströme ist die einzige Möglichkeit, elektrische Energie in Wärme für die Induktionserwärmung umzuwandeln.
Für die Induktionserwärmung sind zwei grundlegende Dinge erforderlich:
- Ein sich veränderndes Magnetfeld
- Ein elektrisch leitendes Material, das in das Magnetfeld eingebracht wird