Basisprincipes inductieverwarming
Inductieverwarming vindt plaats in een elektrisch geleidend voorwerp (niet noodzakelijkerwijs magnetisch staal) wanneer het voorwerp in een wisselend magnetisch veld wordt geplaatst. Inductieverhitting is het gevolg van hysteresis en wervelstroomverliezen.
Inductieverwarming is het proces van het verwarmen van een elektrisch geleidend voorwerp (meestal een metaal) door elektromagnetische inductie, door warmte die in het voorwerp wordt opgewekt door wervelstromen. Een inductieverwarmer bestaat uit een elektromagneet en een elektronische oscillator die een hoogfrequente wisselstroom (AC) door de elektromagneet stuurt. Het snel wisselende magnetische veld dringt het voorwerp binnen en genereert elektrische stromen in de geleider, wervelstromen genaamd. De wervelstromen die door de weerstand van het materiaal stromen, verhitten het materiaal door Joule-verhitting. In ferromagnetische (en ferrimagnetische) materialen zoals ijzer kan warmte ook worden opgewekt door magnetische hysteresisverliezen. De gebruikte stroomfrequentie is afhankelijk van de objectgrootte, het materiaaltype, de koppeling (tussen de werkspoel en het te verwarmen object) en de indringdiepte.
Hysteresisverliezen komen alleen voor in magnetische materialen zoals staal, nikkel en zeer weinig andere materialen. Hysteresisverlies wordt veroorzaakt door wrijving tussen moleculen wanneer het materiaal eerst in de ene en dan in de andere richting wordt gemagnetiseerd. De moleculen kunnen worden beschouwd als kleine magneten die ronddraaien bij elke omkering van de richting van het magnetische veld. Er is arbeid (energie) nodig om ze rond te laten draaien. De energie wordt omgezet in warmte. De snelheid waarmee energie wordt verbruikt (vermogen) neemt toe met een hogere omkeersnelheid (frequentie).
Wervelstroomverliezen treden op in elk geleidend materiaal in een wisselend magnetisch veld. Dit veroorzaakt kop, zelfs als de materialen niet de magnetische eigenschappen hebben die gewoonlijk met ijzer en staal worden geassocieerd. Voorbeelden zijn koper, messing, aluminium, zirkonium, niet-magnetisch roestvrij staal en uranium. Wervelstromen zijn elektrische stromen die door transformatorwerking in het materiaal worden geïnduceerd. Zoals hun naam al aangeeft, lijken ze rond te stromen in wervelingen binnen een vaste materiaalmassa. Wervelstroomverliezen zijn veel belangrijker dan hysteresisverliezen bij inductieverwarming. Merk op dat inductieverwarming wordt toegepast op niet-magnetische materialen, waar geen hysteresisverliezen optreden.
Voor het verwarmen van staal voor harden, smeden, smelten of andere doeleinden waarvoor een temperatuur boven de Curietemperatuur nodig is, kunnen we niet op hysteresis vertrouwen. Boven deze temperatuur verliest staal zijn magnetische eigenschappen. Wanneer staal onder het Curiepunt verhit wordt, is de bijdrage van hysterese meestal zo klein dat het genegeerd kan worden. Voor alle praktische doeleinden is de I2R van de wervelstromen is de enige manier waarop elektrische energie kan worden omgezet in warmte voor inductieverwarming.
Er zijn twee basisvoorwaarden voor inductieverwarming:
- Een veranderend magnetisch veld
- Een elektrisch geleidend materiaal dat in het magnetische veld wordt geplaatst