Fysica van inductieverwarming: skineffect, indringdiepte en koppelingsrendement
Inductieverwarming lijkt van buitenaf wel magie: een metalen staaf gaat een spoel in, wordt binnen enkele seconden heet en komt er aan de andere kant met een precieze temperatuur weer uit. Van binnen is de natuurkunde echter goed begrepen en zijn de ontwerpvergelijkingen nauwkeurig genoeg om een verwarmingselement te ontwerpen zonder ooit een prototype te bouwen. Elke beslissing bij inductieverwarming – frequentie, spoelgeometrie, vermogensdichtheid – is terug te voeren op drie fundamentele concepten: skineffect, indringdiepte en koppelingsrendement. Als je die goed hebt, is de rest details.
Effect op de huid en penetratiediepte
Wanneer wisselstroom door een geleider vloeit, is de stroomdichtheid niet uniform over de dwarsdoorsnede. De stroom concentreert zich aan het oppervlak en de dichtheid neemt exponentieel af met de diepte. Dit is het skineffect.
De diepte waarop de stroomdichtheid daalt tot 37 procent (1/e) van de waarde aan het oppervlak, is de indringdiepte. De indringdiepte is afhankelijk van de frequentie, de permeabiliteit en de soortelijke weerstand van het materiaal. De formule is:
delta = 503 x sqrt(rho / (mu xf))
waarbij delta de indringdiepte in meters is, rho de soortelijke weerstand in ohm-meter, mu de relatieve permeabiliteit en f de frequentie in Hz.
Voor koper bij kamertemperatuur en een frequentie van 10 kHz is de indringdiepte ongeveer 0,65 mm. Voor staal bij 800 graden Celsius (boven de Curie-temperatuur, waar mu daalt tot 1) en een frequentie van 10 kHz is de indringdiepte ongeveer 5 mm. De indringdiepte is de belangrijkste parameter bij inductieverwarming: deze bepaalt hoe diep de warmte wordt gegenereerd en wat de minimale frequentie is die nodig is om een staaf van een bepaalde afmeting efficiënt te verwarmen.
Het koppelingsprobleem
Inductieverwarming is een koppelingsprobleem tussen de spoel en het werkstuk. De spoel wekt een magnetisch veld op, dit magnetische veld induceert wervelstromen in het werkstuk, en deze wervelstromen produceren een tegenmagnetisch veld dat het oorspronkelijke veld gedeeltelijk opheft. Het gevolg is dat slechts een fractie van de door de spoel opgewekte magnetische flux het werkstuk daadwerkelijk bereikt.
Het koppelingsrendement is de verhouding tussen het vermogen dat aan het werkstuk wordt geleverd en het vermogen dat aan de spoel wordt geleverd. Een goed ontworpen inductieverwarmer heeft een koppelingsrendement van 80 tot 95 procent. Een slecht ontworpen verwarmer (grote luchtspleet, verkeerde frequentie, verkeerde spoelgeometrie) kan een koppelingsrendement van 30 tot 50 procent hebben, en de rest van het vermogen gaat verloren in de spoel, de bekabeling en het koelwater.
De koppeling is afhankelijk van de frequentie, de afmetingen van het werkstuk, de luchtspleet en de spoelgeometrie. Een hogere frequentie zorgt voor een betere koppeling bij kleine werkstukken, een lagere frequentie voor een betere koppeling bij grote werkstukken. De ingenieurs van MONTE INTELLIGENCE gebruiken FEA-simulaties om de spoelgeometrie voor elke toepassing te optimaliseren. De simulatieresultaten worden gevalideerd aan de hand van de testopstelling voordat de verwarmer in productie wordt genomen.
Curie-temperatuur en magnetische overgang
Staal is ferromagnetisch onder de Curie-temperatuur (ongeveer 770 graden Celsius) en paramagnetisch erboven. De permeabiliteit daalt met een factor 5 tot 10 wanneer het staal de Curie-temperatuur passeert, en de indringdiepte neemt toe met een factor 2 tot 3.
De implicatie: een inductieverwarmer die op de juiste frequentie werkt voor koud staal, kan onderkoppeld zijn wanneer het staal heet is. Een frequentie die te hoog is voor koud staal, zorgt voor ongelijkmatige verwarming in de hete zone. De standaardoplossing is een ontwerp met dubbele frequentie of een frequentieomvormer die de frequentie aanpast aan de veranderende temperatuur van het werkstuk.
Voor het doorverwarmen van grote stalen blokken (met een diameter groter dan 100 mm) ligt de frequentie doorgaans tussen de 50 en 200 Hz, en is een ontwerp met dubbele frequentie zelden nodig. Voor het oppervlakteharden van kleine onderdelen (met een diameter kleiner dan 50 mm) ligt de frequentie tussen de 10 en 100 kHz, en is een ontwerp met dubbele frequentie gebruikelijk om de Curie-overgang te kunnen opvangen.
Vermogensdichtheid en verwarmingssnelheid
De vermogensdichtheid (kW per vierkante centimeter werkstukoppervlak) is de belangrijkste parameter voor de opwarmingssnelheid. Bij oppervlakteharding wordt doorgaans een vermogen van 1 tot 5 kW per vierkante centimeter gebruikt, met een opwarmingssnelheid van 100 tot 500 graden Celsius per seconde. Bij doorverhitting wordt een vermogen van 0,1 tot 0,5 kW per vierkante centimeter gebruikt, met een opwarmingssnelheid van 1 tot 10 graden Celsius per seconde.
Een hoge vermogensdichtheid zorgt voor snelle verwarming, maar een beperkte verwarmingsdiepte. Een lage vermogensdichtheid zorgt voor langzamere verwarming, maar een gelijkmatigere temperatuur. De keuze hangt af van de toepassing: oppervlakteharding vereist een hoge vermogensdichtheid, doorverwarming een lage vermogensdichtheid.
Spoelgeometrie
De spoelgeometrie is afgestemd op het werkstuk. Bij het verwarmen van staven is de spoel een spiraalvormige wikkeling rond de staaf. Bij het oppervlakteharden van vlakke onderdelen is de spoel een platte inductor die boven het onderdeel is geplaatst. Voor complexe geometrieën (tandwielen, nokkenassen, krukassen) is de spoel een gevormde inductor die de vorm van het onderdeel volgt.
De spoel is gemaakt van koperen buis, waarbij het koelwater door het midden van de buis stroomt. Het koper heeft doorgaans een rechthoekige doorsnede (10 x 10 mm tot 20 x 20 mm) voor toepassingen met hoog vermogen, en een ronde doorsnede (6 tot 10 mm diameter) voor toepassingen met laag vermogen. De spoel wordt op een spoelvorm gewikkeld en het geheel wordt gemonteerd in een frame dat de spoel ten opzichte van het werkstuk positioneert.
Quench-integratie
Voor oppervlakteharding wordt de inductieverwarmer gevolgd door een geïntegreerde afkoeling. De afkoeling gebeurt doorgaans met een waternevel of een polymeeroplossing, waarbij de afkoeltijd wordt geregeld door het besturingssysteem van de verwarmer. De afkoelring is gemonteerd op het frame van de verwarmer en het werkstuk beweegt in één lineaire of roterende beweging door de verwarmer en de afkoeling.
Het afkoelingsproces is cruciaal voor de kwaliteit van het onderdeel. Onvoldoende afkoeling leidt tot zachte plekken; te veel afkoeling veroorzaakt scheuren. De afkoelingssnelheid, de afkoelingstemperatuur en de afkoelingsduur worden allemaal bepaald door het procesrecept, dat voor elk onderdeelnummer is opgeslagen in het verwarmingsregelsysteem.
Frequentieselectie in de praktijk
De standaard frequentiebereiken voor inductieverwarming zijn:
1 tot 10 kHz: doorverhitting van grote werkstukken, voorverwarming bij smeden
10 tot 100 kHz: oppervlakteharding van kleine tot middelgrote onderdelen
100 kHz tot 1 MHz: oppervlakteharding van kleine onderdelen, solderen
Boven 1 MHz: specialistische toepassingen, laboratoriumgebruik
De inductieverwarmers van MONTE INTELLIGENCE bestrijken het frequentiebereik van 1 kHz tot 100 kHz, de meest gebruikte frequentie in de industrie voor oppervlakteharding en doorverhitting. De verwarmers zijn verkrijgbaar met vermogens van 50 kW tot 2 MW, met een reeks standaard spoelafmetingen en -vormen.
Totale systeemefficiëntie
Het totale rendement van een inductieverwarmer is de verhouding tussen de warmte die aan het werkstuk wordt afgegeven en het elektrische vermogen dat uit het net wordt onttrokken. Een goed ontworpen systeem heeft een totaal rendement van 70 tot 85 procent. De verliezen zijn: omvormer (3 tot 5 procent), spoel en bekabeling (5 tot 10 procent), koelwater (5 tot 10 procent) en straling en convectie van het werkstuk (2 tot 5 procent).
Het totale rendement van een inductieoven is 30 tot 50 procent hoger dan dat van een gasoven voor doorverhitting, en 50 tot 100 procent hoger voor oppervlakteharding. De energiebesparing is aanzienlijk en de totale eigendomskosten liggen in de meeste markten lager.
Neem contact op met MONTE INTELLIGENCE voor meer informatie over inductieverwarming.
Voor kopers die inductieverwarmingsapparatuur overwegen, kan de engineeringafdeling van MONTE INTELLIGENCE de toepassingsvereisten beoordelen en een frequentie, vermogen en spoelgeometrie aanbevelen. Bezoek de website.www.cnlymonte.com/products-medium-frequency-furnace.html Voor productspecificaties. Voor een projectbespreking kunt u een e-mail sturen naar helenxu@cnlymonte.com met als onderwerp 'fysica van inductieverwarming' en details over de geometrie van uw onderdeel, het procesrecept en de beoogde doorvoer.
