Az indukciós fűtés olyan eljárás, amelyet fémek vagy más vezetőképes anyagok kötésére, keményítésére vagy lágyítására használnak. Számos modern gyártási folyamat esetében az indukciós fűtés a sebesség, a konzisztencia és a vezérlés vonzó kombinációját kínálja.
az indukciós fűtés alapelveit az 1920-as évek óta értik és alkalmazzák a gyártásban. a második világháború alatt a technológia gyorsan fejlődött, hogy megfeleljen a sürgős háborús követelményeknek a gyors, megbízható folyamathoz, amely megkeményíti a fém motoralkatrészeket. A közelmúltban a lean gyártási technikákra való összpontosítás és a jobb minőség-ellenőrzés hangsúlyozása az indukciós technológia újbóli felfedezéséhez vezetett, valamint a pontosan ellenőrzött, Minden szilárdtest indukciós tápegység kifejlesztéséhez.
mi teszi ezt a fűtési módszert olyan egyedivé? A leggyakoribb fűtési módszereknél fáklyát vagy nyílt lángot alkalmaznak közvetlenül a fémrészre. De indukciós fűtéssel a hőt valójában magában a részben” indukálják ” a keringő elektromos áramok.
Az indukciós fűtés a rádiófrekvenciás (RF) energia egyedi jellemzőire támaszkodik – az elektromágneses spektrum infravörös és mikrohullámú energia alatti részére. Mivel a hő elektromágneses hullámokon keresztül kerül a termékbe, az alkatrész soha nem kerül közvetlen érintkezésbe semmilyen lánggal, maga az induktor nem melegszik fel (lásd az 1.ábrát), és a termék nem szennyeződik. Megfelelő beállítás esetén a folyamat nagyon megismételhetővé és ellenőrizhetővé válik.
hogyan működik az indukciós fűtés
pontosan hogyan működik az indukciós fűtés? Segít a villamos energia alapelveinek alapvető megértésében. Ha váltakozó elektromos áramot alkalmaznak a transzformátor elsődlegesére, váltakozó mágneses mező jön létre. Faraday törvénye szerint, ha a transzformátor szekunder a mágneses mezőben helyezkedik el, elektromos áramot indukálnak.
a 2. ábrán látható alapvető indukciós fűtési beállításnál a szilárdtest RF tápegység váltakozó áramot küld egy induktoron (gyakran réztekercsen) keresztül, és a felmelegítendő részt (a munkadarabot) az induktor belsejébe helyezik. Az induktor elsődleges transzformátorként szolgál, a felmelegítendő rész pedig rövidzárlat másodlagos lesz. Amikor egy fémrész az induktoron belül helyezkedik el, és belép a mágneses mezőbe, keringő örvényáramok indukálódnak az alkatrészen belül.
amint azt a 3. ábra mutatja, ezek az örvényáramok a fém elektromos ellenállásával szemben áramlanak, pontos és lokalizált hőt generálva anélkül, hogy az alkatrész és az induktor közvetlen érintkezésbe kerülne. Ez a fűtés mind mágneses, mind nem mágneses részekkel történik, és gyakran “Joule-effektusnak” nevezik, utalva Joule első törvényére – egy tudományos képletre, amely kifejezi a vezetőn áthaladó elektromos áram által termelt hő kapcsolatát.
másodsorban a mágneses részeken belül további hő keletkezik hiszterézis – belső súrlódás, amely akkor jön létre, amikor a mágneses alkatrészek áthaladnak az induktoron. A mágneses anyagok természetesen elektromos ellenállást kínálnak az induktoron belüli gyorsan változó mágneses mezőkkel szemben. Ez az ellenállás belső súrlódást eredményez, amely viszont hőt termel.
Az anyag melegítése során ezért nincs érintkezés az induktor és az alkatrész között, és nincsenek égési gázok sem. A felmelegítendő anyag elhelyezhető a tápegységtől elkülönített környezetben; folyadékba merítve, izolált anyagokkal borítva, gáznemű atmoszférában vagy akár vákuumban.
fontos tényezők, amelyeket figyelembe kell venni
az indukciós fűtési rendszer hatékonysága egy adott alkalmazáshoz több tényezőtől függ: maga az alkatrész jellemzői, az induktor kialakítása, a tápegység kapacitása, valamint az alkalmazáshoz szükséges hőmérsékletváltozás mennyisége.
az alkatrész jellemzői
fém vagy műanyag
először is, az indukciós fűtés közvetlenül csak vezetőképes anyagokkal, általában fémekkel működik. A műanyagokat és más nem vezető anyagokat gyakran közvetett módon lehet melegíteni egy vezetőképes fém érzékeny első melegítésével, amely hőt továbbít a nem vezető anyaghoz.
mágneses vagy nem mágneses
könnyebb a mágneses anyagok melegítése. Az örvényáramok által kiváltott hő mellett a mágneses anyagok hőt is termelnek az úgynevezett hiszterézis hatás révén (a fentiekben leírtak szerint). Ez a hatás megszűnik a “Curie” pont feletti hőmérsékleten – azon a hőmérsékleten, amelyen a mágneses anyag elveszíti mágneses tulajdonságait. A mágneses anyagok relatív ellenállását 100-500 közötti “permeabilitási” skálán értékelik; míg a nem mágnesesség permeabilitása 1, A mágneses anyagok permeabilitása akár 500 is lehet.
vastag vagy vékony
vezetőképes anyagokkal a fűtési hatás körülbelül 85% – a A rész felületén vagy “bőrén” fordul elő; a fűtési intenzitás csökken, mint a felülettől való távolság increases.So a kicsi vagy vékony részek általában gyorsabban melegednek, mint a nagy vastag részek, különösen, ha a nagyobb részeket végig kell melegíteni.
A kutatások összefüggést mutattak a váltakozó áram frekvenciája és a fűtési behatolási mélység között: minél nagyobb a frekvencia, annál sekélyebb a fűtés az alkatrészben. A 100-400 kHz frekvenciák viszonylag nagy energiájú hőt termelnek, ideális kis alkatrészek vagy nagyobb alkatrészek felületének/bőrének gyors melegítéséhez. Mély, behatoló hő esetén a hosszabb fűtési ciklusok alacsonyabb, 5-30 kHz frekvencián bizonyultak a leghatékonyabbnak.
ellenállás
Ha pontosan ugyanazt az indukciós eljárást használja két azonos méretű acél és réz darab melegítésére, az eredmények meglehetősen eltérőek lesznek. Miért? Az acél-a szén, az ón és a volfrám mellett – nagy elektromos ellenállással rendelkezik. Mivel ezek a fémek erősen ellenállnak az áramáramlásnak, a hő gyorsan felhalmozódik. Az alacsony ellenállású fémek, például a réz, a sárgaréz és az alumínium hosszabb ideig melegednek. Az ellenállás A hőmérséklettel növekszik, így egy nagyon forró acéldarab fogékonyabb lesz az indukciós fűtésre, mint egy hideg darab.
induktor kialakítása
az indukciós fűtéshez szükséges változó mágneses mező a váltakozó áram áramlásán keresztül alakul ki. Tehát az induktor kialakítása az egész rendszer egyik legfontosabb szempontja. A jól megtervezett induktor biztosítja az alkatrész megfelelő fűtési mintázatát, és maximalizálja az indukciós fűtési tápegység hatékonyságát, miközben továbbra is lehetővé teszi az alkatrész könnyű behelyezését és eltávolítását.
tápegység kapacitása
az adott alkatrész fűtéséhez szükséges indukciós tápegység mérete könnyen kiszámítható. Először meg kell határozni, hogy mennyi energiát kell átvinni a munkadarabra. Ez függ a fűtött anyag tömegétől, az anyag fajlagos hőjétől, valamint a szükséges hőmérséklet emelkedésétől. Figyelembe kell venni a vezetésből, a konvekcióból és a sugárzásból származó hőveszteségeket is.
szükséges hőmérsékletváltozás mértéke
végül az indukciós fűtés hatékonysága az adott alkalmazáshoz a szükséges hőmérsékletváltozás mennyiségétől függ. A hőmérsékletváltozások széles skálája befogadható; ökölszabályként általában több indukciós fűtési teljesítményt használnak a hőmérsékletváltozás mértékének növelésére.