Wirkprinzip und Hauptanwendungen der Induktionserwärmung



Induktionserwärmung beruht auf der Wirkung magnetischer Wechselfelder auf elektrisch leitfähiges  Erwärmungsgut. Die Felder werden in Induktionsspulen bzw. auch einfachen Stromschleifen erzeugt, die auch Induktoren genannt werden.
Das magnetische Feld überträgt die Energie berührungslos in das in den Induktor  eingebrachte Erwärmungsgut. Die Wärmewirkung entsteht durch direkt im Erwärmungsgut induzierte Ströme. Bild 1 zeigt die Wirkung eines Induktors auf ein zylindrisches Rohr. Der Energieumsatz erfolgt in den Oberflächenschichten; parallel findet ein Temperaturausgleich nach innen statt, gut zu sehen im Bild 2.
Zum fachlichen Vokabular gehören Begriffe wie InduktionsgesetzStromverdrängung, Skineffekt und Eindringtiefe.
Die Induktoren sind meist wassergekühlt und bleiben während des Erwärmungsprozesses  kalt.
Form und Größe der Induktoren werden den Abmessungen des Erwärmungsgutes angepasst.
Allgemein gilt: Je geringer der Abstand zwischen Induktor und Erwärmungsgut ist, umso höher ist der elektrische Wirkungsgrad.

Einflussfaktoren auf einen induktiven Erwärmungsprozess sind:
  • die Stoffwerte des Erwärmungsgutes, wie spezifischer elektrischer Widerstand, thermische Leitfähigkeit, spezifische Wärme/spezifische Schmelzwärme und magnetische Permeabilität.
  • Mit der festzulegenden  Arbeitsfrequenz kann die Eindringtiefe des  induzierten Stromes bestimmt werden und damit die Charakteristik der Erwärmung. Man unterscheidet in Netzfrequenz (NF), Mittelfrequenz (MF) und Hochfrequenz (HF).
    Allgemein gilt:  Geringe Abmessungen des Erwärmungsgutes, bzw. geringe   Erwärmungstiefe mit hoher Frequenz – große Abmessungen mit niedriger Frequenz erwärmen.
Resultierend aus den spezifischen Stoffwerten gibt es Materialien, die sich induktiv sehr gut und andere, die sich weniger gut oder gar nicht erwärmen lassen.

Elektrisch nicht leitfähige Stoffe, wie Keramiken, hochwertige Spezialgläser und Quarzglas werden indirekt induktiv erwärmt bzw. geschmolzen.

Die Festlegung der Anlagenleistung ergibt sich aus dem gewünschten Materialdurchsatz in kg/h und der zu erreichenden Temperatur.  Der thermische und der elektrische Wirkungsgrad sind stark abhängig vom jeweiligen Prozess.

Die Induktionserwärmung hat überzeugende Vorteile und wird deshalb vielfältig eingesetzt.
Sie kann in automatisierte Prozesse eingebunden werden,  die Energie lässt sich stufenlos elektronisch einstellen – vorgegebene Regelalgorithmen lassen sich leicht  abfahren. Induktionserwärmung ist umweltfreundlich.
Durch extrem hohe Energiedichten im Erwärmungsgut sind sehr kurze Erwärmungs- bzw. Schmelzzeiten realisierbar.  Der Wirkungsgrad ist hoch.

Je nach Anwendung  spricht man von:   

  • Induktivem Erwärmen
  • Induktivem Schmelzen
  • Induktivem Vergüten und Härten
  • Induktiven Sondertechnologien, wie Löten, Schweißen, Beschichten, Trocknen, Schrumpfen, Sintern, etc.
Die Art der Energieübertragung gestattet es auch, Erwärmungen in geschlossenen Volumen durchzuführen. Es kann dadurch unter speziellen Atmosphären, Unterdruck oder auch Überdruck erwärmt und geschmolzen werden.

Das Schmelzen im Induktionsofen kann je nach Auslegung mit mehr oder weniger Rühreffekt realisiert werden. Das ist wichtig, wenn es darum geht, homogene Schmelzen zu erzeugen, z.B. bei der Herstellung von Legierungen.

Haupt-Baugruppen einer Induktionserwärmungsanlage sind:
  • Frequenzumrichter zur Erzeugung der technologisch erforderlichen Arbeitsfrequenz
  • Induktionsofen mit Induktor
  • Kompensationseinheit zur Bereitstellung der elektrischen Blindleistung - Induktoren sind stark induktive Verbraucher
  • Transformator zur Anpassung und gegebenenfalls zur Potentialtrennung
  • Steuerungtechnik für die Prozessführung und Prozessüberwachung
  • Rückkühltechnik zur Bereitstellung des Kühlwassers; alle Leistungseinheiten sind wassergekühlt
  • Beschickungstechnik - Handling

 1. Rohr-Erwärmung

 2. Temparaturausgleich

 3. Partielle Erwärmung

 4. Schmelztiegel