INDUKTIONSERWÄRMUNG
für die industrielle Anwendungen

[Einführung] [Design] [Anwendung] [Vorteile]

Die Induktionsheizung selbst wird seit mehr als 50 Jahren kommerziell eingesetzt und trotzdem ist sie bis heute für ein breiteres Publikum weitgehend unbekannt.
Dank der modernen Technik (Transistoren) haben heutige Geräte nur 1/10 des Gewichtes im Vergleich zu den früheren Geräten. Die kompakte Bauweise, kleines Gewicht , Flexibilität der Anwendungen und angemessener Preis ermöglichen heute eine breite Anwendung der induktiven Erwärmung.
Mit diesem Artikel möchten wir die wichtigsten Einsatzgebiete kurz vorstellen und gleichzeitig den Leser anregen sich eigene Gedanken über mögliche Anwendungen im eigenen Tätigkeitsbereich zu machen. Es sind unzählige Anwendungen denkbar, die Grenzen werden nur durch eigene Kreativität und Innovation gesetzt.


Was ist Induktionsheizung?

Die Induktive Erwärmung unterscheidet sich grundsätzlich von den meisten anderen Erwärmungsarten. Die Wärme entsteht im Werkstück selbst und es wird kein Wärme-Übertragungsmedium benötigt ( z.B. Luft oder irgend eine leitende mechanische Verbindung). Die elektrische Energie wird dem aufzuheizenden Werkstück durch ein Magnetfeld übertragen.

Der durch die Induktionsspule fliessende Wechselstrom erzeugt ein magnetisches Wechselfeld, das im Werkstück einen bestimmten Strom zu Folge hat. Die über die Induktionsspule zugeführte elektrische Energie wird also vorerst in magnetische Energie und diese alsdann im Werkstück in Wärme umgewandelt. Die Stromdichte im Werkstück ist durch sogenannten Skineffekt bestimmt. Dabei wird die grösste Stromdichte an der Werkstückoberfläche erreicht. Nach Ihnen fällt die Stromdichte exponential ab. Im Inneren des Materials fliesst praktisch kein Strom mehr. Die gelben Stellen am össte Stromdichte.

Die im Werkstück induzierte Heizleistung (P) ist:

Die Eindringstiefe des Stromes ist :

Die Gleichung ist gültig, falls der Werkstückdurchmesser mindestens 2 mal grösser als die Eindringtiefe des Stromes ist.

Drei Induktoren sind in die Reihe geschaltet (Strom ist gleich in allen drei). Nur bei grössten Werkstück gilt D > 2 x . Das kleine Werkstück wird nicht geheizt weil D < 2 x ist. Bild 2.
Die Verbindung zwischen Wärmeenergie , Werkstücktemperatur und Erwärmungszeit ist:

Die Energie der Induktionsspule zugefügt wird ( P Spule

) ist um einiges grosser als die Energie die in Werkstücktemperatur umgesetzt wird . Durch grosse Ströme in der Induktionsspule entstehen im Kupfer (die Induktoren sind fast immer aus Kupfer) grosse Verluste. Somit bewegt sich der sogenannte Wirkungsgrad der Zylinderspule von max. 90 % ( Werkstück aus Stahl ) bis max 40% ( Werkstück aus Kupfer ). Der Wechselstrom wird von einem HF Generator erzeugt der eine Effizienz von 90 bis 95 % hat ( abgegebene Leistung in der Spule / Netzleistung ).

[Design] [Einführung] [Anwendung] [Vorteile]

Der statische Frequenzumrichter ist konzipiert für den Einsatz bei verschiedensten induktiven Erwärmungs- bzw. Schmelzprozessen. Die kompakte, fast vollständig geschlossene Bauweise ermöglicht die Benutzung in industrieller Umgebung, selbst bei erschwerten Aufstellungsbedingungen. Sämtliche Komponenten sind in einem Gehäuse untergebracht, anschlussfertig für Netz und Kühlwasserversorgung.

Die Bedien- und Instrumentierungsgeräte des Generators befinden sich auf der Stirnseite des Gerätes. Die Anordnung der Tasten, Signallampen und Anzeigen sorgen mit ihrer klaren Übersicht für eine einfache Bedienbarkeit.

Die Zuverlässigkeit des Umrichters wird durch eine zweistufige Überwachung aller wichtigen elektrischen und thermischen Arbeitsdaten erreicht. Die Technik der Frequenzumformung beruht auf einem Parallel-Schwingkreis auf der Lastseite, bestehend aus Leistungskondensatoren und Induktionsspule. Die Werte (Induktivität und Kapazität) dieser Bauelemente bestimmen die Arbeitsfrequenz. Der Lastschwingkreis ist an eine Stromquelle angeschlossen. Die Stromquelle ist aus 6pulsigem Gleichrichter, Chopper, Ferrit-Transformer und Glättungsteil gebaut.

Figur 1

Durch den Haupttransformator erfolgt eine Potentialtrennung zwischen dem Netz und der Last. Dadurch gibt es keinen Kurzschluss am Netz, falls die Last geerdet wird. Das Ein- und Ausschalten der H-Brücke erfolgt durch das Ein- und Ausschalten des Choppers. Durch diese Lösung spielt es keine Rolle, wie oft und unter welcher Last die Hochfrequenz Ein- und Ausgeschaltet wird. Es werden dafür keine mechanischen Kontakte benötigt.

[Anwendung] [Einführung] [Design] [Vorteile]


Die Tatsache, dass für die Wärmeübertragung kein Medium notwendig ist, ermöglicht , dass mit Induktionsheizung auch die Objekte erwärmbar sind , welche mit konventionellen Wärmequellen nur schlecht oder gar nicht erwärmt werden können.

Z.B. mit Induktionsheizung können verschiedene metalische Teile in Vakuum erwärmt werden. Auch die Teile welche von Induktionsspulen durch nichtmetallische Wände getrennt sind, können spielend erwärmt werden (die häufigste Anwendung ist Schmelzen von Metallen in keramischen Tiegeln).

Es sind auch neue Anwendungen vorstellbar, z.B. durch Vermischen von metallischen und nichtmetallischen Stoffen können auch nichtmetallische Materialien an unzugänglichen Stellen erwärmt werden (z.B. Erwärmung von plastischen Massen, Klebstoffen, etc.).
Leitende Flüssigkeiten können ebenfalls erwärmt werden. Die Anwendungen in Nahrungsmittelindustrie für Erwärmung von Sossen, Suppen und ähnliches sind durchaus denkbar.
In der Glasindustrie kann Glas in Irridiumplatin-Tiegel schnell und energiesparend geschmolzen werden (keine lange Vorheizzeit wie im Schamott- Ofen ).

20kW Generator in zwei Ausführungen:
mit einem flexiblen Anschluss welcher z.B. mit Roboterarm bewegt werden kann	mit Fixanschluss für stationäre Einsätze (z. B. Drahterwärmung im Durchlauf)

Anwendungen der Induktionsheizung

	Anwendung	Vorteile der Induktionsheizung
1	Dehnen von Metallen Aufschrumpfen von Ringen, Hülsen und Räder. Teile werden gleichmässig erwärmt. Die erwärmten Teile werden zu Montageplätzen zugeführt. Durch natürliche Kühlung bzw. Kontaktkühlung, durch Berühren der kälteren Werkstücke, entsteht mechanischer Kontakt mit kälterem Werkstück ( z.B. Montieren von Kugellagerringen auf die Achse ).	- Rasche Betriebsbereitschaft - keine "hot spots" - kurze Erwärmungszeit - exakte Dosierung und Reproduzierbarkeit der Erwärmung - geringe Wärmeabstrahlung an die Umgebung
2	Bläuen von Stahlbänder, Sägeblätter,..... Korrosionsschutz durch Oberflächenoxydation der Stahlbänder. Bläuen ist auch mit gehärtetem Stahl durchführbar , ohne dass dabei Härteabfall eintritt. Durchlauferwärmungsprozess mit Werkstück - Geschwindigkeit von 10 bis 100 m/Min.	- Rasche Betriebsbereitschaft - es entstehen keine heisse Abgase wie bei der indirekten Flammenheizung - es entstehen keine umweltfeindlichen Stoffe wie bei chemischen Bläuung. - exakte Dosierung und Reproduzierbarkeit der Erwärmung ( Die Oberflächentemperatur des Stahlblech ist unabhängig von Liniengeschwindigkeit).
3	Härten Induktionshärten ist heute das wirtschaftlichste Verfahren für Härten eines Teiles der Werkstückoberfläche. Für Härten der ganzen Werkstückoberfläche eignen sich Thermo - chemische Verfahren besser.	- Rasche Betriebsbereitschaft - Behandlungszeit in Sekunden - keine Verzunderung - Nachbehandlungen ( Richten, Abschleifen und Anlasen ) entfallen - Gleichbleibende Härtequalität
4	Verbindungswärmen Löten Im Vergleich mit Ofen und Flamme , gilt für die Erwärmungsgeschwindigkeit des Werkstückes folgende Relation 1 : 200 : 1000 ( Ofen, Flamme , Induktion ) Schweissen Längsnahtschweissen an Rund und Profilrohren aus Stahl, Messing und Leichtmetallen.	- Rasche Betriebsbereitschaft - Wirtschaftlichkeit bei grösseren Stückzahlen - Gleichbleibende Lötqualität - Geringe Energiekosten während Pausen und Leerlauf - Gleichbleibende Schweissqualität - keine schleifenden Abnutzungsteile - hohe Schweissgeschwindigkeit ( über 100 m/min )
5	Abbau von Spannungen in Metallen - Vorwärmen nach dem Schweissen Vorbeugung der Bildung der Spannungen und der Entstehung von Härtezonen durch ein gezieltes Erwärmen. - Weichglühen ( Härteabbau ) - Rekristallisationglühen Abbau der Spannungen nach Kaltverformung	- Rasche Betriebsbereitschaft - Partielles Weichglühen ohne Wärmeabwanderung in Nachbarzonen
6	Erwärmen von Rohlingen zum anschliessenden Warmumformen in Presse und Schmiedemaschinen	- Rasche Betriebsbereitschaft - saubere Werkstücke - Geringe Randköhlung - Konstante Schmiedetemperaturen - weniger Risse im Vergleich zum Strahlungsofen - erhöhte Wechselfestigkeit und Kerbschlagfestigkeit
7	Schmelzen - Schmelzen von Metallen Al, Au, Ms, Cu und Ag in Graphittiegel Nickel und Eisen in Aluminiumoxidtiegel . Platin und Palladium in Zirkodiumoxidetiegel - Kernauschmelzen ( wird z.B. in Autoindustrie für Herstellung von Ansaugröhren verwendet )	- Rasche Betriebsbereitschaft - genaue Temperaturkontrolle - elektrodynamische Durchmischen des Schmelzgutes - kurze Schmelzzeiten
8	Verschiedenes - Schmelzen von nicht metallischem Material ( zum. B. Glas ) - Epitaxi Anlagen für die Halbleiterfabrikation - Sintern ( Herstellung von Verbundstoffen ) - Werkzeugerwärmung an Kunststoff- Maschinen - Induktive Deckelverklebung ( z.B. Joghurt Deckel )

[Vorteile] [Einführung] [Anwendung] [Design]

1. Genauigkeit der Dosierung
ist der bedeutendste Vorteil der induktiven Erwärmung. Die zugeführte Wärme kann unabhängig von den Schwankungen der Stromversorgung oder ähnlichem, in engsten Grenzen reguliert werden. Durch Einsatz des Pyrometers (Messung der Temperatur durch Infrarot Abstrahlung) und eines Temperaturreglers können beliebige Temperaturverläufe nachgebildet werden.

2. Max. Produktionsgeschwindigkeit
Die Erwärmungsenergie kann so schnell, wie es das Material erlaubt, zugeführt werden. Im Vergleich zur Strahlungserwärmung bringt dies eine Steigerung der Produktionsgeschwindigkeit bis zum Faktor 1000.

3. Erwärmung von Objekten die sonst unerreichbar sind
Metallteile in Kunststoff/Vakuum/Wasser/Holz etc.

4. Geringer Platzbedarf
als Strahlungs- Erwärmungsanlagen.

5. Verbesserung der Arbeitsbedingungen
- durch Wegfallen von Schmutz und Rauch
- durch die Tatsache dass die Wärme im Material selbst entsteht und daher die Wärmestrahlung sehr klein ist

6. Besserer Wirkungsgrad
- keine Wärmeverluste
- keine Wärme in der Umgebung

7. Gleichmässige Qualität
Da die oben erwähnten Eigenschaften der induktiven Wärme eine örtliche Begrenzung der Erwärmung, genaue Dosierung, grosse Arbeitsgeschwindigkeit und keine Verformung des Werkstückes mit sich bringen, zeichnen sich die Erzeugnisse durch grosse Gleichmässigkeit und Qualität aus.