Induktoren im Einsatz
Wofür werden die Induktoren eingesetzt?
Viele Besucher dieser Seiten haben im täglichen Berufsleben ständig mit Induktiver Erwärmung zu tun. Einige Geschäftspartner oder Interessenten kennen "Induktion" jedoch nur aus dem Grundlagenwissen des Physikunterichtes. Daher ist die Frage nach dem Einsatzort nicht selten.
Induktionstechnik wird häufig dann verwendet, wenn Metalle unterschiedlichster Form bearbeitet werden. Die Einsatzorte sind sehr vielseitig und reichen von der Umformung bis zur Vergütung (Härten u.v.m.).
Stellt man sich ein klassisches Schmiedeteil vor (z. B. ein Zahnrad), so wird dies oft aus einem Stahlblöckchen umgeformt. Wird das Schmiedeteil warm bearbeitet, (es gibt auch Kaltumformung) ist die Induktive Erwärmung ein relativ kostengünstiges Verfahren, die Metalle auf Schmiedetemperatur (ca. 1250° C.) zu erwärmen. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, große Stückzahlen gleichmäßig und ohne große Energieverluste auf Schmiedetemperatur zu bringen. Das erwärmte Metall wird dann mit Hilfe von Pressen oder Schmiedehämmern in den gewünschten Zustand umgeformt.
Unsere Aufgabe ist es, die Werkzeuge herzustellen und instandzusetzen, die die Wärme in das Metall einbringt. Diese Werkzeugfamilie, auch Induktoren genannt, sind sehr vielseitig und dem jeweiligen Werkstück angepasst.
Vereinfachte Darstellung der Induktiven Erwärmung
Die Induktionerwärmung ist eine geeignete Technik, um Energie in metallische Teile einzubringen. Die gut regelbare Erwärmung, die direkt im Werkstück stattfindet, erfolgt schnell und kann gezielt auf partielle Zonen begrenzt werden. Durch die Reproduzierbarkeit der Aufheizvorgänge und der leichten Handhabung ist die induktive Erwärmung ein technisch ausgereiftes Verfahren mit einem hohen Automatisierungsgrad zur industriellen Fertigung. Die hauptsätzlichen Anwendungen sind das Schmelzen von Stahl und metallischen Legierungen, das Erwärmen von Schmiedewerkstücken zur Warmumformung, das Glühen, Normalisieren und Härten sowie das Verkleben und Sintern.
Die Induktionsanlagen werden größtenteils in drei Bereiche eingeteilt:
- Niederfrequenzanlagen (bis ca. 50 Hz)
- Mittelfrequenzanlagen (bis ca. 10 kHz)
- Hochfrequenzanlagen (über 10 kHz)
Die Auswahl der geeigneten Induktionsanlagen hängt vom erforderlichen Maß der freqenzabhängigen Stromeindringtiefe im Werkstück ab:
- kleiner Werkstückdurchmesser = höhere Freqenz
- großer Werkstückdurchmesser = niedrigere Frquenz.
Faustformel für eine wirtschaftliche Arbeitsfrequenz bei der Stahlerwärmung:
Materialdurchmesser = 2,5 - 7 x Stromeindringtiefe. Bei der 3,5fachen Eindringtiefe wird die günstigste Leistungsübertragung erreicht.
Netzfrequenzanlagen (50 Hz) können über regelbare Transformatoren direkt an das Drehstromnetz angeschlossen werden. Kleinere Anlagen, z. B. für Laboranwendungen, Lötgeräte, Kugellagererwärmung u.s.w. können teilweise noch mit 230 V. Netztspannung betrieben werden. Höhere Frequenzen werden in den Frequenzwandlern der Induktionsanlagen erzeugt.
Das Werkzeug der Induktionsanlage ist der Induktor, oft auch Spule genannt. Es besteht aus einer ein- oder mehrwindigen wassergekühlten Spule, deren Geometrie möglichst dem Werkstück angepasst ist. Der Luftspalt (Kopplungsabstand) zwischen dem Erwärmungsgut und der Spule beeinflusst den Wirkungsgrad der Induktionsanlage.
Entsprechend dem Induktionsgesetz bildet sich um einen - von einem Wechselstrom durchflossenen Leiter - ein magnetisches Wechselfeld. Im metallischen Werkstück, daß dem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt ist, werden Wirbelströme induziert, die das Werkstück erwärmen. Das magnetische Wechselfeld drängt die Wirbelströme in die Randzone des Werkstücks (Skin - Effekt) und bewirkt entsprechend der Eindringtiefe eine Erwärmung der Randzone. Im Einlaufbereich des Induktors ist der Temperaturanstieg in der Randzone des Werkstücks am Anfang sehr steil. Wird bei ferritischem Stahl die Curietemperatur (768° C.) überschritten, ändert sich die Permeabilität, die Eindringtiefe wird größer und der Temperaturanstieg etwas flacher. Die Erwärmung der tieferliegenden Zonen im zu erwärmenden Werkstück erfolgt überwiegend durch Wärmeleitung. Die Auslegung des Induktors muss so berechnet sein, dass das Werkstück beim Verlassen des Induktors eine möglichst geringe Temperaturdifferenz zwischen der Randzone und dem Kern aufweist.
