Induktive Erwärmung

Grundlagen, Formeln, Vorteile der induktiven Erwärmung

Führt man bei der Induktionserwärmung Werkstücke aus elektrisch leitenden Materialien an ein Magnetfeld heran, wird in dem Werkstück ein elektrischer Strom induziert, der im Werkstück fließt und dadurch Wärme erzeugt (lat. inducere = einführen) Dieses Magnetfeld wird durch einen Induktor erzeugt.

Die induktive Wärme entsteht in dem Bauteil selbst und wird nicht von außen zugeführt. Diesem Prozess liegen bestimmte Regeln zugrunde.

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Induktionsgesetz

Eine mit einem Wechselstrom l 1 durchflossene Induktionsspule erzeugt ein – in seiner Richtung wechselndes – magnetisches Feld, das durch einen magnetischen Fluss Φ gekennzeichnet ist. Wird in dieses Magnetfeld ein Werkstück eingebracht, so wird in ihm eine Spannung induziert. Die induzierte Spannung erzeugt einen der Wirkung entgegengesetzten Stromfluss l ws (Lenz‘sche Regel).
Induktionsspule und Werkstück

Skin-Effekt (Stromeindringtiefe)

Die Stromdichte nimmt vom Rand des Werkstückes nach innen radial ab. Diese Abnahme resultiert aus sich überlagernden Wirbelströmen und daraus bedingten hohen Widerständen im Inneren des Werkstückes.

Eindringtiefe δ = die Tiefe, bei der die Stromdichte auf 1 /e (=0,368) abgesunken ist.

Je höher die Frequenz, desto dünner die durchflossene Oberflächenschicht.

Grafik zur Darstellung der Stromeindringtiefe

Frequenz

C = Kapazität = Kondensator im Außenkreis
L = Induktivität = Induktor am Aussenkreis

Hohe Frequenz = geringe Eindringtiefe
Tiefe Frequenz = große Eindringtiefe

Frequenzbereiche sind:

  • Niederfrequenz    50Hz   bis 500Hz
  • Mittelfrequenz    500Hz bis 50kHz
  • Hochfrequenz    50kHz bis 27MHz

Prozess, Eindringtiefe und Werkstückdurchmesser bestimmen die Wahl der Frequenz. Die Eindringtiefe sollte, in Abhängigkeit des Prozesses, nicht größer als 1/8 des Werkstückdurchmessers sein.

Grafik zur Darstellung der Eindringtiefe je nach Frequenz
Grafik zum Verhältnis von Kapazität C und Induktivität L / Formel zu Eindringtiefe je nach Frequenz: f = 1 geteilt durch 2π * Wurzel aus L*C

Wärmedurchdringung & Induktorwirkungsgrad

Die Wärmedurchdringung des Werkstückes erfolgt bei konstanter Frequenz und konstanten Materialparametern.

Diese kann trotz konstanter Parameter unterschiedlich verlaufen, was man als Induktorwirkungsgrad bezeichnet. 

Erwärmung von innen – die Vorteile

Durch die Möglichkeit, die Wärme nicht von außen zuzuführen, ergeben sich klare Vorteile gerade im Bereich der Energieeinsparung.

  • Kurze Erwärmungszeiten: weniger Energiekosten, weniger CO₂
  • Leichte Reproduzierbarkeit der Induktionsprozesse
  • Punktgenaue Erwärmung: geringer Ausschuss, kaum Nachbearbeitung
  • Einfache Erwärmung: keine langen Wartezeiten, kein Zeitverlust nach Produktionsunterbrechungen
  • Automatisierbarkeit der induktiven Prozesse
  • Angenehme Arbeitsbedingungen: keine hohen Temperaturen am Arbeitsplatz

Induktionserwärmung bietet sich daher für viele unterschiedliche Verfahren in der Industrie an. Darunter fallen Härten, Löten, Fügen, Schmelzen oder Glühen und viele weitere Anwendungen. Sobald ein Werkstück aus elektrisch leitenden Materialien (Aluminium, Kupfer, Stahl/Edelstahl, Messing, Titan, Graphit) besteht, kann es über eine Induktionsspule auf den Punkt genau erwärmt werden.