Grundlagen der Induktionserwärmung
Induktionsheizung findet in einem elektrisch leitenden Gegenstand (nicht notwendigerweise magnetischem Stahl) statt, wenn der Gegenstand in einem sich ändernden Magnetfeld angeordnet ist. Die Induktionserwärmung ist auf die Hysterese und die Wirbelstromverluste zurückzuführen.
Induktionsheizung ist der Vorgang des Erhitzens eines elektrisch leitenden Objekts (normalerweise eines Metalls) durch elektromagnetische Induktion durch Wärme, die im Objekt durch Wirbelströme erzeugt wird. Eine Induktionsheizung besteht aus einem Elektromagneten und einem elektronischen Oszillator, der einen hochfrequenten Wechselstrom (AC) durch den Elektromagneten leitet. Das schnell wechselnde Magnetfeld durchdringt das Objekt und erzeugt im Inneren des Leiters elektrische Ströme, sogenannte Wirbelströme. Die durch den Widerstand des Materials fließenden Wirbelströme erwärmen es durch Joule'sche Erwärmung. In ferromagnetischen (und ferrimagnetischen) Materialien wie Eisen kann Wärme auch durch magnetische Hystereseverluste erzeugt werden. Die verwendete Stromfrequenz hängt von der Objektgröße, der Materialart, der Kopplung (zwischen der Arbeitsspule und dem zu erwärmenden Objekt) und der Eindringtiefe ab.
Hystereseverluste treten nur bei magnetischen Materialien wie Stahl, Nickel und sehr wenigen anderen auf. Der Hystereseverlust besagt, dass dies durch Reibung zwischen Molekülen verursacht wird, wenn das Material zuerst in die eine und dann in die andere Richtung magnetisiert wird. Die Moleküle können als kleine Magnete angesehen werden, die sich bei jeder Richtungsumkehr des Magnetfelds umdrehen. Arbeit (Energie) ist erforderlich, um sie umzudrehen. Die Energie wandelt sich in Wärme um. Die Energieverbrauchsrate (Leistung) steigt mit einer erhöhten Umkehrrate (Frequenz).
Wirbelstromverluste treten in jedem leitenden Material in einem variierenden Magnetfeld auf. Dies führt zu einem Richtungswechsel, selbst wenn die Materialien keine der magnetischen Eigenschaften haben, die normalerweise mit Eisen und Stahl verbunden sind. Beispiele sind Kupfer, Messing, Aluminium, Zirkonium, nichtmagnetischer Edelstahl und Uran. Wirbelströme sind elektrische Ströme, die durch Transformatorwirkung im Material induziert werden. Wie ihr Name schon sagt, scheinen sie in Wirbeln innerhalb einer festen Materialmasse in Wirbeln zu fließen. Wirbelstromverluste sind viel wichtiger als Hystereseverluste bei der Induktionsheizung. Es ist zu beachten, dass die Induktionserwärmung auf nichtmagnetische Materialien angewendet wird, bei denen keine Hystereseverluste auftreten.
Für das Erhitzen von Stahl zum Härten, Schmieden, Schmelzen oder für andere Zwecke, bei denen eine Temperatur oberhalb der Curie-Temperatur erforderlich ist, können wir uns nicht auf die Hysterese verlassen. Oberhalb dieser Temperatur verliert Stahl seine magnetischen Eigenschaften. Wenn Stahl unter dem Curie-Punkt erhitzt wird, ist der Beitrag der Hysterese normalerweise so gering, dass er ignoriert werden kann. Für alle praktischen Zwecke das Ich2Nur durch Wirbelströme kann elektrische Energie in elektrische Energie für Induktionsheizzwecke umgewandelt werden.
Zwei grundlegende Dinge für die Induktionsheizung:
- Ein sich änderndes Magnetfeld
- Ein elektrisch leitfähiges Material, das in das Magnetfeld eingesetzt wird