Induktor in Elektro- und Erwärmungstechnik
Der Einsatz von Induktoren kommt vor allem in der Metallindustrie vor. Im Vergleich zu herkömmlichen Erwärmungsverfahren ist die Induktionserwärmung durch die unmittelbare Erwärmung des Werkstücks präzise und energieeffizient.
Funktion von Induktoren
Mit Hilfe eines Induktionsgenerators fließt mittel und hochfrequentierter Wechselstrom durch den Induktor. Dabei wird ein magnetisches Wechselfeld vom Induktor erzeugt. Durch das Wechselfeld werden im zu erwärmenden Werkstück elektromagnetische Wirbelströme ausgelöst bzw. induziert, die zusammen mit dem elektrischen Widerstand des Materials erhitzen.
Die Effizienz der Energieübertragung eines Induktors hängt von der Anpassung an die Geometrie des zu erwärmenden Werkstücks und den Induktionsgenerator ab. Über die Frequenz des Generators kann gesteuert werden, wie stark die Energieübertragung vom Induktor auf das Werkstück ausfallen soll. Durch die Regelung der Frequenz lassen sich Werkstücke unterschiedlich bearbeiten wie z. B. induktives Härten oder induktives Schmelzen. Bei einer niedrigen Frequenz der Energieübertragung wird die Tiefe des Werkstücks erreicht und somit komplett erhitzt, wobei eine hohe Frequenz nur die Außenseite erwärmt.
Funktion von Induktion
Grundlage für die induktive Erwärmung ist das sog. Transformatorprinzip. Wird in der Primärwicklung eines Transformators eine Wechselspannung angelegt, so entsteht ein pulsierendes Magnetfeld in der Sekundärwicklung, welches berührungslos eine Spannung induziert. Diese Spannung kann dann angeschlossene Verbraucher mit Elektrischer Strom versorgen.
Bei einem Schweißprozess bzw. der induktiven Erwärmung von Schweißnähten ist der Induktor die Primärwicklung. Hier stellt der Wärmebereich eine kurzgeschlossene Sekundärwicklung dar. Dadurch entsteht durch die im Werkstück induzierte Spannung Elektrischer Strom, mit dem das Werkstück erwärmt wird.
Aufbau Induktor
Ein Induktor ist ein elektromechanisches Bauelement. Typisch für einen Induktor ist eine Spule in gewickelter Struktur, welche in der Mitte entweder einen festen Körper hat, den sogenannten Spulenkörper, oder körperlos ist. Die Fähigkeit eines Induktors ist die Induktivität, d. H. er kann eine Spannung induzieren. Die Form eines Induktors wird dem Werkstück angepasst, welches erhitzt werden soll.
Induktorfuss
Schnittstelle zwischen Koaxialtransformator und der Windung des Induktors.
Anwendungsbereiche
Geschichte
Ursprung der Nutzung von Induktoren war die Entdeckung von Michael Faraday der elektrischen Induktion und die Schaffung des Induktionsgesetzes. Dies war der Grundstein für die Elektrowärmetechnik.
Die Grundlage der Arbeit von Faraday war die Entdeckung des Elektromagnetismus von Hans Christian Oerstedt. Zunächst hatte er auf einfache Weise einen Elektromotor entwickelt, um danach den umgekehrten Effekt zu untersuchen, die elektrische Wirkung des Magneten in Elektrizität umzuwandeln. Nach 10 Jahren Forschung der Elektrotechnik hatte er im Jahre 1831 schlussendlich den Effekt der elektromagnetischen Induktion mittels eines Transformators herstellen können. Nach einer intensiven Weiterforschung der elektromagnetischen Induktion entwarf Faraday die Urform des elektrischen Generators. Die gewonnene Erkenntnis dieser Untersuchungen war, das die Änderung des Magnetfeldes eines stromdurchflossenen Leiters eine Ladungstrennung in benachbarten metallischen Körpern erzeugt.
Induktorformen
Die Induktor Form und seine Konstruktionsart richten sich dabei maßgeblich nach der Geometrie des zu erwärmenden Werkstückabschnitts. Induktoren werden mit Hilfe modernster 3D CAD Software konstruiert, auf CNC Werkzeugmaschinen gefertigt und meist über einen aufwändigen Manufakturprozess vollendet.
4-Fach Induktor
Außenfeld-Induktor
Brillen-Induktor
Gleichfeld-Induktor
Härte-Induktor
Härte-Induktor mit Abschreckbrause
Linien-Induktor
Lötpistolen-Induktor
1-windiger Ring-Induktor
3-windiger Ring-Induktor mit Schutzgaszufuhr
Beblechter Ring-Induktor
Mehrwindiger Ring-Induktor
Schnittkantenhärte-Induktor
Stab-Induktor
Tunnel-Induktor
Besonderheiten der Induktor-Formen:
- Flächeninduktor
- es lassen sich größere Flächen erwärmen
- Schnittkantenhärten
- damit wird nur die äußerste Schicht der Schnittkante erwärmt, damit diese nach dem Abkühlen mehr Stabilität bekommt
Auch gesinterte Induktoren sind heutzutage möglich, dies resultiert durch immer komklexer werdende Bauteile und den steigenden Anforderungen an den Induktor. Das Induktor-Design entscheidet über die Präzision der Erwärmung. Die Fertigung des Induktors muss auf zehntelmillimeter genau an die Geometrie des Werkstückes angepasst sein. Daher können Induktoren nicht automatisiert hergestellt werden und müssen an Bauteilzeichnungen oder Rohlingen angepasst werden.
Einsatzgebiete Induktoren
Im industriellen Umfeld werden Induktoren eingesetzt für:
| Einsatzgebiet | Beschreibung |
|---|---|
| Induktives Glühen | Induktives Glühen wird zum entfernen von Verunreinigungen im Material eingesetzt. Insbesondere grobe und ungleichmäßige Strukturen lassen sich beim Reinigungsglühen präzise beseitigen. Auch innere Spannungen können beim Spannungsarmglühen durch induktives Glühen entfernt werden. |
| Induktives Löten | Induktives Löten ist ein weit verbreitete Methode, um Lötverbindungen herzustellen und kommt in vielen Anwendungsgebieten vor. Induktives Löten kann noch in Weichlöten und Hartlöten unterschieden werden. Im Vergleich zum konventionellen Löten mit Flamme wird dem induktiven Löten eine schnellere und präzisere Erwärmung nachgesagt. |
| Induktives Erwärmen | Beim induktiven Erwärmen wird das zu bearbeitende Werkstück einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt, wodurch dieses erwärmt wird. Die Wärme entsteht dabei im Werkstück selbst daher spricht man von einem direkten oder unmittelbaren Erwärmungsverfahren. |
| Induktives Härten oder Induktionshärten | Induktives Härten wird zur Härtung der Randschichten von Bauteilen bzw. Werkstücken eingesetzt. Dabei wird das Gefüge durch die Induktion verursacht. Die Vorteile dieses Verfahrens liegen in der Erhöhung der Dauer- und Verschleißfestigkeit sowie Randfestigkeit mit kurzer und präziser Erwärmungszeit und es ist auch bei schwierigen Werkstück-Formen anwendbar. Grundvorraussetzung des induktiven Härtens für Stahl ist ein Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,3%. |
| Induktives Schmelzen | Hauptanwendungsgebiet des induktiven Schmelzens liegt im Schmelzen von Eisen- und Nichteisenmetallen in der Metallindustrie. Außerdem dient das induktive Schmelzen dem Warmhalten und Gießen der Metalle. Bei den Ofenanlagen zum Schmelzen wird zwischen Rinnenöfen und Tiegelofen unterschieden. Größter Vorteil vom induktiven Schmelzen ist der hohe elektrische Wirkungsgrad und die damit verbundene Energieeffizienz sowie Kosteneinsparung. |
RFID Ein RFID-Chip bei Induktoren schafft viele Vorteil bei prozesskritischen Aufgaben.
Vorteile von Induktoren
Im folgenden werden die Vorteile von Induktionserwärmung bedingt durch Induktoren gegenüber konventionellen Erwärmungsmechanismen aufgelistet.
- Hohe Erwärmungsqualität
- Energieeffizient
- Präzise Erwärmungsprofile
- Hoher Durchsatz
- Automatisierbar
- Reproduzierbar
Forschung
An Hochschulen und in Verbundprojekten laufen verschiedene Forschungsprojekte im Umfeld Induktion. Aber auch in den Unternehmen der Hersteller von Induktoren und Induktionsanlagen wird stetig an Neuerungen rund um die Werkzeuge entwickelt.
Institut für Energie- und Umwelttechnik e.V.
- Variotherme Prozessgestaltung mittels Induktionstemperierung zur spritzgusstechnischen Verarbeitung hochgefüllter Thermoplaste in Brennstoffzellenanwendungen
- AiF-FV Nummer: 15955
- Laufzeit: 01.01.2009 - 31.03.2011
Patente
Im Bereich Induktoren wurden verschiedene Patente vergeben, z. B.:
- Isolierung für induktoren von induktiven Erhitzungsanlagen und verfahren zu ihrer Herstellung, DE 4142245 A1, 1993
- Induktor zur induktiven Hochfrequenzerhitzung von Werkstücken im Durchlaufverfahren, DE 970800 C, 1958
- Induktor zum Erwärmen von gekrümmten Oberflächen, insbesondere der Innenwandungen von Bohrungen, metallischer Werkstücke, DE 1046215 B, 1957, Dipl-Ing Reinhold Mueller, Siemens Ag
- Einrichtung zur induktiven Erwärmung eines Werkstückes mittels mehrerer Induktoren, EP 0100441 A1, 1983, Hans G. Dipl.-Ing. Matthes, Erhard Mauler, AEG - Elotherm GmbH
- Vorrichtung zur induktiven Erwärmung von metallischen bändern, EP 1314339 B1, 2001, Dieter Schluckebier, Otto Junker GmbH
Induktoren in der Biologie
Einen Induktor findet man auch außerhalb der Elektrotechnik. In der Biologie, genauer in der Genetik, ist ein Induktor ein Stoff mit induzierter Wirkung. Hier wird von Induktion gesprochen, wenn Gene zur Neusynthese von Enzymen in der Zelle durch benachbarte Induktoren, bestimme Moleküle, aktiviert werden.
Preise von Induktoren
Die Preise von Induktoren variieren sehr nach der Größe und Form. Kleine, handelsübliche Induktoren gibt es schon unter einem Euro (insbesondere Induktoren Widerstände), Spulen sind für wenige Euros zu haben. Je nachdem wie groß die Spulen sind, gehen die Preise auch über 100 Euro. Teurer werden Induktoren in der Industrie. Hier werden häufig kundenspezifische Induktoren hergestellt, die auch mehrere Tausend Euro kosten können. Induktoren Werkzeuge, z. B. Lötpistolen zum Induktionslöten, liegen ebenfalls im Bereich zwischen 50 und mehreren Tausend Euro. Induktoren für riesige Industrieöfen sind am teuersten.
Gebrauchte Induktoren werden online hauptsächlich innerhalb einer Induktionsanlage verkauft und nicht einzeln.
Hersteller von Induktoren
- EMAG eldec Induction
- Eldec konstruiert mit neuster 3D CAD Software maßgefertigte Induktoren. Diese werden sowohl in Deutschland als auch in den USA produziert. Zur Fertigung der Induktoren werden CNC Werkzeugmaschinen eingesetzt und von hochqualifizierten Fachkräften zusammengebaut.
- ITG Induktionsanlagen
- In der Firma ITG Induktionsanlagen werden komplette Induktionsanlagen hergestellt, aber auch Spulen bzw. Induktoren in der eigenen Werkstatt nach Kundenanforderungen gefertigt. Neben Entwicklung und Herstellung werden auch Reparaturen der Spulen vorgenommen.
- EltaTech
- EltaTech stellt mit spezieller CFD-Software (Computational Fluid Dynamics) und hochwertigen Materialien beschichtete und gebandelte Induktionsspulen (auch Kombination möglich) her. Die Spulen werden in Handarbeit gebandelt und besitzen einen Durchmesser von 10mm bis zu 600mm in Rechteck und Rundprofilen.
- Induktivhärtetechnik Hagen
- Induktivhärtetechnik Hagen Ghat einen eigenen Induktorenbau für das Induktionshärten verschiedener Werkstücke.
- SMS Elotherm
- SMS Elotherm stellt in eigener Fertigung Rund- und Formeninduktoren oder Linieninduktoren her. Damit anwendungsspezifische Umsetzungen angeboten werden können, werden eigens entwickelte Berechnungs- und Simulationsprogramme bei der Produktion der Induktoren eingesetzt.
- EMA - TEC
- Die Induktoren von EMA -TEC werden mittels klassischen analytischen Rechenverfahren als auch computerunterstützte FEM-Verfahren (Finite-Elemente-Methode) und hoher Kundenabstimmung hergestellt. EMA- TEC hat sich bei der Herstellung der Induktoren auf den Einsatz in Schmelzanlagen, Induktionshärteanlagen und Schmiedeerwärmungsanlagen spezialisiert.