Inductieverwarming

Werking en de toepassingen Voordelen van inductieverwarming: Grote vermogensdichtheid en daardoor zeer snelle verwarming. Nauwkeurige temperatuurregeling. De mogelijkheid om slechts een klein deel van een werkstuk te verwarmen. De mogelijkheid om het werkstuk in een afgesloten ruimte, gescheiden van de spoel te plaatsen, b.v. in een glazen buis onder vacuüm of een beschermend gas. Inductieverwarming is een contactloze electrische verwarmingsmethode. De apparatuur bestaat in hoofdlijnen uit een generator, een werkkop met spoel (inductor), een koeler en een aantal electrische kabels. De opwekking van de warmte in het werkstuk - metaal, grafiet of bij uitzondering een electrisch geleidende kunststof - berust op het opwekken van een wisselend magnetisch veld in of bij een spoel dat wervelstromen in het werkstuk veroorzaakt. De spoel kan gezien worden als de primaire wikkeling van een transformator, het werkstuk zelf vormt de kortgesloten secundaire stroomkring. De generator wekt een wisselspanning op die aan de spoel wordt doorgegeven. Het werkstuk is bepalend voor de te kiezen frequentie, materiaaldikte en verwarmings- patroon spelen een rol. In de werkkop bevindt zich een condensator, deze vormt met de spoel een trillingskring, de electrische waarden van spoel en condensator moeten binnen zekere grenzen op elkaar afgestemd zijn. Deze trillingskring wordt met de energie uit de generator gevoed en draagt deze energie over op het werkstuk. De spoel bestaat uit één of meerdere wikkelingen van pijp uit zeer zuiver koper, de electrische weerstand moet zo laag mogelijk zijn om de verliezen te minimaliseren. Warmteontwikkeling Wanneer een metalen werkstuk in een spoel geplaatst wordt en deze door een wisselstroom gevoed wordt, worden de twee door een magnetisch veld verbonden waardoor de opgewekte stroom het metaal verwarmt. De richting van deze stroom is tegengesteld aan de richting van de stroom die in de spoel loopt. Aangezien elk metaal een zekere weerstand bezit, veroorzaakt de stroom warmteontwikkeling. De in het metaal in warmte omgezette electrische energie wordt bepaald door de vergelijking W = I2R, waarin W het vermogen in Watt, I de stroom in ampère en R de weerstand in ohm van het werkstuk voorstellen.

De weerstand R is hier een andere dan de weerstand die een gelijkstroom zou ondervinden. De weerstand tegen een hoogfrequente stroom hangt af van de ohmse weerstand van het materiaal, de relatieve permeabiliteit en de frequentie van de wisselstroom. Bij magnetische materialen, zoals ijzer, kobalt en nikkel treedt buiten de Joulse verliezen nog een tweede verwarmingsverschijnsel op, veroorzaakt door de hystereseverliezen. Een verklaring voor deze warmteontwikkeling vindt men door aan te nemen dat magnetisch materiaal is opgebouwd uit elementaire magneetjes die in een wisselend magneetveld voortdurend van richting veranderen. De warmteopwekking door hysterese is evenredig met de frequentie, de opwekking door de wervelstromen is evenredig met het kwadraat van de frequentie. Bij toenemende frequentie worden de Joulse verliezen dus steeds belangrijker. Hystereseverliezen treden op tot aan het Curiepunt (769 graden C) hierboven wordt de magnetische permeabiliteit van ferriet gelijk aan 1. Verder moet opgemerkt worden dat de permeabiliteit van austeniet steeds de waarde 1 heeft, zodat bij stalen met een hoger koolstofgehalte de waarde 1 voor de permeabiliteit reeds bij 721 graden C bereikt wordt (zie het ijzer-koolstof diagram). Koeling Gedurende de werking wordt warmte in het werkstuk opgewekt, een deel hiervan wordt afgestraald op de spoel, ook wordt door de wisselstroom in de spoel warmte opgewekt. De spoel dient daarom gekoeld te worden, het hiervoor gebruikte water stroomt door de spoel, ook de condensatoren worden hiermee gekoeld. Tevens wordt een aantal onderdelen van de generator gekoeld. Aan het koelwater worden eisen gesteld t.a.v. de opgeloste stoffen (hardheid en pH). Industriële inductieapparaten zijn bijna altijd watergekoeld, huishoudelijke kookplaten zijn voorzien van luchtkoeling.