Vorhersage der Auswirkungen induktiver Erwärmung mit Simulation

19. Nov 2021

Wenn wir stromleitende Materialien verwenden, um Strom zu transportieren, versuchen wir oft, den elektrischen Widerstand zu minimieren, aber Widerstand und seine Auswirkungen — wie Licht und Wärme — können auch nützlich sein. Bei der Induktionserwärmung wird Strom verwendet, um absichtlich ein elektrisches Verhalten hervorzurufen, das ein Material durch Widerstandseffekte erwärmt. Diese Effekte können vielfältig genutzt werden, vom Schmelzen von Eisen bei Temperaturen von über 1500°C bis hin zum Kochen von Tee auf einem Induktionsherd!

Induktion erzeugt Strom ohne Kontakt

Wie bereits erwähnt, erzeugt ein Strom, der durch ein leitendes Material fließt, aufgrund des elektrischen Widerstands Wärme. Toaster, Haartrockner, Raumheizungen und andere Alltagsgeräte machen sich diesen Effekt zunutze. In diesen Fällen ist das Phänomen als Joule’sche Heizung oder Widerstandsheizung bekannt. Sie entsteht durch den direkten physischen Kontakt zwischen einem leitenden Element und einer Stromquelle.

Im Gegensatz dazu wird bei der Induktionserwärmung ein Gegenstand ohne direkten physischen Kontakt mit einer Stromquelle elektrisch erwärmt. Stattdessen wird der leitende Gegenstand (oder das Werkstück) in die Nähe einer Induktionsspule gebracht, die mit Wechselstrom (AC) gespeist wird. Der Wechselstrom erzeugt ein zeitlich veränderliches Magnetfeld, das die Induktionsspule umgibt. Dieses Feld induziert Wirbelströme, die im Inneren des Werkstücks Wärme erzeugen.

Eine Simulation, die die in einer Aluminium-Leiterplatte induzierte Stromdichte zeigt.
Eine Simulation der Stromdichte, die in einem Aluminiumleiter durch eine gewickelte Kupferspule induziert wird, welche einen sinusförmig variierenden Strom führt. (Erfahren Sie hier, wie Sie diese Art von System simulieren können.)

Um eine sinnvolle induktive Erwärmung zu erreichen, müssen eine Reihe von Bedingungen erfüllt sein. Das Werkstück muss aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit hergestellt sein. Der angelegte Strom sollte mit einer Frequenz zirkulieren, die sich gut mit der Leitfähigkeit und den magnetischen Eigenschaften des Werkstücks verträgt. Durch sorgfältige Auswahl der Werkstoffe und der Frequenz können wir ein eisenhaltiges Werkstück in wenigen Sekunden von Umgebungstemperatur auf über 700 °C induktiv erwärmen. Dies geschieht, weil die hohe Permeabilität eisenhaltiger Werkstoffe zu stärkeren Wirbelströmen und Skin-Effekten führt, bei denen der Wechselstrom die Oberfläche des Werkstücks intensiver umströmt. Die induktive Erwärmung in Eisenmetallen wird durch die zyklische Magnetisierung von Eisenkristallen durch Wechselstromflüsse noch verstärkt. Das sich schnell ändernde Wechselmagnetfeld führt zu Hystereseverlusten, die noch mehr Wärme erzeugen.

Was sind die Vorteile der Induktionserwärmung?

Die Fähigkeit, leitfähige Materialien effizient und präzise zu erwärmen, ohne sie zu berühren, macht die Induktionserwärmung zu einem wichtigen Aspekt vieler nützlicher Verfahren. Nehmen wir zum Beispiel einen Induktionsherd. Der Wechselstrom, der durch eine Induktionsspule fließt, die unter der Oberfläche des Kochfelds verborgen ist, erzeugt ein magnetisches Wechselfeld in einem Eisentopf. Die Widerstandseffekte im Topf erzeugen genug Wärme, um Wasser zum Kochen zu bringen, wobei die Kochfläche und der Topfboden kaum wärmer sind als die Raumtemperatur. Diese gezielte Erwärmung ist sowohl sicherer als auch effizienter als die üblichen Kochmethoden auf dem Herd.

Ein Foto von einem Induktionsherd, der Wasser in einem Topf kocht.
Ein Induktionsherd bringt Wasser in einem Topf zum Kochen, aber die Oberfläche ist nicht heiß genug, um eine Zeitung unter dem Topf zu entzünden. Image licensed under CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons.

Die Vorteile der Induktionserwärmung sind entsprechend größer, wenn sie im industriellen Maßstab angewendet wird. Im Vergleich zu anderen Erwärmungs- und Schmelzverfahren verbrauchen Induktionsöfen weniger Energie und emittieren weniger Schadstoffe. Die Sauberkeit der Induktionserwärmung macht sie auch zu einem wichtigen Verfahren für die Herstellung von Halbleitern und anderer Elektronik.

Zwischen den Extremen des Teekochens und des Schmelzens von Metallen kann die Induktionserwärmung auch anderen Zwecken dienen. Bekannte metallurgische Techniken wie Löten, Schweißen und Hartlöten können alle induktiv durchgeführt werden. Die Wärme eines induzierten Stroms kann auch dazu dienen, ein Eisenmetall auf sorgfältig kontrollierte Weise zu härten, wie das unten beschriebene Übungsmodell zeigt…

Ein Modell für Induktionseffekte in Eisenmetallen

Die Metallverarbeitung ist eine der wichtigsten Fertigkeiten der Zivilisation, das wissen wir aus Erkentnissen über die historischen Bronzezeit- und Eisenzeit-Epochen. Unser eigenes industrialisiertes Zeitalter begann mit großen Fortschritten bei der Herstellung und Verarbeitung von Eisen im 19. Jahrhundert. Während die Schmiede traditionell das heiße Eisen Stück für Stück auf dem Amboss hämmerten, konnten kohlebefeuerte Mühlen ungeahnte Mengen an Eisenmetallen reinigen und härten. Zu den Fortschritten in der elektrischen Metallverarbeitung im 20. Jahrhundert gehörte die Entwicklung des Induktionshärtens, von dem unten ein simuliertes Beispiel gezeigt wird.

Ein Modell eines eisenhaltigen Werkstücks, das sich durch eine Induktionsspule bewegt.
Ein Verfahren zum Induktionshärten eines Eisenmetallteils, bei dem dieses durch eine Induktionsspule bewegt wird. Der Stromfluss in der Spule ist in rot dargestellt.

Dieses Beispiel stellt ein Verfahren dar, bei dem ein eisenhaltiges Werkstück durch eine Induktionsspule bewegt wird, die ein Feld erzeugt, das eine Erwärmung des Teils bewirkt. Dieses Verfahren wird häufig zum Härten von Antriebswellen, Befestigungsstiften und anderen ähnlich dimensionierten Bauteilen verwendet, die starken mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Das Modell nutzt die Funktionen des AC/DC Module, um das gekoppelte Verhalten von Elektromagnetismus und Wärmetransport im Werkstück und die daraus resultierenden physikalischen Veränderungen zu berücksichtigen.

Das AC/DC Module bietet Unterstützung für die Analyse des magnetischen Verhaltens mit wählbaren Optionen für konstitutive Beziehungen. Die Option Effektive B-H-Kurve ist für diese Analyse gut geeignet, da sie sowohl die magnetische Sättigung (der Punkt, über den hinaus die Magnetisierung eines Materials nicht durch ein äußeres Feld erhöht werden kann) als auch den Curie-Punkt des Werkstückmaterials berücksichtigt. Wenn ein Werkstoff über den Curie-Punkt (benannt nach Pierre Curie, der ihn entdeckte und beschrieb) hinaus erhitzt wird, verliert er die magnetischen Eigenschaften, die er bei niedrigeren Temperaturen aufweist. Sowohl der Sättigungs- als auch der Curie-Punkt-Effekt verändern das Verhältnis zwischen dem angelegten Strom und den daraus resultierenden Veränderungen im Werkstück.

Ein Diagramm, das die B-H-Kurven-Beziehung veranschaulicht.
Ein Diagramm der B-H-Kurven-Beziehung, das das hysteretische Verhalten zeigt, indem die magnetische Flussdichte als Funktion des Magnetfelds während eines Wechselstromzyklus aufgetragen wird. Diese Grafik stammt aus einem Elektromagnetik-Tutorial-Modell, das zur Reproduktion des TEAM-Problems 32 (Testing Electromagnetic Analysis Method) verwendet werden kann. Mit dem TEAM-Problem 32 werden numerische Methoden zur Simulation der anisotropen magnetischen Hysterese evaluiert.

Da dieser Induktionshärtungsprozess auf der Bewegung des Werkstücks durch die Induktionsspule beruht, muss die Simulation die Bewegung ebenfalls berücksichtigen. Dies wird mit einem beweglichen Netz über das Rotating Machinery, Magnetic Interface unter Verwendung gemischter Vektor- und Skalarpotentiale berücksichtigt. Das Netz muss auch Skin-Effekte berücksichtigen, bei denen das induzierte magnetische Verhalten zwischen der Oberfläche und dem Kern des Werkstücks variiert.

Ein Netz für ein sich bewegendes ferromagnetisches Werkstück (1 kHz).
Ein Netz für ein sich bewegendes ferromagnetisches mechanisches Werkstück (25 kHz).

Netz für zwei Anwendungsfälle im Tutorial-Modell zur Induktionshärtung: 1 kHz (links) und 25 kHz (rechts) Wechselstromfrequenzen.

Simulationsergebnisse für 2 Anwendungsfälle

Die Härtung von Metall durch elektrisch erzeugte Wärme ist zwar ein nützlicher Effekt, aber man kann auch hier zu viel des Guten erreichen. Die gleiche Hitze, die Metall härtet, macht es auch spröder. Um das richtige Gleichgewicht zwischen Härte und Duktilität in jedem Bereich des fertigen Teils zu erreichen, können Sie die wichtigsten Parameter des Induktionshärtungsprozesses anpassen. Die nachstehenden Ergebnisse können zum Vergleich zweier Anwendungsfälle herangezogen werden, bei denen die Auswirkungen von drei verschiedenen Parametern analysiert werden:

  1. Wechselstromfrequenz
  2. Externe Stromstärke
  3. Geschwindigkeit, mit der das Werkstück durch die Spule bewegt wird
Die maximale Temperatur im Inneren des Werkstücks bei einer Frequenz von 1 kHz.
Die maximale Temperatur im Inneren des Werkstücks bei einer Frequenz von 25 kHz.

Vergleich der Höchsttemperatur, die im Inneren des Werkstücks als Erwärmungsreaktion auf zwei verschiedene Wechselstromfrequenzen erreicht wird: 1 kHz (links) und 25 kHz (rechts).

Bewegung und Temperaturänderung eines mechanischen Gelenks beim Durchgang durch eine Induktionsheizspule bei f = 25 kHz, v = 10 mm/s.

Wie die Ergebnisse zeigen, ändert sich durch die Änderung der Wechselstromfrequenz der Spule nicht nur die Spitzentemperatur, sondern auch die Verteilung der induzierten Wärme im gesamten Werkstück. Die sich daraus ergebende Temperaturverteilung kann als Grundlage für weitere Analysen der metallurgischen Auswirkungen dienen. Beispielsweise können Sie die simulierten Temperaturdaten zur Vorhersage des metallurgischen Phasenübergangs verwenden, indem Sie das Metal Processing Module verwenden.

Versuchen Sie es selbst

Versuchen Sie, die Auswirkungen der elektromagnetischen Induktionserwärmung in einem Metallbauteil zu simulieren, indem Sie das Tutorial-Modell aus der Application Galerie herunterladen:

Mehr Literatur über die Induktionserwärmung


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