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Practical Induction Heating
FLUXTROL INC.
www.fluxtrol.com
RICARDO DIAZ
Que es Calentamiento por Inducción?
History of Induction Heating
El calentamiento por Inducción es un método para calentar
piezas sin contacto alguno, las cuales absorben energía de el Campo
Magnético Generado por el Inductor ( bobina).
Existen dos mecanismos de absorción de energía:
- La formación de Corrientes (Eddy) dentro de la pieza, la cual
causa un calentamiento debido a la Resistencia eléctrica del cuerpo
del material.
- Calentamiento por histéresis (únicamente para materiales
magnéticos!) debido a la fricción de las partículas magnéticas internas
del material, las cuales rotan siguiendo la orientación del campo
magnético externo.
La combinación de Potencia, Tiempo y Frecuencia define un
“Proceso de Inducción”
Unidad de
Potencia
800
volts
Transformador
de carga
Inductor
50 Volts
(ejemplo)
Capacitor de sintonización
La Unidad de Potencia
entrega un voltaje
“alto” y una corriente
“baja”
Estación de Trabajo
El Inductor demanda
un voltaje bajo y
una corriente muy alta
Corrientes Eddy y Calentamiento por
Histéresis
Corrientes Eddy. Este tipo de calentamiento ocurre en todos los materiales
conductivos (Aceros magnéticos o no-magnéticos , cobre, aluminio, grafito, vidrio liquido )
cuando son expuestos a un campo magnético alterno. Las Corrientes Eddy siempre fluyen
en circuito cerrado (por ley natural!) y para crear un calentamiento efectivo debe existir
Buena conducción para que la corriente fluya dentro de la pieza y pueda ser calentada. Por
Ejemplo, es fácil calentar un cable si esta en lazo cerrado, pero es casi imposible calentar
un cable si el lazo esta abierto.
Calentamiento por Histéresis es cero en materiales no-magnéticos (aluminio,
cobre, aceros calientes) o responsable de un porcentaje muy pequeño de generación de
calor en cuerpos no magnéticos compactos (principalmente aceros a baja o medianas
temperaturas). Por otro lado, en los materiales compuestos de partículas magnéticas
(incluyendo concentradores de flujo magnético) la histéresis puede ser la mayor Fuente de
generación de calor. Cada particular es calentada individualmente y la pieza de trabajo
puede ser de cualquier forma o tamaño (cuerpos de mucha masa, tiras, films, cables).
Principios de Calentamiento por Inducción
El fenómeno de cambio:
1.
La Fuente de poder genera el paso de
corriente (I1) a el Inductor o bobina.
2.
La corriente del Inductor genera un campo
magnético. La líneas del campo magnético
siempre se cierran (ley de la naturaleza!) y
cada línea circula alrededor de la Fuente de
corriente – a esto hace que el inductor se
torne en la pieza de trabajo.
3.
El campo magnético alterno fluye a través de
la pieza (acoplamiento de la pieza) e induce
un voltaje en la pieza.
4.
El voltaje Inducido crea corrientes Eddy (I2)
en la pieza y esta corriente fluye en dirección
opuesta a la corriente del inductor.
5.
Las Corrientes Eddy generan calentamiento
en la pieza.
Magneti
c Flux
lines
Circuito
Unidad de
Potencia
Principios de Calentamiento por Inducción (cont.)
•
Existen tres lazos cerrados en cualquier
dispositivo de inducción:
Lazo de la Corriente del Inductor o
bobina (I1)
Lazo Flujo Magnético (Ф) Lazo
Lazo Corrientes Eddy (I2) Lazo
•
•
El Lazo de Flujo Magnético puede ser
comparado como el núcleo magnético de
un transformador en un sistema de
Inducción o ser invisible (en el aire o en
otro medio que lo rodee)
El Lazo de Flujo Magnético es muy
importante porque es ahí donde
podemos instalar el controlador de flujo
Magnético para mejorar el calentamiento.
Pieza de trabajo
Ф
+
+
I
2
I1
+
+
Vueltas de
Inductor
Circuito Magnetico
Líneas del Campo Magnético
Las líneas de campo magnético representan la densidad de las
líneas de Flujo Magnético B.
Las líneas magnéticas visualizan el campo magnético. Una mayor
densidad de concentración de líneas magnéticas corresponde a
una densidad de flujo mayor.
Las líneas siempre se cierran alrededor de la fuente (corriente).
En un Sistema de inducción la corriente cambia durante cada
ciclo y van de máximo a cero a máximo en la dirección opuesta, a
cero nuevamente y a máximo en su valor inicial. Cuando la
frecuencia es 1000Hz, un periodo es 1/1000 segundos.
El patrón de las líneas magnéticas cambia drásticamente en
cualquier instante dentro de un periodo.
Ejemplo: Mostramos el calentamiento de la punta de un tubo no
magnético en un inductor de 4 vueltas con concentrador.
Foto de Arriba – El patrón del flujo magnético cuando el valor de la
corriente en el inductor es máximo. Las líneas Azules llevan dirección
de las manecillas del reloj, mientras que las rojas van en contra de las
manecillas del reloj.
Foto de Abajo – Cuando el valor de la corriente en el inductor es casi
cero y el campo magnético es creado mas por Corrientes Eddy que
continúan fluyendo en el tubo.
El patrón de las líneas Magnéticas es esencial para analizar resultados
en simulación por computadora; la visualización de las líneas en el
monumento incorrecto podría resultar en la mis interpretación de los
resultados.
Dinámica de las Líneas Magnéticas
Flujo de Potencia en Instalaciones de Equipos de Inducción.
Corriente Alterna cambia de dirección dos veces
durante cada ciclo de frecuencia. Si la frecuencia es
1kHz, la corriente cambiara de dirección 2000 veces
en un segundo.
El producto de corriente y voltaje da el valor de la
potencia instantánea (P = IxV), la cual oscila entre la
fuente de potencia y el inductor. Podemos decir que
la potencia se absorbe parcialmente (Potencia
Activa) y parcialmente reflejada (Potencia Reactiva)
por el inductor. La batería del Capacitor es utilizada
para descargar al generador de la potencia reactiva.
Los Capacitores reciben la potencia reactiva del
inductor y la mandan de regreso al inductor para
compensar las oscilaciones.
Al circuito “Inductor-transformador-capacitores” se le
llama Resonancia o Circuito Tanque .
f1/f2
Fuente de Poder
Estación de
Trabajo con
Transformador
y Capacitores
Inductor/ Bobina
f1/f
2
Potencia Activa, kW
Reactiva Potencia, kVA
Teoría del Calentamiento por Inducción
• El calentamiento por Inducción esta basado en varios fenómenos
físicos – electromagnetismo, transferencia de calor, transformaciones
metalúrgicas etc.
• La practica tradicional de un diseño de un sistema de inducción, esta
basada en los conocimientos básicos de como funciona la inducción en
varias reglas, formulas y dependencias desarrolladas
experimentalmente o utilizando métodos teóricos.
• Procedimientos mas avanzados para diseñar sistemas de Inducción se
basan en simulación por computadora.
• Tener el conocimiento de la física del calentamiento por Inducción y
sus dependencias básicas es imperativo para el diseño de un sistema
de Inducción y el uso que se le da aun cuando se utilice simulación por
computadora.
Selección de la Frecuencia
La selección de la Frecuencia es muy importante para el diseño optimo del
proceso de inducción, a menor frecuencia hay mayor penetración y a
mayor frecuencia hay menor penetración.
Factores y Criterio para la selección de la frecuencia:
• La eficiencia del Inductor y la instalación en general.
• Selección del transformador y capacitores del la estación de trabajo.
• Tiempo de calentamiento y el rango de producción correspondiente.
• La penetración de la dureza y el control del patrón de calentamiento.
• Las fuerzas Electrodinámicas, causan vibración en el inductor y en los
componentes de la maquina y ruido acústico.
• Costo del equipo y tamaño.
Procesos Típicos
Procesos Típicos
1. Procesos continuos(cables, barras,
tochos de acero strip heating, tubos
soldadura, etc.)
1
2
3
4
5
2. Procesos Semi-continuos (fundición,
calentamiento por escaneo y revenido
etc.)
3. Single-shot
4. Calentamiento Local superficial
5. Calentamiento por pulsos(temple de
engranes, sellado etc.)
Días
Horas
Minutos
Horas
Minutos
Decimas de
segundos
Decimas de
segundos
Decimas de
segundos
Fracciones de
Segundo.
Importancia de Controlar las variables
en un proceso de Inducción
Ejemplo:
-
Posición de la pieza a calentar con referencia al Inductor
Energía aplicada al Inductor, Kw/seg (potencia y tiempo)
Velocidad a la que se mueve el scanner
Rotación de la pieza (RPM)- de manera general se utiliza 180-220 RPM
Quench:
- % del polímero que se esta utilizando, de manera general se utiliza 3% y
8%
- A mayor % el enfriamiento es menos agresivo
- Monitoreo de Presión y Flujo del quench aplicado al enfriamiento de la
pieza, fundamental para el de proceso de enfriamiento.
- Enfriamiento uniforme alrededor de la pieza.
- Cumplir el tiempo ciclo de producción.
DISEÑO DE INDUCTORES
• “ Es difícil fabricar un inductor que no trabaje del todo”
Anatoly Smirnov, old coil master, 1958
• Pero resulta mas difícil fabricar un inductor que cumpla y exceda las expectaciones del cliente!
Wikipedia
Web
Fluxtrol Inc.
Requerimientos para Inductores
Los inductores ( o bobinas) son las herramientas de trabajo de un equipo de Inducción.
Requerimientos:
• Debe cumplir con las especificaciones de distribución de temperatura
• Tener Buena eficiencia eléctrica
• Tiempo de Vida satisfactorio
• Debe cumplir con el tiempo ciclo de producción
• Debe tener parámetros favorables para suministrar energía, como una
impedancia alta y un factor de potencia
• Deberá cumplir con requerimientos especiales(ejemplo con regadera de
quench, atmosfera, etc.)
• Tener un costo razonable
En muchos casos los concentradores de flujo magnético son utilizados
para llegar a cumplir estos objetivos.
Diseño de inductores avanzado
Un Inductor es un componente esencial en la instalación de un equipo de Inducción y
su diseño y calidad de manufactura son muy importantes.
Los diseños de Inductores mas avanzados incluyen:
•
Análisis detallado de: las especificaciones del proceso, equipo y ambiente.
•
Estilo de Inductor y selección del proceso de calentamiento (escaneo, single-shot,
calentamiento estático etc.)
•
Simulación por computadora para un diseño optimizado.
•
Análisis de beneficios si se aplica un concentrador de flujo magnético.
•
Ingeniería del Inductor (diseño del inductor, buss, estructura, diseño de la regadera si requiere
etc.)
•
Técnicas de manufactura Avanzada, de manera general ayudan a la vida del Inductor.
•
Pruebas en laboratorio para evaluar resultados
•
Correcciones finales al diseño – si fuesen requeridas.
El Efecto del Concentrador
La concentración de flujo Magnético es uno de los
tipos de control de flujo magnético, el cual también
incluye la desviación del flujo magnético u alguna otra
modificación.
La aplicación de concentradores de forma tipo –C a
las bobinas de tubo da como resultado una
considerable reducción ( eliminación) de campo
magnético externo, mayor potencia aplicada a la cara
interna del inductor por ende mayor potencia a la
pieza que se va a calentar (con la misma cantidad de
corriente aplicada en el inductor) y una reducción de
potencia en la parte exterior de la cara del inductor.
Por otro lado el concentrador en forma de C forza la
corriente del inductor a la cara reduciendo el flujo de
corriente de la sección transversal. Las perdidas en el
inductor crecen. Cuando el concentrador es
propiamente aplicado los beneficios superan este
efecto.
Distribución de la potencia en la superficie de la pieza.
Simulación
por
Computadora
Flux 2D Software
Flux 2D Software
Color Shade Results
Quantity : Temperature Deg. Celsius
Time (s.) : 10 Pos (mm): 0 Phase (Deg): 0
Scale / Color
20.00269 / 85.88093
85.88093 / 151.75919
151.75919 / 217.63742
217.63742 / 283.51566
283.51566 / 349.39392
349.39392 / 415.27216
415.27216 / 481.15039
481.15039 / 547.02863
547.02863 / 612.90686
612.90686 / 678.7851
678.7851 / 744.66339
744.66339 / 810.54163
810.54163 / 876.41986
876.41986 / 942.2981
942.2981 / 1.00818E3
1.00818E3 / 1.07405E3
Color Shade Results
Quantity : Temperature Deg. Celsius
Time (s.) : 8 Pos (mm): 0 Phase (Deg): 0
Scale / Color
20.00113 / 80.86147
80.86147 / 141.7218
141.7218 / 202.58215
202.58215 / 263.4425
263.4425 / 324.30286
324.30286 / 385.16318
385.16318 / 446.02353
446.02353 / 506.88385
506.88385 / 567.7442
567.7442 / 628.60455
628.60455 / 689.4649
689.4649 / 750.32526
750.32526 / 811.18561
811.18561 / 872.04596
872.04596 / 932.90625
932.90625 / 993.7666
Case Depth Comparison For Original & Optimized
Coil Designs for Axles
Both cases: 170 kW, 1 kHz
Position A
Case depth at
HRC 40
Total case depth
Scan speed
Original
Design
Optimized
Design
10 mm
10 mm
10.5 mm
10.7 mm
9.5 mm/sec 10.7 mm/sec
Original
Design
Optimized
Design
13.5 mm
11 mm
15 mm
10 sec
11.75 mm
8 sec
Position C
Original
Design
Optimized
Design
Case depth at
HRC 40
4.5 mm
6.5 mm
Total case depth
Dwell time
5.25 mm
10 sec
7.5 mm
8 sec
Position B
Case depth at
HRC 40
Total case depth
Dwell time
A
B
C
Fluxtrol.com
1-248-393-2000
HRC
Gear Heating Simulation Using Flux 3D
Eddy current density distribution in a quarter of a gear tooth
Frequency 50 kHz, concentrator - Ferrotron 559H; gear modulus is 5 mm.
Maximum current density is in root area near the tooth end.
Single Shot
I.D. 1 Vuelta
Channel
I.D. Varias Espiras
Hair Pin
Pancake
O.D. Cylindrical
Vertical Loop and Split & Return
GRACIAS
Ricardo Diaz
Fluxtrol Inc.
Advancing Induction Technology
1388 Atlantic Boulevard
Auburn Hills, MI, 48326 , USA
(248) 393-2000 xt 118
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