Practical Induction Heating

RICARDO DIAZ

FLUXTROL INC.www.fluxtrol.com

Que es Calentamiento por Inducción?

El calentamiento por Inducción es un método para calentarpiezas 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.

History of Induction Heating

Inductor50 Volts(ejemplo)

Unidad de Potencia

800volts

Capacitor de sintonización

Transformadorde carga

La Unidad de Potencia entrega un voltaje “alto” y una corriente “baja”

El Inductor demanda un voltaje bajo y una corriente muy alta

Estación de Trabajo

La combinación de Potencia, Tiempo y Frecuencia define un

“Proceso de Inducción”

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).

Corrientes Eddy y Calentamiento por Histéresis

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

• Existen tres lazos cerrados en cualquier dispositivo de inducción:

Lazo de la Corriente del Inductor o bobina (I1)

Lazo Flujo Magnético (Ф) LazoLazo 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.

Principios de Calentamiento por Inducción (cont.)

Ф I

2

++

++

Circuito Magnetico

I1

Vueltas de

Inductor

Pieza de trabajo

Líneas del Campo MagnéticoLas 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.

Potencia Activa, kW

Reactiva Potencia, kVA

f1/f2

f1/f2

Inductor/ BobinaEstación de

Trabajo con

Transformador

y Capacitores

Fuente de Poder

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 .

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

1. Procesos continuos(cables, barras, tochos de acero strip heating, tubos soldadura, etc.)

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.)

Procesos Típicos

Días

Horas Minutos

Horas Minutos Decimas de segundos

Decimas de segundos

Fracciones de Segundo.

1 2 3 4 5

Decimas de segundos

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.

Importancia de Controlar las variables en un proceso de Inducción

DISEÑO DE INDUCTORES

• Pero resulta mas difícil fabricar un inductor que cumpla y exceda las expectaciones del cliente!

• “ Es difícil fabricar un inductor que no trabaje del todo”

Anatoly Smirnov, old coil master, 1958

WebWikipedia Fluxtrol Inc.

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Requerimientos para Inductores

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.

Los inductores ( o bobinas) son las herramientas de trabajo de un equipo de Inducción.

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Diseño de inductores avanzado

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.

Un Inductor es un componente esencial en la instalación de un equipo de Inducción y su diseño y calidad de manufactura son muy importantes.

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

Color Shade ResultsQuantity : 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 ResultsQuantity : Temperature Deg. Celsius Time (s.) : 8 Pos (mm): 0 Phase (Deg): 0Scale / Color20.00113 / 80.8614780.86147 / 141.7218141.7218 / 202.58215202.58215 / 263.4425263.4425 / 324.30286324.30286 / 385.16318385.16318 / 446.02353446.02353 / 506.88385506.88385 / 567.7442567.7442 / 628.60455628.60455 / 689.4649689.4649 / 750.32526750.32526 / 811.18561811.18561 / 872.04596872.04596 / 932.90625932.90625 / 993.7666

Flux 2D Software

Case Depth Comparison For Original & Optimized Coil Designs for Axles

Position AOriginal Design

Optimized Design

Case depth at HRC 40

10 mm 10 mm

Total case depth 10.5 mm 10.7 mm

Scan speed 9.5 mm/sec 10.7 mm/sec

Position BOriginal Design

Optimized Design

Case depth at HRC 40

13.5 mm 11 mm

Total case depth 15 mm 11.75 mm

Dwell time 10 sec 8 sec

Position COriginal Design

Optimized Design

Case depth at HRC 40

4.5 mm 6.5 mm

Total case depth 5.25 mm 7.5 mm

Dwell time 10 sec 8 sec

HRCA

B

C

Both cases: 170 kW, 1 kHz

Fluxtrol.com 1-248-393-2000

Gear Heating Simulation Using Flux 3D

Frequency 50 kHz, concentrator - Ferrotron 559H; gear modulus is 5 mm.

Maximum current density is in root area near the tooth end.

Eddy current density distribution in a quarter of a gear tooth

Single Shot

Channel

Hair Pin

Pancake

I.D. 1 Vuelta

I.D. Varias Espiras

O.D. Cylindrical

Vertical Loop and Split & Return

GRACIASRicardo Diaz

Fluxtrol Inc.Advancing Induction Technology1388 Atlantic BoulevardAuburn Hills, MI, 48326 , USA(248) 393-2000 xt 118Fluxtrol.com