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 Fluxtrol.com