Heb je je ooit afgevraagd waarom sommige metalen onderdelen uitzonderlijk duurzaam en veerkrachtig zijn? Dit artikel duikt in het fascinerende proces van inductieharden en de opmerkelijke effecten ervan. Je ontdekt hoe deze techniek de oppervlaktehardheid verhoogt, de slijtvastheid verbetert en de vermoeiingssterkte verhoogt. Aan het eind begrijp je de vitale rol die inductieharden speelt bij het verlengen van de levensduur van kritieke componenten, zodat ze betrouwbaar presteren onder de zwaarste omstandigheden.
Het skin effect staat ook bekend als oppervlakte-effect.
Wanneer er gelijkstroom door een geleider loopt, is de stroomdichtheid op alle punten van de doorsnede van de geleider gelijk.
Wanneer er echter wisselstroom door een geleider loopt, is de stroomdichtheid op de dwarsdoorsnede van de geleider kleiner in het midden en groter aan de oppervlakte.
Als de stroomfrequentie hoog genoeg is, kan het zijn dat er in het midden van de geleider geen stroom loopt en dat alle stroom geconcentreerd is in de oppervlaktelaag van de geleider.
Dit fenomeen staat bekend als het oppervlakte-effect van hoogfrequente stroom, en het huideffect van hoogfrequente stroom op een cilindrische geleider wordt getoond in Figuur 1.
Fig. 1 Huideffect van hoogfrequente stroom
De reden voor het skineffect is dat wanneer wisselstroom door een geleider stroomt, er tegelijkertijd een magnetisch veld rondom de geleider ontstaat.
Dit magnetische veld genereert een zelfgeïnduceerde elektromotorische kracht op de geleider, die tegengesteld is aan de oorspronkelijke elektromotorische kracht.
De zelfgeïnduceerde elektromotorische kracht is het sterkst in het midden van de cilindrische geleider en het zwakst aan het oppervlak.
De annulering van de oorspronkelijke elektromotorische kracht door de zelfgeïnduceerde elektromotorische kracht resulteert in de maximale oppervlaktestroomdichtheid en de minimale middenstroomdichtheid voor hoogfrequente stroom, waardoor het skineffect ontstaat.
Door het skineffect neemt de stroomdichtheid op de doorsnede van de geleider exponentieel af van het oppervlak naar het midden.
De stroomdichtheid Ix op een afstand x van het oppervlak wordt gegeven door vergelijking 1.
Waar,
In de techniek is de diepte vanaf het oppervlak van de geleider tot het punt waar de amplitude van Ix daalt tot 1/e van I0 (waarbij e=2,718, dus 1/e ≈ 36,79%) wordt de stroompenetratiediepte genoemd, aangeduid met δ. Deze kan worden berekend met vergelijking 2.
Zoals blijkt uit bovenstaande vergelijking, is de stroompenetratiediepte δ gerelateerd aan ρ, μ en f. Wanneer ρ toeneemt en μ, f afnemen, zal δ toenemen. Theoretische berekeningen laten zien dat binnen de stroompenetratielaag van δ de warmte die door de stroom wordt opgewekt goed is voor 86,5% van de totale warmte die door de stroom wordt opgewekt.
Vergelijking 2 laat ook zien dat wanneer de stroomfrequentie f constant blijft, verschillende stroompenetratiedieptes bereikt kunnen worden zolang ρ en μ veranderen. Materialen hebben verschillende ρ en μ bij verschillende temperaturen, wat resulteert in verschillende stroompenetratiediepten bij verschillende temperaturen.
Fig. 2 De relatie tussen de magnetische permeabiliteit, de elektrische weerstand van staal en de verwarmingstemperatuur.
Figuur 2 toont het verband tussen de magnetische permeabiliteit μ en de elektrische weerstand ρ van staal en de verwarmingstemperatuur.
Het is te zien dat de elektrische weerstand van staal toeneemt naarmate de verwarmingstemperatuur stijgt. Bij 800-900°C is de weerstand van verschillende soorten staal is in principe gelijk, op ongeveer 10-4 Ω-cm. De magnetische permeabiliteit μ blijft in principe onveranderd onder het magnetische transformatiepunt A2 of de ferriet-austeniet transformatiepunt, maar daalt scherp wanneer het A2 overschrijdt of transformeert in austeniet.
Door de ρ- en μ-waarden bij kamertemperatuur of 800-900 °C in vergelijking 2 te substitueren, kan de volgende vereenvoudigde uitdrukking worden verkregen:
Bij 20°C,
Bij 800 ℃,
De stroompenetratiediepte bij 20°C wordt gewoonlijk de "koude stroompenetratiediepte" genoemd, terwijl de stroompenetratiediepte bij 800°C, aangeduid als δ800, de "warme stroompenetratiediepte" wordt genoemd.
De verdeling van wisselstroom in een geleider wordt beïnvloed door de wisselstroom in naburige geleiders, een fenomeen dat bekend staat als het nabijheidseffect.
In praktische toepassingen manifesteert het nabijheidseffect zich voornamelijk in twee situaties.
(1) Wanneer twee parallelle geleiders gelijke wisselstromen in tegengestelde richting geleiden, wordt de stroom geconcentreerd op de binnenste oppervlaktelaag van de twee geleiders en wordt het magnetische veld tussen de twee geleiders versterkt, terwijl het magnetische veld aan de buitenkant van de geleiders wordt verzwakt. Figuur 3a toont het geval van tegengestelde stromen.
Figuur 3 Manifestatie van het nabijheidseffect op een rechthoekige rail.
a - Tegengestelde stromingen
b - Stromen in dezelfde richting
(2) Wanneer twee parallelle geleiders gelijke wisselstromen in dezelfde richting geleiden, wordt de stroom geconcentreerd op de buitenste oppervlaktelaag van de twee geleiders en is het magnetische veld tussen de twee geleiders het zwakst, terwijl het magnetische veld aan de buitenzijde van de geleiders wordt versterkt door onderlinge superpositie. Figuur 3b toont het geval van stromen in dezelfde richting.
Fig. 4 prestatie van nabijheidseffect bij inductieverwarming
Het nabijheidseffect treedt ook op tussen de inductiespoel en het werkstuk dat wordt verhit, zoals getoond in Figuur 4 voor het nabijheidseffect tijdens inductieverhitting.
Figuur 4a toont de boogvormige wervelstroom op een vlakke plaat die verwarmd wordt door een enkelpolige ronde buisdraad, wat overeenkomt met de stroomverdeling op de ronde buisdraad;
Figuur 4b toont de rechte wervelstroomlaag op de vlakke plaat die verwarmd wordt door een enkelpolige vierkante buisdraad;
Figuur 4c toont de gelijkstroom- en wervelstroomlagen op een massief cilindrisch werkstuk dat verwarmd wordt door een ronde spoel, met op alle plaatsen gelijke openingen tussen de spoel en het werkstuk;
Figuur 4d toont de ongelijke stroom- en wervelstroomlagen door ongelijke tussenruimtes tussen het cilindrische werkstuk en de cirkelvormige spoel, met dikkere stroom- en wervelstroomlagen op locaties met kleinere tussenruimtes en dunnere lagen op locaties met grotere tussenruimtes.
Wanneer hoogfrequente stroom door een ringvormige geleider vloeit, wordt de maximale stroomdichtheid verdeeld over de binnenkant van de ringvormige geleider, een fenomeen dat bekend staat als het skineffect. Het skineffect is in wezen het nabijheidseffect van een ringvormige inductor.
Figuur 5 toont een schematisch diagram van het skin effect in een cirkelvormige ring.
Fig. 5 Schematisch diagram van het ringeffect
Door gebruik te maken van het principe van het skineffect kunnen we het significante verschil in verwarmingsrendement verklaren wanneer dezelfde ronde inductor wordt gebruikt om het buitenoppervlak van een cilindrisch werkstuk en het binnenoppervlak van een cilindrisch werkstuk met een doorgang te verwarmen, zoals getoond in Figuur 6.
Figuur 6 toont het gebruik van een cirkelspoel om een cilindrisch werkstuk en een cilindrisch werkstuk met een doorgang afzonderlijk te verwarmen. Het verwarmingsrendement van de twee werkstukken verschilt aanzienlijk door het skineffect.
Fig. 6 Verwarmen van cilindrische onderdelen en onderdelen met ronde gaten met ringspoelen
b1 - verwarmingsbreedte van cilindrisch oppervlak
b2 - verwarmingsbreedte van binnenste gatoppervlak
a - speling; φ - magnetische flux
Wanneer het buitenoppervlak van een cilindrisch werkstuk wordt verwarmd, is de verwarming intens en stijgt de temperatuur snel, wat resulteert in een breder verwarmingsgebied van b1. Wanneer daarentegen het binnenoppervlak van een cilindrisch werkstuk met een doorgang wordt verwarmd, is de verwarming zacht en stijgt de temperatuur langzaam, wat resulteert in een smaller verwarmingsgebied van b2. Uit de figuur blijkt dat b1 ≥ b2, ook al zijn de openingen in beide gevallen gelijk aan a.
Door het skineffect wordt hoogfrequente stroom geconcentreerd aan de binnenzijde van de spoel. Bij het verhitten van het binnenoppervlak van een cilindrisch werkstuk is de werkelijke spleet tussen het werkstuk en de spoel veel groter dan a, wat resulteert in een aanzienlijk lagere wervelstroomintensiteit op het binnenoppervlak van het doorvoergat in vergelijking met het buitenoppervlak van het cilindrische werkstuk. Dit leidt tot een zachtere verwarming van het binnenoppervlak van het doorlopende gat.
Wanneer een rechthoekige koperen geleider in de gleuf van een magnetische kern wordt geplaatst, stroomt hoogfrequente stroom alleen door de oppervlaktelaag van de geleider bij de opening van de magnetische kern. Dit fenomeen staat bekend als het sleufeffect van de magnetische kern, zoals weergegeven in figuur 7.
Fig. 7 kerfeffect van magnetische geleider
H - magnetische veldsterkte; I - hoogfrequente stroom
De magnetische kern heeft een hoge magnetische permeabiliteit en een lage magnetische weerstand. De magnetische flux die wordt opgewekt door de stroomvoerende geleider wordt geconcentreerd door de magnetische kern aan de onderkant van de sleuf.
Hoewel de geleider aan de onderkant van de sleuf de meeste magnetische fluxkoppeling heeft, genereert deze ook een grote hoeveelheid zelfgeïnduceerde elektromotorische kracht.
Op dezelfde manier genereert de geleider bij de opening van de sleuf de kleinste zelfgeïnduceerde elektromotorische kracht. Als gevolg hiervan wordt de hoogfrequente stroom gedwongen door dit gebied te stromen.
Fig. 8 effectieve spoel, geleidende magneet en stroomverdeling van spoel
1-geleidende magneet
2-effectieve spoel van spoel
3-stroom
Door gebruik te maken van het gleufeffect van de magnetische kern kunnen we de hoogfrequente stroom naar het buitenoppervlak van de ronde spoel leiden, waardoor de verwarmingsefficiëntie van het binnenoppervlak van het doorgangsgat verbetert. De effectieve windingen van de spoel, de magnetische kern en de stroomverdeling worden getoond in figuur 8.
Als oprichter van MachineMFG heb ik meer dan tien jaar van mijn carrière gewijd aan de metaalbewerkingsindustrie. Door mijn uitgebreide ervaring ben ik een expert geworden op het gebied van plaatbewerking, verspaning, werktuigbouwkunde en gereedschapsmachines voor metalen. Ik denk, lees en schrijf voortdurend over deze onderwerpen en streef er voortdurend naar om voorop te blijven lopen in mijn vakgebied. Laat mijn kennis en expertise een aanwinst zijn voor uw bedrijf.
NL 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
PT 
PT_BR 
RU 
KO