Page - 37 - in Induktionsfügen von thermoplastischen Faserverbundwerkstoffen

2. STANDDERTECHNIK 37 (MF) und Hochfrequenz (HF) unterschieden. Der Arbeitsbereich der Niederfrequenz liegt zwischen 50Hz und 500Hz. In speziellen Anwendungsfällen wird dabei direkt auf die Netzfrequenz zurückge- griffen.DieMittelfrequenzwird durch denFrequenzbereich zwischen 500Hz und 50kHz beschrieben und findet vor allem in derMetallgewinnung und -verarbeitung großeAnwendungsbereiche. Die in dasWerkstück eingebrachteEnergiemenge ist vomKopplungsgrad abhängig.Dieserwirdmaß- geblich durch die Medien im Spalt zwischen Induktor undWerkstück beeinflusst. Durch den ver- gleichsweise großenLuftspaltunddasgroßeStreufeldwirdderKopplungsgradnegativbeeinflusstund liegt deutlich unter herkömmlichen Transformatoren [74]. Dennoch stellt die induktive Erwärmung eine der energetisch günstigsten und zeitlich schnellstenErwärmungslösungen dar. Dies verdankt die induktive Erwärmung vor allem der unmittelbaren Erwärmung imWerkstück. Somit entfallen die Verluste zwischen der Energiequelle und demWerkstoff sowie die zeitlicheVerzögerung, wie dies bei einer Erwärmung durch Strahlung oderKonvektion der Fall ist. DieEnergieverteilung unddie damit verbundeneErwärmungsverteilung inmetallischenWerkstücken gleichen demVerhalten des Stromflusses in elektrischen Leitern. Auf dieser Tatsache beruht der bei hohenFrequenzenzubeobachtendestarkausgeprägteSkineffekt.NachBenkowsky[74]wirddieStrom- eindringtiefeσE, bei der die Stromdichte auf 1/e= 0,368 abgesunken ist,mitGleichung 2.21 berech- net. σ= 12pi · √ ρ ·107 fµ ≈503 · √ ρ fµ (2.21) Dabei lässt sichausdenWertendes spezifischenWiderstandesρundderPermeabilitätµdie frequenz- abhängige Eindringtiefe σE berechnen. Zwischen demRand desWerkstückes und der Tiefe werden 86%derGesamtenergie induziert.Umeine idealeEnergieübertragung zu erreichen, ist es notwendig, die Frequenz auf dieWerkstückgeometrie abzustimmen. Bei metallischenWerkstückenmuss die ge- wählteFrequenzüberderFrequenzfmin liegen,welchenachBenkowsky [74] durchdieGleichung2.22 inAbhängigkeit desWerkstückdurchmessers d berechnetwerden kann. fmin= 16 ·106 · ρ µd2 (2.22) InAbbildung2.20 sindnebendenMagnetfeldlinien, die umdie stromdurchflossenenLeiter entstehen, auch die hervorgerufenen Lorenzkräfte F dargestellt. Nach [71] wirkt auf einen stromdurchflossenen Leiter, der in einMagnetfeld geführt wird, eine Kraft, die je nach Flussrichtung des Stroms einan- der entgegen oder zusammenführt. DieKraftrichtung lässt sich einfach durch dieRechte-Hand-Regel ermitteln [71]. DerBetrag derwirkendenKraft lässt sich nachGleichung 2.23 [71] ermitteln: F12=µ0H1I2l (2.23) Der Index 1 bzw. 2 steht für denLeiter 1 und 2. l ist die Länge des Leiters. 2.2.2 Magnetismus Die induktiveErwärmung ist nicht zuletzt vomWerkstoff und somit derMaterie, die in das alternie- rendeMagnetfeld gebrachtwerden, abhängig.WirdMaterie in einmagnetisches Feld eingebracht, so ändert sich die Flussdichte entsprechend der eingebrachtenMaterie [71]. Die hierdurch eingebrach- te zusätzliche InduktionsflussdichteBM ergibt sich aus dem vorhandenemMagnetfeldB0 und der relativenPermeabilitätµr des eingebrachtenWerkstoffes: BM=µrB0 (2.24) DieDifferenz aus der sich ergebenden Induktionsflussdichte und der ursprünglichenFlussdichtewird alsmagnetischePolarisation J bezeichnet [71]. J=BM−B0= (µr−1)B0 (2.25)