Induktionserwärmung: Alles, was Sie schon immer wissen wollten, aber nie zu fragen wagten (Februar 2018)

Frage des Monats: Wirplanen, Metallverbundwerkstoffe vor dem Diffusionsschweißen mittels Induktion zu erwärmen. Gibt es dabei Bedenken hinsichtlich übermäßiger Geräuschentwicklung? Haben Sie festgestellt, dass bestimmte Frequenzen lauter sind als andere? Falls ja, haben Sie eine Lösung, um den Geräuschpegel zu begrenzen?

Antwort: Beiden allermeisten Anwendungen der Induktionserwärmung erreicht der Industrielärm kein nennenswertes Niveau. Daher besteht kein Grund zur Sorge wegen übermäßigen Lärms, wenngleich es einige wenige Ausnahmen gibt. Niedrigere Frequenzen führen in der Regel zu einem höheren Spulenstrom, wodurch sich die elektromagnetischen Kräfte und die Schwingungen der Spulenwindungen verstärken. Es ist daher zu erwarten, dass ein System, das mit Netzfrequenz (60 Hz) arbeitet, im Vergleich zu Systemen mit 3 kHz oder 30 kHz ein höheres Maß an Industrielärm verursacht. Darüber hinaus ist bei Systemen mit einer höheren Leistung in kW höchstwahrscheinlich auch mit mehr Lärm zu rechnen. Unter der Annahme, dass alle anderen Faktoren identisch sind, kann daher eine Leistung von 500 kW mehr Lärm erzeugen als eine Leistung von 100 kW.

Bei der Betrachtung von hörbarem Lärm müssen wir die beiden Hauptfaktoren berücksichtigen, die beeinflussen, wie Menschen von Industrielärm betroffen sind – die Lautstärke und der Grad der Unangenehmheit bzw. des Unbehagens. So kann beispielsweise niederfrequenter hörbarer Lärm (z. B. 50–60 Hz) zwar eine höhere Lautstärke aufweisen, ist für das menschliche Ohr jedoch möglicherweise nicht so unangenehm wie Lärm mit geringerer Lautstärke bei einer höheren Frequenz (z. B. 1 kHz).

Im Folgenden sind die vier Hauptursachen für die Geräuschentwicklung bei der Induktionserwärmung aufgeführt:

• Von der Stromversorgung erzeugte Geräusche.Auf dem Markt sind zahlreicheStromversorgungen erhältlich. Bei der Induktionserwärmung reichen die Leistungs- und Frequenzkombinationen, bei denen Einmodul-Wechselrichter zum Einsatz kommen, von der Netzfrequenz bis zu mehreren hundert kHz, wobei die Leistungsstufen selbst bei einer Frequenz im Bereich von 800 kHz 1000 kW übersteigen können. Die Konstruktionsmerkmale moderner Stromquellen auf Basis der Halbleitertechnik sorgen für einen nahezu geräuschlosen Betrieb. Daher stellen Geräusche, die von der Stromversorgung ausgehen, in der Regel kein Problem dar.
• Geräusche, die durch die Schwingung der Kupferwicklungen entstehen.Die beiden Hauptansätze zum Bau von Induktionsspulen lassen sich in offen gewickelte und mit feuerfestem Material ummantelte Spulen unterteilen [Ref. 1]. Die offen gewickelte Bauweise ermöglicht im Falle eines Ausfalls eine einfachere Reparatur, jedoch müssen die Spulenwindungen mit Bolzen und geeigneten Halterungen befestigt werden, um Schwingungen und Geräusche zu beseitigen oder zu minimieren. Eine mit einem gießbaren Feuerfestmaterial (z. B. speziellen Zementsorten) ummantelte Spule bietet Haltbarkeit und eine längere Lebensdauer und verhindert oder reduziert die Schwingungen der Kupferwindungen der Spule erheblich. Richtig ausgelegte Induktionsspulen weisen keine problematischen Geräuschpegel auf.
• Geräusche, die durch Werkstückvibrationen oder Resonanzschallwellen (Verstärkungseffekt) entstehen.Besteht ein Werkstück aus losen Teilen, können diese in Schwingung geraten und Geräusche verursachen. Um diese Möglichkeit zu beurteilen, müsste die jeweilige Werkstückgeometrie geprüft werden. Bei bestimmten Diffusionsschweißanwendungen kann Druck ausgeübt werden, um die Möglichkeit von Schwingungen einzelner Bauteile zu minimieren. Bei der Induktionserwärmung von hohlen Werkstücken (z. B. bei der Induktionserwärmung von relativ dünnwandigen Rohren) können bestimmte Frequenzen in Kombination mit ausreichend hohen Leistungsdichten Resonanzschallwellen von nennenswerter Stärke erzeugen, die die Hörschwelle überschreiten. In solchen Fällen kann hörbares Geräusch ebenfalls ein dominierender Faktor sein, der die Wahl der Frequenz maßgeblich beeinflusst. Jedes Rohr hat seine eigene strukturelle Resonanzfrequenz (SRF), die vom Durchmesser, der Wandstärke, dem Material, der Länge und anderen Faktoren abhängt. Liegt die Erwärmungsfrequenz der Induktionsspule ausreichend nahe an der eigenen Resonanzfrequenz des Rohrs, kann es zu Schwingungen mit hoher Amplitude und übermäßigem hörbarem Lärm kommen. Mit anderen Worten: So wie ein Radioempfänger elektromagnetische Wellen in hörbaren Schall umwandelt, können ähnliche Mechanismen auftreten, die dazu führen, dass ein Rohr bei bestimmten Frequenzen als Verstärker wirkt. Die Entscheidung, ob Geräusche durch die Wahl einer anderen (höheren oder niedrigeren) Frequenz reduziert werden können, hängt von einer Kombination aus der strukturellen Eigenresonanzfrequenz (SRF) eines bestimmten rohrförmigen Werkstücks und der angelegten Frequenz des Induktionsheizgeräts ab. Daher ist es in solchen Fällen sinnvoll, die SRF des Werkstücks zu messen, indem man einfach mit einem Hammer darauf schlägt und das hörbare Resonanzgeräusch mit einem akustischen Messgerät erfasst, das die Frequenz und Amplitude des gemessenen Signals erfassen kann. Auf diese Weise lassen sich fundiertere Entscheidungen darüber treffen, ob eine bestimmte Frequenz den Geräuschpegel im Vergleich zu einer Frequenz, die inakzeptable Geräusche erzeugt, verbessern würde oder nicht. Beträgt die SRF eines bestimmten Werkstücks beispielsweise 300 Hz, so gilt: Je weiter die gewählte Frequenz davon entfernt ist, desto geringer ist das erzeugte Geräusch. In diesem Fall würde eine Frequenz von 6 kHz im Vergleich zu 1 kHz ein deutlich geringeres Geräusch erzeugen. Liegt die SRF hingegen bei 5 kHz, würde die Verwendung von 6 kHz im Vergleich zu 500 Hz zu einer Verschlechterung führen. Häufig wird beim Erwärmen metallischer Werkstoffe eine schützende oder geräuschmindernde Atmosphäre eingesetzt. Befindet sich Ihr Induktionssystem daher in einer gasdichten Kammer oder einem gasdichten Gehäuse, wird der Geräuschpegel dadurch erheblich reduziert.

• Geräusche, die durch Vibrationen von Stromkabeln, Sammelschienen und Befestigungselementen entstehen.Die Wahrscheinlichkeit, dass Befestigungselemente, Stromkabel und Sammelschienen falsch ausgelegt sind, istsehr gering. Eventuelle Bedenken können jedoch von einem Experten für Induktionserwärmung ausgeräumt werden.

Weitere Ausführungen zu diesen Punkten finden sich in Ref. 1.

Dr. Valery Rudnev, FASM
Leiter Wissenschaft und Technologie
Inductoheat Inc
www.inductoheat.com

Quelle

1. V. Rudnev, D. Loveless und R. Cook, „Handbuch der Induktionserwärmung“, 2. Auflage, CRC Press, 2017.