Concentratori di flusso magnetico per bobine di riscaldamento a induzione: Selezione e lavorazione

I concentratori di flusso magnetico sono spesso utilizzati su bobine per riscaldamento a induzione per guidare il campo magnetico verso un'area selezionata del pezzo. Un concentratore adeguato può migliorare l'accoppiamento magnetico, ridurre il flusso disperso e aiutare a modellare il pattern di riscaldamento.

Il materiale stesso, tuttavia, lavora in condizioni impegnative. È esposto a un campo magnetico alternato, radiazione termica dal pezzo, vibrazione, acqua di raffreddamento e continui cicli di riscaldamento e raffreddamento. Un materiale che funziona bene a una certa frequenza o su un iniettore può non essere adatto per un altro.

Per questa ragione, la selezione di un concentratore di flusso magnetico dovrebbe iniziare con le condizioni operative del sistema di riscaldamento a induzione, non semplicemente con il materiale che ha la permeabilità magnetica più alta.

Un concentratore di flusso magnetico indirizza il campo magnetico verso un'area selezionata del pezzo — la stessa bobina mostrata con e senza concentratore.

1. La frequenza viene prima	2. Quali proprietà contano
3. Ferrite, Acciaio al silicio o composito	4. Precauzioni di lavorazione

1. La frequenza viene prima

La prima domanda è se il materiale magnetico è adatto al frequenza di funzionamento dell'alimentatore a induzione.

Diversi materiali magnetici hanno diverse gamme di frequenza utili. Se un concentratore viene utilizzato al di sopra dell'intervallo per il quale è previsto, le perdite magnetiche possono aumentare rapidamente e il materiale può iniziare a riscaldarsi.

La modalità di guasto dipende dal materiale.

Ferrite può perdere le sue proprietà magnetiche quando la sua temperatura supera la temperatura di Curie. Laminazioni in acciaio al silicio potrebbe surriscaldarsi, ossidarsi o addirittura diventare visibilmente rossi in condizioni severe. In composito magnetico lavorabile materiali, una temperatura eccessiva può danneggiare il legante che tiene insieme le particelle magnetiche, eventualmente causando crepe o frammentazione.

Questo è il motivo per cui la compatibilità della frequenza dovrebbe essere verificata prima della permeabilità, forma o facilità di lavorazione.

La frequenza effettiva consentita dovrebbe essere ricavata dai dati tecnici del produttore del materiale. Non è consigliabile assegnare un intervallo di frequenza universale a ferrite, acciaio al silicio laminato o materiali magnetici compositi, poiché le qualità e le formulazioni differiscono considerevolmente.

La frequenza di esercizio non è nemmeno l'unica causa del surriscaldamento del concentratore. La forza del campo, lo spessore del concentratore, le condizioni di raffreddamento e la sua posizione rispetto al pezzo influenzano tutte le perdite. Un materiale che è tecnicamente entro il suo intervallo di frequenza può comunque surriscaldarsi se l'induttore è progettato male o il raffreddamento è inadeguato.

2. Quali proprietà contano quando si seleziona un concentratore di flusso?

Dopo aver confermato l'idoneità della frequenza, è necessario considerare insieme diverse proprietà del materiale.

Permeabilità magnetica influenza la facilità con cui il flusso magnetico passa attraverso il materiale. Una permeabilità più elevata può aiutare a dirigere e concentrare il flusso magnetico attorno alla zona di riscaldamento richiesta. Non dovrebbe, tuttavia, essere trattato come un semplice “più alto”., meglio è” specifica. Il valore utile dipende dalla frequenza, intensità del campo magnetico, perdite di materiale e geometria del concentratore.

Resistività elettrica è importante perché il concentratore stesso si trova in un campo magnetico alternato. Correnti parassite generati all'interno del materiale provocano un ulteriore riscaldamento. Una maggiore resistività elettrica generalmente riduce queste perdite per correnti parassite. Questo è uno dei motivi per cui il silicio viene aggiunto all'acciaio elettrico, e perché le ferriti e i materiali compositi con particelle isolate possono essere utili nelle applicazioni a frequenza più elevata.

Il materiale comportamento di saturazione dovrebbe anche essere considerato. Quando la densità di flusso magnetico diventa troppo alta, un materiale magnetico si avvicina alla saturazione e la sua capacità di concentrare ulteriormente il campo diminuisce. Questo è particolarmente importante intorno a induttori ad alta densità di potenza e aree dove il campo magnetico è fortemente concentrato.

Temperatura di Curie è un altro limite pratico. Un concentratore di flusso riceve calore da due direzioni: le perdite magnetiche generano calore all'interno del materiale, mentre il pezzo caldo irradia calore verso di esso. Se la temperatura del materiale supera il suo punto di Curie, le sue proprietà magnetiche deteriorano rapidamente.

Buona conduttività termica aiuta a controllare questo problema. I concentratori sono spesso installati direttamente contro un tubo di rame o un dissipatore di calore in rame. Il calore può quindi essere trasferito nella struttura in rame raffreddata ad acqua. Un materiale con cattivo trasferimento di calore può continuare ad accumulare calore anche quando la bobina a induzione stessa è adeguatamente raffreddata.

Le proprietà meccaniche sono facili da trascurare. Un concentratore installato su una bobina a induzione industriale può essere esposto a vibrazioni, shock termico, liquido di tempra, incrostazioni, umidità e cicli di temperatura ripetuti. La resistenza alla fessurazione, corrosione e shock termico è quindi importante tanto quanto le prestazioni magnetiche quando è richiesta una lunga durata.

Infine, il materiale deve essere adatto ai requisiti Geometria. Le bobine a induzione spesso utilizzano concentratori con scanalature, superfici curve, a forma di U o Π-sezioni sagomate e altri profili personalizzati. Un materiale che funziona bene dal punto di vista magnetico ma che non può essere prodotto nella forma richiesta potrebbe non essere pratico per quell'induttore.

3. Ferrite, Acciaio al silicio o materiale magnetico lavorabile?

Non esiste un unico materiale magnetico che sia il migliore per ogni bobina di induzione.

In pratica, la selezione del materiale normalmente comporta un compromesso tra prestazioni magnetiche, frequenza di funzionamento, temperatura, resistenza meccanica, il raffreddamento, geometria e costo. Semplicemente sostituire un tipo di concentratore con un altro senza considerare il induttore completo può modificare il modello di riscaldamento piuttosto che migliorarlo.

4. Precauzioni di lavorazione per materiali magnetici lavorabili

I concentratori magnetici lavorabili sono generalmente prodotti miscelando polvere ferromagnetica con un legante, seguita da pressatura e polimerizzazione. Alcuni materiali ad alta densità possono mostrare proprietà direzionali, quindi l'orientamento dovrebbe essere considerato durante la produzione di forme come Π-concentratori di tipo.

Un problema simile esiste quando Π-i circuiti magnetici modellati sono realizzati con laminazioni in acciaio al silicio orientato. La direzione del materiale magnetico rispetto al percorso del flusso può influenzare il risultato finale.

Le laminazioni in acciaio al silicio richiedono anche attenzione dopo la punzonatura. Le bave lasciate sui bordi devono essere rimosse. Se le laminazioni adiacenti sono elettricamente collegate tramite bave, l'isolamento tra i fogli può essere compromesso e le perdite da correnti parassite possono aumentare.

I materiali magnetici compositi lavorabili possono normalmente essere lavorati utilizzando operazioni convenzionali come tornitura, foratura, fresatura e rettifica.

Lo strumento da taglio dovrebbe essere affilato. Un avanzamento relativamente piccolo e una velocità di taglio appropriata aiutano a ridurre scheggiature e stress meccanico eccessivo sul materiale.

La lavorazione viene normalmente eseguita senza fluido da taglio convenzionale a meno che il fornitore del materiale non specifichi diversamente. L'obiettivo è evitare di introdurre liquidi o contaminanti che possano influenzare la struttura porosa o legata del materiale.

Domande frequenti

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È possibile utilizzare un materiale concentratore su qualsiasi gamma di frequenza?

No. Ogni materiale magnetico ha una gamma di frequenza utile. Al di sopra di tale intervallo, le perdite magnetiche aumentano e il concentratore può iniziare a riscaldarsi — la ferrite perde le sue proprietà oltre il punto di Curie, l'acciaio al silicio si ossida, e i leganti compositi possono rompersi. Controlla sempre i dati del produttore per il grado specifico.

Perché l'EDM o il filo EDM spesso non sono adatti per i compositi magnetici lavorabili??

Questi compositi sono costituiti da particelle magnetiche singolarmente isolate tenute insieme da un legante poco conduttivo, quindi il loro comportamento elettrico differisce da quello dei metalli solidi. Poiché l'EDM si basa sulla conducibilità elettrica, non è adatto per molti di questi gradi. Verificare il metodo di lavorazione rispetto al materiale specifico prima di procedere.

Come faccio a sapere se un concentratore di flusso si sta surriscaldando??

Osservare scolorimento, fessurazione, o una diminuzione dell'efficienza di riscaldamento. Il surriscaldamento può derivare da un'eccessiva forza del campo, raffreddamento insufficiente, o una cattiva disposizione rispetto al pezzo — anche quando il materiale rientra nella sua gamma di frequenze nominali.