Induktion und ihre Anwendung in der Praxis

Induktion

(lat. inducere - hineinführen)

Michael Faraday fand 1831 die Antwort auf die Frage, ob ein Magnetfeld Strom erzeugen kann, da schon bekannt war, dass es umgekehrt funktioniert, also ein elektrischer Strom ein Magnetfeld erzeugt. Er entdeckte, dass ein Strom in einer ruhenden Leiterschleife nicht von einem konstanten, sondern von einem sich ständig zeitlich ändernden Magnetfeld hervorgerufen, oder eben induziert werden kann. Für diese elektromagnetische Induktion benötigt man jedoch noch eine weitere physikalische Größe, den magnetischen Fluss f.

In einer Leiterschleife, deren Fläche senkrecht zu den Feldlinien eines homogenen Magnetfeldes steht (was eine Voraussetzung für elektromagnetische Induktion ist), ist der magnetische Fluss f das Produkt aus der magnetischen Flussdichte B und der Fläche A im Innern der Leiterschleife, die vom Magnetfeld durchsetzt wird.

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Der magnetische Fluss gibt also die Anzahl der Feldlinien an, die die Fläche im Innern einer Leiterschleife durchsetzen. Wenn Die Fläche der Leiterschleife nicht senkrecht zu den Feldlinien des homogenen Magnetfeldes steht, wird der Betrag des Winkels mit einbezogen:

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Das Induktionsgesetz besagt: In einer Spule wird eine Spannung induziert, solange sich das von der Spule umfasste Magnetfeld ändert. Die Induktionsspannung ist umso größer, je schneller diese Änderung erfolgt.

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N = Windungszahl einer Spule

df:dt = Änderungsgeschwindigkeit des magnetischen Flusses

Der Betrag der Induktionsspannung ist ebenfalls umso größer, je größer der Querschnitt der Induktionsspule ist. Besitz die Induktionsspule einen Eisenkern, so ist unter sonst gleichen Bedingungen die Induktionsspannung größer.

Aus diesem Induktionsgesetz resultieren prinzipiell zwei Möglichkeiten zum Erzeugen einer Induktionsspannung:

Zum einen die zeitliche Änderung der magnetischen Flussdichte B bei konstanter Windungsfläche A. Dieses Prinzip wird zum Beispiel im Transformator benutzt, was ich später noch erklären werde.

Zum zweiten resultiert die Möglichkeit der zeitlichen Änderung der wirksamen Windungsfläche A mit konstanten magnetischen Feld, wie es in einem Generator zum Tragen kommt.

Die elektromagnetische Induktion ist durch die Selbstinduktion für den induktiven Widerstand von Spulen verantwortlich. Die Selbstinduktion ist hier der Vorgang, bei dem durch die Änderung der Stromstärke in der felderzeugenden Spule selbst eine Spannung hervorgerufen wird. Dieser Vorgang verläuft nach dem Induktionsgesetz, was ich eben erläutert habe, sowie nach dem Lenzschen Gesetz, welches besagt, dass der Induktionsstrom stets so gerichtet ist, dass er der Ursache seiner Entstehung entgegenwirkt. Beeinflusst wird der Vorgang von der InduktivitätLder jeweiligen Spule. Diese Induktivität wird inHenry gemessen.

Durch die Selbstinduktion wird in einer Spule das Anwachsen der Stromstärke beim Schließen eines Stromkreises, sowie das Abfallen der Stromstärke beim Abschalten der Spannungsquelle und weiterhin geschlossenem Stromkreis verzögert. Im Wechselstromkreis wird durch diese Selbstinduktion das periodische Anwachsen und Abfallen der Stromstärke verzögert.

Die Induktivität berechnet sich wie folgt:

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Generator

Der Generator ist ein Energiewandler, in dem die Relativbewegung eines Leiters im zeitlich konstanten magnetischen Feld zur Erzeugung einer Induktionsspannung genutzt wird. Hierbei wird mechanische in elektrische Energie umgewandelt.

Durch drehen einer Leiterschleife oder Spule in einem eben zeitlich konstanten Magnetfeld wird infolge der damit verbundenen zeitlichen Änderung der magnetischen Flussdichte eine Spannung induziert.

Beim Generator werden die Leiterschleifen von Wasser- oder Dampfturbinen angetrieben und es entsteht durch das Kreuzen der Schleifen mit den Magnetfeldlinien eine Induktionsspannung. Die Richtung der Spannung ändert sich während einer Drehbewegung und es entsteht daraus eine Wechselspannung. Verstärkt man das Magnetfeld, so erhöht sich auch die Spannung. Erhöht sich die Drehbewegung, vergrößert sich die Frequenz der abgegebenen Spannung des Generators.

Bei den Generatoren unterscheidet man wiederum in Gleichstrom- und Wechselstromgeräte, jedoch ist hier lediglich ein anderer Schleifkontakt montiert.

Transformator

Transformatoren transformieren eine vorgegebene Wechselspannung hoch oder runter. Fließt ein Wechselstrom durch die Primärspule, so ändert sich das Magnetfeld im geschlossenen Eisenkern und damit auch in der Sekundärspule fortlaufend. Es entsteht in ihr eine induzierte Spannung, welche die gleiche Frequenz wie die Primärspannung hat.

Die Funktionsweise eines Transformators (Trafo)

Zwei Spulen befinden sich auf einem gemeinsamen Eisenring. Die erste Spule, an welche die vorgegebene Spannung U1 angelegt wird, nennt man Feldspule oder Primärspule. Ihre Windungszahl beträgt N1. Die zweite Spule, welche Induktions- oder Sekundärspule genannt wird, ist mit der Feldspule

magnetisch gekoppelt. An ihr kann man die gewünschte Spannung U2 abnehmen, wobei ihre Windungszahl N2 beträgt.

Gibt man der Feldspule Wechselstrom, so wird in der Induktionsspule eine Wechselspannung mit gleicher Frequenz induziert. Der Wechselstrom in der Feldspule erzeugt ein sich ständig änderndes Magnetfeld in der Induktionsspule welches wiederum die Induktion hervorruft.

Beim Trafo verhalten sich die Spannungen wie die Windungszahlen der Spulen. Spannungs-Windungszahl-Gesetz:

U1: U2 = N1: N2

Hochtransformieren einer Wechselspannung

Die Feldspule erhält eine kleine Spannung U1 und besitzt eine geringe Anzahl an Windungen N1. Um eine hohe Sekundärspannung U2 zu erhalten benötigt man eine Induktionsspule mit vielen Windungen N2.

Heruntertransformieren einer Wechselspannung

Um eine geringere Sekundärspannung zu erhalten, benötigt man eine hohe Primärspannung U1 und eine Feldspule mit großer Windungszahl N1. An der Induktionsspule mit geringer Windungszahl N2 erhält man eine geringe Spannung U2.

Merksatz: Beim Trafo verhalten sich die Stromstärken umgekehrt den Windungen. Dabei hängt die Primärstromstärke vom fließenden Sekundärstrom ab.

Stromstärke-Windungszahl-Gesetz:

I1 : I2 = N2 : N1

Der Transformator ist ein bedeutendes Bauteil der Elektrotechnik und dient im wesentlichen dazu, die vom Generator erzeugte Spannung zu verändern. Trafos sind z.B. in der Übertragung von elektrischen Leistungen von Nutzen. Nur sie können die Spannung auf 220kV hochtransformieren, da Netzgeneratoren nur 220V bis 380V abgeben können. Genauso lassen sich Spannungen von 220V in kleinere Spannungen heruntertransformieren. Spielzeugeisenbahnen sind normalerweise mit Transformatoren, die Spannungen von 12V bis 48V liefern, ausgestattet. Trafos liefern abhängig von der Windungsanzahl der Spulen beliebig hohe bzw. niedrige Spannungen, jedoch mit der Einschränkung, dass man Wechselstrom zuführt. Im Generator erzeugt die Bewegung der Leiterschleifen eine Induktionsspannung, da sie so angeordnet sind, dass sie sich quer zu den magnetischen Feldlinien bewegen. Diese Induktionsspannung wird durch die Lorentzkraft, welche durch Bewegung der Leiterschleifen im Magnetfeld hervorgerufen wird, bewirkt. Es ist für die Induktion gleichbedeutend, ob sich die Leiterschleifen bewegen oder das Magnetfeld. Die Spannung verändert sich dabei in Abhängigkeit zur Leiterschleifenanzahl und Stärke des Magneten. Der Trafo arbeitet nach ähnlichem Prinzip wie der Generator, denn auch hier wird durch ein bewegtes magnetisches Feld Spannung in einer Spule erzeugt. Beim Transformator wird aber das bewegte magnetische Feld nicht durch einen bewegten Permanentmagneten erzeugt, sondern von einer zweiten Spule. Damit diese Spule nicht bewegt werden muss, benutzt man Wechselstrom zur ständigen Änderung der Stromrichtung, so dass das ständig wechselnde Magnetfeld eine Spannung induziert. Durch diese Bewegung des Magnetfeldes in der ersten Spule wird in der zweiten Spule Spannung induziert.

Aufbau eines Trafos:

Der Transformator besteht aus einer Primär- oder Feldspule, einer Sekundär- oder Induktionsspule und einem Eisenkern, um den sich die beiden Spulen winden. Es ist keine leitende Verbindung zwischen den Spulen vorhanden. Durch den Wechselstrom in der Feldspule entsteht in der Induktionsspule eine Spannung, welche im wesentlichen von der Windungszahl der Spulen abhängt. Haben die Spulen gleiche Windungszahlen, ist keine Spannungsveränderung zu beobachten. Verdoppelt man die Windungen an der Induktionsspule, so verdoppelt sich auch die Spannung. Es herrscht eine Proportionalität zwischen dem Spannungsverhältnis und dem Windungsverhältnis.

Hochstromtransformatoren

Solche Trafos werden eingesetzt, um von niedriger Spannung auf hohe Spannung hoch zu transformieren. Muss die Hochspannung später wieder zurücktransformiert werden, dann benutzt man Hochstromtransformatoren. An dieser Transformatorenseite fließen hohe Ströme, die die vielen angeschlossenen Haushalte mit der erforderlichen Strommenge versorgen. Am Ende einer Hochspannungsleitung erzeugen Hausverteilungstrafos die Netzspannung von 230V bei großer Stromstärke für eine Vielzahl von Abnehmern.

Solche Trafos benutzt man auch zum Elektroschweißen oder für Induktionsschmelzöfen.

Elektrische Verluste von 10% bis 0,5% treten im Normalfall auf und erzeugen schon bei 0,5% hohe Wärmemengen, wodurch auch die dicken Leitungen bei Strommasten begründet sind.

Energieversorgungsbeispiele:

Hochspannungstrafo:

-wandelt die Spannung auf mehrere hunderttausend Volt hoch

Verteilungstrafo:

-wandelt die Spannung auf einige tausend Volt herunter

Hausverteilungstrafo:

-transformiert auf 220Volt herunter

Weitere ANWENDUNGSMÖGLICHKEITEN:

Die Induktionserwärmung wird in vielen Bereichen der Industrie verwendet, so zum Beispiel wird sie in den Hochfrequenzöfen der Edelstahlwerke zur Stahlerzeugung und in der Verarbeitung zum Oberflächenhärten, Vergüten, Glühen und Anlassen angewendet.

Induktives Rühren

Eine außen angelegte Spule sorgt beim induktiven Rühren für eine intensive Badbewegung in einer Stahlschmelze. Diese Art der Durchmischung durch Ausnutzen des Induktionsprinzips wird zum Konzentrationsausgleich, zur Homogenisierung der Schmelze angewendet.

Induktionshärten

Härteverfahren unter Ausnutzung der elektromagnetischen Induktion. Mit einer Spule induziert man im Werkstück Wirbelströme. Bei ausreichender Intensität wird so in der zur härtenden Schicht Wärme erzeugt. Die Einhärtetiefe hängt von der Eindringtiefe des Stroms ab, der Strom wird seinerseits durch die Frequenz bestimmt: Je höher die Frequenz, desto geringer die Stromeindringtiefe. Dieser Zusammenhang ist als sogenannter Skin-Effekt bekannt (skin - Haut).

Fortsetzung Induktionshärten:

Es gibt eine Vielzahl von thermischen Härteverfahren, dass Induktionshärteverfahren ist nun jenes, welches ich etwas näher beschreiben werde.

Hierbei wird in eine wassergekühlte Induktionsspule, in welcher hochfrequenter Wechselstrom fließt, ein ungehärteter Stahlbolzen eingeführt. Durch den Wechselstrom in der Spule induziert ein sich änderndes Magnetfeld, welches wiederum im Stahl Wirbelströme induziert. Durch diese Wirbelströme entsteht Wärme. Diese Erwärmung nimmt mit steigender Frequenz zu. Wie tief diese Erwärmung geht, hängt außerdem, wie eben schon angedeutet, von dem spezifischen elektrischen Widerstandes und der Permeabilitätszahl des Mediums ab. Durch anschließendes Abschrecken durch Wasser, Wassertenside oder Abschrecköle, ist es möglich, das Werkstück sofort für seine eigentliche Bestimmung zu verwenden. Das Abschrecken wird durch Brausen oder in Wasserbädern durchgeführt.

Es gibt verschieden Arten von Arbeitsverfahren: Beim Standhärten wird der Induktor (Arbeitsspule) über das Medium „gestülpt“, im Gegensatz zum Umlaufstandhärten, wo sich das Medium beim Härtevorgang in einer permanenten Drehbewegung befindet. Auch bei den Induktoren unterscheidet man in zwei verschiedene Arten: Zum einen gibt es Ringinduktoren, durch welche der Stahl hindurchgeführt wird. Zum anderen gibt es Flächeninduktoren, welche das Medium nur von einer Seite erwärmen, woran man schon den Vorteil der Teilerwärmungsmöglichkeit erkennt.

Die Spule besteht beim Härteverfahren aus Elektrolytkupfer, einer sehr strapazierfähigen Kupferart.

Das Haupteinsatzgebiet des Induktionshärtens liegt im Oberflächenhärten von Werkstoffen, die später in ihrer Verwendung eine hohe Verschleißfestigkeit aufweisen sollten. So zum Beispiel Nockenwellen im Motor, Zahnräder oder Maschinenführungen wie Schienen oder ähnliches.

Vorteile des Vorgangs der Induktionshärtung sind die sofortige Betriebsbereitschaft der Werkstoffe, eine saubere Arbeitsweise ohne giftige oder explosive Medien, keine Belästigung des Personals durch Hitze, variable Einbaumöglichkeiten, minimaler Verzug der Werkstücke und vor Allem auch die partielle Behandlungsmöglichkeit durch die bereits erwähnten Flächeninduktoren.

Diesen Vorteilen stehen wie überall auch Nachteile gegenüber, wie zum Beispiel hohe Einrichtungskosten der Anlagen und Werkzeuge, speziell bei häufigem Wechsel der Werkstücke. Auch die Bedienung der Anlage erfordert viel Verständnis und somit sind kompetente und wissende Arbeiter vorauszusetzen.

Induktionsschweißen

Induktionsschweißen ist im Groben die Herstellung geschweißter Rohre oder anderer Schweißverbindungen durch Induktionswärme. Dabei handelt es sich um ein Widerstandspress-Schweißen. Geschweißt werden meist kohlenstoffarme Stahlbleche, oft auch Eisenmischkristalle (austenitische Stähle genannt), aber auch Stahlbleche mit Überzügen aus Zink, Zinn oder Blei.

Ein etabliertes Verfahren zum Fügen thermoplastischer Faserverbundwerkstoffe, wie z.B. das Vibrationsschweißen, ist für die Produktion von Großserien sowie für Großbauteile mit Schweißlängen von mehreren Metern bestens geeignet. Jedoch besteht besonders in der Luftfahrtindustrie ein großer Bedarf an der Entwicklung einer alternativen Verbindungstechnik, die für die Klein- und Mittelserienproduktion, Prototypenherstellung, Bauteilreparaturen sowie für Kleinteile geeignet ist. Das Induktionsschweißen ist ein Schweißprozess, der all diese Forderungen erfüllt und nur geringe Kosten verursacht. Ein weiterer Vorteil des Induktionsschweißens sind die kurzen Zykluszeiten. Als wohl größter Vorteil des Induktionsschweißprozesses ist jedoch die Herstellung wieder lösbarer Schweißnähte zu nennen.

Setzt man einen elektrisch leitenden, nicht magnetischen Werkstoff, wie z.B Kohlenstofffasern, einem elektromagnetischen Wechselfeld aus, so werden in diesem Wirbelströme induziert und der Werkstoff erwärmt sich infolge von Widerstandsverlusten. Die übertragbare Leistung bei der Induktionserwärmung ist beispielsweise 1500 mal höher als die Wärmeübertragung durch eine beheizte Platte.

Laufende Forschungen konzentrieren sich hierbei auf die Verfeinerungen der Schweißnähte und somit ihrer Präzision.

Induktionskochen

Induktionsherde sind bei uns in Privathaushalten noch wenig verbreitet, in Frankreich und Japan jedoch haben sie als Alternative zu den herkömmlichen Kochstellen bereits eine gewisse Bedeutung erlangt.

Induktionsherde ermöglichen das sogenannte «kalte Kochen», eine auf den ersten Blick fast unglaubliche Technik. Tatsächlich wird bei der Induktionstechnik die Kochstelle selbst nicht aufgeheizt, sie erwärmt sich nur ganz leicht, durch die Hitzeabstrahlung des Pfannen- /Topfbodens. Unter der Kochfläche befindet sich eine Magnetspule, die von einem Strom mit einer Frequenz von 20000 bis 25000 Hertz (bei 220 Volt) oder 25000 bis 50000 Hertz (bei 380 Volt) durchflossen wird. Diese Spule erzeugt ein starkes Magnetfeld. Die Kochplatte (Induktionsplatte) besteht aus einem nicht wärmeleitenden Material, wie z.B. Keramik. In der metallischen Pfanne bzw. im Topf entstehen starke Wirbelströme, sobald sie in das Magnetfeld auf der Kochstelle gestellt werden. Durch diesen elektrophysikalischen Vorgang wird das Kochgeschirr rasch erhitzt, während die Kochplatte kalt bleibt, da sie nicht aus Metall besteht. Damit ist auch schon gesagt, dass sich nur Kochgeschirre aus magnetischem Metall für die Verwendung auf Induktionsherden eignen.

Die Induktions-Kochtechnik bietet folgende Vorteile:

? Die Induktionsplatten reagieren sofort auf jede Einstellung. Der Kochprozess kann sehr feinfühlig gesteuert werden, ähnlich wie bei Gasherden.

? Da die Kochstelle praktisch kalt bleibt, kann übergelaufenes Kochgut nicht anbrennen und sofort mit einem feuchten Lappen entfernt werden. Induktionsherde sind deshalb leicht zu reinigen.

? Untersuchungen haben ergeben, dass sich mit dieser Kochtechnik im Schnitt ungefähr 60% Energie einsparen lassen, teilweise sogar bis zu 70%.

? Da die Platte keine Hitze abstrahlt, bleibt die Atmosphäre in der Küche angenehm und es besteht keine Verletzungsgefahr.

? Es besteht keine Brandgefahr, wenn z.B. heißes Öl überkocht.

? Im Gegensatz zu herkömmlichen Herden muss keine Kochplatte aufgeheizt werden und dadurch läuft der ganze Kochprozess schneller ab. Nach neuesten Untersuchungen reduziert sich die Kochzeit um 15% bis 20%.

? Durch die präzise Reguliermöglichkeit der Heizleistung zwischen 2% und 100% ist das Warmhalten von fertigen Speisen problemlos.

Für die Verwendung auf Induktionsherden eignen sich nur Kochgeschirre, die aus magnetischem Metall hergestellt sind. Alle anderen Pfannen und Töpfe sind ungeeignet, da sie den Kochvorgang nicht auslösen können. Für diese Kochtechnik müssen die Kochgeschirre nicht unbedingt einwandfreie Böden aufweisen. Speziell für das Induktionskochen gefertigte Kochgeschirre können ohne jede Einschränkung auch auf Gas - oder Elektroherden verwendet werden. Der Induktions-Kochtechnik kann somit ohne Übertreibung eine große Zukunft vorausgesagt werden, da sie, wie schon gesagt, erhebliche Vorteile mit sich bringt.