Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
F\u00fcr Warmumformprozesse in der metallverarbeitenden Industrie werden Werkst\u00fccke z. B. durch Induktion erhitzt. Da gro\u00dfe Energiemengen umgesetzt werden, ist ein guter Wirkungsgrad \u00f6konomisch wie \u00f6kologisch relevant. F\u00fcr zylindrische Werkst\u00fccke ist mit Hilfe von Supraleitern bereits eine energieeffiziente L\u00f6sung f\u00fcr Leicht- und Buntmetalle gefunden worden, indem man das Werkst\u00fcck in einem Magnetfeld dreht. Das Prinzip der Relativbewegung zwischen Werkst\u00fcck und Erregerspule soll auf Eisen-\/und Stahlerzeugnisse bzw. nicht-zylindrische Werkst\u00fccke erweitert werden, allerdings dergestalt, dass das Werkst\u00fcck im Wesentlich fest steht und das Magnetfeld moduliert bzw. bewegt wird.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Machbarkeitsstudie soll M\u00f6glichkeiten der Induktionsheizung unter Einsetzung von Hochtemperatursupraleitern (HTS) f\u00fcr magnetische Materialien und nicht-zylindrische Werkst\u00fccke ausloten. Gew\u00f6hnliche Induktionsheizer nutzen Wechselstrom in Kupferspulen und m\u00fcssen gro\u00dfe Abw\u00e4rmemengen in der Spule abf\u00fchren, was den Wirkungsgrad auf unter 50% erniedrigt. Deutlich effizienteren Einsatz ist mit HTS-Spulen m\u00f6glich. Dabei ist Gleichstrom n\u00f6tig und die Induktion wird bei zylindrischen Aluminium-Teilen – \u00e4hnlich ein Wirbelstrombremse – durch Rotation des Werkst\u00fccks erreicht. Bei magnetischem Material oder nicht-zylindrischen Werkst\u00fccken ist dies mechanisch schwierig und das Werkst\u00fcck muss ruhend gehalten werden. Weil f\u00fcr die Induktion die Relativbewegung zwischen Spule und Werkst\u00fcck entscheidend ist, kann auch der magnetische Kreis oder ein Teil davon bewegt werden. Auf diese Weise liegt im Material ein zeitlich ver\u00e4ndertes Magnetfeld vor. Das Ziel dieser Studie ist es, die zu erwartenden Erw\u00e4rmungsleistung und die Effizienz eines solchen Heizers zu bestimmen. Es sind im Projektplan drei Bauvarianten zur Diskussion gestellt, die die Spule oder Teile des Eisenjochs bewegen. Die Arbeit des Projektes besteht darin Konstruktionen zu finden, die technisch umsetzbar sind, sowie auch die Prinzipielle Machbarkeit zu untersuchen. Dazu kommen numerische Berechnungen (z. B. nach der Finiten-Element-Methode mit Hilfe einschl\u00e4giger Software) zum Einsatz, die absch\u00e4tzen sollen, ob ausreichende Erw\u00e4rmungsraten bei gutem Wirkungsgrad erzielt werden k\u00f6nnen. Das enge Zusammenspiel zwischen Konstruktion und Simulation ist entscheidend f\u00fcr den Erfolg des Projekts.
\nDiese Machbarkeitsstudie ist als Vorbereitung zum Bau eines Funktionsprototyps und sp\u00e4ter eines industriellen Prototyps zu sehen.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die M\u00f6glichkeiten eines HTS-Induktionsheizers mit ruhendem Werkst\u00fcck wurden untersucht. Die drei im Projetkantrag aufgef\u00fchrten Optionen wurden mit der Finiten-Element-Methode auf ihre Leistungsf\u00e4higkeit bewertet und optimiert. Die Vorgehensweise durch FEM-Berechnungen hat sich als sehr aussagekr\u00e4ftig herausgestellt.
\nDie jeweils beste Variante wird im Abschlussbericht beschrieben. Dabei wurde eine nichtstandardm\u00e4\u00dfige Methode (Clicking-Mesh) des Simulationsprogramms Ansys angewendet.
\nDie Anwendung der HTS-Technik f\u00fchrt automatisch zu einer Effizienzsteigerung und damit zu Energie-einsparungen in der produzierenden Industrie.
\nDas Hauptaugenmerk des Projekts war daher die Leistungsabsch\u00e4tzung der entworfenen Maschine mit der Fragestellung, ob die Leistung f\u00fcr einen industriellen Einsatz ausreicht. Die Option HTS-PLATE hat dabei am besten abgeschnitten. Dort werden zu Plattenerw\u00e4rmung mehrere (sechs im Optimum) HTS-Magneten auf eine Platte angebracht, die tellerf\u00f6rmig vor einer Werkst\u00fcckplatte rotiert. Den h\u00f6chsten Leistungseintrag im Werkst\u00fcck wird erreicht, wenn man auf beiden Seiten der Platte je einen Rotor anbringt.
\nF\u00fcr diesen Vorschlag wurden ein Konstruktionsentwurf erarbeitet, um die Machbarkeit und die Kosten einer solchen Maschine absch\u00e4tzen zu k\u00f6nnen. Die Hauptschwierigkeit liegt in der Tatsache, dass ein rotierender Magnet mit K\u00fchlmittel versorgt werden muss. Man kann dabei aber auf L\u00f6sungen aus dem Generatorenbau zur\u00fcckgreifen.
\nAusgehend von dieser Konstruktion k\u00f6nnen die Materialkosten einer solchen Anlage abgesch\u00e4tzt werden. Dabei ist das Magnetsystem mit den Anteilen HTS-Draht, Kryostat und Joch der gr\u00f6\u00dfte Posten. Genau hier ist aber auch Einsparpotenzial in den n\u00e4chsten Jahren zu erwarten. Z. B. werden die HTS-Dr\u00e4hte durch ein neues Herstellungsverfahren deutlich billiger.
\nEine Absch\u00e4tzung des Wirkungsgrades zeigt im Verglich mit gew\u00f6hnlicher Induktionstechnik eine deutliche Energieeinsparung.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens wurden in einem ver\u00f6ffentlichten Abschlussbericht zu diesem F\u00f6rdervorhaben dokumentiert.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Es zeigt sich, dass eine der vorgeschlagenen Optionen technisch umsetzbar ist, und auch ein ausrei-hende Leistungsausbeute m\u00f6glich ist.
\nDie Kosten einer solchen Anlage machen, auch wenn man die Energieersparnis mit ber\u00fccksichtigt, eine Markeinf\u00fchrung z. Z. unm\u00f6glich. Aufgrund der Kostenersparnis \u00e4ndert sich die Situation jedoch in den n\u00e4chsten Jahren zum Besseren.
\nDas weitere Vorgehen wird sein, mit potenziellen Anwendern ins Gespr\u00e4ch zu kommen, um Anforderungen aus der Praxis im weiteren Vorgehen besser einflie\u00dfen lassen zu k\u00f6nnen. Danach ist der Bau eines Prototyps das n\u00e4chste Ziel.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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