Projekt 26815/01

Entwicklung eines HTS-Induktionsheizers für die Erwärmung von magnetischen Werkstücken oder ungleichförmigen Metallblöcken – Machbarkeitsuntersuchungen

Projektträger

Zenergy Power GmbH
Heisenbergstr. 16
53359 Rheinbach
Telefon: 02226 / 9060-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Für Warmumformprozesse in der metallverarbeitenden Industrie werden Werkstücke z. B. durch Induktion erhitzt. Da große Energiemengen umgesetzt werden, ist ein guter Wirkungsgrad ökonomisch wie ökologisch relevant. Für zylindrische Werkstücke ist mit Hilfe von Supraleitern bereits eine energieeffiziente Lösung für Leicht- und Buntmetalle gefunden worden, indem man das Werkstück in einem Magnetfeld dreht. Das Prinzip der Relativbewegung zwischen Werkstück und Erregerspule soll auf Eisen-/und Stahlerzeugnisse bzw. nicht-zylindrische Werkstücke erweitert werden, allerdings dergestalt, dass das Werkstück im Wesentlich fest steht und das Magnetfeld moduliert bzw. bewegt wird.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Machbarkeitsstudie soll Möglichkeiten der Induktionsheizung unter Einsetzung von Hochtemperatursupraleitern (HTS) für magnetische Materialien und nicht-zylindrische Werkstücke ausloten. Gewöhnliche Induktionsheizer nutzen Wechselstrom in Kupferspulen und müssen große Abwärmemengen in der Spule abführen, was den Wirkungsgrad auf unter 50% erniedrigt. Deutlich effizienteren Einsatz ist mit HTS-Spulen möglich. Dabei ist Gleichstrom nötig und die Induktion wird bei zylindrischen Aluminium-Teilen - ähnlich ein Wirbelstrombremse - durch Rotation des Werkstücks erreicht. Bei magnetischem Material oder nicht-zylindrischen Werkstücken ist dies mechanisch schwierig und das Werkstück muss ruhend gehalten werden. Weil für die Induktion die Relativbewegung zwischen Spule und Werkstück entscheidend ist, kann auch der magnetische Kreis oder ein Teil davon bewegt werden. Auf diese Weise liegt im Material ein zeitlich verändertes Magnetfeld vor. Das Ziel dieser Studie ist es, die zu erwartenden Erwärmungsleistung 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 einschlägiger Software) zum Einsatz, die abschätzen sollen, ob ausreichende Erwärmungsraten bei gutem Wirkungsgrad erzielt werden können. Das enge Zusammenspiel zwischen Konstruktion und Simulation ist entscheidend für den Erfolg des Projekts.
Diese Machbarkeitsstudie ist als Vorbereitung zum Bau eines Funktionsprototyps und später eines industriellen Prototyps zu sehen.


Ergebnisse und Diskussion

Die Möglichkeiten eines HTS-Induktionsheizers mit ruhendem Werkstück wurden untersucht. Die drei im Projetkantrag aufgeführten Optionen wurden mit der Finiten-Element-Methode auf ihre Leistungsfähigkeit bewertet und optimiert. Die Vorgehensweise durch FEM-Berechnungen hat sich als sehr aussagekräftig herausgestellt.
Die jeweils beste Variante wird im Abschlussbericht beschrieben. Dabei wurde eine nichtstandardmäßige Methode (Clicking-Mesh) des Simulationsprogramms Ansys angewendet.
Die Anwendung der HTS-Technik führt automatisch zu einer Effizienzsteigerung und damit zu Energie-einsparungen in der produzierenden Industrie.
Das Hauptaugenmerk des Projekts war daher die Leistungsabschätzung der entworfenen Maschine mit der Fragestellung, ob die Leistung für einen industriellen Einsatz ausreicht. Die Option HTS-PLATE hat dabei am besten abgeschnitten. Dort werden zu Plattenerwärmung mehrere (sechs im Optimum) HTS-Magneten auf eine Platte angebracht, die tellerförmig vor einer Werkstückplatte rotiert. Den höchsten Leistungseintrag im Werkstück wird erreicht, wenn man auf beiden Seiten der Platte je einen Rotor anbringt.
Für diesen Vorschlag wurden ein Konstruktionsentwurf erarbeitet, um die Machbarkeit und die Kosten einer solchen Maschine abschätzen zu können. Die Hauptschwierigkeit liegt in der Tatsache, dass ein rotierender Magnet mit Kühlmittel versorgt werden muss. Man kann dabei aber auf Lösungen aus dem Generatorenbau zurückgreifen.
Ausgehend von dieser Konstruktion können die Materialkosten einer solchen Anlage abgeschätzt werden. Dabei ist das Magnetsystem mit den Anteilen HTS-Draht, Kryostat und Joch der größte Posten. Genau hier ist aber auch Einsparpotenzial in den nächsten Jahren zu erwarten. Z. B. werden die HTS-Drähte durch ein neues Herstellungsverfahren deutlich billiger.
Eine Abschätzung des Wirkungsgrades zeigt im Verglich mit gewöhnlicher Induktionstechnik eine deutliche Energieeinsparung.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens wurden in einem veröffentlichten Abschlussbericht zu diesem Fördervorhaben dokumentiert.


Fazit

Es zeigt sich, dass eine der vorgeschlagenen Optionen technisch umsetzbar ist, und auch ein ausrei-hende Leistungsausbeute möglich ist.
Die Kosten einer solchen Anlage machen, auch wenn man die Energieersparnis mit berücksichtigt, eine Markeinführung z. Z. unmöglich. Aufgrund der Kostenersparnis ändert sich die Situation jedoch in den nächsten Jahren zum Besseren.
Das weitere Vorgehen wird sein, mit potenziellen Anwendern ins Gespräch zu kommen, um Anforderungen aus der Praxis im weiteren Vorgehen besser einfließen lassen zu können. Danach ist der Bau eines Prototyps das nächste Ziel.