Theorie
Indringdiepte en skineffect
Bij wisselstroom is de stroomdichtheid het hoogst nabij het oppervlak van een geleider. Dit verschijnsel bepaalt in sterke mate waar warmte ontstaat tijdens inductieverwarming.
Definitie
Uitleg en Betekenis
Wat is het skineffect?
Het skineffect is het verschijnsel dat in een geleider met wisselstroom de stroomdichtheid toeneemt naarmate men dichter bij het oppervlak komt. De sterkte van dit effect neemt toe met de frequentie. Daardoor speelt het skineffect vooral een belangrijke rol bij hoogfrequente en radiofrequente wisselstromen.
Invloed van de frequentie
Bij een lage frequentie dringt de stroom relatief diep in het materiaal door. Naarmate de frequentie stijgt, wordt de effectieve stroomvoerende laag dunner. Indicatief bedraagt de indringdiepte bij 50 Hz ongeveer 1 cm, bij 10 kHz minder dan 1 mm en bij 10 MHz slechts enkele tientallen micrometers. Bij zeer hoge frequenties loopt de stroom daardoor vrijwel uitsluitend aan het oppervlak.
Omdat bij hogere frequenties een kleiner deel van de doorsnede stroom voert, neemt de effectieve elektrische weerstand van de geleider toe.
Skineffect uitgelegd
Toepassing van skineffect bij inductieverwarming
Het skineffect is in veel elektrische toepassingen ongewenst, maar wordt bij inductieverwarming juist benut. Wanneer een werkstuk in een hoogfrequent elektromagnetisch veld wordt geplaatst, ontstaan de grootste wervelstromen dicht bij het oppervlak. Daar vindt de meeste warmteontwikkeling plaats. Dit maakt gerichte oppervlakteverwarming mogelijk, bijvoorbeeld voor inductieharden.
Toepassing bij inductieverwarming
Formule voor de indringdiepte
De indringdiepte δ kan worden berekend uit de frequentie, de magnetische permeabiliteit en de elektrische geleidbaarheid van het materiaal.
δ
indringdiepte in meter
f
frequentie van het magnetisch veld in hertz
μ
magnetische permeabiliteit van het materiaal in henry per meter
σ
elektrische geleidbaarheid van het materiaal in siemens per meter
Uitrekenen indringdiepte
Indringdiepte voor verschillende metalen
De grafiek toont indicatieve waarden bij kamertemperatuur. De werkelijke indringdiepte hangt af van materiaalsoort, legering, temperatuur en magnetische toestand.
Skineffect per Metaalsoort
Samenvatting
Inductieve verwarming van een grote ring
Lokale oppervlakteverwarming van een cilindrisch werkstuk
Oppervlakteverwarming van een tandwiel