Induktor: Funktionsweise

Einen Induktor nennt man bei Rinnenöfen und vergleichbaren Gießeinrichtungen das Beheizungsaggregat. Ein Rinneninduktor ist einem Transformator sehr ähnlich aufgebaut: Man hat einen geschlossenen Eisenkern (Joch), auf dem eine oder zwei Spulen sitzen. Sekundär ist die Rinne unter 90° durch die Jochöffnungen angeordnet und bildet, gefüllt mit flüssigem Metall, die einwindige Sekundärseite dieses Transformators.

Funktionsweise: der Induktor als Transformator

Ein Induktor arbeitet nach dem Transformatorprinzip. Die Primärspule wird mit Wechselstrom gespeist und erzeugt im geschlossenen Eisenjoch ein magnetisches Wechselfeld. Anders als bei einem klassischen Transformator ist die Sekundärseite hier keine zweite Wicklung aus Draht, sondern die flüssige Metallschmelze selbst, die als geschlossener Ring durch die Rinne fließt und dabei die Jochöffnung durchsetzt. Diese Schmelzeschleife hat exakt eine Windung. Das im Joch geführte Magnetfeld induziert in ihr eine Spannung, die einen sehr hohen Strom bei sehr niedriger Spannung treibt, ganz analog zu einem stark heruntertransformierenden Netztransformator.

Dieser induzierte Strom fließt durch den ohmschen Widerstand der Schmelze und erwärmt sie dabei nach dem gleichen Prinzip wie jede Induktionsspule: durch Joulesche Wärme. Der Unterschied zur kernlosen Ofenspule liegt im geschlossenen Eisenkern, der den magnetischen Fluss verlustarm zur Rinne führt und dadurch bei vergleichsweise niedriger Netzfrequenz (meist 50 Hz) eine sehr hohe Kopplung zwischen Primärspule und Schmelze erreicht. Aus diesem Grund arbeiten Rinneninduktoren praktisch immer mit Netzfrequenz oder niedriger Mittelfrequenz, während kernlose Tiegelofenspulen üblicherweise mit höherer Mittelfrequenz betrieben werden.

Aufbau eines Rinneninduktors

• Eisenkern (Joch): geblechter, geschlossener Kern aus Elektroblech, minimiert Ummagnetisierungsverluste und bündelt den magnetischen Fluss.
• Primärspule: ein- oder zweiteilige, wassergekühlte Kupferrohrwicklung auf dem Joch.
• Rinne: feuerfest ausgekleideter Kanal, der die Schmelze führt und im rechten Winkel durch die Jochöffnung(en) verläuft.
• Rinnenstein bzw. Futter: feuerfeste Auskleidung der Rinne, direkt im Kontakt mit der Schmelze und dem größten Verschleiß ausgesetzt.
• Induktorgehäuse und Kühlkreislauf: nimmt Joch und Spule mechanisch auf und führt das Kühlwasser für die Primärspule.

Rechenbeispiel: Flächenleistung eines 800-kW-Induktors

Ein 800-kW-Induktor hat eine Ankopplungsfläche von etwa 2,1 m². Die Induktorspule hat zum Beispiel bei 660 V und 50 Hz 34 Windungen mit einem Wirkstrom von rund 1.212 A, das ergibt 41.208 Amperewindungen. Da die Windungszahl der Schmelzeschleife in der Rinne exakt 1 beträgt, fließt in der Rinne demnach ein Strom von 41.208 A. Bei typischen Rinnenquerschnitten entspricht das einer Stromdichte von etwa 1,84 A/mm².

Daraus ergibt sich eine Flächenleistung von rund 890 kW/m² beim Induktor. Zum Vergleich: Ein vergleichbarer Tiegelofen mit 3 t Fassungsvermögen und ebenfalls 800 kW Leistung kommt nur auf etwa 380 kW/m² Flächenleistung. Der Rinneninduktor koppelt die elektrische Leistung also mehr als doppelt so konzentriert in die Schmelze ein wie ein vergleichbarer Tiegelofen.

Diese hohe Flächenleistung ist der Grund, warum Rinnenöfen bei gegebener Leistung kompakter bauen können als Tiegelöfen. Sie hat aber eine Kehrseite: Die thermische und elektromagnetische Belastung von Rinnenstein, Spule und Joch ist an dieser kleinen Kopplungsfläche entsprechend konzentriert. Genau dort setzt der Verschleiß zuerst an, und genau dort liegt der Schwerpunkt jeder Induktor-Wartung.

Verschleiß und typische Schäden am Induktor

• Rinnenstein-Verschleiß: Die feuerfeste Auskleidung der Rinne erodiert durch die strömende Schmelze und thermische Wechselbelastung. Ist der Rinnenquerschnitt zu weit erodiert, sinkt die Stromdichte und die Leistungsübertragung wird ineffizient; im Extremfall droht Durchbruch.
• Windungsschluss in der Primärspule: wie bei jeder Induktionsspule kann die Isolierung zwischen den Windungen thermisch altern oder mechanisch beschädigt werden.
• Kühlwasserleckagen: undichte Kupferrohre in der wassergekühlten Primärspule oder im Induktorgehäuse führen zu lokaler Überhitzung.
• Jochverluste durch beschädigte Blechisolation: beschädigte Elektroblech-Isolation im Kern erhöht Wirbelstromverluste im Joch selbst und damit die Erwärmung des Kerns.
• Alterung durch Dauer-Betrieb: Induktoren laufen häufig im Dauerbetrieb über Jahre, entsprechend zeigen ältere Anlagen kumulierten Verschleiß an mehreren Bauteilen gleichzeitig, nicht isoliert an einem einzelnen.

In der Praxis wird bei einer Induktor-Reparatur meist die komplette Baugruppe aus Rinnenstein, Spule und teilweise auch Joch gemeinsam geprüft und instandgesetzt, da die Bauteile mechanisch und thermisch eng gekoppelt sind und sich ein Einzeltausch selten lohnt.

Induktor vs. Induktionsspule vs. Tiegelinduktor

Die drei Begriffe werden häufig durcheinandergebracht. Ein Induktor im engeren Sinn ist die stromdurchflossene Wicklung allein. Der Induktor ist die komplette Baugruppe aus Spule, Eisenkern und der zugehörigen Rinne, wie hier beschrieben. Ein Tiegelinduktor dagegen ist kein Rinneninduktor, sondern ein eigenständiger, kompakter Tiegelofentyp mit Flansch zur Befestigung an einem größeren Ofensystem, meist als Warmhalteaggregat eingesetzt und mit kernloser Tiegelofenspule statt Joch-Induktor ausgestattet.

Wartung: worauf bei der Inspektion zu achten ist

Weil Rinnenstein, Spule und Joch mechanisch und thermisch eng gekoppelt sind, lohnt sich eine regelmäßige, kombinierte Inspektion statt isolierter Einzelprüfungen:

• Isolationswiderstand der Primärspule gegen Erde messen, fallende Werte über mehrere Messintervalle deuten auf beginnenden Windungsschluss hin, bevor die Spule tatsächlich ausfällt.
• Kühlwasserdurchsatz und -temperatur an Vor- und Rücklauf vergleichen, ein sinkender Durchsatz bei gleichbleibendem Druck weist auf Ablagerungen im Kühlkanal hin.
• Rinnenquerschnitt nach jeder Ofenreise auf Erosion prüfen, da ein zu weit erodierter Querschnitt die Stromdichte und damit die lokale thermische Belastung weiter erhöht, ein sich selbst beschleunigender Effekt.
• Alter und Betriebsstunden dokumentieren, da Rinneninduktoren meist im Dauerbetrieb laufen und Verschleiß an mehreren Bauteilen gleichzeitig kumuliert, nicht isoliert an einem einzelnen.

Wird ein Induktor umgerüstet, etwa im Zuge eines IGBT-Umrichter-Retrofits der Anlagensteuerung, ist das zugleich der wirtschaftlich günstigste Zeitpunkt, Spule und Rinnenstein gemeinsam zu prüfen und bei Bedarf mit instand zu setzen, da die Anlage ohnehin steht.

Verwandte Begriffe: Induktionsspule · Rinnenofen · Tiegelinduktor · Transformator