Mendi Altube, Amaiur
Villar Iturbe, Irma (dir.) ; Carretero Chamarro, Claudio (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2026
Resumen: El calentamiento por inducción es un proceso de transferencia de calor sin contacto, que se aplica a materiales con una buena conductividad eléctrica, normalmente, a metales. Utilizando un campo magnético variable, se generan corrientes inducidas en el material, las cuales disipan el calor, como consecuencia del efecto Joule. Además, la eficiencia del proceso de transferencia de energía se ve muy influenciada por la presencia de propiedades magnéticas del material.
Dicha tecnología se utiliza en diversos campos, como pueden ser tanto las aplicaciones industriales, como las médicas y las domésticas. Sus principales características son la eficacia, la velocidad de calentamiento, la seguridad y la precisión en el control del proceso.
Su eficiencia se define principalmente por la relación entre la potencia suministrada a la pieza, es decir, el material a calentar, y las pérdidas que se producen en el bobinado que genera el campo magnético variable. Otro parámetro crítico es la distribución de la potencia suministrada a la pieza, que viene determinada por la geometría de la bobina. En general, la combinación de las características físicas y geométricas del sistema de inducción dificulta su análisis.
En las aplicaciones industriales, que son el objeto de esta tesis, existen diversos procesos en función del tratamiento que requiera el material. Los procesos industriales, que utilizan el calentamiento por inducción, pueden clasificarse en tres grupos, los cuales se describen a continuación. En primer lugar, entre los tratamientos térmicos por inducción, podemos enumerar el temple, el revenido, el recocido y la normalización. A continuación, mencionaremos las aplicaciones del calentamiento por inducción, entre las que se incluyen, la forja, el conformado, la extrusión, el estirado, el sellado, el enderezado y la fusión. Por último, caben destacar las aplicaciones especiales, tal y como los procesos de soldadura o de unión.
En este trabajo se analizará, así mismo, el proceso de calentamiento por inducción, dentro de las aplicaciones de temple superficial. En dicho caso, las propiedades físicas de la pieza varían considerablemente a medida que aumenta la temperatura, superando incluso la temperatura de Curie, a partir de la cual desaparecen las propiedades magnéticas. Para obtener una descripción completa del comportamiento del sistema, es necesario desarrollar un modelo electromagnético-térmico que dé cuenta simultáneamente de la dependencia de todos los parámetros, mediante un enfoque basado en la aplicación de las condiciones de frontera no lineales. El mencionado enfoque permite obtener una descripción realista de los fenómenos implicados, con un coste computacional reducido.
En un paso posterior, se integrarán los resultados obtenidos en el apartado anterior, con el objetivo de crear un modelo de simulación del sistema de inducción completo, que se encuentra compuesto por el conjunto inductor-pieza y su electrónica asociada. De esta forma, los resultados del modelo electromagnético-térmico, obtenidos mediante simulación FEM, se integrarán en un programa de simulación de circuitos.
Finalmente, se realizarán medidas experimentales, con el objeto de validar los resultados obtenidos. En primer lugar, se realizarán medidas en el régimen de pequeña señal, de cara a verificar que los modelos de simulación electromagnética son correctos. Y, posteriormente, se ejecutarán mediciones dentro de un montaje experimental, basados en condiciones reales de trabajo con altos niveles de potencia.
Resumen (otro idioma): Induction heating is a non-contact heat transfer process applied to materials with good electrical conductivity, typically metals. Using a variable magnetic field, induced currents are generated in the material, which dissipate heat due to the Joule effect. Furthermore, the efficiency of the energy transfer process is greatly influenced by the presence of magnetic properties in the material. This technology is utilized in various fields, including industrial, medical, and domestic applications. Its main characteristics include efficiency, heating speed, safety, and precision in process control. Its efficiency is primarily defined by the relationship between the power delivered to the workpiece, i.e., the material to be heated, and the losses that occur in the winding that generates the variable magnetic field. Another critical parameter is the distribution of power delivered to the workpiece, which is determined by the geometry of the coil. In general, the combination of the physical and geometric characteristics of the induction system makes it challenging to analyze. In industrial applications, which are the subject of this thesis, various processes exist depending on the treatment required for the material. Industrial processes that utilize induction heating can be categorized into three groups, as outlined below. First, among the induction heat treatments, we can list hardening, tempering, annealing, and normalizing. Next, we can mention the applications of induction heating, including forging, forming, extrusion, stretching, sealing, straightening, and melting. Finally, we should mention special applications, such as soft soldering, brazing, welding, and bonding. In this work, the induction heating process in surface hardening applications will be studied. In this case, the physical properties of the workpiece change considerably as the temperature increases, even exceeding the Curie temperature, at which the magnetic properties disappear. To obtain a comprehensive description of the system’s behavior, an electromagnetic-thermal model must be developed that simultaneously accounts for the dependence of all parameters using an approach based on the application of nonlinear boundary conditions. This approach allows for a realistic description of the phenomena involved at a reduced computational cost. In a subsequent step, the results obtained in the previous section will be integrated to create a simulation model of the complete induction system, comprising the inductor-workpiece system and its associated electronics. In this way, the results of the electromagnetic-thermal model obtained by FEM simulation will be integrated into a circuit simulation program. Finally, experimental measurements will be carried out to validate the results obtained. First, measurements will be taken in the small-signal regime to verify that the electromagnetic simulation models are correct. Subsequently, measurements will be taken in an experimental setup under real working conditions delivering high power levels.
Dicha tecnología se utiliza en diversos campos, como pueden ser tanto las aplicaciones industriales, como las médicas y las domésticas. Sus principales características son la eficacia, la velocidad de calentamiento, la seguridad y la precisión en el control del proceso.
Su eficiencia se define principalmente por la relación entre la potencia suministrada a la pieza, es decir, el material a calentar, y las pérdidas que se producen en el bobinado que genera el campo magnético variable. Otro parámetro crítico es la distribución de la potencia suministrada a la pieza, que viene determinada por la geometría de la bobina. En general, la combinación de las características físicas y geométricas del sistema de inducción dificulta su análisis.
En las aplicaciones industriales, que son el objeto de esta tesis, existen diversos procesos en función del tratamiento que requiera el material. Los procesos industriales, que utilizan el calentamiento por inducción, pueden clasificarse en tres grupos, los cuales se describen a continuación. En primer lugar, entre los tratamientos térmicos por inducción, podemos enumerar el temple, el revenido, el recocido y la normalización. A continuación, mencionaremos las aplicaciones del calentamiento por inducción, entre las que se incluyen, la forja, el conformado, la extrusión, el estirado, el sellado, el enderezado y la fusión. Por último, caben destacar las aplicaciones especiales, tal y como los procesos de soldadura o de unión.
En este trabajo se analizará, así mismo, el proceso de calentamiento por inducción, dentro de las aplicaciones de temple superficial. En dicho caso, las propiedades físicas de la pieza varían considerablemente a medida que aumenta la temperatura, superando incluso la temperatura de Curie, a partir de la cual desaparecen las propiedades magnéticas. Para obtener una descripción completa del comportamiento del sistema, es necesario desarrollar un modelo electromagnético-térmico que dé cuenta simultáneamente de la dependencia de todos los parámetros, mediante un enfoque basado en la aplicación de las condiciones de frontera no lineales. El mencionado enfoque permite obtener una descripción realista de los fenómenos implicados, con un coste computacional reducido.
En un paso posterior, se integrarán los resultados obtenidos en el apartado anterior, con el objetivo de crear un modelo de simulación del sistema de inducción completo, que se encuentra compuesto por el conjunto inductor-pieza y su electrónica asociada. De esta forma, los resultados del modelo electromagnético-térmico, obtenidos mediante simulación FEM, se integrarán en un programa de simulación de circuitos.
Finalmente, se realizarán medidas experimentales, con el objeto de validar los resultados obtenidos. En primer lugar, se realizarán medidas en el régimen de pequeña señal, de cara a verificar que los modelos de simulación electromagnética son correctos. Y, posteriormente, se ejecutarán mediciones dentro de un montaje experimental, basados en condiciones reales de trabajo con altos niveles de potencia.
Resumen (otro idioma): Induction heating is a non-contact heat transfer process applied to materials with good electrical conductivity, typically metals. Using a variable magnetic field, induced currents are generated in the material, which dissipate heat due to the Joule effect. Furthermore, the efficiency of the energy transfer process is greatly influenced by the presence of magnetic properties in the material. This technology is utilized in various fields, including industrial, medical, and domestic applications. Its main characteristics include efficiency, heating speed, safety, and precision in process control. Its efficiency is primarily defined by the relationship between the power delivered to the workpiece, i.e., the material to be heated, and the losses that occur in the winding that generates the variable magnetic field. Another critical parameter is the distribution of power delivered to the workpiece, which is determined by the geometry of the coil. In general, the combination of the physical and geometric characteristics of the induction system makes it challenging to analyze. In industrial applications, which are the subject of this thesis, various processes exist depending on the treatment required for the material. Industrial processes that utilize induction heating can be categorized into three groups, as outlined below. First, among the induction heat treatments, we can list hardening, tempering, annealing, and normalizing. Next, we can mention the applications of induction heating, including forging, forming, extrusion, stretching, sealing, straightening, and melting. Finally, we should mention special applications, such as soft soldering, brazing, welding, and bonding. In this work, the induction heating process in surface hardening applications will be studied. In this case, the physical properties of the workpiece change considerably as the temperature increases, even exceeding the Curie temperature, at which the magnetic properties disappear. To obtain a comprehensive description of the system’s behavior, an electromagnetic-thermal model must be developed that simultaneously accounts for the dependence of all parameters using an approach based on the application of nonlinear boundary conditions. This approach allows for a realistic description of the phenomena involved at a reduced computational cost. In a subsequent step, the results obtained in the previous section will be integrated to create a simulation model of the complete induction system, comprising the inductor-workpiece system and its associated electronics. In this way, the results of the electromagnetic-thermal model obtained by FEM simulation will be integrated into a circuit simulation program. Finally, experimental measurements will be carried out to validate the results obtained. First, measurements will be taken in the small-signal regime to verify that the electromagnetic simulation models are correct. Subsequently, measurements will be taken in an experimental setup under real working conditions delivering high power levels.
Pal. clave: calentamiento por inducción ; inversor resonante ; carga no-lineal ; modelado dinámico ; temperatura de curie ; elementos finitos
Titulación: Programa de Doctorado en Ingeniería Electrónica
Plan(es): Plan 513
Área de conocimiento: Ingeniería y Arquitectura
Nota: Presentado: 23 01 2026
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, , 2026
Aportación del TFG/M a la Sostenibilidad: Asegurar el acceso a energías asequibles, fiables, sostenibles y modernas para todos. Desarrollar infraestructuras resilientes, promover la industrialización inclusiva y sostenible, y fomentar la innovación.
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Registro creado el 2026-05-25, última modificación el 2026-05-26
