СПОСОБ И АППАРАТ ДЛЯ НАГРЕВАНИЯ ОБЪЕКТА ПОСРЕДСТВОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ
METHOD, DEVICE AND SYSTEM FOR HEATING OF OBJECT BY ELECTROMAGNETIC INDUCTION

Область техники
Изобретение относится к способу и аппарату для нагревания объекта посредством электромагнитной индукции.
Уровень техники
Индукционный нагрев основан на применении переменного (изменяющегося) магнитного поля, индуцирующего внутри объекта вихревые токи, посредством которых происходит нагрев объекта. Переменное магнитное поле обычно обеспечивается установкой электромагнитов вокруг объекта, который нагревается при подаче на них переменного тока от генератора тока, работающего на частоте 50 Гц или выше.
В металлургической промышленности разработаны различные индукционные нагреватели для нагрева металлов в процессе их профилирования, формования и термообработки. Например, при экструдировании алюминия и меди металлические заготовки, весящие сотни килограммов, перед экструдированием нагревают до требуемой температуры, обычно используя индукционный нагрев. Однако часто объекты предварительно нагревают, например, в печи и только затем осуществляют нагрев посредством индукции.
Изменения магнитного поля, требующиеся для индукционного нагрева, могут быть реализованы не только путем настройки напряженности магнитного поля, но также изменением его направления относительно нагреваемого объекта. Это можно осуществить за счет движения либо магнитного поля, либо нагреваемого объекта. Оба эти варианта имеют свои недостатки. Если объекты крупные, их трудно перемещать, например вращать требуемым образом. Если же применяются электромагниты, на требуемых скоростях вращения трудно обеспечить удовлетворительную балансировку и подвод тока.
Соответственно одной из потенциальных альтернатив оказалось использование магнитов, вращающихся вокруг нагреваемого объекта, или, альтернативно, перемещение нагреваемого объекта в магнитном поле, например индуцированном посредством электромагнитов. Решения такого типа описаны в US 4761527.
Однако рассмотренному уровню техники присущи определенные недостатки, такие как сложность и неэффективность известных устройств. Как правило, эти устройства используют электромагниты, на которые необходимо подавать питание.
Кроме того, чтобы создать приводное усилие для перемещения магнитов вокруг нагреваемого объекта или объекта в магнитном поле электромагнитов, требуется электродвигатель или иной привод. Чтобы передать приводное усилие от двигателя на электромагниты и/или на объект, необходим дополнительный приводной механизм, который дополнительно усложняет устройство и, кроме того, является неэффективным и дорогостоящим. Далее, перемещение тяжелого и большого объекта (весящего, например, сотни килограммов) в магнитном поле так, чтобы объект, действительно, нагрелся за счет индукции, является весьма трудным и небезопасным. По меньшей мере необходимо установить вокруг тяжелого движущегося объекта массивные предохранительные средства.
Кроме того, путем вращения магнита вокруг нагреваемого объекта действительно можно нагреть его, по существу, до желательной температуры. Однако во многих вариантах недостаточно довольно равномерно нагреть объект до конкретной температуры. Например, металлическая, например алюминиевая, заготовка для экструзии должна быть нагрета таким образом, чтобы она имела специальное температурное распределение в продольном направлении, дающее при экструдировании однородный профиль. Другими словами, "головка" заготовки должна быть более горячей и пригодной для начала экструзии, тогда как ее концевая часть должна быть холоднее, чтобы она не была слишком сильно нагрета в процессе экструзии.
Раскрытие изобретения
Изобретение направлено на то, чтобы ослабить или устранить проблемы, свойственные известным устройствам. Конкретная задача, решаемая изобретением, состоит в том, чтобы упростить известные устройства для нагрева объектов посредством электромагнитной индукции и сделать эти устройства более эффективными и более безопасными.
Данная задача может быть решена использованием признаков, включенных в независимые пункты прилагаемой формулы.
Изобретение относится к аппарату, представляющему собой устройство для нагрева объекта посредством электромагнитной индукции. Изобретение относится также к способу для нагрева объекта посредством электромагнитной индукции.
Согласно изобретению аппарат для нагрева объекта посредством электромагнитной индукции содержит по меньшей мере один ротор, который содержит по меньшей мере один постоянный магнит. Ротор предпочтительно содержит множество постоянных магнитов, чтобы более эффективно обеспечивать создание индукции. Устройство содержит также статор для создания изменяющегося (переменного) магнитного поля, выполненный с возможностью взаимодействия по меньшей мере с одним магнитом ротора и приведения тем самым данного ротора во вращение. Изменяющееся магнитное поле может быть вращающимся или изменяющимся иным образом. Согласно одному варианту по меньшей мере один магнит ротора выполнен с возможностью создавать при вращении ротора изменяющееся (индуцирующее) магнитное поле и вихревые токи внутри объекта, так что объект нагревается посредством электромагнитной индукции, генерируемой этим изменяющимся магнитным полем, и вихревых токов, индуцированных по меньшей мере одним магнитом ротора.
При этом аппарат содержит также по меньшей мере один дополнительный ротор по меньшей мере с одним магнитом, используемый для нагрева по меньшей мере одного объекта посредством электромагнитной индукции.
Желательно, чтобы нагреваемый объект был по меньшей мере частично электропроводным, чтобы изменяющееся магнитное поле могло индуцировать в этом объекте вихревые токи. Объект предпочтительно является металлическим объектом, таким как алюминиевый или медный слиток.
Согласно варианту изобретения по меньшей мере один магнит ротора используется как для создания изменяющегося магнитного поля и вихревых токов внутри объекта, так и для взаимодействия с изменяющимся магнитным полем, создаваемым статором. Другими словами, одни и те же постоянные магниты ротора эффективно используются и для приведения во вращение ротора, и для нагрева объекта посредством генерируемой ими индукции.
Согласно другому варианту статор выполнен с возможностью перекрывать посредством электромагнитного поля и/или физически только сегмент поверхности ротора, а не всю эту поверхность. Преимущество такого решения состоит в возможности создания более компактного и простого устройства, поскольку нагреваемый объект можно поместить с той же стороны ротора, что и статор. Кроме того, один и тот же статор может быть использован для приведения во вращение нескольких роторов, что сделает индукционный нагрев намного более эффективным.
Согласно другому варианту ротор с магнитами помещен, по существу, между нагреваемым объектом и статором, благодаря чему статор может взаимодействовать со всей поверхностью ротора. Это позволит создать более эффективное устройство (с увеличенным крутящим или осевым моментом, позволяющим обеспечить более мощный нагрев).
В дополнение, согласно одному варианту устройство для индукционного нагрева согласно изобретению может быть снабжено средством детектирования качества балансировки, например, для определения качества балансировки вращающегося ротора. Данное средство может быть, например, аналогичным средствам, применяемым в машинах для балансировки колес. Соответственно оно может обеспечить индикацию сбалансированности и/или несбалансированности и даже определять вес и положение требуемого балансировочного груза.
Далее, в одном варианте устройство для индукционного нагрева по изобретению может быть снабжено детектором магнитного потока для детектирования, например, регулярности магнитного потока в процессе вращения ротора с магнитами. Данный детектор предпочтительно детектирует магнитный поток каждого магнита ротора в процессе его вращения. Анормальное поведение, например, в случае, если магнит будет размагничен, может быть обнаружено по величине тока, индуцированного в петле индуктивности (индуцированный ток теряет регулярность при возникновении любых проблем с магнитами). При этом обеспечивается индикация анормального поведения, обнаруженного в результате детектирования. Детектор магнитного потока может содержать, например, петлю индуктивности, в которой движущиеся вблизи нее магниты индуцируют соответствующий ток.
В другом варианте устройство для индукционного нагрева по изобретению может быть снабжено детектором расстояния для детектирования расстояния между ротором и нагреваемым объектом. Данный детектор может быть реализован, например, на базе средств испускания и приема лазерного излучения, возможно, способных отображать это расстояние или останавливать вращение ротора, если оно становится меньше порогового значения. В этой связи следует отметить, что расстояние между объектом и ротором в процессе нагрева объекта может уменьшиться вследствие теплового расширения.
В следующем варианте устройство для индукционного нагрева по изобретению может содержать охлаждающий компонент, выполненный с возможностью эффективного охлаждения ротора и/или статора, особенно в процессе функционирования. Охлаждающим компонентом может служить, например, ребро охлаждения или вентиляционный канал, или аналогичный компонент, известный специалистам.
Согласно способу индукционного нагрева по изобретению при нагреве, например, удлиненного металлического объекта одновременно могут осуществляться два процесса: постоянные магниты могут приводиться во вращение вокруг нагреваемого объекта, а объект и магниты могут перемещаться относительно друг друга вдоль продольной оси удлиненного объекта для создания в объекте желательного температурного распределения по его длине. В результате первый конец объекта может иметь температуру, отличную от температуры другого его конца. Это может быть желательным, например, в случае экструзии, когда передний конец объекта, как правило, должен быть горячее, чем его задний конец. Данное требование связано с тем, что в процессе экструзии объекта его температура повышается.
Хотя взаимное перемещение вращающихся магнитов и удлиненного объекта может быть осуществлено различными способами, желательно, чтобы магниты только вращались, а нагреваемый объект перемещался посредством приводных устройств, например, пересекая круг, описываемый вращающимися магнитами или другими источниками магнитного поля. Это перемещение может производиться с постоянной скоростью, так что нагрев объекта будет изотермическим. При ускоряющемся перемещении будет сильнее нагреваться головка объекта, а при замедляющемся перемещении - его концевая часть. Неравномерные температурные распределения возможны только при соответствующем варьировании скорости перемещения металлического объекта.
Способ по изобретению характеризуется также тем, что нагрев объекта посредством электромагнитной индукции осуществляют также с использованием по меньшей мере одного дополнительного ротора по меньшей мере с одним магнитом.
Магниты, вращающиеся вокруг нагреваемого объекта, могут создавать большой крутящий момент или другие силы, действующие на объект, так что объект должен быть прочно закреплен, если его нагрев производится посредством единственного вращающегося магнитного контура. Соответственно в предпочтительном варианте изобретения используются по меньшей мере два вращающихся контура, образованные постоянными магнитами, которые взаимно смещены на некоторое расстояние, например по длине нагреваемого объекта, и направления вращения которых являются различными, чтобы скомпенсировать крутящий момент или другие силы, действующие на объект. Целесообразно использовать, например, два или более схожих (или различающихся) магнитных контуров, вращающихся в противоположных направлениях с одинаковой или неодинаковой скоростью.
В контексте изобретения желательно, чтобы эффективная зона воздействия используемых магнитных контуров в продольном направлении нагреваемого металлического объекта была мала по сравнению с его длиной, не превышая, например, 20% этой длины. В результате магниты необязательно будут равномерно нагревать металлический объект, так что можно будет обеспечить варьирование температурного профиля, например, с более сильным нагревом в середине, чем на концах.
Вариант индукционного устройства для нагрева объекта снабжен центральным отверстием с образованием кольца, к которому прикреплены постоянные магниты. Устройство дополнительно содержит опорные средства для поддерживания объекта в отверстии таким образом, что он находится вне контура, т.е. не соприкасается с данным контуром и при этом расположен, по существу, параллельно оси вращения указанного кольца. Устройство содержит также средство перемещения для управляемого перемещения объекта вдоль отверстия с целью создания в металлическом объекте желательного продольного температурного распределения.
В качестве металлического нагреваемого объекта в устройстве по изобретению можно использовать, например, алюминиевую или медную заготовку в форме прутка или плоскую стальную заготовку из нержавеющей стали, которая нагревается до требуемой температуры, например перед ее экструдированием, с получением нужного профиля. В устройстве по изобретению, раскрытом в данном описании, можно нагревать и другие объекты, пригодные для нагрева посредством электромагнитной индукции. Чтобы быть пригодным для нагрева данным способом, объект предпочтительно должен содержать металлический или электропроводный материал, например углеволокно.
Рассматриваемые в данном описании постоянные магниты для устройства по изобретению согласно одному варианту предпочтительно содержат неодим (Nd), железо (Fe) и бор (В).
Способ и устройство согласно изобретению обладают существенными преимуществами перед уровнем техники. Во-первых, при изготовлении устройства достигается сокращение материальных затрат, поскольку магниты ротора используются как для приведения во вращение ротора в изменяющемся магнитном поле, генерируемом статором, так и для индуцирования вихревых токов в нагреваемом объекте. Кроме того, могут быть получены более простые устройства, поскольку для приведения во вращение магнитов и/или нагреваемого объекта с целью сгенерировать внутри него вихревые токи не требуются дополнительный двигатель или приводные средства. Далее, операционная эффективность индукционного нагрева в принципе существенно выше, чем, например, при нагреве объекта в печи, так что при нагреве объекта с самого начала в устройстве для индукционного нагрева может быть достигнута значительная экономия расходов.
Использование изобретения позволяет обеспечить индивидуальный, равномерный и точный нагрев до нужной температуры или желательное температурное распределение применительно к различным изделиям типа удлиненных металлических объектов.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение будет описано более подробно, со ссылками на конкретные варианты, проиллюстрированные прилагаемыми чертежами.
Фиг. 1 иллюстрирует принцип действия приведенного в качестве примера устройства для нагрева объекта посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения.
Фиг. 2 иллюстрирует пример устройства для нагрева объекта посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения.
Фиг. 3 иллюстрирует принцип действия другого примера устройства, имеющего два ротора, для нагрева объекта посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения.
Фиг. 4 иллюстрирует принцип действия еще одного примера устройства, имеющего два ротора, для нагрева по меньшей мере двух объектов посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения.
На фиг. 5 иллюстрируется принцип действия следующего примера устройства для нагрева объекта посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения.
На фиг. 6, 7 иллюстрируется указанный пример устройства для нагрева объекта посредством электромагнитной индукции согласно варианту изобретения.
Фиг. 8 иллюстрирует принцип действия примера устройства, имеющего два ротора, для нагрева объекта посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения.
На фиг. 9 иллюстрируется аппарат для нагрева объекта посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения.
Фиг. 10 иллюстрирует принцип использования непараллельных магнитных полей для нагрева объекта посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения.
Фиг. 11 иллюстрирует принцип действия приведенного в качестве примера устройства с двумя роторами для нагрева объекта посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения.
На фиг. 12А иллюстрируется принцип действия приведенного в качестве примера устройства с двумя непараллельными роторами для нагрева объекта посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения.
На фиг. 12В иллюстрируется принцип действия другого варианта устройства с двумя непараллельными роторами для нагрева объекта посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения.
Фиг. 13 иллюстрирует пример ротора для нагрева объекта посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения.
Фиг. 14 иллюстрирует вариант устройства с центральным отверстием для нагрева объекта посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения.
На фиг. 15 иллюстрируется вариант устройства с двумя роторами, имеющими центральное отверстие, для нагрева объекта посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения.
Фиг. 16 иллюстрирует другой пример устройства с центральным отверстием для нагрева объекта посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения.
Фиг. 17 иллюстрирует пример устройства с дополнительным ротором для нагрева объекта посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения.
Фиг. 18 иллюстрирует пример системы питания для снабжения электроэнергией средств индукционного нагрева согласно предпочтительному варианту изобретения.
Фиг. 19 иллюстрирует пример аппарата с устройством для индукционного нагрева объекта посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения.
На фиг. 20 иллюстрируется пример корпуса аппарата с устройством для индукционного нагрева объекта посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 иллюстрируется принцип приведенного в качестве примера устройства 100 для нагрева объекта 10 посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения. Устройство 100 предпочтительно содержит ротор 101 с множеством постоянных магнитов 103 и статор 102 для создания изменяющегося магнитного поля. Магнитное поле, создаваемое статором 102, способно взаимодействовать по меньшей мере с одним магнитом 103 ротора 101 и тем самым приводить ротор 101 во вращение вокруг своей оси 104.
По меньшей мере один магнит 103 ротора 101 выполнен с возможностью создавать при вращении ротора 101 внутри объекта 10 изменяющееся магнитное поле и вихревые токи, так что объект нагревается посредством электромагнитной индукции, генерируемой изменяющимся магнитным полем, и вихревыми токами. Согласно предпочтительному варианту изобретения магнит 103 ротора 101 для создания изменяющегося магнитного поля и вихревых токов внутри объекта 10 является одновременно и магнитом, взаимодействующим с изменяющимся магнитным полем, создаваемым статором 102 и приводящим ротор 101 во вращение.
Таким образом, конструктивно очень простое устройство 100 для индукционного нагрева может быть создано, если один и тот же магнит 103 используется как для приведения ротора во вращение, так и для индуцирования в объекте переменных вихревых токов. Так, не потребуется дополнительных приводных средств (например ременной передачи или приводного вала) для вращения ротора, что, несомненно, является преимуществом.
Фиг. 2 иллюстрирует устройство 100 для нагрева объекта 10 посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения. В этом варианте статор 102 и ротор 101 заключены в корпус 110, который может быть металлическим. При этом важно выполнить корпус так, чтобы он не вносил возмущений в магнитное поле, индуцированное магнитами ротора 101, особенно в направлении объекта 10, т.е. в магнитные поля, которые используются для индукционного нагрева объекта. Корпус 110 может содержать охлаждающий компонент 107, такой как ребра охлаждения, радиатор или иное известное специалистам охлаждающее средство (например, вентиляционный канал), пригодное для охлаждения ротора и/или статора.
На фиг. 3 иллюстрируется принцип действия другой модификации устройства 100, имеющей два ротора 101а, 101b, для нагрева объекта 10 посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения. Устройство 100 по фиг. 3 содержит отдельный статор 102а, 102b для каждого ротора 101а, 101b. Устройство, содержащее два ротора с множеством постоянных магнитов, индуцирует в объекте значительно более сильные вихревые токи, так что объект нагревается более эффективно, чем при использовании одного ротора или меньшего количества магнитов.
Следует отметить, что устройство 100 можно модифицировать так, чтобы для приведения во вращение обоих роторов 101а, 101b оно содержало только один статор (например, статор 102а). При этом первый ротор (например, ротор 101а) приводится во вращение изменяющимся магнитным полем, создаваемым первым статором (например, статором 102а), тогда как усилие для вращения второго ротора (например, ротора 101b) обеспечивается приводным механизмом, например с применением ременной передачи. Приводной механизм предпочтительно передает вращательное усилие от первого ротора 101а, приводимого во вращение посредством изменяющегося магнитного поля, индуцированного первым статором 102а.
Следует также отметить, что по меньшей мере один дополнительный ротор 101а может быть выполнен с возможностью вращения в направлении, отличном от направления вращения по меньшей мере другого ротора 101b устройства 100, чтобы скомпенсировать силы, индуцируемые в объекте, как это будет описано далее.
Фиг. 4 иллюстрирует принцип действия другой модификации устройства 100 с двумя роторами 101а, 101b для нагрева по меньшей мере двух объектов 10а, 10b посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения.
В устройстве 100, проиллюстрированном на фиг. 1-4, ротор 101 с магнитами 103 и статор 102 размещены таким образом, что при нагреве объекта 10 ротор 101 с магнитами 103 находится, по существу, между нагреваемым объектом 10 и статором 102. Объект может приводиться во вращение в направлении 105 вокруг своей продольной оси, так что нагрев будет распределяться более равномерно, особенно по поверхности объекта. В дополнение, объект можно перемещать в осевом направлении 106 (т.е. вдоль своей продольной оси), чтобы получить нужное распределение температур между его концами (как это будет описано далее). Такое выполнение применимо и к вариантам устройства, проиллюстрированным на других чертежах, даже если это специально не упоминается.
На фиг. 5, 6 и 7 иллюстрируется устройство 200 для нагрева объекта 10 посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения. Устройство 200 также содержит статор 102 и ротор 101 с постоянными магнитами 103, 103а, 103b, но взаимное положение статора 102 и ротора 101 отличается от их взаимного положения в устройстве 100. В устройстве 200 статор 102 установлен так, что он находится с той же стороны ротора 101, что и нагреваемый объект 10 (при рассмотрении вдоль оси 104). Это обеспечивает дополнительное преимущество: устройство 200 может быть сделано более компактным, чем устройство 100.
Чтобы обеспечить достаточное пространство для нагреваемого объекта 10, статор выполнен с возможностью перекрывать посредством электромагнитного поля и/или физически только сегмент поверхности ротора. При рассмотрении вдоль оси 104 сегмент поверхности роторов, перекрытый статором, меньше полной поверхности ротора, обращенной к статору. Особенно наглядно это показано на фиг. 6 и 7.
Из фиг. 6 видно также, что магнитное поле, генерируемое статором 102, необязательно является вращающимся магнитным полем, а может изменяться каким-то иным образом. Однако магнитное поле должно изменяться так, чтобы вызвать вращение ротора 101 вокруг своей оси 104, несмотря на то, что статор не является полным кольцом, а перекрывает только часть поверхности ротора. Кроме того, желательно, чтобы статор и ротор 101 находились по меньшей мере частично внутри корпуса 202.
Устройство 200 предпочтительно содержит также средство 201 для закорачивания магнитного контура, образованного магнитами 103, 103а, 103b ротора 101 (см., например, фиг. 5 и фиг. 8) на стороне, противоположной стороне, обращенной к статору 102 (при рассмотрении вдоль оси 104). Данное средство 201 предпочтительно содержит магнитомягкий материал, такой как железо (Fe) или магнитная сталь. Преимущество использования средства 201 для создания короткозамкнутого контура состоит в том, что оно усиливает магнитное поле, создаваемое магнитами 103 в объекте 10, повышая эффективность индуцирования, посредством магнитного поля, вихревых токов внутри объекта 10. Кроме того, средство 201 укрепляет механическую конструкцию ротора 101.
На фиг. 8 иллюстрируется принцип действия устройства 300, содержащего два ротора 101а, 101b с магнитами 103а, 103b для нагрева объекта 10 посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения. Устройство 300 сходно с устройством 200, представленным на фиг. 5-7, но содержит только один статор 102, который служит для приведения во вращение обоих роторов 101а, 101b. Это возможно, поскольку статор 102 установлен между роторами 101а, 101b, как это показано на фиг. 8. Вариант по фиг. 8 обладает дополнительными преимуществами: устройство 300 может быть выполнено еще более компактным и эффективным.
На фиг. 9 иллюстрируется аппарат 400 для нагрева объекта 10 посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения. Аппарат содержит раму 401, несущую ротор (роторы) 101 и статор (статоры) 102 устройства для индукционного нагрева, проиллюстрированные на других чертежах. В качестве опор для оси 104 могут быть использованы, например, шаровые опоры.
Фиг. 10 иллюстрирует принцип использования непараллельных магнитных полей, индуцируемых роторами 101а, 101b, для нагрева объектов 10а, 10b посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения. Непараллельные магнитные поля могут быть сформированы, например, с помощью конического ротора (конических роторов) 101а, 101b или двух или более роторов, установленных под углом друг к другу (как это показано на фиг. 12 и 13). При этом достигается дополнительное преимущество: можно эффективно нагревать объекты 10а, 10b различных размеров, поскольку их можно расположить в непосредственной близости от ротора (роторов).
На фиг. 11 иллюстрируется принцип действия приведенного в качестве примера устройства с двумя роторами 101а, 101b для нагрева объекта посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения. Для приведения обоих роторов 101а, 101b во вращение используется один статор 102. Согласно варианту по фиг. 11 роторы вращаются вокруг различных осей. Кроме того, если статор 102 и роторы 101а, 101b расположены так, как показано на фиг. 11, роторы 101а, 101b вращаются в различных направлениях, по часовой и против часовой стрелки соответственно, обеспечивая дополнительную компенсацию сил, индуцируемых в объекте.
На фиг. 12А иллюстрируется принцип действия приведенного в качестве примера устройства 500 с двумя непараллельными роторами 101а, 101b для нагрева объекта 10 посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения. Достоинством устройства является наличие только одного статора 102 для приведения во вращение роторов 101а, 101b. Достоинствами устройства 500 являются также компактность и возможность эффективно нагревать несколько объектов различных размеров.
На фиг. 12В иллюстрируется принцип другого устройства 600 с двумя непараллельными роторами 101а, 101b для нагрева по меньшей мере одного объекта 10а (10b) посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения. Устройство 600 предпочтительно содержит отдельный статор 102а, 102b для каждого ротора 101а, 101b. Такое выполнение желательно, когда требуется высокая мощность и/или большой крутящий момент или когда каждый ротор 101а, 101b должен по каким-то причинам приводиться во вращение независимо от другого ротора. Кроме того, если роторы 101а, 101b непараллельны, устройство позволяет нагревать объекты 10а, 10b с различными диаметрами.
Фиг. 13 иллюстрирует пример ротора 101 и устройство 650 для нагрева объекта посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения. Ротор 101 содержит по меньшей мере один, но предпочтительно множество постоянных магнитов 103 с обеспечением создания изменяющегося магнитного поля и вихревых токов внутри нагреваемого объекта 10, когда ротор вращается в непосредственной близости от объекта, так что объект 10 нагревается посредством электромагнитной индукции, генерируемой данным изменяющимся магнитным полем, и вихревыми токами.
Согласно предпочтительному варианту изобретения по меньшей мере один постоянный магнит 103 ротора 101 выполнен с возможностью взаимодействовать с изменяющимся магнитным полем, создаваемым статором, таким образом, чтобы привести ротор во вращение. При этом согласно предпочтительному варианту изобретения указанный по меньшей мере один магнит ротора выполнен с возможностью создавать изменяющееся магнитное поле и вихревые токи внутри объекта, когда ротор вращается под действием изменяющегося магнитного поля, созданного статором. В результате объект нагревается посредством электромагнитной индукции, генерируемой изменяющимся магнитным полем, и вихревыми токами.
Однако согласно представленному на фиг. 13 примеру изобретения ротор 101 может также приводиться во вращение двигателем (мотором) 651, непосредственно или через приводное средство 901, такое как вал или ременная (зубчатая) передача, передающее усилие от двигателя 651. Следует отметить, что устройство 650 может содержать несколько роторов 101, приводимых во вращение, например, от общего двигателя 651.
Фиг. 14 иллюстрирует устройство 700 с центральным отверстием 701 для нагрева объекта 10 посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения. В устройстве 700 ротор 101 установлен с возможностью вращения вокруг оси, общей для статора 102 и ротора 101. Эта ось предпочтительно является полой, т.е. снабженной центральным отверстием 701, рассчитанным на прием по меньшей мере части нагреваемого объекта 10.
В устройстве 700 к ротору 101 предпочтительно прикреплены постоянные магниты 103а, 103b. Следует, однако, отметить, что в устройстве 700 ротор 101 может быть выполнен "удлиненным" (т.е. по меньшей мере частично выступающим за пределы изменяющегося магнитного поля, генерируемого статором), причем по меньшей мере часть магнитов 103а используется для приведения ротора во вращение, а по меньшей мере часть магнитов 103b для индуцирования вихревых токов внутри нагреваемого объекта 10. При этом центральное отверстие 701 выполнено и в статоре, и в роторе устройства 700.
Устройство 700 предпочтительно содержит также опорные средства (блоки) 702 для поддерживания объекта 10 в отверстии 701 таким образом, что он находится вне контура, т.е. не соприкасается с данным контуром или с ротором, или с его магнитами, и при этом расположен, по существу, параллельно оси вращения. Устройство 700 может содержать также средство 703 перемещения для управляемого перемещения объекта 10 вдоль отверстия 701 с целью создания в объекте 10 желательного продольного температурного распределения. Это же средство может быть также использовано для вращения нагреваемого объекта 10 вокруг его продольной оси, чтобы обеспечить равномерное температурное распределение в радиальном направлении и по поверхности объекта.
Согласно варианту изобретения функции блоков 702 состоят как в поддерживании нагреваемого объекта 10, так и в его перемещении вдоль центрального отверстия 701 в магнитном контуре, вращающемся вокруг него. В одном варианте опорные блоки 702 содержат держатели 704, закрепляемые на концах нагреваемого объекта 10, так что объект поддерживается на обоих своих концах. Поддерживание держателями 704 в данном контексте означает не только обеспечение опоры для объекта, но и его жесткую фиксацию с предотвращением кручения или проворачивания, так что при вращении магнитного контура объект не может вращаться или скручиваться.
В другом варианте опорные блоки 702 содержат скобу или держатель, которые крепятся только к тому концу нагреваемого объекта, под действием на который объект перемещается в магнитном контуре.
Средство 703 перемещения предпочтительно содержит источник мощности и подключенный к нему соответствующий блок управления, обеспечивающий управляемое перемещение объекта, например движение в магнитном поле вдоль отверстия с постоянной или изменяющейся скоростью. Согласно варианту движение объекта может производиться только однократно и в одном направлении или вперед и назад, или несколько раз вперед и назад. В дополнение, может осуществляться вращение нагреваемого объекта вокруг его продольной оси.
Магнитный контур из магнитов 103а, 103b, вращающийся вокруг объекта 10, как правило, индуцирует в объекте большой крутящий момент, так что возможно скручивание нагреваемого объекта. Поэтому устройство 700 предпочтительно имеет по меньшей мере два соосных ротора 101а, 101b, установленных с возможностью вращения и снабженных центральным отверстием и постоянным магнитным контуром, как это показано на фиг. 15. Вращение магнитных контуров 103а, 103b в противоположных направлениях (с одинаковой скоростью или с различными скоростями) позволяет устранить крутящий момент или другие силы, создаваемые в нагреваемом объекте 10, например, в результате индукции.
Фиг. 16 иллюстрирует устройство 800 с центральным отверстием 701 (в типичном случае заполненным воздухом) для нагрева объекта 10 посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения. Объект 10 может быть введен в отверстие 701, так что ротор 101 с постоянными магнитами 103а, 103b будет вращаться вокруг объекта. Статор 102, служащий для приведения ротора 101 во вращение посредством изменяющегося магнитного поля, расположен вокруг ротора, так что изменяющееся магнитное поле, индуцируемое статором 102, взаимодействует с постоянными магнитами 103а, 103b ротора с приведением его во вращение. Следует отметить, что центральная ось нагреваемого объекта может не совпадать с центральной осью ротора или статора. Следует также отметить, что согласно варианту изобретения можно модифицировать обычный электродвигатель (например, двухполюсный) путем замены его ротора ротором 101 согласно изобретению, предпочтительно с центральной частью, снабженной отверстием 701. При этом постоянные магниты 103а, 103b ротора 101 предпочтительно служат как для приведения ротора во вращение (посредством взаимодействия с изменяющимся магнитным полем, создаваемым статором 102), так и для индуцирования вихревых токов внутри нагреваемого объекта 10.
На фиг. 17 иллюстрируется устройство 900 с дополнительным ротором 101b для нагрева объекта 10 посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения. Устройство 900 предпочтительно содержит только один статор 102а для приведения ротора 101 а во вращение с целью нагрева объекта 10а, как это было описано выше. Устройство 900 предпочтительно содержит также дополнительный ротор 101b с постоянными магнитами 103 для нагрева другого объекта 10b, как это было описано выше. При этом вращательное усилие для вращения второго ротора 101b передается через приводное средство 901, например такое, как ременная передача. Приводное средство предпочтительно передает вращательное усилие от первого ротора 101а, который приводится во вращение посредством изменяющегося магнитного поля, индуцированного статором 102. Ротор 101b может иметь центральное отверстие, в которое может устанавливаться нагреваемый объект 10b (как это показано на фиг. 15 и 16); альтернативно, ротор может быть выполнен в одном из других описанных вариантов (например, представленном на фиг. 9).
На фиг. 18 иллюстрируется пример системы 1000 питания для снабжения электроэнергией средств индукционного нагрева, например статора 102, согласно предпочтительному варианту изобретения. Средства индукционного нагрева предпочтительно содержат, в дополнение к статору 102, по меньшей мере один ротор, причем вращательное усилие для вращения данного ротора создается статором, например, как это было описано выше. Более конкретно, вращение ротора предпочтительно индуцируется изменяющимся магнитным полем, создаваемым статором, причем для осуществления индукционного нагрева объекта ротор приводит во вращение по меньшей мере один магнит.
Система 1000 питания содержит привод переменной частоты (ППЧ) и/или стартер прямого действия (или софт-стартер) 1001 для осуществления пуска и разгона ротора посредством изменяющегося магнитного поля, создаваемого статором. Ротор (или, в некоторых вариантах, роторы) с магнитами может (могут) весить десятки или даже сотни килограммов и иметь большой момент инерции. Поэтому более эффективно сначала ускорить вращение ротора с магнитами и лишь затем (когда он начнет вращаться с требуемой скоростью) ввести нагреваемый объект в магнитные поля ротора (роторов), индуцирующие вихревые токи в нагреваемом объекте.
Такое выполнение имеет то преимущество, что позволяет накопить вращательную энергию в форме момента количества движения ротора (роторов) до введения нагреваемого объекта, которое приведет к возникновению в роторе (роторах) обратного усилия. Если устройство запускается и разгоняется в отсутствие объекта, при подведении объекта к магнитам потребуется дополнительно подать только минимальную мощность. Следует также отметить, что номинальная мощность, потребляемая приводом переменной частоты и/или указанным стартером 1001, составляет только долю (в типичном случае только 10-15%) максимальной мощности, потребляемой в процессе функционирования устройством для индукционного нагрева согласно изобретению.
Система 1000 питания предпочтительно содержит также переключатель 1002 для подключения статора 102 к электрической сети 1003 (работающей на частоте 50-60 Гц) предпочтительно после разгона ротора, но до введения нагреваемого объекта в изменяющееся магнитное поле и начала индукционного нагрева, обеспечиваемого по меньшей мере одним магнитом, приводимым во вращение посредством ротора. За счет использования подходящего переключателя 1002 может быть достигнут более высокий коэффициент эффективности устройства, поскольку привод переменной частоты потребляет около 2% суммарной мощности.
Когда объект вводится в магнитное поле, генерируемое вращающимися магнитами, крутящий момент, нагрузка и, следовательно, потребляемая мощность возрастают, так что мощность целесообразно отбирать непосредственно от сети. Вариант, использующий систему 1000 питания, позволяет создать более мощное и эффективное устройство для индукционного нагрева.
Например, если устройство для индукционного нагрева мощностью 500 кВт приводится в действие мотором (или статором) мощностью 500 кВт (составляющим половину общей стоимости X) и ППЧ мощностью 500 кВт, имеющим такую же стоимость, как и мотор (равную половине общей стоимости), общую стоимость системы мотор + ППЧ можно приближенно записать, как 0,5Х+0,5Х=X.
Другая опция запуска и обеспечения функционирования двигателя состоит согласно изобретению в применении стартера прямого действия (софт-стартера) мощностью 500 кВт со стоимостью, составляющей около 40% стоимости ППЧ (0,4×0,5Х=0,2Х), так что общая стоимость системы составит примерно 0,5Х+0,2Х=0,7Х (т.е. стоимость этого варианта на 30% ниже стоимости мотора + ППЧ).
При использовании варианта изобретения по фиг. 18 можно использовать стартер мощностью только 50 кВт (стоимость которого составит 0,02Х) и дополнительно отдельный переключатель (реле, контактор и т.д.), способный переключать мощность порядка 500 кВт (и стоящий около 0,05Х). В результате общая стоимость силового оборудования для этого варианта составит примерно 0,5Х+0,02Х+0,05Х=0,57Х, т.е. эта стоимость будет примерно на 43% меньше стоимости первого рассмотренного варианта.
Очевидно также, что система 1000 питания согласно изобретению обеспечивает, кроме того, огромную экономию затрат на электроэнергию.
Фиг. 19 иллюстрирует пример аппарата 1100 с устройством для индукционного нагрева объекта 10 посредством электромагнитной индукции согласно предпочтительному варианту изобретения. Рама аппарата несет роторы 101а, 101b и статор (статоры) 102 устройства для индукционного нагрева, проиллюстрированные на других чертежах. В качестве опор для оси 104 могут быть использованы, например, шаровые опоры. Аппарат 1100 близок к аппарату 400 по фиг. 9.
Аппарат 1100 (как и аппарат 400 по фиг. 9) может быть снабжен корпусом 1200, представленным на фиг. 20. Корпус эффективно защищает пользователей как от физических повреждений, так и от действия магнитных полей, генерируемых устройством для индукционного нагрева. Кроме того, он обеспечивает защиту помещенного в него устройства для индукционного нагрева, например устранение опасности того, что в непосредственной близости от устройства для индукционного нагрева окажутся какие-либо нежелательные объекты.
Согласно варианту изобретения устройство или аппарат с этим устройством содержит магнитный фильтр 1201, установленный вблизи устройства для индукционного нагрева (например, у отверстия 1202, через которое нагреваемый объект 10 вводится в индуцированное магнитное поле). Данный фильтр позволяет захватывать под действием магнитных сил, по существу, любые свободные частицы, находящиеся вблизи устройства или отверстия 1202, чтобы предотвратить контакт таких частиц со статором, ротором и/или особенно с магнитами ротора.
Согласно варианту изобретения устройство может содержать также средство 1101 детектирования качества балансировки ротора при его вращении и средство для индикации сбалансированности и/или несбалансированности. Данное средство может быть связано с осью 104, вокруг которой вращается ротор.
Согласно варианту изобретения устройство может дополнительно содержать детектор 1102 магнитного потока каждого из магнитов вращающегося ротора. Этот детектор 1102 может представлять собой, например, петлю индуктивности. Устройство может содержать также средство индикации обнаружения с помощью указанного детектора анормального поведения.
Кроме того, в варианте изобретения устройство может содержать детектор 1103 расстояния между роторами 101а, 101b и нагреваемым объектом 10.
Изобретение описано со ссылками на представленные варианты, причем отмечено несколько преимуществ изобретения. Понятно, что изобретение не ограничивается этими вариантами, а охватывает все возможные варианты, не выходящие за пределы изобретательского замысла и формулы изобретения.