УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА
DEVICE AND METHOD FOR INDUCTIVE HEATING

Область техники
Настоящее изобретение относится к устройству и способу индукционного нагрева.
Уровень техники
При изготовлении стальных пластин и т.п. нагрев стальной пластины выполняют в различных устройствах, например в отжиговой печи, печи для сплавления при плакировании, а также при сушке стальной пластины с нанесенным покрытием. В качестве способа нагрева стальной пластины для примера можно привести газовый нагрев, трансиндукционный нагрев и т.п. Например, газовый нагрев часто применяется в отжиговой печи, а трансиндукционный нагрев, который можно использовать для нагрева перед плакированием, применяется, главным образом, в печи для сплавления при плакировании, при сушке стальной пластины с нанесенным покрытием и т.п.
При этом способы индукционного нагрева, в общем, можно разделить на два типа: соленоидная система (нагрев с использованием магнитного потока в осевом направлении) и поперечная система (нагрев с использованием магнитного потока в поперечном направлении) или тому подобное. При нагреве с использованием соленоидной системы стальную пластину нагревают, подвергая ее воздействию магнитного потока, проходящего в продольном направлении этой пластины. При нагреве с использованием поперечной системы стальную пластину нагревают, подвергая ее воздействию магнитного потока, проходящего через стальную пластину. Способ индукционного нагрева с использованием поперечной системы обычно применяют для нагрева немагнитного материала, а для нагрева стальных пластин применяют, главным образом, способ индукционного нагрева с использованием соленоидной системы. В качестве способа индукционного нагрева с использованием соленоидной системы можно привести, например, известные способы, описанные в Патентных документах 1 и 2.
В способе индукционного нагрева согласно Патентному документу 1 устанавливают соединенные последовательно электрические конденсаторы переменной емкости для нагревательных катушек, используемых при индукционном нагреве, чтобы выровнять величину электрического тока, протекающего через соответствующие нагревательные катушки. Однако при использовании такого способа, если на нагревательные катушки подается переменное напряжение, имеющее высокую частоту, например, составляющую 50 кГц или около этого, емкостное сопротивление соединенных последовательно электрических конденсаторов переменной емкости уменьшается, в результате чего для адекватного управления величиной электрического тока требуются подобные конденсаторы большей емкости. В то же время, при нагреве стальной пластины до высоких температур, например, близких к температуре Кюри, либо при увеличении скорости нагрева необходимо, например, пропускать через нагревательные катушки большой ток, увеличивать частоту подаваемого напряжения и т.п. Однако при использовании способа индукционного нагрева, предлагаемого в Патентном документе 1, по указанной выше причине невозможно подавать высокочастотное напряжение, соответственно, необходимо увеличивать ток. Трудно создать устройство, в целом рассчитанное на большой ток, поэтому, например, возникают трудности при нагреве стальной пластины до высоких температур и т.д.
В то же время, при использовании способа индукционного нагрева, предлагаемого в Патентном документе 2, в продольном направлении стальной пластины устанавливают две или более одновитковых катушки, при этом напряженность магнитного поля нагревательной катушки, расположенной на последней ступени, задают равной от 1 до 10 значений напряженности магнитного поля нагревательной катушки, расположенной на первой ступени. Согласно способу индукционного нагрева, предлагаемому в Патентном документе 2, можно нагревать стальную пластину до высоких температур, близких к температуре Кюри, и уменьшать снижение скорости нагрева вблизи температуры Кюри. Отметим, что снижение скорости нагрева уменьшают в способе индукционного нагрева, предлагаемом в Патентном документе 2, так как снижение скорости при нагреве стальной пластины вносит неопределенность в характер кристаллизации, управление границей раздела и т.п., что затрудняет получение оптимального качества. Однако при использовании способа индукционного нагрева, предлагаемого в Патентном документ 2, между соответствующими нагревательными катушками и источником питания устанавливают переменные резисторы, и значения сопротивления переменных резисторов изменяют, чтобы управлять напряженностью магнитного поля каждой из нагревательных катушек. Поэтому, в соответствии со способом индукционного нагрева, предлагаемым в Патентном документе 2, в переменных резисторах генерируется Джоулева теплота, что вызывает большие потери энергии (потери на выделение теплоты). Таким образом, хотя это может быть приемлемым для случая протекания небольшого тока, так как при нагреве стальной пластины протекает большой ток, например 4500 А, такие потери энергии становятся значительными, и в соответствии с потерями энергии необходимо дополнительно пропускать через нагревательные катушки большой ток и, кроме того, требуется улучшать эффективность использования энергии. Помимо этого, при использовании способа индукционного нагрева, предлагаемого в Патентном документе 2, трудно сохранить постоянной скорость нагрева, так как магнитодвижущую силу нагревательной катушки можно регулировать только за счет значения сопротивления переменного резистора и частоты тока, протекающего через эту катушку, и необходим способ индукционного нагрева, позволяющий дополнительно уменьшить снижение скорости нагрева.
Кроме того, при использовании другого способа, например способа управления окончательной температурой нагрева для управления скоростью нагрева и способа регулирования скорости нагрева, выполняется только управление окончательной скоростью нагрева и средним значением скорости нагрева. В то же время, в ходе обычного процесса легирования стальной пластины, прошедшей гальванизацию путем окунания в расплав, когда нагревательная печь для нагрева при легировании имеет большую длину, составляющую, например, около 5-10 м, и при использовании способа нагрева с управлением средним значением, как описано выше, трудно сохранить скорость нагрева, пока температура в ванне для нанесения покрытия не достигнет постоянной окончательной температуры нагрева, и не только при высоких температурах, близких к температуре Кюри. Скорость нагрева важно сохранить постоянной, чтобы строго контролировать структуру сплава, и по этой причине также необходим способ индукционного нагрева, позволяющий сохранить эту скорость постоянной.
Патентный документ 1: Выложенная заявка на японский патент № 2003-243137;
Патентный документ 2: Выложенная заявка на японский патент № 2005-206906;
Патентный документ 3: Выложенная заявка на японский патент № 2001-21270;
Патентный документ 4: Выложенная заявка на японский патент № Н11-257850.
Сущность изобретения
Таким образом, настоящее изобретение создано с учетом указанных выше проблем.
Задачей настоящего изобретения является уменьшение в устройстве индукционного нагрева и способе индукционного нагрева соленоидной системы, изменения скорости нагрева при нагреве стальной пластины с одновременным улучшением эффективности использования энергии.
Для решения поставленной задачи согласно одному из аспектов настоящего изобретения предлагается устройство для индукционного нагрева, которое обеспечивает непрерывный нагрев стальной пластины с использованием соленоидной системы, указанное устройство включает: по меньшей мере, три нагревательных катушки, установленных в продольном направлении стальной пластины так, чтобы эта стальная пластина перемещалась внутри катушек, и регуляторы индуктивности, установленные на токопроводах, электрически соединяющих каждую из нагревательных катушек с источником питания, подающим напряжение на каждую из нагревательных катушек, и выполненные с возможностью генерирования самоиндукции и регулирования собственной индуктивности при самоиндукции, причем регулятор индуктивности обеспечен для каждой из нагревательных катушек, при этом каждый из регуляторов индуктивности установлен так, чтобы вызывать взаимную индукцию, по меньшей мере, между смежными регуляторами индуктивности.
Отметим, что число нагревательных катушек означает число нагревательных катушек, которые установлены параллельно на линии, идущей от одного источника питания.
При такой конструкции плотности нагрева стальной пластины, обеспечиваемые смежными нагревательными катушками, могут перекрываться. Путем регулирования собственной индуктивности регуляторов индуктивности можно регулировать напряжение, подаваемое, по меньшей мере, на три нагревательных катушки. Кроме того, при использовании взаимной индукции смежных регуляторов индуктивности можно обеспечить синергетическое увеличение эффекта регулирования индуктивности.
Кроме того, также можно регулировать собственную индуктивность, возникающую в каждом из регуляторов индуктивности, установленных для нагревательной катушки, расположенной на первой ступени, и нагревательной катушки, расположенной на последней ступени в продольном направлении стальной пластины, таким образом, чтобы эта собственная индуктивность была меньше собственной индуктивности, генерируемой в регуляторе индуктивности для нагревательной катушки, установленной между упомянутыми нагревательными катушками, расположенными на первой ступени и последней ступени.
Кроме того, также возможно, чтобы расстояние между смежными нагревательными катушками составляло не менее 1/10 и не более 1/3 от внутреннего диаметра нагревательной катушки в направлении по высоте, каждый из регуляторов индуктивности образует обходные линии в направлении, перпендикулярном токопроводу, и расстояние между смежными регуляторами индуктивности составляло от 50 до 500 мм.
Кроме того, также возможно, чтобы каждый из регуляторов индуктивности генерировал самоиндукцию путем обхода токопровода, на котором установлен каждый из регуляторов индуктивности, по существу, в форме катушки, и регулировал собственную индуктивность при самоиндукции путем изменения площади поперечного сечения в области, окруженной обходными линиями, по существу, в форме катушки и представляющих собой обходной токопровод.
Кроме того, также возможно, чтобы каждый из токопроводов, соединяющих каждую из нагревательных катушек и источник питания, был образован парой входных/выходных выводов, идущих на большое расстояние от каждой из нагревательных катушек, регулятор индуктивности был образован путем обхода пары входных/выходных выводов, чтобы отделить один из пары входных/выходных выводов от другого вывода и изменить площадь поперечного сечения области, окруженной обходными линиями, путем изменения расстояния между одним из пары входных/выходных выводов и другим выводом в обходных линиях.
Кроме того, также возможно, чтобы расстояние между каждой из нагревательных катушек и каждым из регуляторов индуктивности, соединенных с каждой из этих катушек, составляло от 500 до 2000 мм.
Кроме того, также возможно, чтобы каждая из нагревательных катушек представляла собой одновитковую катушку или двухвитковую катушку.
Кроме того, чтобы устранить указанные выше проблемы, согласно другому аспекту настоящего изобретения, предлагается способ индукционного нагрева для непрерывного нагрева стальной пластины с использованием соленоидной системы, и этот способ включает следующие этапы: устанавливают, по меньшей мере, три нагревательных катушки в продольном направлении стальной пластины таким образом, чтобы стальная пластина перемещалась внутри катушек; устанавливают для соответствующих катушек регуляторы индуктивности, выполненные с возможностью генерирования самоиндукции и регулирования собственной индуктивности при самоиндукции, на токопроводах, соединяющих каждую из нагревательных катушек и источник питания, который подает напряжение на каждую из катушек по отношению к соответствующим катушкам, чтобы обеспечить генерирование взаимной индукции, по меньшей мере, между смежными регуляторами индуктивности; и регулируют собственную индуктивность, генерируемую каждым из регуляторов индуктивности, установленных для нагревательной катушки, расположенной на первой ступени, и нагревательной катушки, расположенной на последней ступени, в продольном направлении стальной пластины, так, чтобы эта собственная индуктивность была меньше собственной индуктивности, генерируемой в регуляторе индуктивности для нагревательной катушки, установленной между упомянутыми нагревательными катушками, расположенными на первой ступени и последней ступени.
Кроме того, также возможно, чтобы расстояние между смежными нагревательными катушками составляло не менее 1/10 и не более 1/3 от внутреннего диаметра нагревательной катушки в направлении по высоте, и каждый из регуляторов индуктивности образовывал обходные линии в направлении, перпендикулярном токопроводу, и расстояние между соседними регуляторами индуктивности составляло от 50 до 500 мм.
Кроме того, также возможно, что каждый из регуляторов индуктивности генерирует самоиндукцию путем обхода токопровода, на котором размещен каждый из регуляторов индуктивности, по существу, в форме катушки, и регулирует собственную индуктивность при самоиндукции путем изменения площади поперечного сечения области, окруженной обходными линиями, по существу, в форме катушки, и представляющих собой обходной токопровод.
Кроме того, также возможно, чтобы каждый из токопроводов, соединяющих каждую из нагревательных катушек и источник питания, был образован парой входных/выходных выводов, идущих на большое расстояние от каждой из нагревательных катушек, при этом регулятор индуктивности был образован путем обхода пары входных/выходных выводов, чтобы отделить один из пары входных/выходных выводов от другого вывода и изменить площадь поперечного сечения области, окруженной обходными линиями, путем изменения расстояния между одним из пары входных/выходных выводов и другим выводом в обходных линиях.
Кроме того, также возможно, чтобы расстояние между каждой из нагревательных катушек и каждым из регуляторов индуктивности, соединенных с каждой из этих катушек, составляло от 500 до 2000 мм.
Кроме того, также возможно, чтобы каждая из нагревательных катушек представляла собой одновитковую катушку или двухвитковую катушку.
Краткое описание чертежей
Далее предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения будут описаны подробно со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
фиг.1 - общий вид устройства для индукционного нагрева, соответствующего первому варианту реализации настоящего изобретения;
фиг.2 - вид сбоку устройства для индукционного нагрева, соответствующего тому же варианту реализации настоящего изобретения, в направлении перемещения стальной пластины;
фиг.3 - вид сверху устройства для индукционного нагрева, соответствующего тому же варианту реализации настоящего изобретения;
фиг.4А - схема, поясняющая распределение плотности нагрева стальной пластины, обеспечиваемой нагревательными катушками, входящими в состав устройства для индукционного нагрева, соответствующего тому же варианту реализации настоящего изобретения; показан случай, когда расстояние между смежными катушками составляет не менее 1/10 и не более 1/3 от внутреннего диаметра W1 нагревательной катушки в направлении по высоте;
фиг.4В - схема, поясняющая распределение плотности нагрева стальной пластины, обеспечиваемой нагревательными катушками, входящими в состав устройства для индукционного нагрева, сравниваемого с устройством для индукционного нагрева, соответствующим указанному варианту реализации настоящего изобретения; показан случай, когда ширина электрического провода катушки задана постоянной, а расстояние между смежными нагревательными катушками составляет более 1/3 от внутреннего диаметра нагревательной катушки в направлении по высоте;
фиг.5 - схема, поясняющая способ регулирования регуляторов L, входящих в состав устройства для индукционного нагрева, соответствующего тому же варианту реализации настоящего изобретения;
фиг.6 - диаграмма, иллюстрирующая величину тока, протекающего через нагревательные катушки, когда L регуляторов, входящих в состав устройства для индукционного нагрева, регулируются, соответствующего тому же варианту реализации настоящего изобретения;
фиг.7А - схема, поясняющая получение скорости нагрева в продольном направлении стальной пластины при использовании устройства для индукционного нагрева, соответствующего тому же варианту реализации настоящего изобретения;
фиг.7В - диаграмма, иллюстрирующая скорость нагрева в продольном направлении стальной пластины, получаемую в устройстве для индукционного нагрева, соответствующем тому же варианту реализации настоящего изобретения;
фиг.8 - диаграмма, иллюстрирующая скорость нагрева, когда регуляторы, расположенные на обоих краях, полностью открыты;
фиг.9 - диаграмма, иллюстрирующая скорость нагрева, когда регуляторы, расположенные в центре, полностью открыты;
фиг.10 - диаграмма зависимости отношения токов в нагревательных катушках от отношения площадей регуляторов L; и
фиг.11 - диаграмма зависимости переменного напряжения от частоты переменного напряжения источника питания переменного тока.
Подробное описание предпочтительных вариантов реализации изобретения
Отметим, что в представленном описании и на чертежах компоненты, имеющие практически одинаковое функциональное назначение, обозначены одинаковыми ссылочными номерами.
Конструкция устройства для индукционного нагрева
На фиг.1-фиг.3 показана конструкция устройства для индукционного нагрева, соответствующего первому варианту реализации настоящего изобретения. На фиг.1 приведен общий вид устройства для индукционного нагрева, соответствующего первому варианту реализации настоящего изобретения, на фиг.2 приведен вид сбоку устройства для индукционного нагрева, соответствующего данному варианту реализации настоящего изобретения, в направлении перемещения стальной пластины, и на фиг.3 приведен вид сверху устройства для индукционного нагрева, соответствующего данному варианту реализации настоящего изобретения.
Устройство 1 для индукционного нагрева, согласно варианту реализации настоящего изобретения, включает нагревательные катушки 10А-10D, токопроводы 11 и регуляторы L 12A-12D. Соответственно, сначала будут описаны конструкции этих компонентов.
Устройство 1 для индукционного нагрева, согласно представленному варианту реализации настоящего изобретения, используя соленоидную систему, нагревает стальную пластину 2, которая перемещается в направлении J1. Соленоидная система (нагрев с использованием магнитного потока в осевом направлении) представляет собой систему индукционного нагрева, в которой внутри нагреваемого объекта возникает магнитный поток, направленный, по существу, в продольном направлении (осевом направлении, направлении по оси x) этого объекта (например, стальной пластины 2), за счет изменения магнитного потока внутри нагреваемого объекта возникают вихревые токи, и объект нагревается за счет Джоулевой теплоты, обусловленной вихревыми токами.
Нагревательная катушка
Чтобы сформировать упомянутый выше магнитный поток в продольном направлении стальной пластины 2, в состав устройства 1 для индукционного нагрева включены, по меньшей мере, три или более нагревательных катушек, установленных таким образом, чтобы они были расположены вокруг стальной пластины 2, как показано на фиг.1 и фиг.2. Отметим, что в представленном варианте реализации настоящего изобретения для удобства рассмотрения будет описан случай, когда устройство 1 для индукционного нагрева включает четыре нагревательных катушки 10А-10D. Однако число нагревательных катушек не ограничивается четырьмя, и если имеется три нагревательных катушки или более, но не четыре, то число других конструкций, входящих в состав устройства 1 для индукционного нагрева, соответствует числу нагревательных катушек.
Как показано на фиг.3, каждая из нагревательных катушек 10А-10D выполнена таким образом, чтобы она была расположена вокруг стальной пластины 2, в результате чего стальная пластина 2 перемещается внутри нее, и эти катушки установлены в продольном направлении (направлении по оси x) стальной пластины 2. Другими словами, нагревательные катушки 10А-10D установлены таким образом, чтобы поверхности, образующие эти катушки, были, по существу, параллельны друг другу, и центральные точки этих поверхностей располагались, по существу, на одной линии. При этом если соответствующие нагревательные катушки 10А-10D расположены таким образом, чтобы стальная пластина перемещалась через центральные точки поверхностей, образующих нагревательные катушки 10А-10D, можно повысить эффективность нагрева.
Перекрывание плотностей нагрева
Кроме того, каждая из нагревательных катушек 10А-10D установлена таким образом, чтобы расстояние D1 между смежными нагревательными катушками 10А-10D было не менее 1/10 и не более 1/3 от внутреннего диаметра W1 нагревательных катушек 10А-10D в направлении по высоте. Как упомянуто выше, при задании расстояния D1 между смежными нагревательными катушками 10А-10D, составляющим не менее 1/10 и не более 1/3 от внутреннего диаметра W1 нагревательных катушек 10А-10D в направлении по высоте, соответствующие нагревательные катушки 10А-10D могут поддерживать постоянной скорость нагрева стальной пластины 2, и можно повысить эффективность нагрева. Как следствие, при такой конструкции можно компенсировать нехватку теплоты из-за уменьшения магнитной проницаемости стальной пластины 2 вблизи температуры Кюри путем нагрева областей близко расположенных нагревательных катушек 10А-10D.
Кроме того, в соответствии с рассмотренной выше конструкцией, между соответствующими нагревательными катушками 10А-10D возникает взаимная индуктивность, и можно на основе эффекта синергии увеличить влияние взаимной индуктивности. А именно можно увеличить ток, протекающий через нагревательные катушки 10А, 10D, установленные в крайних положениях (нагревательные катушки на первой ступени и последней ступени). Это объясняется следующим образом: так как индуктивность в нагревательных катушках 10В, 10С, расположенных в центре, увеличивается в результате приближения друг к другу нагревательных катушек 10А-10D, то индуктивность в нагревательных катушках 10А, 10D, установленных в крайних положениях, снижается в относительном выражении. Кроме того, при использовании такой взаимной индуктивности можно обеспечить в нагревательной катушке 10А, расположенной на последней ступени (и нагревательной катушке 10D, расположенной на первой ступени), скорость нагрева, превышающую скорость нагрева в других нагревательных катушках 10В, 10С. Как следствие, на последней ступени можно повысить скорость нагрева стальной пластины 2, нагреваемой до температур, близких к температуре Кюри.
Отметим, что если расстояние D1 между смежными нагревательными катушками 10А-10D составляет менее 1/10 от внутреннего диаметра W1 нагревательных катушек 10А-10D в направлении по высоте, то при подаче высокочастотного переменного напряжения между смежными нагревательными катушками 10А-10D может возникнуть электрический разряд. Кроме того, как будет описано ниже, напряжение, подаваемое на нагревательные катушки 10А-10D, можно регулировать для каждой из катушек при помощи регуляторов L 12A-12D, которые будут описаны ниже, в результате чего между катушками также возникает разность потенциалов, отличающаяся от разности потенциалов, относящейся к самим катушкам. Соответственно, такая разность потенциалов может также привести к возникновению электрического разряда. Как следствие, предпочтительно, чтобы расстояние D1 между смежными нагревательными катушками 10А-10D было равно или превышало 1/10 от внутреннего диаметра W1 нагревательных катушек 10А-10D в направлении по высоте. Кроме того, если расстояние D1 между смежными нагревательными катушками 10А-10D задают превышающим 1/3 от внутреннего диаметра D1 нагревательных катушек 10А-10D в направлении по высоте, нельзя повысить эффективность нагрева для смежных нагревательных катушек 10А-10D. Нагрев стальной пластины 2 при задании расстояния D1 между смежными нагревательными катушками 10А-10D, равного или менее 1/3 от внутреннего диаметра W1 нагревательной катушки в направлении по высоте, будет описан со ссылкой на фиг.4А-фиг.4В.
На фиг.4А-фиг.4В приведены схемы, поясняющие распределение плотности нагрева стальной пластины, обеспечиваемой нагревательными катушками 10С, 10D, входящими в состав устройства для индукционного нагрева, согласно представленному варианту реализации настоящего изобретения. Если говорить конкретно, фиг.4А иллюстрирует случай, когда расстояние D1 между смежными нагревательными катушками 10А-10D составляет не менее 1/10 и не более 1/3 от внутреннего диаметра W1 нагревательных катушек 10А-10D в направлении по высоте. Фиг.4В иллюстрирует случай, сравниваемый со случаем представленного варианта реализации настоящего изобретения, когда ширина электрического провода катушки задана постоянной, а расстояние D1 между смежными нагревательными катушками 10А-10D составляет более 1/3 от внутреннего диаметра W1 нагревательных катушек 10А-10D в направлении по высоте.
2
Как показано на фиг.4А, если расстояние D1 между смежными нагревательными катушками 10А-10D составляет не менее 1/10 и не более 1/3 от внутреннего диаметра W1 нагревательных катушек 10А-10D в направлении по высоте, то плотность Н1 нагрева (здесь и далее единицей ее измерения является Q/m), обеспечиваемая нагревательной катушкой 10D, и плотность Н2 нагрева, обеспечиваемая нагревательной катушкой 10С, имеют, по существу, гауссовское распределение в продольном направлении стальной пластины 2. Соответственно, так как нагревательные катушки 10С и 10D установлены рядом друг с другом таким образом, чтобы расстояние D1 между смежными нагревательными катушками 10А-10D составляло не менее 1/10 и не более 1/3 от внутреннего диаметра W1 нагревательных катушек 10А-10D в направлении по высоте, то края распределений плотности Н1 нагрева и плотности Н2 нагрева перекрываются. Как следствие, можно поддерживать плотность Т1 нагрева, которая фактически существует при нагреве стальной пластины 2, на высоком уровне, то есть можно сохранить постоянной скорость нагрева также и между нагревательной катушкой 10D и нагревательной катушкой 10С. Кроме того, нет необходимости говорить, что если задать расстояние D1 между смежными нагревательными катушками 10А-10D более 1/3 от внутреннего диаметра W1 нагревательных катушек 10А-10D в направлении по высоте, перекрывание плотностей нагрева Н1, Н2, разумеется, исчезает, и поэтому нельзя сохранить постоянной скорость нагрева, как показано на фиг.4В.
Отметим, что в представленном варианте реализации настоящего изобретения нагревательные катушки 10А-10D для удобства рассмотрения являются одновитковыми катушками, как показано на фиг.1 и других чертежах, но они также могут представлять собой двухвитковые катушки.
Токопровод
Переменное напряжение подают на нагревательные катушки 10А-10D от источника 3 питания переменного тока. В качестве линий, подающих переменное напряжение, к соответствующим нагревательным катушкам 10А-10D идут токопроводы 11, и переменное напряжение от источника 3 питания переменного тока подается на каждый из токопроводов 11. Другими словами, токопроводы 11 представляют собой входные/выходные электрические провода, используемые для соединения источника 3 питания переменного тока и соответствующих нагревательных катушек 10А-10D, которые подают переменное напряжение от источника 3 питания переменного тока на соответствующие нагревательные катушки 10А-10D и обеспечивают протекание электрического тока в источник 3 питания переменного тока и вытекание электрического тока из этого источника 3.
Токопровод 11 образован парой входных/выходных выводов 111, 112, идущих на большое расстояние от выполненных в форме катушки обоих концевых участков каждой из нагревательных катушек 10А-10D. Кроме того, каждая пара входных/выходных выводов 111, 112 выполнена как единое целое с каждой из соединенных с ними нагревательных катушек 10А-10D. При такой конструкции, по сравнению со случаем, когда линии и нагревательные катушки выполнены отдельно, можно уменьшить электрическое сопротивление в области соединения между каждой из нагревательных катушек 10А-10D и парой входных/выходных выводов 111, 112 и увеличить силу тока, а также можно упростить изготовление. При этом нет необходимости говорить, что каждая из нагревательных катушек 10А-10D и пара входных/выходных выводов 111, 112 могут также быть выполнены отдельно. Отметим, что на фиг.1 и других чертежах показан случай, когда нагревательные катушки 10А-10D выполнены в виде плоских пластин, и пара входных/выходных выводов 111, 112 имеет ту же ширину, что и нагревательные катушки 10А-10D. Хотя пара входных/выходных выводов 111, 112 выполнена в виде плоских пластин, чтобы увеличить выдерживаемую силу тока, в результате чего через них может протекать большой ток, они необязательно должны изготавливаться плоскими.
Кроме того, пары входных/выходных выводов 111, 112 проходят, по существу, параллельно друг другу. Далее, предпочтительно, чтобы каждая из пар входных/выходных выводов 111, 112 (то есть каждый из токопроводов 11) проходила, по существу, в одном и том же направлении (направлении по оси y) и, по существу, в одной и той же плоскости (плоскости xy), вне зависимости от того, с какими нагревательными катушками 10А-10D соединены входные/выходные выводы. При такой конструкции можно уменьшить габариты устройства 1 для индукционного нагрева и получить соответствующие нагревательные катушки 10А-10D одинаковой формы, в результате чего упрощается изготовление.
Регулятор L
На соответствующих токопроводах 11 между соответствующими нагревательными катушками 10А-10D и источником 3 питания переменного тока установлены регуляторы L 12A-12D.
Каждый из регуляторов L 12A-12D является примером регулятора индуктивности, выполненного с возможностью регулировать реактивное сопротивление в цепи путем регулирования собственной индуктивности, и образован путем обхода токопровода 11 с получением, по существу, формы катушки. Если говорить более конкретно, в каждом из регуляторов L 12A-12D один входной/выходной вывод 111, образующий токопровод 11, обходит сверху (положительное направление по оси z), а другой входной/выходной вывод 112 обходит снизу (отрицательное направление по оси z), чтобы отделить упомянутые один входной вывод 111 и другой входной вывод 112 в том месте, где установлен каждый из регуляторов L 12A-12D, как показано на фиг.2. Другими словами, в каждом из регуляторов L 12A-12D входные/выходные выводы 111, 112 токопровода 11, соответственно, образуют, по существу, U-образную форму. В результате этого каждый из регуляторов L 12A-12D образует область S, окруженную обходными линиями 121, 122, образованными при обходе входных/выходных выводов 111, 112. Обходные линии 121, 122 входных/выходных выводов 111, 112, окружающие область S, имеют, по существу, форму катушки, например форму одновитковой катушки. Каждый из регуляторов L 12A-12D такой конструкции имеет, по существу, форму катушки, в результате чего в нем возникает самоиндукция при протекании переменного тока от источника 3 питания переменного тока (когда этим источником подается переменное напряжение).
Далее со ссылкой на фиг.2 описана примерная конструкция регуляторов L 12A-12D, более конкретно с использованием в качестве примера регулятора L 12A.
Регулятор L 12A включает прямостоящие участки 111С, 111В, 112С, 112В и соединяющие участки 111M, 112М. Прямостоящий участок 111С образован путем изгибания входного/выходного вывода 111, проходящего от нагревательной катушки 10А, вверх в вертикальном направлении (направление по оси z), а прямостоящий участок 111В образован путем аналогичного изгибания входного/выходного вывода 111, с которым соединен источник 3 питания переменного тока. Соответственно, прямостоящий участок 111С и прямостоящий участок 111В расположены, по существу, параллельно. Далее, соединяющий участок 111М образует электрическое соединение прямостоящего участка 111С и прямостоящего участка 111В. Прямостоящие участки 111С, 111В и соединяющий участок 111М образуют обходную линию 121.
В то же время, прямостоящий участок 112С образован путем изгибания входного/выходного вывода 112, проходящего от нагревательной катушки 10А, вниз в вертикальном направлении (направление по оси z), а прямостоящий участок 112В образован путем аналогичного изгибания входного/выходного вывода 112, с которым соединен источник 3 питания переменного тока. Соответственно, прямостоящий участок 112С и прямостоящий участок 112В расположены, по существу, параллельно. Далее, соединяющий участок 112М образует электрическое соединение вертикального участка 112С и вертикального участка 112В. Прямостоящие участки 112С, 112В и соединяющий участок 112М образуют обходную линию 122. Пространство между обходной линией 121 и обходной линией 122 образует область S, и за счет образования области S каждый из регуляторов L 12A-12D имеет, по существу, форму катушки, что приводит к возникновению собственной индуктивности при самоиндукции.
Собственная индуктивность
Далее, каждый из регуляторов L 12A-12D выполнен с возможностью регулирования собственной индуктивности. Если говорить конкретно, можно регулировать собственную индуктивность каждого из регуляторов L 12A-12D путем изменения площади поперечного сечения области S, окруженной обходными линиями 121, 122 (области, лежащей в плоскости yz), то есть области, ограниченной поверхностью, имеющей, по существу, форму катушки. Отметим, что собственная индуктивность катушки определяется, например, числом витков, радиусом катушки, длиной катушки, диаметром электрического провода, магнитной проницаемостью периферии (магнитной проницаемостью сердечника, то есть стальной пластины 2) и т.п., поэтому индуктивность катушки можно регулировать, например, путем изменения площади поперечного сечения катушки, чтобы изменить радиус катушки, и т.д. Соответственно, можно регулировать собственную индуктивность каждого из регуляторов L 12A-12D путем изменения площади поперечного сечения области S. Таким образом, можно регулировать напряжение, подаваемое на каждую из нагревательных катушек 10А-10D, путем регулирования реактивного сопротивления в цепи с использованием регуляторов L 12A-12D. Соответственно, можно регулировать степень нагрева стальной пластины 2, обеспечиваемую нагревательными катушками 10А-10D, для каждой катушки.
Далее со ссылкой на фиг.2 будет более конкретно описано изменение площади поперечного сечения для регулирования собственной индуктивности с использованием в качестве примера регулятора L 12A. Как показано на фиг.2, участки, проходящие параллельно в обходной линии 121 и обходной линии 122, то есть соединяющий участок 111М и соединяющий участок 112М, установлены таким образом, чтобы можно было регулировать разделяющее их расстояние. А именно соединяющие участки 111М, 112М установлены с возможностью вертикального смещения, и за счет вертикального смещения соединяющих участков 111М, 112М в регуляторе L 12A регулируют площадь поперечного сечения области S. Отметим, что предпочтительной является ситуация, когда соединяющие участки 111М, 112М смещают по вертикали в пределах длины вытянутых прямостоящих участков 111С, 111В, 112С, 112В, причем таким образом, чтобы центральная точка О области S располагалась по центру между входными/выходными выводами 111 и 112. А именно соединяющие участки 111М, 112М смещают по вертикали таким образом, чтобы расстояние смещения соединяющего участка 111М в направлении вверх из состояния, когда соединяющий участок 111М расположен в крайнем нижнем положении и, по существу, параллельно входному/выходному выводу 111 (состояние, когда эта линия не обходится), стало почти равным расстоянию смещения соединяющего участка 112М в направлении вниз из состояния, когда соединяющий участок 112М расположен в крайнем верхнем положении и, по существу, параллельно входному/выходному выводу 112 (состояние, когда эта линия не обходится).
Кроме того, в качестве описанного выше способа изменения площади поперечного сечения каждого из регуляторов L 12A-12D также можно использовать способ, отличающийся от вертикального смещения соединяющих участков 111М, 112М с целью изменения высоты каждого из регуляторов L 12A-12D, при использовании которого прямостоящие участки 111С, 111В, 112С, 112В смещают параллельно, чтобы изменить ширину каждого из регуляторов L 12A-12D. Однако, так как устройство 1 для индукционного нагрева соединено, например, с токоподводящей шиной, устройством сопряжения и т.п., при применении способа с изменением ширины возникает необходимость в изменении положений, в которых это устройство соединяется с токоподводящей шиной, устройством сопряжения и т.п., в результате усложняется процесс разработки устройства. С другой стороны, в способе изменения высоты существует ограничение по возможности изменения высоты. Однако при возникновении взаимной индуктивности регуляторов L 12A-12D, что будет описано далее, можно геометрически разделить взаимную индуктивность регуляторов L 12A-12D и нагревательных катушек 10А-10D, в результате чего легко реализовать регулирование взаимной индуктивности регуляторов L.
Отметим, что в представленном варианте реализации настоящего изобретения соответствующие соединяющие участки 111М, 112М имеют электрическое соединение с прямостоящими участками 111С, 111В, 112С, 112В и прикреплены к ним, например, при помощи таких крепежных элементов, как болты.
Кроме того, в качестве способа регулирования индуктивности с целью изменения напряжения можно также упомянуть использование печного трансформатора для электродуговой печи, который описан, например, в указанном выше Патентном документе 3, хотя он полностью отличается по конструкции и относится к другой области техники. Однако при регулировании в трансформаторе изменяют расстояние между выводами соответствующих фаз трехфазного источника питания и изменяют взаимную индуктивность фаз в одной цепи для регулирования полного сопротивления в цепи. С другой стороны, в устройстве 1 для индукционного нагрева, соответствующем представленному варианту реализации настоящего изобретения, регулируют собственную индуктивность в одной цепи, поэтому это устройство полностью отличается конструктивно. Кроме того, использование устройства 1 для индукционного нагрева, соответствующего представленному варианту реализации настоящего изобретения, позволяет сделать механизм регулирования напряжения более компактным по сравнению с механизмом, описанным в Патентном документе 3, за счет использования взаимного реактивного сопротивления между соответствующими цепями, что будет описано ниже.
Взаимная индукция
Кроме того, каждый из регуляторов L 12A-12D проходит в направлении, перпендикулярном направлению, в котором проходит токопровод 11 (направление по оси x на фиг.2). Другими словами, соответствующие регуляторы L 12A-12D установлены таким образом, чтобы центральные точки О областей S соответствующих регуляторов L располагались, по существу, на одной линии, как показано на фиг.2. Если говорить более конкретно, соответствующие регуляторы L 12A-12D расположены в том же направлении, что и направление размещения нагревательных катушек 10А-10D, в результате чего плоскости поперечного сечения областей S становятся, по существу, параллельными друг другу, как показано на фиг.1 и других чертежах. А именно направление прохождения прямостоящих участков 111С соответствующих регуляторов L 12A-12D выбрано таким, чтобы они стали параллельны друг другу. Другие прямостоящие участки 111В, 112С, 112В также расположены аналогичным образом. При этом соответствующие регуляторы L 12A-12D, кроме того, в предпочтительном случае размещены в направлении, параллельном направлению перемещения стальной пластины 2 (направление по оси x).
Далее, каждый из регуляторов L 12A-12D установлен таким образом, чтобы расстояние D2 между соседними регуляторами L 12A-12D составило от 50 до 500 мм, как показано на фиг.3. Как описано выше, при установке регуляторов L 12A-12D на одной и той же линии параллельно и на расстоянии D2 между ними, составляющем от 50 до 500 мм за счет взаимной индуктивности, по меньшей мере, соседних регуляторов L 12A-12D может возникнуть взаимная индукция. Путем генерирования взаимной индукции каждый из регуляторов L 12A-12D может усилить эффект регулирования реактивного сопротивления и эффективность в цепи, которая обеспечивается путем регулирования собственной индуктивности. Соответственно, можно снизить степень регулирования собственной индуктивности, осуществляемого регуляторами L 12A-12D. А именно можно уменьшить площади поперечного сечения и т.п. регуляторов L 12A-12D, чтобы уменьшить габариты устройства 1 для индукционного нагрева в целом, что позволяет сделать это устройство компактным.
В то же время, например, в соответствии с механизмом регулирования напряжения в упомянутом выше Патентном документе 3, существует необходимость изменить расстояние между линиями соответствующих фаз на 900 мм или более, чтобы регулировать полное сопротивление приблизительно на 40%. Такой механизм регулирования напряжения трудно применить к данному устройству для индукционного нагрева, так как это приведет к увеличению размеров устройства, и, в дополнение к этому, устройство необходимо соединять, например, с токоподводящей шиной, устройством сопряжения и т.п., что влечет за собой существенные изменения в компоновке. С другой стороны, устройство 1 для индукционного нагрева, соответствующее представленному варианту реализации настоящего изобретения, может быть сделано компактным за счет регулирования собственной индуктивности посредством регулирования только высоты регуляторов L 12A-12D, как описано выше, и, помимо этого, можно сделать регуляторы L 12A-12D еще более компактными за счет использования взаимной индуктивности. Соответственно, механизм регулирования напряжения, предусмотренный в устройстве 1 для индукционного нагрева, ссогласно представленному варианту реализации настоящего изобретения, является очень компактным по сравнению с механизмом регулирования напряжения, описанным в Патентном документе 3, и можно сделать более миниатюрным все устройство в целом.
Отметим, что если расстояние D2 между соседними регуляторами L 12A-12D составляет менее 50 мм, при подаче высокочастотного переменного напряжения между соседними регуляторами L 12A-12D может возникнуть электрический разряд. Далее, если расстояние D2 между соседними регуляторами L 12A-12D составляет более 500 мм, снижается взаимная индуктивность этих регуляторов.
Далее будет рассмотрено относительное расположение регуляторов L 12A-12D с точки зрения взаимной индуктивности. При расположении соответствующих регуляторов L 12A-12D, как описано выше, можно регулировать взаимную индуктивность соседних регуляторов L 12A-12D в диапазоне от 5% до 30% от собственной индуктивности каждого из регуляторов L 12A-12D. Отметим, что если взаимная индуктивность превышает 30% собственной индуктивности, степень изменения тока в нагревательных катушках 10А-10D слишком высока при изменении площади одного из регуляторов L 12A-12D. В этом случае, так как регуляторы L 12A-12D регулируются слишком точно, требуется очень аккуратное регулирование (регулирование порядка 1 мм) для управления скоростью нагрева. Таким образом, становится трудным управлять скоростью нагрева. Кроме того, если взаимная индуктивность составляет менее 5% собственной индуктивности, степень изменения тока в нагревательных катушках 10А-10D слишком мала при изменении площади одного из регуляторов L 12A-12D, что затрудняет уменьшение габаритов регуляторов L 12A-12D.
Отметим, что в этом случае взаимная индуктивность регуляторов L 12A-12D в общих чертах может определяться степенью изменения площади регуляторов L 12A-12D относительно нагревательных катушек 10А-10D и степенью изменения тока, протекающего через нагревательные катушки 10А-10D. Если значение, полученное путем деления степени изменения тока на степень изменения площади, составляет 1,2, увеличение значения (0,2) соответствует взаимной индуктивности. Соответственно, в этом случае можно вычислить, что взаимная индуктивность составляет 20% от собственной индуктивности регуляторов L 12A-12D.
Взаимосвязь между нагревательной катушкой и регулятором L
Далее, регуляторы L 12A-12D установлены таким образом, чтобы расстояние D3 между нагревательными катушками 10А-10D и соответствующими, соединенными с ними регуляторами L 12A-12D составляло от 500 до 2000 мм. При установке регуляторов L 12A-12D на расстоянии D3 от катушек можно реализовать регулирование индуктивности, осуществляемое регуляторами L 12A-12D, более легким и стабильным образом. Если расстояние D3 менее 500 мм, магнитное поле, возникшее в регуляторах L 12A-12D, влияет на нагревательные катушки 10А-10D, что приводит к возникновению взаимной индуктивности между регуляторами L и нагревательными катушками. Как следствие, становится трудным регулировать регуляторы L 12A-12D. В то же время, верхний предел 2000 мм для расстояния D3 определен, исходя из значения полного сопротивления всей цепи, включающей нагревательные катушки 10А-10D и регуляторы L 12A-12D, и позволяет обеспечить безопасное выдерживаемое напряжение по отношению к "земле". То есть, если расстояние D3 больше 2000 мм, конструкция устройства в целом становится большой, что не только препятствует уменьшению габаритов устройства, но также увеличивает полное сопротивление всей цепи, приводя к увеличению разности потенциалов в катушках и повышению вероятности возникновения электрического разряда.
Кроме того, хотя она также зависит от размера стальной пластины 2, ширину регуляторов L 12A-12D в направлении ширины стальной пластины 2 (направление по оси y) в предпочтительном случае задают равной, например, от 500 до 2500 мм (приблизительно от 30% до 50% от ширины нагревательных катушек 10А-10D), а высоту регуляторов L 12A-12D в направлении толщины стальной пластины 2 (направлении по оси z) в предпочтительном случае задают равной, например, от 100 до 200 мм (приблизительно от 20% до 200% от высоты нагревательных катушек 10А-10D). Другими словами, размер регуляторов L 12A-12D в предпочтительном случае задают таким образом, чтобы удовлетворялось следующее условие: (площадь нагревательной катушки + площадь регулятора L)/площадь нагревательной катушки = 1-3. Кроме того, ширину регуляторов 12A-12D в направлении J1 перемещения стальной пластины 2 задают такой, чтобы она, по существу, была равна ширине нагревательных катушек 10А-10D.
Пример эффективности применения регулятора L
Регуляторы L 12A-12D, имеющие описанную выше конструкцию, позволяют не только сделать устройство в целом компактным, но также и регулировать величину тока в каждой из нагревательных катушек 10А-10D. При регулировании величины тока регуляторы L 12A-12D не создают потерь энергии из-за возникновения Джоулевой теплоты, так как в них не используются резисторы, как в упомянутом выше Патентном документе 2, в результате чего в устройстве 1 для индукционного нагрева, соответствующем представленному варианту реализации настоящего изобретения, можно повысить эффективность использования энергии. Кроме того, так как каждый из регуляторов L 12A-12D может регулировать собственную индуктивность, то легко регулировать нагрев стальной пластины 2 путем регулирования собственной индуктивности в соответствии, например, с материалом, толщиной, шириной и т.п. стальной пластины 2.
Способ регулирования в регуляторе L
Далее, при использовании устройства 1 для индукционного нагрева, соответствующего представленному варианту реализации настоящего изобретения, можно сохранять постоянной скорость нагрева также и вблизи температуры Кюри путем регулирования площадей регуляторов L 12A-12D, чтобы регулировать не только собственную индуктивность, но также и взаимную индуктивность. Ниже будет описано регулирование площадей регуляторов L 12A-12D во время сохранения постоянной скорости нагрева при высоких температурах. Отметим, что нет необходимости говорить о том, что скорость нагрева вблизи температуры Кюри можно сохранять постоянной не только за счет регулирования площадей регуляторов L 12A-12D, что описано ниже, но также и за счет функционирования упомянутых выше соответствующих конструкций и т.п.
Как показано на фиг.5, регуляторы L 12A-12D регулируют так, чтобы в регуляторах L 12D, 12A, которые соединены, соответственно, с нагревательной катушкой 10D, расположенной на первой ступени, и нагревательной катушкой 10А, расположенной на последней ступени, в продольном направлении стальной пластины 2, возникла собственная индуктивность меньше, чем собственная индуктивность, возникающая в регуляторах L 12С, 12В, расположенных между упомянутыми регуляторами L 12D и 12A.
Если говорить более конкретно, регуляторы L 12A-12D регулируют таким образом, чтобы площади поперечного сечения областей S регуляторов L 12D, 12A стали меньше площадей поперечного сечения областей S регуляторов L 12С, 12В. Другими словами, регуляторы L 12A-12D регулируют таким образом, чтобы расстояние, разделяющее соединяющие участки 111М и 112М в каждом из регуляторов L 12D, 12A, стало меньше расстояния, разделяющего соединяющие участки 111М и 112М в каждом из регуляторов L 12С, 12В. Если это описать с точки зрения высоты регуляторов L 12A-12D, то высота регуляторов L 12D, 12A становится меньше высоты регуляторов L 12В, 12С.
При использовании такой конструкции реактивное сопротивление в цепи, в которой расположен каждый из регуляторов L 12D, 12A, становится меньше реактивного сопротивления в другой цепи, приводя к тому, что через нагревательные катушки 10D, 10А может протекать больший ток по сравнению с током, протекающим через нагревательные катушки 10С, 10В. За счет увеличения тока, подаваемого в нагревательные катушки 10D, 10А, расположенные на первой и последней ступенях, как описано выше, можно увеличить плотности нагрева стальной пластины 2, соответствующие нагревательным катушкам 10D, 10А, и сохранить постоянной скорость нагрева стальной пластины 2 вблизи температуры Кюри.
Примеры
Далее будут приведены примеры, относящиеся к изменению величины тока и плотности нагрева за счет регулирования регуляторов L 12A-12D. В примерах, соответствующих представленному варианту реализации настоящего изобретения, ширина (ширина в направлении по оси y на фиг.1) и высота (длина в направлении по оси z на фиг.1, расстояние W1 на фиг.2) нагревательных катушек 10А-10D заданы, соответственно, равными 1000 мм и 400 мм, длина каждой из нагревательных катушек 10А-10D задана равной 100 мм, а расстояние D1 между смежными нагревательными катушками 10А-10D задано равным 50 мм (то есть в этом случае расстояние D1 между смежными нагревательными катушками 10А-10D составляет 1/8 от внутреннего диаметра W1 нагревательных катушек 10А-10D в направлении по высоте). Кроме того, ширина (ширина в направлении по оси y на фиг.1) регуляторов L 12A-12D задана равной 400 мм, а их высота (длина в направлении по оси z на фиг.1) изменяется от 0 мм (расстояние между входными/выходными выводами 111 и 112) до 300 мм.
При этом изменение тока, протекающего через нагревательные катушки 10А-10D, соответствующие регуляторам L 12A-12D, как результат регулирования площадей регуляторов L, показано на фиг.6. Отметим, что на фиг.6 на горизонтальной оси указаны соответствующие нагревательные катушки 10D, 10С, 10В, 10А, а по вертикальной оси отложен ток, протекающий через эти катушки. Кроме того, формулировка "полностью открыто" указывает на ситуацию, когда регулятор L открыт, то есть соединяющий участок 111М установлен в крайнем верхнем положении, а соединяющий участок 112М установлен в крайнем нижнем положении, чтобы увеличить до максимума площадь поперечного сечения области S регулятора L. Если говорить конкретно, в случае этого примера указано состояние, когда высота регулятора L (расстояние между соединяющими участками 111М и 112М) задана равной 300 мм. Отметим, что формулировка "полностью закрыто", имеющая противоположное значение по сравнению с формулировкой "полностью открыто", указывает на ситуацию, когда регулятор L закрыт, то есть соединяющий участок 111М установлен в крайнем нижнем положении, чтобы он располагался на одном уровне с входным/выходным выводом 111, а соединяющий участок 112М установлен в крайнем верхнем положении, чтобы он располагался на одном уровне с входным/выходным выводом 112. Если говорить конкретно, в случае этого примера указано состояние, когда высота регулятора L задана равной 0 мм (расстояние между входными/выходными выводами 111 и 112).
Как показано на фиг.6, когда все регуляторы полностью открыты, то есть полностью открыты регуляторы L 12A-12D, ток в нагревательных катушках 10А, 10D, расположенных на первой и последней ступенях, увеличивается. В этом случае, так как регуляторы L 12A-12D образованы путем обхода токопроводов 11, и из-за влияния описанной выше взаимной индуктивности как результата близкого расположения нагревательных катушек 10А-10D, можно увеличить ток в нагревательных катушках 10А, 10D, расположенных на обоих краях. А именно индуктивность в нагревательных катушках 10А, 10D, расположенных на обоих краях, становится меньше индуктивности в расположенных между ними нагревательных катушках 10В, 10С, приводя к тому, что можно увеличить ток в нагревательных катушках 10А, 10D, расположенных на обоих краях.
В то же время, когда регуляторы, расположенные в центре, полностью открыты, а именно регуляторы L 12A, 12D, расположенные на обоих краях, полностью закрыты, а регуляторы L 12В, 12С, расположенные между регуляторами L 12A и 12D, полностью открыты, ток в нагревательных катушках 10А, 10D, расположенных на первой и последней ступенях, увеличивается еще больше. В этом случае из-за генерирования индуктивности в регуляторах L 12В, 12С, расположенных в центре, ток, протекающий через нагревательные катушки 10В, 10С, соединенные с регуляторами L 12В, 12С, снижается. Кроме того, из-за взаимной индуктивности нагревательных катушек 10А-10D может быть увеличен ток, протекающий через нагревательные катушки 10А, 10D, расположенные на обоих краях.
С другой стороны, когда регуляторы L, расположенные на обоих краях, полностью открыты, то есть полностью открыты регуляторы L 12A, 12D, расположенные на обоих краях, а регуляторы L 12В, 12С, расположенные в центре и между регуляторами L 12A и 12D, полностью закрыты, снижается разность в величине тока в нагревательных катушках 10А-10D, и через нагревательные катушки 10А-10D протекает, по существу, одинаковый ток. В этом случае, из-за индуктивности, возникающей в регуляторах L 12A, 12D, расположенных на обоих краях, снижается ток, протекающий через нагревательные катушки 10А, 10D, соединенные с регуляторами L 12A, 12D. Однако из-за взаимной индуктивности регуляторов L 12A-12D и взаимной индуктивности нагревательных катушек 10А-10D ток, протекающий через нагревательные катушки 10В, 10С, расположенные в центре, может быть увеличен. В результате этого можно регулировать ток, протекающий через соответствующие нагревательные катушки 10А-10D, таким образом, чтобы он был, по существу, неизменным.
Изменение величины тока в нагревательных катушках 10А-10D, обеспечиваемое за счет регулирования высоты регуляторов L 12A-12D, которое описано выше, имеет ту же тенденцию, также если расстояние D1 между смежными нагревательными катушками 10А-10D изменяют таким образом, чтобы оно было не менее 1/10 и не более 1/3 от внутреннего диаметра W1 нагревательных катушек 10А-10D в направлении по высоте, и ширину нагревательных катушек 10А-10D изменяют таким образом, чтобы она составляла 1000 мм, 1500 мм и 2000 мм.
В этом случае, когда регуляторы, расположенные в центре, полностью открыты, скорость нагрева во всех температурных диапазонах может быть дополнительно выровнена. Это будет описано со ссылкой на фиг.7-фиг.9.
Регуляторы, расположенные в центре, полностью открыты
Фиг.7А-фиг.7В представляют собой схемы, в общих чертах поясняющие получение скорости нагрева в продольном направлении стальной пластины 2 при использовании устройства 1 для индукционного нагрева, соответствующего представленному варианту реализации настоящего изобретения, фиг.8 представляет собой диаграмму, иллюстрирующую скорость нагрева, когда регуляторы, расположенные на обоих краях, полностью открыты, и фиг.9 представляет собой диаграмму, иллюстрирующую скорость нагрева, когда регуляторы, расположенные в центре, полностью открыты.
Точки х1, х2, х3 в продольном направлении стальной пластины 2, показанные на фиг.7А, указывают центр нагревательных катушек 10А-10D в общем, положение 100 мм после х1 (центр нагревательной катушки 10В) и положение 300 мм после х3 (центр нагревательной катушки 10А), соответственно. Кроме того, кривые L1, L2, L3 измеренных значений, приведенные на фиг.8 и фиг.9, показывают изменения температуры в стальной пластине 2 в точках х1, х2, х3, соответственно.
Как показано на фиг.8, когда регуляторы, расположенные на обоих краях, полностью открыты, чтобы сделать неизменной величину тока, протекающего через соответствующие нагревательные катушки 10А-10D, скорость нагрева в точке х3 (наклон кривой L3) становится меньше скорости нагрева в точках х2, х3 (наклон кривых L1, L2). Это связано с тем, что в стальной пластине 2 достигаются высокие температуры, близкие (например, приблизительно 650°С) к температуре Кюри (например, приблизительно 770°С), и магнитная проницаемость стальной пластины 2 снижается, что приводит к снижению скорости нагрева. В то же время, как показано на фиг.9, когда регуляторы, расположенные в центре, полностью открыты, чтобы увеличить ток, протекающий через нагревательные катушки 10А, 10D, расположенные на обоих краях, скорость нагрева в точке х3 (наклон кривой L3) приближается к скорости нагрева в точках х1, х2 (наклон кривых L1, L2) приблизительно на 100°С/с. Соответственно, можно уменьшить снижение скорости нагрева стальной пластины 2 в диапазоне температур вблизи температуры Кюри.
Далее для этого случая в общих чертах будет описано распределение скорости нагрева стальной пластины 2 в устройстве 1 для индукционного нагрева.
А именно, как показано на фиг.7В, когда оба края регуляторов L 12A-12D полностью открыты, чтобы сделать ток неизменным, нагревательная катушка 10D, расположенная со стороны входа стальной пластины 2, не может обеспечить плотность нагрева, которая требуется в начале нагрева, и поэтому скорость нагрева снижается. В то же время, скорость нагрева снижается в нагревательной катушке 10А, расположенной со стороны выхода, так как температура стальной пластины 2 достигает высоких значений, и, как следствие, снижается магнитная проницаемость. В противоположность этому, если регуляторы L 12A-12D в центре полностью открыты, ток в нагревательных катушках 10В, 10С, расположенных в центре, снижается, что приводит к снижению скорости нагрева, но ток в нагревательных катушках 10А, 10D, расположенных на обоих краях, повышается, что позволяет увеличить скорость нагрева. При этом снижение скорости нагрева в нагревательных катушках 10В, 10С, расположенных в центре, оказывает меньшее влияние, чем эффект, получаемый за счет повышения скорости нагрева в нагревательных катушках 10А, 10D, расположенных на обоих краях. Это связано с тем, что между регуляторами L 12A-12D действует взаимная индуктивность.
А именно, когда регуляторы, расположенные в центре, полностью открыты, через нагревательные катушки 10А, 10D, расположенные на обоих краях, может протекать больший ток по сравнению с током, протекающим через нагревательные катушки 10В, 10С, расположенные в центре, и можно снизить изменение в скорости нагрева. Отметим, что для реализации такой скорости нагрева в устройстве 1 для индукционного нагрева, соответствующем представленному варианту реализации настоящего изобретения, используется ток катушки, максимальное значение которого составляет приблизительно 3000 А. В то же время, например, согласно упомянутому выше Патентному документу, в котором используются переменные резисторы, требуется ток приблизительно 4500 А, если значения напряжений для соответствующих нагревательных катушек заданы одинаковыми. То есть при использовании устройства 1 для индукционного нагрева, соответствующего представленному варианту реализации настоящего изобретения, можно уменьшить потребление энергии приблизительно на 33%. Величина уменьшения соответствует бытовому потреблению энергии приблизительно в нескольких тысячах жилых домов. Кроме того, это уменьшение расхода энергии достигается в значительной степени благодаря эффекту взаимной индуктивности регуляторов L 12A-12D, и даже если применяются электрические конденсаторы переменной емкости, например, как в Патентном документе 1, трудно реализовать такое уменьшение расхода энергии.
Это будет рассмотрено на основе отношения площадей регуляторов L 12A-12D со ссылкой на фиг.10.
Фиг.10 представляет собой диаграмму зависимости отношения токов в нагревательных катушках 10А-10D от отношения площадей регуляторов L 12A-12D.
Отметим, что на фиг.10 по горизонтальной оси отложено отношение площадей регуляторов L 12A, 12D, расположенных на обоих краях, к площадям регуляторов L 12В, 12С, расположенных в центре, а по вертикальной оси отложено отношение тока, протекающего через нагревательные катушки 10В, 10С, расположенные в центре, к току, протекающему через нагревательные катушки 10А, 10D, расположенные на обоих краях. Кроме того, в этом случае, если горизонтальная ось и вертикальная ось обозначены, соответственно, как x и y, приближенная прямая линия через соответствующие точки измерения представлена выражением y=1,22x-0,50.
Как показано на фиг.10, за счет изменения отношения площадей регуляторов L можно изменять отношение токов в нагревательных катушках. Если говорить конкретно, если площади регуляторов L 12В, 12С, расположенных в центре, и площади регуляторов L 12A, 12D, расположенных на обоих краях, сделаны равными (если отношение площадей задано равным 1), ток, протекающий через нагревательные катушки 10А, 10D, расположенные на обоих краях, становится больше тока, протекающего через нагревательные катушки 10В, 10С, расположенные в центре. В то же время, если площади регуляторов L 12В, 12С, расположенных в центре, заданы больше площадей регуляторов L 12A, 12D, расположенных на обоих краях (если отношение площадей задано равным, например, 0,8), ток, протекающий через нагревательные катушки 10А, 10D, расположенные на обоих краях, приблизительно вдвое начинает превышать ток, протекающий через нагревательные катушки 10В, 10С, расположенные в центре (отношение токов становится равным приблизительно 0,5). С другой стороны, если площади регуляторов L 12В, 12С, расположенных в центре, заданы меньше площадей регуляторов L 12A, 12D, расположенных на обоих краях (если отношение площадей задано равным, например, 1,2), ток, протекающий через нагревательные катушки 10А, 10D, расположенные на обоих краях, снижается, по существу, до тока, протекающего через нагревательные катушки 10В, 10С, расположенные в центре (отношение токов становится равным приблизительно 1).
Таким образом, когда отношение площадей возрастает приблизительно в 1,5 раза с 0,8 до 1,2, ток может быть увеличен приблизительно вдвое с 0,5 до 1,0. То есть можно видеть, что путем изменения площадей регуляторов L 12A-12D можно эффективным образом управлять величиной тока. Это связано с тем, что в регуляторах L 12A-12D возникает не только собственная индуктивность, но также и взаимная индуктивность.
Частота подаваемого напряжения
Далее со ссылкой на фиг.11 будет рассмотрена частота (также называемая рабочей частотой) переменного напряжения, подаваемого в устройство 1 для индукционного нагрева, содержащее регуляторы L 12A-12D, которое соответствует представленному варианту реализации настоящего изобретения. Фиг.11 представляет собой диаграмму зависимости переменного напряжения от частоты переменного напряжения источника 3 питания переменного тока.
Ток I, который необходимо пропустить через нагревательные катушки 10А-10D, определяют, исходя из применяемых диапазона нагрева / скорости нагрева и т.п. для нагреваемой стальной пластины 2. Током и его частотой (частотой напряжения), а также индуктивностью, возникающей в соответствующих катушках, токоподводящей шине и т.д., определяются напряжения в нагревательных катушках 10А-10D, а также напряжение между нагревательными катушками и токоподводящей шиной. В зависимости от допустимого напряжения, напряжения источника и т.д. в устройстве на напряжение в катушках накладывается ограничение, представленное следующим выражением (математическим выражением 1):
Математическое выражение 1
Напряжение катушки [В]=2×π×(рабочее напряжение f [Гц] × (индуктивность L катушки [Гн] × ток I катушки)≤30 кВ
Из-за ограничения, представленного математическим выражением 1, взаимосвязь между рабочей частотой f и L×I (то есть напряжением катушки) представлена диаграммой на фиг.11.
В то же время, диапазон индуктивности каждой из катушек необходимо определять на основе выдерживаемого напряжения по отношению к "земле", тока I катушки и рабочей частоты f. Соответственно, чтобы регулировать индуктивность регуляторов L 12A-12D, как описано выше, рабочую частоту f в предпочтительном случае задают таким образом, чтобы она находилась, например, в диапазоне от 50 до 500 кГц. Если рабочая частота находится в диапазоне 50-500 кГц, индуктивность, обеспечиваемая катушками, включая регуляторы L 12A-12D, составляет 99% и выше от общей индуктивности, в результате чего можно регулировать ток, протекающий через соответствующие катушки 10А-10D, используя регуляторы L 12A-12D, при одновременном уменьшении влияния нагрузки в виде стальной пластины 2 как сердечника.
Отметим, что при рабочей частоте f меньше 50 кГц имеет место влияние сопротивления стальной пластины 2 как сердечника, что приводит к уменьшению эффекта от регулирования тока, обеспечиваемого регуляторами L 12A-12D. С другой стороны, если рабочая частота f составляет более 500 кГц, полоса выдерживаемых напряжений по отношению к "земле" сужается в соответствии с изменением в индуктивности, обеспечиваемой регуляторами L 12A-12D, что приводит к сужению диапазона регулирования высоты этих регуляторов L 12A-12D, и становится затруднительным регулировать ток подходящим образом.
Хотя со ссылкой на приложенные чертежи выше были подробно описаны предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения, нет необходимости говорить, что это изобретение не ограничивается таким примерами. Специалистам в той области техники, к которой относится это изобретение, будут очевидны различные примеры модификаций и усовершенствований, не выходящих за пределы объема технической идеи, указанной в пунктах приложенной Формулы изобретения, разумеется, эти примеры не выходят за пределы технической сущности настоящего изобретения.
Например, хотя в рассмотренном выше варианте реализации настоящего изобретения в качестве крепежного элемента для соединяющих участков 111М, 112М в регуляторах L 12A-12D используется болт, настоящее изобретение таким примером не ограничивается. Крепежный элемент необходим только для обеспечения возможности создания электрического соединения между соединяющим участком и прямостоящими участками, и также может быть использовано, например, замковое соединение или тому подобное. При использовании замкового соединения или тому подобного можно устранить состояние блокировки путем разблокирования замкового соединения с использованием приводного средства, например, такого как электродвигатель, а также можно автоматически сместить соединяющие участки 111М, 112М в вертикальном направлении, используя другое приводное средство. В этом случае, например, также можно автоматически смещать соединяющие участки 111М, 112М в вертикальном направлении, чтобы обеспечить требуемую скорость нагрева и т.п., измеряя величину тока в каждой из нагревательных катушек 10А-10D, температуру стальной пластины 2 в соответствующем месте и т.д.
Промышленная применимость
В соответствии с настоящим изобретением можно уменьшать изменение скорости нагрева при нагреве стальной пластины, одновременно повышая эффективность использования энергии.