СПОСОБ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА
INDUCTION HEATING METHOD

Изобретение относится к способу индуктивного нагрева заготовки из электропроводного материала за счет относительного движения, прежде всего создания вращения между заготовкой и магнитным полем, которое создается посредством по меньшей мере одной запитываемой постоянным током сверхпроводящей обмотки на железном сердечнике.
IND
IND
IND
-1
Такой способ представлен в DE 102005061670.4. Для осуществления этого способа, например, зажатая в приводимом во вращение зажимном устройстве, имеющая форму цилиндра заготовка может вращаться с постоянным числом оборотов вокруг своей оси цилиндра в магнитном поле, которое создается посредством постоянного тока через сверхпроводящую обмотку. За счет этого в заготовке индуцируется в значительной мере постоянный ток. Однако в реальности заготовка, как правило, не является оптимально цилиндрической и/или не является точно зажатой, так что она вращается не вокруг своей оси цилиндра. В результате этого магнитный поток через заготовку изменяется и по величине, так что соответственно в заготовке индуцируется не постоянный по величине индукционный ток. Индукционный ток I(t) изменяется с частотой вращения f, то есть I(t)=I(t+f). В результате не постоянного во времени индукционного тока в заготовке создается соответственно изменяющееся во времени магнитное поле, которое пронизывает сверхпроводящую обмотку и индуцирует там напряжение. Это явление называется обратной индукцией, а соответствующее напряжение называется напряжением обратной индукции. В связи с этим изменяющимся во времени напряжением обратной индукции по сверхпроводящей обмотке течет не постоянный во времени, а переменный во времени ток, который ведет к нежелательным потерям, так называемым потерям из-за обратной индукции в сверхпроводящей обмотке.
Кроме того, при нагреве нецилиндрических, имеющих форму стержня заготовок, например с прямоугольным или овальным поперечным сечением, в результате вращения заготовки создается постоянно изменяющийся индукционный ток, который приводит к соответствующему переменному напряжению обратной индукции и, тем самым, к соответствующим потерям из-за обратной индукции.
Изменяющиеся во времени напряжения обратной индукции и, тем самым, потери из-за обратной индукции возникают независимо от формы заготовки, прежде всего, в начале и в конце индукционного нагрева, когда заготовка приводится во вращение или же останавливается. В принципе, потери из-за обратной индукции возникают при каждом изменении скорости вращения.
Эти потери из-за обратной индукции должны компенсироваться соответственно мощным источником тока и повышают необходимый для сверхпроводящей обмотки теплосъем.
В US 3842243 предлагается нагревать электропроводную заготовку в переменном магнитном поле. Для направления магнитного потока через заготовку запитываемый переменным током проводник сидит в U-образном ярме. Посредством запитываемой постоянным током дополнительной катушки, которая сидит на участке ярма, этот участок может быть приведен в магнитное насыщение. Поэтому магнитный поток переменного поля уже неполностью направляется к заготовке, и она в соответствующей области локально нагревается меньше.
В основу изобретения положена задача уменьшения потерь из-за обратной индукции в сверхпроводящей обмотке при проведении указанного в начале способа.
Технологически эта задача решена посредством способа по пункту 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты реализации способа указаны в зависимых пунктах 2-7. Устройства, прежде всего, для осуществления способа, являются предметом пункта 8 формулы изобретения. Усовершенствования устройств указаны в пунктах 9-15 формулы изобретения.
Во всех способах по меньшей мере одна заготовка приводится в движение относительно магнитного поля. При этом не важно, вращается ли магнитное поле вокруг заготовки или наоборот. Согласно способу по пункту 1 формулы изобретения, в сверхпроводящей обмотке создается и поддерживается постоянный ток величиной, которая в железном сердечнике по меньшей мере в области обмотки создает плотность магнитного потока, при которой относительная магнитная проницаемость материала железного сердечника является меньшей, чем в обесточенном состоянии обмотки. Поскольку относительная магнитная проницаемость уменьшается, уменьшается обратная индукция и, тем самым, потери в сверхпроводящей обмотке. В то же время сохраняется проводящее магнитное поле действие железного сердечника. В результате обратная индукция уменьшается.
Если в производимом сверхпроводящей обмоткой магнитном поле вращаются две или более заготовок, согласно альтернативному или опциональному решению проблемы можно регулировать положение заготовок относительно друг друга так, что созданные изменяющимися индукционными токами заготовки напряжения обратной индукции субтрактивно совмещаются. В упрощенном представлении, принимая во внимание однородное в области заготовки магнитное поле, магнитный поток через заготовку примерно пропорционален площади проекции заготовки на плоскость перпендикулярно линиям поля. При нагреве нецилиндрической заготовки в магнитном поле площадь проекции изменяется с каждым изменением угла. Суть этого решения состоит в том, что положение двух или нескольких заготовок относительно друг друга регулируется так, что суммированная площадь проекции всех заготовок при их движении в магнитном поле не изменяется или изменяется как можно меньше. Тогда и суммированный магнитный поток через заготовки соответственно не изменяется совсем или изменяется лишь минимально, что приводит к сведенному к минимуму напряжению обратной индукции в обмотке. Можно также сказать, что соответствующие отдельным заготовкам, то есть вызванные соответствующими изменениями магнитного потока, напряжения обратной индукции субтрактивно совмещаются.
Для этого, например, две идентичные прямоугольные заготовки с квадратным поперечным сечением могут приводиться во вращение с одинаковой угловой скоростью соответственно вокруг своих продольных осей и с этими продольными осями ориентироваться примерно ортогонально к линиям поля созданного обмоткой с током магнитного поля, при этом положение заготовок относительно друг друга регулируется так, что обе заготовки повернуты относительно друг друга на 45° вокруг их параллельных продольных осей, так в этом случае магнитный поток через одну из заготовок увеличивается в той же мере, в которой он уменьшается в другой заготовке. Если поток через одну заготовку достиг своего максимума, вслед за этим он снова уменьшается, при этом поток через другую заготовку в такой же мере увеличивается. В идеальном случае суммированный магнитный поток через заготовки является постоянным. Тогда соответствующие отдельным заготовкам напряжения обратной индукции по меньшей мере частично гасятся за счет субтрактивного совмещения. Такой же эффект, хотя и не так ярко выраженный, достигается, если одновременно нагреваются, например, две прямоугольные заготовки с несовпадающими площадями поперечного сечения. Это, прежде всего, относится к прямоугольным заготовкам с ярко выраженным прямоугольным поперечным сечением.
Согласно еще одному альтернативному или опциональному решению, при одновременном индуктивном нагреве двух или боле заготовок посредством вращения в созданном запитываемой постоянным током сверхпроводящей обмотке магнитном поле относительное движение заготовок относительно друг друга можно регулировать так, что созданные изменяющимися во времени индукционными токами заготовок напряжения обратной индукции субтрактивно совмещаются (пункт 2 формулы изобретения). И в этом решении, как и в описанных в обоих предыдущих абзацах способах, речь идет о том, чтобы вращать заготовки в магнитном поле так, чтобы их суммированная площадь проекции оставалась по меньшей мере в значительной степени постоянной. Кроме того, за счет регулировки движения заготовок относительно друг друга, альтернативно или опционально, можно свести к минимуму вызванное изменением скоростей вращения отдельных заготовок относительно магнитного поля суммированное изменение во времени магнитного потока через заготовки.
Например, две, предпочтительно, идентичные, например цилиндрические, вращаемые вокруг своей соответствующей продольной оси заготовки можно приводить во вращение в противоположных направлениях и, предпочтительно, с одинаковой по величине угловой скоростью (пункт 3 формулы изобретения). В результате этого соответствующие отдельным заготовкам обратные индукции в начале и в конце нагрева, то есть при запуске или же при остановке вращательного движения, имеют разные знаки, так что в идеальном случае при запуске и при остановке происходит гашение эффективного напряжения обратной индукции в обмотке за счет субтрактивного совмещения соответствующих отдельным заготовкам напряжений обратной индукции.
Конечно, способ может быть реализован и при одновременном нагреве разных заготовок. Если поперечные сечения заготовок обладают симметрией, ее можно использовать целенаправленно. Например, первую из цилиндрических заготовок из вышеприведенного примера можно заменить имеющей форму стержня с квадратным поперечным сечением, а вторую цилиндрическую заготовку заменить имеющей форму стержня заготовкой с правильным октаэдрическим поперечным сечением. Теперь первая заготовка вращается с угловой скоростью, в два раза большей, чем вторая, и противоположно последней. Независимо от формы, перед началом вращения заготовки, предпочтительно, должны быть ориентированы относительно друг друга так, чтобы магнитный поток при начале вращательного движения через обе заготовки либо сначала увеличивался, либо сначала уменьшался. Предпочтительно, при начале вращательного движения площади проекции обеих заготовок на плоскость перпендикулярно магнитному потоку обе являются максимальными или обе являются минимальными. Если обе заготовки вращаются в одном направлении (при неизменном по величине отношении угловых скоростей друг к другу), перед запуском заготовки должны быть ориентированы так, чтобы с началом вращательного движения магнитный поток через одну из заготовок сначала уменьшался, а через другую сначала увеличивался. В этом случае при начале вращательного движения площадь проекции одной заготовки является, предпочтительно, максимальной, а площадь проекции другой заготовки является минимальной. В обоих случаях магнитный поток через обе заготовки изменяется в противоположном направлении, так что соответствующие отдельным заготовкам напряжения обратной индукции имеют разные знаки и субтрактивно совмещаются.
2
3
7-х
В качестве сверхпроводящей обмотки может применяться, например, имеющий форму ленты высокотемпературный сверхпроводник (ВТСП). Как ВТСП обозначаются, например, купратные сверхпроводники, то есть редкоземельные оксиды меди, такие как, например, YВаСuO.
Величина постоянного тока может поддерживаться по меньшей мере по существу неизменной с помощью подключенного к обмотке регулируемого источника тока. В связи с незначительной обратной индукцией этот источник постоянного тока может иметь меньший диапазон регулировки и поэтому может быть более дешевым, чем при осуществлении способа в соответствии с уровнем техники.
Устройство, прежде всего для осуществления вышеописанного способа, имеет сверхпроводящую обмотку на железном сердечнике, источник постоянного тока для генерирования постоянного тока в обмотке, по меньшей мере одно зажимное устройство для заготовки из электропроводного материала и привод механизма вращения для создания относительного движения между обмоткой и зажимным устройством. В одной форме осуществления изобретения величина генерируемого в обмотке посредством источника постоянного тока постоянного тока устанавливается так, что относительная магнитная проницаемость железного сердечника по меньшей мере в области обмотки уменьшена по сравнению с обесточенным состоянием обмотки (пункт 8 формулы изобретения).
Если устройство имеет по меньшей мере еще одно приводимое во вращательное движение зажимное устройство, то опционально или альтернативно зажимные устройства могут приводиться во вращение в противоположных направлениях и, предпочтительно, с примерно одинаковой по величине угловой скоростью (пункт 9 формулы изобретения). Например, зажимные устройства могут иметь в своем распоряжении соответственно отрегулированные приводные электродвигатели. В качестве альтернативы по меньшей мере два зажимных устройства могут также иметь привод от одного общего электродвигателя. Трансмиссия с вращающимися в противоположных направлениях и одинаковой по величине угловой скоростью приводами передает мощность электродвигателя на зажимные устройства.
В качестве альтернативы или дополнительно, устройство может иметь средства для определения соответствующих вызванных в заготовках изменяющимися во времени индукционными токами напряжений обратной индукции. С помощью блока управления, который анализирует предварительно определенные напряжения обратной индукции, приводы механизмов вращения зажимных устройств управляются так, что соответственно вызываемые заготовками напряжения обратной индукции субтрактивно совмещаются (пункт 10 формулы изобретения). Например, положение заготовок относительно друг друга и/или относительное движение заготовок относительно друг друга может регулироваться посредством блока управления.
В простейшем случае применяемый железный сердечник может представлять собой стержень. На обоих концах стержня заготовка может приводиться в движение, прежде всего во вращение относительно выходящего из стержня магнитного поля. Магнитное обратное замыкание происходит через свободное пространство.
Лучше, применяемый железный сердечник может представлять собой по меньшей мере приблизительно С-образное ярмо. По меньшей мере приблизительно С-образное ярмо имеет воздушный зазор между двумя полюсными башмаками в противном случае кольцеобразно замкнутого в поперечном сечении ярма, в котором может вращаться заготовка. Такой железный сердечник обеспечивает возможность хорошего проведения магнитного потока через подлежащую нагреву заготовку. По сравнению со стержнем, через железный сердечник происходит и магнитное обратное замыкание.
В соответствии с одной предпочтительной формой осуществления изобретения железный сердечник представляет собой примерно Е-образное ярмо с соответственно одним воздушным зазором между средним плечом и соответствующим крайним плечом для приема в каждом случае одной заготовки. Предпочтительно, обмотка расположена на среднем плече. Такой железный сердечник позволяет одновременно нагревать две заготовки только одной обмоткой, а также проводить обратный магнитный поток через железный сердечник. Для этого в каждом из воздушных зазоров приводится в движение относительно магнитного поля, предпочтительно во вращение в воздушном зазоре, по одной заготовке.
Предпочтительно, железный сердечник, по меньшей мере частично, состоит из уложенных слоями (набора) пластин. За счет этого уменьшаются возможные вихревые токи в железном сердечнике. Соответственно, снижается нагревающая железный сердечник рассеиваемая мощность вихревых токов, и объем мер по охлаждению железного сердечника может быть меньше. Одновременно уменьшается возможный внос тепла от железного сердечника в сверхпроводящую обмотку.
Особо предпочтительно, пластины по меньшей мере частично уложены слоями примерно ортогонально к плоскости, в которой преимущественно течет индуцированный в заготовке ток. Это обеспечивает возможность хорошего проведения магнитного поля при незначительных потерях вихревых токов.
Предпочтительно, поперечное сечение в области обмотки выбирается меньшим, чем вне обмотки. За счет этого обратная индукция уменьшается еще раз.
Изобретение дополнительно поясняется со ссылкой на чертежи. В каждом случае схематично и в качестве примера показано на:
Фиг.1: вид индукционного нагревателя,
Фиг.2А: магнитная система индукционного нагревателя с имеющим форму стержня железным сердечником,
Фиг.2Б: вид сбоку на представленную на фиг.2а магнитную систему,
Фиг.3А: магнитная система с С-образным ярмом в качестве железного сердечника,
Фиг.3Б: представленная на фиг.3А магнитная система в виде спереди,
Фиг.4А: магнитная система с Е-образным ярмом в качестве железного сердечника,
Фиг.4Б: представленная на фиг.4А магнитная система в виде спереди, и
Фиг.5: пример напряжения обратной индукции в качестве функции тока обмотки.
Представленный на фиг.1 индукционный нагреватель служит для нагрева заготовки 10 посредством вращения заготовки 10 в создаваемом магнитной системой 50 магнитном поле. Для этого заготовка 10 зажата между правым и левым прижимным элементом 2А или же 2b зажимного устройства и приводится во вращение электродвигателем 1. Трансмиссия 3 соединяет вал электродвигателя с валом выполненного с возможностью перемещения в направлении двухсторонних стрелок прижимного элемента 2а зажимного устройства.
WI
WI
Магнитная система 50 может, как сильно упрощенно показано на фиг.2А и 2Б, содержать запитываемую постоянным током сверхпроводящую обмотку 60 с железным сердечником 55.2. Между обмоткой 60 и железным сердечником 55.2 находится изоляционный элемент 61, например вакуумированное полое пространство, которое уменьшает внос тепла в обмотку 60 (только фиг.2Б). Имеющий форму стержня железный сердечник 55.2 проводит созданное запитываемой постоянным током обмоткой 60 магнитное поле (не показано), которое как из линзы выходит на обеих торцевых поверхностях 56.2, 57.2 железного сердечника 55.2 и через воздушный зазор входит в находящиеся там заготовки 10. Если заготовки 10 приводятся в движение в магнитном поле, например во вращение, то магнитный поток изменяется относительно заготовки 10, и в заготовке 10 индуцируется индукционный ток. В свою очередь, индукционный ток в заготовках 10 создает еще одно магнитное поле, которое совмещается с созданным обмоткой магнитным полем и обратно индуцирует напряжение в обмотке 60. Чтобы эксплуатировать сверхпроводящую обмотку 60 с оптимальным кпд, изменение во времени текущего по обмотке 60 тока, предпочтительно, равно нулю, то есть I(t)=0. Однако по причине, как правило, непостоянного во времени обратно индуцированного напряжения действует уравнение I(t)≠0. Обратная индукция может быть уменьшена, если обмотка 60 запитывается постоянным током, который понижает относительную магнитную проницаемость предпочтительно до близкого к области насыщения уровня. Если затем созданное индукционным током магнитное поле аддитивно совмещается с созданным обмоткой 60 магнитным полем, дополнительная напряженность поля из-за малой относительной магнитной проницаемости железного сердечника 55.2 не проводится от железного сердечника 55.2 к обмотке 60 или проводится лишь плохо, а распространяется по существу «ненаправленно». Соответственно меньшим является изменение магнитного потока через обмотку 60 и, тем самым, обратно индуцированное напряжение.
В другой форме осуществления изобретения магнитная система 50 может состоять по существу из С-образного железного сердечника 55.3 с, предпочтительно, ВТСП (высокотемпературный сверхпроводник) - обмоткой 60 (фиг.3А и 3Б).
WI
F
Обмотка 60 запитывается от регулируемого источника 80 постоянного тока. Железный сердечник проводит созданное таким образом магнитное поле, которое обозначено черными стрелками (только фиг.3Б). В отличие от представленной на фиг.2 формы осуществления, обратное магнитное замыкание происходит не через свободное пространство, а через плечо 57.3 (фиг.3Б). Между обоими плечами 56.3 и 57.3 железного сердечника 55 находится по меньшей мере одна подлежащая нагреву заготовка 10. В отличие от того, что изображено, подлежащая нагреву заготовка 10, как правило, не является точно цилиндрической и в большинстве случаев вращается не точно вокруг оси цилиндра. Соответственно, изменяется пронизываемая магнитным потоком поверхность заготовки 10 и, тем самым, обратная индукция, в результате чего изменяется и ток через сверхпроводящую обмотку. Как уже было описано выше, обратная индукция уменьшается посредством соответствующего выбора величины постоянного тока, которым запитывается обмотка 60. Площадь сечения железного сердечника 55.3 под прямым углом к символизируемому черными стрелками магнитному полю в области обмотки 60 уменьшена по сравнению с соответствующими площадями плеч 56.3, 57.3. Видна уменьшенная толщина d железного сердечника в области обмотки по сравнению с толщиной d свободных плеч. За счет этого относительная магнитная проницаемость железного сердечника в области обмотки уменьшается еще раз. В качестве альтернативы, железный сердечник 55.4, как показано на фиг.4А и фиг.4Б, может быть Е-образным. Между свободными плечами 71 и 72 или же 72 и 73 имеется по одному окну, в которое введена заготовка 10. На среднем свободном плече 72 установлена катушка с ВТСП-обмоткой 60, которая запитывается от показанного только на фиг.4Б регулируемого источника 80 постоянного тока. По существу, железный сердечник 55.4 состоит из набора пластин 58, которые расположены друг на друге ортогонально к плоскости, в которой течет индуцированный в заготовках 10 ток.
IND
WI
WI
WI
WI
WI
IND
На фиг.5 показано рассчитанное напряжение U обратной индукции в вольтах в качестве функции тока I обмотки, исходя из тепловой нагрузки в 120 кВт в результате вращения заготовки в поле обмотки на железном сердечнике, которая имеет 3000 витков, при равномерном изменении частоты вращения заготовки относительно обмотки за 1 с на 8 Гц. Для малых токов (например, I≈50 А) напряжение обратной индукции имеет свою максимальную величину приблизительно 220 В. С увеличением тока I обратная индукция сначала сильно уменьшается по величине. Увеличение тока I, например, примерно на 15 А до I=65 А уменьшает напряжение U обратной индукции по величине примерно на 100 В.
iND
WI
Выше примерно 80 А дальнейшее увеличение тока приводит лишь к сравнительно небольшому уменьшению напряжения U обратной индукции. Например, увеличение тока I с приблизительно 80 А до приблизительно 100 А приводит лишь к уменьшению напряжения обратной индукции примерно на 20 В.
Оптимальный рабочий диапазон для индукционного нагревателя находится в пределах от приблизительно 60 А (~180000 ампер-витков) до приблизительно 80 А (~240000 ампер-витков), прежде всего приблизительно около 70 А (~210000 ампер-витков), так как в этом случае относительная магнитная проницаемость железного сердечника имеет величину, которая допускает лишь сравнительно небольшую обратную индукцию, но в то же время все еще является достаточной для того, чтобы железный сердечник проводил на заготовку созданное сверхпроводящей обмоткой магнитное поле.