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Vorrichtung zur Umwandlung mechanischer Energie in Wärme unter Verwendung des Wirbelstrom- bzw.
Hysteresis-Effekte s
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Umwandlung mechanischer Energie in Wärme unter Verwendung des Wirbelstrom-bzw. Hysteresis-Effektes, vorzugsweise zur Beheizung von Koch-Töpfen, Koch-Pfannen oder ähnlichen Körpern.
Es wurde bereits vorgeschlagen, die Behälter zur Erwärmung vonspeisen oder auch das zu erwärmende Gut in schnell wechselnde Magnetfelder einzubringen, so dass sich in den metallisch leitenden Behältern bzw. im zu erwärmenden Gut WirbeJströme ausbilden. Dieses Verfahren setzt jedoch einen beträchtlichen apparativen Aufwand voraus, da es notwendig ist, die Frequenz der Wechselfelder hoch zu wählen, um in kürzester Zeit eine ausreichende Frwärmung zu erzielen. Man hat auch schon Geräte gebaut, bei welchen die dielektrischen Verluste im elektrischen Feld zur unmittelbaren Erwärmung der Speisen ausgenutzt werden. Hiebei ist der Behälter aus elektrisch nicht leitenden Werkstoffen hergestellt und bleibt unbeheizt.
Bei diesem letzteren Verfahren müssen besondere Wärmestrahler oder ähnliche Vorrichtungen vorgesehen sein, wenn eine Überhitzung der Speise an der Oberfläche aus geschmacklichen oder sonstigen Gründen gewünscht ist.
Die erwähnten Nachteile bei den bekannten Vorrichtungen werden gemäss der Erfindung dadurch vermieden, dass der zu erwärmende Körper ganz oder teilweise aus einem elektrisch gut leitenden bzw. ferromagnetischen Werkstoff besteht und dem Feld eines mehrpoligen Magneten mit von Pol zu Pol abwechselnder Magnetisierungsrichtung ausgesetzt ist, wobei eine Relativbewegung zwischen dem zu erwärmenden Körper und dem Magneten durch mechanische Kräfte bewirkt wird.
Auf diese Weise wird erreicht, dass in dem elektrisch leitenden Behälter ein Wechselfeld sehr hoher Frequenz entsteht, welches die Bildung von Wirbelströmen in hohem Grade begünstigt. Anderseits sind die apparativen Mittel rein standardmässiger, im Handel leicht beziehbarer Ausführung, so dass der Aufwand zur Erstellung eines derartigen Kochgerätes relativ niedrig ist.
Gemäss der Erfindung besteht der Feldmagnet bei dieser Vorrichtung aus. einzelnen Polstücken aus dauermagnetischem Werkstoff und einem ferromagnetischen Rückschlusskörper, oder ganz aus dauermagnetischem Werkstoff. An die Stelle von Dauermagneten können auch Elektromagnete treten, in welchem Falle der Feldmagnet ganz aus ferromagnetischem Werkstoff besteht und mit ausgeprägten Polen versehen ist, die mit Gleichstrom gespeiste Wicklungen tragen. Dies kann dann von Vorteil sein, wenn es erwünscht ist, die Feldstärke bequem, z. B. über Widerstände regulierbar zu machen. Anderseits ist die Ausführung* des Feldmagneten in dauermagnetischem Werkstoff insoweit vorteilhaft, als dort keine Schleifringe und Stromquellen benötigt werden.
Um jedoch die bei Elektromagneten unvermeidliche Kopfstreuung an den Polen möglichst weit herabzusetzen, wird nach einem weiteren Vorschlag gemäss der Erfindung das Kopfende der Wicklungskerne mit Leitstücken aus dauermagnetischem Werkstoff, vorzugsweise-einem solchen mit einer magnetischen Vorzugrichtung ausgerüstet. Man legt dann die Vorzugsrichtung in die gewünschte Feldrichtung, da bei diesen Werkstoffen die Permeabilität quer zur Vorzugsrichtung beträchtlich kleiner ist als in der Vorzugsrichtung.
Bei Anwendung von Dauermagneten zur Erzeugung des Feldes hat sich eine Anordnung als besonders
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vorteilhaft erwiesen, bei welcher der Feldmagnet aus einem drehbar gelagerten, kreisscheibenförmigen Rückschlusskörper aus ferromagnetischem Werkstoff besteht, auf welchem die in axialer Richtung mit abwechselnder Polarisierung magnetisierten Polstücke radial angeordnet und befestigt sind, die also mit dem Rückschlusskörper umlaufen. DerFeldmagnet kann aber gemäss der Erfindung auch aus einem walzen- oder zylinderringförmigen Körper aus ferromagnetischem Werkstoff hergestellt sein, welcher inForm von AxialRippen angeordnete, in radialer Richtung mit abwechselnder Polarisierung magnetisierte Polstücke aufweist und somit ein Innen- bzw. Aussen-Polrad bildet.
Schliesslich besteht die weitere Möglichkeit, dass der Feldmagnet aus einer parallel zum Kochtopfboden schwingbeweglich gelagerten, ebenen, rechteckigen Platte aus ferromagnetischem Werkstoff besteht, auf welcher die Polstücke rippenartig parallel zueinander und senkrecht zur Bewegungsrichtung der Platte befestigt, und senkrecht zur Plattenebene sowie zu deren Bewegungsrichtung mit wechselnder Polarisierung magnetisiert sind, so dass sie mit der Platte eine Schwingbewegung ausführen.
Bei all diesen Konstruktionen kann durch die Zahl der Pole bzw. die Bewegungsgeschwindigkeit die Frequenz der die Wirbelströme erzeugenden Felder leicht auf eine solche Grösse gebracht werden, dass die Erwärmung in kürzester Zeit auf das gewünschte Mass erfolgt. Im einzelnen wird die Wahl einer der verschiedenen Ausführungsformen von dem Anwendungszweck insoweit abhängen, als die Form der zu erwärmenden Körper für den Aufbau des Feldmagneten, sei es Scheiben-, Walzen- oder ebene Form, massgeblich ist.
Um dem Magnetfeld einen Rückschluss zu bieten, ist bei zu erwärmenden Körpern aus elektrisch gut leitendem Werkstoff, die die Form von Töpfen, Pfannen od. dgl. haben können, auf der dem Feldmagneten abgewandten Seite ein eng anliegender ferromagnetischer Rückschlusskörper vorgesehen u. zw. wenigstens an dem Teil, welcher der Einwirkung des Feldes ausgesetzt ist. Dieser Eisenteil trägt ebenfalls zur Wärmebildung bei, da er von dem magnetischen Fluss durchflutet ist und hiebei Hystereseverluste entstehen.
Man kann aber auch gemäss der Erfindung die zu erwärmenden Körper ganz aus ferromagnetischem Werkstoff herstellen. Gegebenenfalls kann man ferner auf der dem Feldmagneten zugewandten Seite eine Schicht aus elektrisch gut leitendem Werkstoff zusätzlich anbringen. In diesem Falle ist die Erwärmung in überwiegendem Masse auf den Hysteresiseffekt zurückzuführen, so dass man gemäss der Erfindung für diesen Zweck bevorzugt ferromagnetische Werkstoffe mit grossflächiger Magnetisierungsschleife verwenden wird.
Da bei dieser Art der Erwärmung elektrisch gut leitender oder ferromagnetischer Körper von dem umlaufenden Magnetfeld ponderomotoriscl : 1e Kräfte auf den zu erwärmenden Körper wirksam werden, wird in einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgeschlagen, zum Festhalten 0der Körper in ihrer nach aussen gerichteten Haftwirkung abschaltbare Dauermagnets) Jteme oder Elektromagnete derart anzuordnen, dass die Körper ven ihnen gegenüber dem umlaufenden Feld festgehalten werden. Diese Magnete sind an geeigneten Stellen des Gerätes angebracht, wie z. B. an einer Abdeckplatte über dem umlaufenden Feldmagneten, auf welche die zu erwärmenden Körper, wie Töpfe usw., aufgesetzt werden.
Dabei ist vorteilhaft die Einschaltvorrichtung der Haltemagnete mit der Einschaltvorrichtung des Antriebsaggregates des bewegten Felmagneten derart gekuppelt, dass die Haltemagnete vor Einschalten des Antriebsaggregates in Tätigkeit treten, wobei die Ausschaltung der Haltemagnete gegebenenfalls über besondere Schaltmittel bewirkt wird. Auf diese Weise wird verhindert, dass die ponderomotorischen Kräfte zur Wirkung kommen können, bevor die Fixierung der Kochgeräte stattgefunden hat, bzw. dass zwangsläufig beim Auslaufen des umlaufenden Feldmagneten nach Abschaltung dessen Antriebsaggregates die zu erwärmenden Körper einer ungewollten Bewegung unterworfen werden.
Ausser auf die weiter oben bereits erwähnte Art kann die Temperatur des zu erwärmenden Körpers auch dadurch geregelt werden, dass der Abstand zwischen dem Feldmagneten und dem zu erwärmenden Körper gegebenenfalls automatisch mittels Bimetall-, Expansions-oder ähnlichen Körpern veränderbar ist.
Bei dieser Art der Regelung kann es sich als zweckmässig erweisen, zu der bereits erwähnten magnetischen Fixierung mechanische Hilfsmittel hinzuzufügen, wie beispielsweise Nasen, Stiftführungen od. dgl., die der Abstandsänderung stattgeben, ohne jedoch eine räumliche Verschiebung in der Ebene der Aufnahmeplatten zu gestatten.
Vorteilhaft ist der Feldmagnet in zwei oder mehr gleichwirkende, konzentrisch oder mit parallelen Achsen angeordnete Magnetgruppe aufgeteilt, die so angetrieben werden, dass sie gleiche, aber entgegengesetzt gerichtete Bewegungen ausführen. So kann man z. B. die Feldmagnete aus zwei konzentrisch ineinanderlaufenden Ringen herstellen, die in entgegengesetzter Richtung umlaufen. Die durch diese beiden Feldringe auf das zu erwärmende Gerät übertragenen Bewegungsmomente sind demnach auch entgegengesetzt gerichtet, so dass die zur Fixierung des Kochgerätes erforderlichen Kräfte beträchtlich kleiner werden.
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Bei einer derartigen Anordnung ist es natürlich unvermeidlich, dass der Bewegung des Magneten fol- gen4, bewegende Kräfte infolge der von den Wirbelströmen gebildeten magnetischen Gegenfelder in dem elektrisch bzw. den magnetischen Fluss gut leitenden und dem Feld des Magneten ausgesetzten Werkstoff entstehen. Diese Kräfte, soweit sie der Bewegungsrichtung des Magneten folgen, auszuschalten, ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die dadurch gelöst wird, dass zwischen dem mehrpoligen, durch mechanische Kräfte bewegten Magneten und dem zu erwärmenden Körper ortsfeste, lamellierte Leitstücke aus ferromagnetischem Werkstoff vorgesehen sind, welche in eine Platte aus einem elektrisch isolieren- den, nicht ferromagnetischen, möglichst wärmebeständigen Werkstoff eingelassen sind.
Durch diese Leitstuck entsteht auf deren, dem Magneten abgewandten Seite ein magnetisches Wechselfeld ohne jede quer zur Flussrichtung gerichtete Bewegungskomponente. Es verbleiben demnach nur noch die in Flussrichtung gerichteten, von dem Gegenfeld der Wirbelströme herrührenden Bewegungskräfte. Ferner wird durch die Platte aus Isoliermaterial vermieden, dass in dieser verlustbringende Wirbelströme entstehen können.
Verwendet man für diese Platte einen wärmebeständigen Isolier-Werkstoff, wie z. B. Schieferasbest, Silicon oder ähnliche Werkstoffe, so ist auch die nötige Vorsorge gegen unerwünschte Folgen der Erwärmung dieser Platte durch Kontaktübertragung von dem durch Wirbelströme erwärmten Körper gegeben.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Antriebsmotor der bewegten Magnete dadurch vor Überlastungen geschützt, dass die bewegten Magnete senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung verschiebbar angeordnet sind und durch eine Feder, ein Gegengewicht od. dgl. in dieser Verschiebungsrichtung so gegen einen Anschlag gehalten werden, dass der aus mechanischen Gründen erforderliche Mindestabstand zwischen den Magnetpolen und dem zu erwärmenden Körper bzw. den dazwischenliegenden Leitstücken aus ferromagnetischem Werkstoff gewährleistet ist. Das durch die Wirbelströme erzeugte magnetische Gegenfeld wirkt nun abstossend auf die bewegten Magnete und drückt sie bei richtiger Abstimmung der Feder gegen deren Kraft zurück, sobald die Wirbelströme durch ihre bremsende Kraft den die Bewegung der Magnete verursachenden Antriebsmotor überlasten.
Durch die"es Zurückdrücken der bewegten Magnete wird der Luftspalt zwischen ihren Polen und der Wirbelstrombahn solange vergrössert, bis ein Gleichgewichtszustand zwischen der Kraft des Gegenfeldes der Wirbelströme und der Federkraft entstanden ist.
Damit ist dann aber auch die Grösse der Wirbelströme auf ein solches Mass zurückgeführt, dass der Antriebsmotor nicht überlastet wird.
Eine weitere Verbesserung der Erfindung bei einer Ausführungsform, nach welcher der Feldmagnet aus einem drehbar gelagerten, - kreissrheibenförmigen Rückschlusskörper aus ferromagnetischem Werkstoff besteht, auf welchem die in axialer Richtung mit abwechselnder Polarisierung magnetisierten Polstücke radial angeordnet und befestigt sind und mit dem Rückschlusskörper umlaufen, mit dem Ziel, die Erwärmung der Wirbelstrombahn über'den ganzen Bereich der Magnete an allen Stellen gleich zu halten, ist dadurch gekennzeichnet, dass die radial angeordneten Polstücke bzw. Leitstücke nach dem grösseren Scheibendurchmesser hin einen grösseren Luftspalt aufweisen oder eine kleinere Polfläche besitzen.
Hiedurch ist es möglich, die Durchflutung der Wirbelstrombahn von kleineren zu grösseren Durchmessern dieser Bahn hin so zu verringern, dass die Erwärmung durch Wirbelströme, deren Grösse sowohl von der Druchflutung wie von der Schnittgeschwindigkeit abhängig ist, für die gesamte von Kraftlinien beaufschlagte Bahn gleich gross ist.
Die vorstehend beschriebene Vorrichtung kann ausser zum Kochen von Nahrungsmitteln eine weitergehende Anwendung finden, so z. B. zum Zwecke der Dampferzeugung in Kesseln. In diesem Falle wirkt der Feldmagnet auf scheiben- oder zylinderförmige Teile aus geeignetem Werkstoff ein, die mit dem Kessel verbunden oder Bestandteile des Kessels sind. Ferner kann mit der Vorrichtung auch ein metallurgischer Schmelzvorgang durchgeführt werden, indem der Feldmagnet unmittelbar auf metallische Körper einwirkt, die sich in dem nichtmetallischen Schmelztiegel befinden. In diesem Falle kann es sich als zweckmässig erweisen, die Umlauf-Drehzahl des Feldmagneten variabel zu gestalten, um die Möglichkeit zu schaffen, sich in der Frequenz dem Schmelzgut bzw. dem Schmelzvorgang anzupassen. Gleichzeitig kann hiebei auch die Feldstärke variiert werden.
Darüber hinaus kann natürlich die vorliegende Erfindung auch bei andern physikalischen Einrichtungen und Anlagen Anwendung finden, bei welchen die Aufgabe vorliegt, einen Körper, der einen zu erwärmenden Gegenstand enthält, unmittelbar zu erhitzen. Eine solche Anlage kann z. B. auch vorteilhaft zur Erwärmung von festgefrorenen Weichen im Eisenbahnbetrieb Verwendung finden.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen gemäss der Erfindung in verschiedenen Anwendungen veranschaulicht u. zw. zeigen :
Fig. 1 einen senkrechten Längsschnitt durch eine Kochvorrichcung zum Bereiten von Speisen, Fig. 2 eine Ansicht auf das Polrad gemäss Fig. 1, Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur Dampf-
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erzeugung, Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zum Schmelzen von Metallen, Fig. 5 einen Teilschnitt durch das mit Elektromagneten bestückte Polrad gemäss Fig. 4, Fig. 6 einen senkrechten Längsschnitt durch eine weitergebildete Vorrichtung gemäss der Erfindung, Fig. 7 eine Aufsicht auf die Vorrichtung nach Fig. 6 in teilweise aufgebrochener Darstellung, Fig. 8 einen Ausschnitt aus einer Vorrichtung gemäss den Fig. 1-2, teilweise in senkrechtem Längsschnitt mit abgeschrägten Bodenflächen.
Die Kochvorrichtung besteht aus dem Gehäuse 1, dem Boden 2, dem auf dem Boden angeordneten Sockel 3, auf welchem der Elektromotor 4 angeschraubt Ist. Die Welle 5 dieses Motors trägt eine Scheibe 6 aus ferromagnetischem Werkstoff, auf welcher kranzförmig Dauermagnete 7 senkrecht zur Scheibenfläche befestigt sind. Diese Dauermagnete haben prismatischen Querschnitt, wobei die längeren Seitenflächen in radialer Richtung liegen. Sie sind senkrecht zur Scheibenebene magnetisiert, derart, dass abwechselnd und Südpole nebeneinanderliegen. Über dieser. Magnetscheibe ist eine das Gehäuse abdeckende Platte 8 aus nichtmetallischem Werkstoff, wie z. B. aus Kunststoff befestigt. Ir dieser Kunststoffplatte ist auf der dem Polrad 6,7 zugewandten Seite eine Ringnute 9 ausgespart, in welche die Dauermagnete mit Luftspalt hineinragen.
In dieser Abdeckplatte sind an beliebigen Stellen und beiderseits der Ringnute 9 mit Polschuhen 10 versehene Dauermagnete 11 eingelassen. Diese Haftmagnete haben die Aufgabe, eine an dieser Stelle auf die Abdeckplatte aufgesetzte Pfanne 12, die aus elektrisch gut leitendem Werkstoff, wie z. B. Kupfer besteht, in ihrer Lage festzuhalten. Zu diesem Zweck ist auf dem Boden der Pfanne eine Platte 13 entsprechender Grösse aus ferromagnetischem Werkstoff festgelötet. Wird nun der Motor 4 in Gang gesetzt, dann rotiert die Scheibe 6 mit den Dauermagneten 7 in der Nute 9 und gegenüber der in diesem Bereich über der Platte 8 aufgesetzten Pfanne.
Da wegen der wechselnden Polarität der Scheibenmagnete die Kraftflüsse zwischen benachbarten Magneten in wechselnder Richtung und in schneller Folge durch den Boden der Pfanne hindurchtreten, erhitzt sich der aus elektrisch gut leitendem Werkstoff bestehende Teil der Pfanne 12 durch die entstehenden Wirbelströme, während der aus ferromagnetischem Werkstoff bestehende Bodeneinsatz durch Hysteresis-Verluste erhitzt wird. Beide physikalischen Merkmale summieren sich also zu einer erhöhten und sehr schnellen Erhitzung der Pfanne oder eines andern beliebigen zur Zubereitung von Speisen dienenden Behälters.
Da hiebei ponderomotorische Kräfte durch die schnelle Drehung der Scheibe auf den zu erhitzenden Körper zur Auswirkung gelangen, die. das Bestreben haben, diese Körper abzuheben bzw. wegzudrücken, sind die bereits erwähnten in die Platte eingelassenen Haftmagnete so stark bemessen, dass sie den ponderomotorischen Kräften das Gleichgewicht halten.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 handelt es sich um einen der Dampferzeugung dienenden, mit Wasser gefüllten Kessel 14, dessen Boden 15 hutförmig eingewölbt ist und der aus elektrisch gut leitendem Werkstoff, z. B. Kupfer besteht. In dieser zylindrischen Einwölbung 15a rotiert eine Glocke 16 aus ferromagnetischem Werkstoff, auf deren Mantelfläche kranzförmig in radialer Richtung magnetisierte Dauermagnete 17 in wechselnder Polfolge so angeordnet sind, dass zwischen den Polflächen und der Wand der Auswölbung ein geringer Luftspalt verbleibt. Auf der gegenüberliegenden bzw. der dem Wasserraum zugewandten Seite ist auf dieser Einwölbung 15a ein Ring 18 aus ferromagnetischem Werkstoff befestigt. Die Wirkung ist die gleiche wie bei der Anordnung nach Fig. 1.
Beim Antrieb der bei 19 gelagerten und mit einem nicht dargestellten Elektromotor gekuppelten Antriebswelle 20 rotiert die Glokke 16, wobei die Magnetflüsse der Magnete 17 in schneller Folge und abwechselnder Richtung sowohl die Mantelfläche der aus Kupfer bestehenden Einwölbung 15a als auch den Weicheisenring 18 durchfluten und hiebei eine Erwärmung dieser Teile durch Wirbelstrom bzw. Hysteresis-Effekt herbeiführen. Diese Wärme wird dann auf das Wasser übertragen.
Ein anderes Anwendungsbeispiel für den der Erfindung zugrundeliegenden Gedanken zeigen Fig. 4 und 5, indem hier Metalle durch die auf mechanischem Wege erzeugte Wärme erschmolzen werden. Zu diesem Zweck ist in der ringförmigen Öffnung eines Gestelles 21 ein die Metalle aufnehmender Tiegel 22 aus feuerfestem Werkstoff eingesetzt. Diesen Tiegel umfasst mit Luftspalt eine rotierende Glocke 23 aus ferromagnetischem Werkstoff, an deren Innenseite Polstücke 24 aus dem gleichen Werkstoff befestigt sind.
Diese Polstücke tragen Drahtwicklungen 25, deren Enden über die Schleifringe 26 mit einer Gleichstromquelle verbunden sind. Durch die magnetische Erregung entstehen in der Glocke Elektromagnete mit wechselnder Polarität, welche die gleiche Wirkung auf die zu erhitzenden Körper ausüben wie bei den Ausführungsbeispielen gemäss Fig. 1 - 3 bereits beschrieben, d. h., nach einiger Zeit werden die Metalle 27 durch die Wirbelströme bis zur Verflüssigung erhitzt. Sofern es sich um ferromagnetische Metalle handelt, wird diese Erwärmung noch durch das Hinzutreten des Hysteresis-Effektes beschleunigt.
Der Antrieb der Glocke erfolgt durch beliebige mechanische Mittel, im vorliegenden Falle über ein Kegelradgetriebe 28.
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Bei dieser Vorrichtung kann durch Regelung der Stromstärke für die Erregung der Magnete sowie auch durch Veränderung der Drehzahl der Schmelzvorgang weitgehend beeinflusst werden, was besonders beim Erschmelzen von Legierungen von Bedeutung ist.
In Fig. 6 ist in einem tischartigen Gehäuse 1 ein Motor 29 befestigt, auf dessen Welle 30 ein kreisscheibenförmiger Rückschlusskörper 31 aus ferromagnetischem Werkstoff mittels der Büchse 32 und des Keiles 33 drehfest axial verschiebbar angeordnet ist. Diese Scheibe 31 wird durch die Feder 34, die sich in der topfförmigen Scheibe 35, welche mittels des Stiftes 36 auf der Welle 30 befestigt ist, abstützt, gegen die Endscheibe 37 gedrückt, die durch die Schraube 38 mit der Welle 30 fest verbunden ist, Auf dem kreisscheibenförmigen Rückschlusskörper 31 sind Magnete 39,40 befestigt, die mit ihm umlaufen.
Vor den dem Rückschlusskörper abgewandten Polenden dieser Magnete liegt unter Wahrung des aus mechanischen Gründen erforderlichen Luftspaltes eine Platte 41, in welche lamellierte Polstücke 42 bzw. 43 eingelassen sind. Ebenfalls in die Platte 41 eingelassen sind ringförmige radial magnetisierte Dauermagnete 44 bzw. 45, deren ebenfalls ringförmige Polschuhe 46,47 bzw. 48,49 mit der Platte 41 abschneiden. Diese Platte besteht zweckmässig aus einem temperaturbeständigen Isoliermaterial, damit sich in ihr keine Wirbelströme ausbilden können, aber auch. die durch Kontaktübertragung von dem darauf befindlichen Kochgerät entstehende Erwärmung keine Beschädigung hervorrufen kann.
Zur Erleichterung der Sauberhaltung der Gesamtanordnung kann über die Platte 41 mit all den in sie eingelassenen Teilen eine nicht durchbrochene dünne Schutzplatte 50 aus einem wärmebeständigen Isolierstoff, wie z. B. Silicon, aufgelegt werden, die gegebenenfalls an ihrem gesamten äusseren Rand eine Feuchtigkeitsfangrinne 51 mit dem Ablauf 52,"welcher durch einen nicht gezeichneten Hahn verschlossen sein kann, bildet. Auf diese Platte 50 kann danu das zu erwärmende Gerät, z.
B. die Pfanne 53, aufgesetzt werden, welche aus elektrisch gut leitendem Werkstoff besteht. Diese Geräte können an ihrem äusseren Rand mit einem Ring 54 aus ferromagnetischem Werkstoff derart versehen werden, dass bei günstigster Durchflutung des aufgesetzten Gerätes der Ring 54 von den Polschuhen der Magnete 44 bzw. 45 festgehalten wird.
Wird nun die Belegung der Laufbahn, die durch die umlaufenden Magnetpole bzw. die eingefügten Polstücke beschrieben ist, mit Wirbelstrombahnen so sehr vergrössert, da'ss die bremsende Rückwirkung'auf denAntriebsmo- tor 29 das zulässige Belastungsmoment überschreitet, wird die abstossende Wirkung der von der Wirbelströmen herrührenden Gegenfelder auf die Dauermagnete 39 bzw. 40 so gross, dass diese entgegen der vorgespannten Feder 34 den Rückschlusskörper 31 in axialer Richtung zurückdrängen. Das Mass der Vorspannung der Feder 34 wird dabei so gewählt, dass diese Verschiebungsbewegung erst dann beginnen kann, wenn die maximal zulässige Bremswirkung durch zu starkes Besetzen der Magnetlaufbahn mit z. B. Koch-Geräten überschritten ist.
In Fig. 7 zeigt der Ausschnitt A einen Durchbruch durch die Platten 50 und 41, so dass der kreisscheibenförmige Rückschlusskörper 31 mit den auf ihm befestigten Magneten 39a und 39b bz'v. 40a und 40b zu sehen ist, während im Ausschnitt B nur die oberste Deckplatte 50 ausgeschnitten ist, so dass die Platte 41 mit den in sie eingelassenen lamellierten Polstücken 42a, 42b und 42c und 42d sowie die ringförmigen Magnete 44 bzw. 45 mit ihren ringförmigen Polschuhen 46 und 47 bzw. 48 und 49 sichtbar werden.
In'Fig. 8 ist auf der Welle 55 des Motors 56 der kreisscheibenförmige Rückschlusskörper 57 befestigt, der Dauermagnete 58 trägt. Die Platte 59 aus nicht leitendem, wärmebeständigem Werkstoff trägt auf ihrer Unterseite eine Ringnut 60, in welche die Magnete 58 eintauchen. Um diese Ringnut herum sind in die Platte 59 ringförmige, radial magnetisierte Dauermagnete 61 bzw. 62 mitringförmigen Polschuhen 63,64 bzw. 65,66 eingelassen, welche mit der Oberkante der Platte 59 bündig abschneiden. Oberhalb der Nut 60 befindet sich auf der Platte 59 ein Kochgerät, z. B. eine Pfanne 67. Der Boden 68 dieser Pfanne ist durchgedrückt und auf der inneren Hohlpartie mit einer Platte 69 und auf der äusseren Randpartie mit einem Ring 70, beide aus ferromagnetischem Werkstoff belegt.
Die Platte 69 schliesst dabei den von-den Magneten 58 den Boden 68 wirbelstromerzeugend durchsetzenden Kraftfluss, während der Ring 70 die Pfanne 67 über die Haftkraft des Ringmagneten 61 bzw. 62 lösbar mit der Platte 59 verbindet. Hiebei wird durch die abgeschrägte Poloberfläche 71 der Dauermagnete 58 bewirkt, dass der Boden 68 der aus gut leitendem Werkstoff bestehenden Pfanne 67 in dem gesamten, von Kraftlinien durchsetzten Bereich gleichmässig erwärmt wird.
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Device for converting mechanical energy into heat using the eddy current or
Hysteresis effects see
The invention relates to a device for converting mechanical energy into heat using the eddy current or. Hysteresis effect, preferably for heating pots, pans or similar bodies.
It has already been proposed to feed the containers for heating or to introduce the goods to be heated into rapidly changing magnetic fields, so that eddy currents develop in the metallic conductive containers or in the goods to be heated. However, this method requires a considerable outlay in terms of equipment, since it is necessary to select a high frequency of the alternating fields in order to achieve sufficient heating in the shortest possible time. Devices have also been built in which the dielectric losses in the electrical field are used to directly heat the food. The container is made of electrically non-conductive materials and remains unheated.
With this latter method, special radiant heaters or similar devices must be provided if overheating of the food on the surface is desired for taste or other reasons.
The disadvantages mentioned in the known devices are avoided according to the invention in that the body to be heated consists entirely or partially of a material with good electrical conductivity or ferromagnetic material and is exposed to the field of a multi-pole magnet with alternating direction of magnetization from pole to pole Relative movement between the body to be heated and the magnet is caused by mechanical forces.
In this way it is achieved that an alternating field of very high frequency is created in the electrically conductive container, which promotes the formation of eddy currents to a high degree. On the other hand, the equipment is of a purely standard, commercially available design, so that the cost of creating such a cooking device is relatively low.
According to the invention, the field magnet in this device consists of. individual pole pieces made of permanent magnetic material and a ferromagnetic return body, or entirely made of permanent magnetic material. Instead of permanent magnets, electromagnets can also be used, in which case the field magnet consists entirely of ferromagnetic material and is provided with pronounced poles that carry windings fed with direct current. This can be advantageous when it is desired to conveniently adjust the field strength, e.g. B. to make it adjustable via resistors. On the other hand, the execution * of the field magnet in permanent magnetic material is advantageous insofar as no slip rings and power sources are required there.
However, in order to reduce the head scattering at the poles, which is unavoidable in electromagnets, as far as possible, according to a further proposal according to the invention, the head end of the winding cores is equipped with conductive pieces made of permanently magnetic material, preferably one with a preferred magnetic direction. The preferred direction is then placed in the desired field direction, since with these materials the permeability transverse to the preferred direction is considerably smaller than in the preferred direction.
When using permanent magnets to generate the field, one arrangement has proven to be special
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Proven to be advantageous in which the field magnet consists of a rotatably mounted, circular disc-shaped return body made of ferromagnetic material, on which the pole pieces magnetized in the axial direction with alternating polarization are arranged and fastened radially, that is, they rotate with the return body. According to the invention, the field magnet can also be made of a cylindrical or cylindrical ring-shaped body made of ferromagnetic material, which has pole pieces arranged in the form of axial ribs and magnetized in the radial direction with alternating polarization and thus forms an inner or outer pole wheel.
Finally, there is the further possibility that the field magnet consists of a flat, rectangular plate made of ferromagnetic material that is pivotably mounted parallel to the base of the saucepan and on which the pole pieces are attached in a rib-like manner parallel to one another and perpendicular to the direction of movement of the plate, and perpendicular to the plane of the plate and its direction of movement alternating polarization are magnetized so that they perform an oscillating movement with the plate.
With all these constructions, the frequency of the fields generating the eddy currents can easily be brought to such a size through the number of poles or the speed of movement that the heating takes place to the desired level in the shortest possible time. In detail, the choice of one of the various embodiments will depend on the intended use insofar as the shape of the body to be heated is decisive for the construction of the field magnet, be it disk, roller or flat shape.
In order to provide a return path to the magnetic field, a tightly fitting ferromagnetic return path body is provided on the side facing away from the field magnet in the case of bodies to be heated made of electrically highly conductive material, which can be in the form of pots, pans or the like. between at least on the part that is exposed to the action of the field. This iron part also contributes to the generation of heat, since it is flooded with the magnetic flux and this results in hysteresis losses.
However, according to the invention, the body to be heated can also be produced entirely from ferromagnetic material. If necessary, a layer of material with good electrical conductivity can also be applied on the side facing the field magnet. In this case, the heating is mainly due to the hysteresis effect, so that, according to the invention, ferromagnetic materials with a large magnetization loop are preferably used for this purpose.
Since, with this type of heating, electrically highly conductive or ferromagnetic bodies from the circulating magnetic field act ponderomotoriscl: 1e forces on the body to be heated, it is proposed in a further development of the inventive concept that permanent magnet devices be switched off to hold the body in its outwardly directed adhesive effect or to arrange electromagnets in such a way that the bodies are held against the rotating field. These magnets are attached to suitable places on the device, such as B. on a cover plate over the rotating field magnet, on which the body to be heated, such as pots, etc., are placed.
The switch-on device of the holding magnets is advantageously coupled to the switch-on device of the drive unit of the moving field magnet in such a way that the holding magnets are activated before the drive unit is switched on, with the holding magnets being switched off if necessary via special switching means. In this way it is prevented that the ponderomotive forces can come into effect before the fixation of the cooking devices has taken place, or that the bodies to be heated are inevitably subjected to an undesired movement when the rotating field magnet expires after its drive unit has been switched off.
In addition to the type already mentioned above, the temperature of the body to be heated can also be regulated in that the distance between the field magnet and the body to be heated can optionally be changed automatically by means of bimetallic, expansion or similar bodies.
With this type of control, it may prove useful to add mechanical aids to the magnetic fixation already mentioned, such as lugs, pin guides or the like, which allow the change in distance, but without allowing a spatial shift in the plane of the mounting plates.
The field magnet is advantageously divided into two or more identically acting magnet groups arranged concentrically or with parallel axes, which are driven in such a way that they execute the same but oppositely directed movements. So you can z. B. produce the field magnets from two concentric rings that run in opposite directions. The moments of movement transmitted by these two field rings to the appliance to be heated are accordingly also directed in opposite directions, so that the forces required to fix the cooking appliance are considerably smaller.
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With such an arrangement, it is of course inevitable that following the movement of the magnet4, moving forces arise as a result of the opposing magnetic fields formed by the eddy currents in the material that conducts electrically or the magnetic flux and is exposed to the field of the magnet. To switch off these forces, as far as they follow the direction of movement of the magnet, is the object of the present invention, which is achieved in that fixed, laminated conductive pieces made of ferromagnetic material are provided between the multi-pole magnet moved by mechanical forces and the body to be heated, which are embedded in a plate made of an electrically insulating, non-ferromagnetic material that is as heat-resistant as possible.
This conductive piece creates an alternating magnetic field on the side facing away from the magnet without any movement component directed transversely to the direction of flow. Accordingly, only the movement forces that are directed in the direction of flow and originate from the opposing field of the eddy currents remain. Furthermore, the plate made of insulating material prevents loss-making eddy currents from occurring in it.
If you use a heat-resistant insulating material for this plate, such as. B. slate asbestos, silicone or similar materials, the necessary precautions against undesirable consequences of the heating of this plate by contact transfer from the body heated by eddy currents is given.
In a further embodiment of the invention, the drive motor of the moving magnets is protected from overloads in that the moving magnets are arranged displaceably perpendicular to their direction of movement and are held against a stop by a spring, a counterweight or the like in this displacement direction so that the minimum distance required for mechanical reasons between the magnetic poles and the body to be heated or the conductive pieces made of ferromagnetic material in between is guaranteed. The opposing magnetic field generated by the eddy currents now has a repulsive effect on the moving magnets and, if the spring is correctly coordinated, pushes them back against their force as soon as the eddy currents overload the drive motor causing the movement of the magnets with their braking force.
By pushing back the moving magnets, the air gap between their poles and the eddy current path is enlarged until a state of equilibrium between the force of the opposing field of the eddy currents and the spring force is created.
However, the size of the eddy currents is then also reduced to such a level that the drive motor is not overloaded.
A further improvement of the invention in an embodiment according to which the field magnet consists of a rotatably mounted, circular disc-shaped return body made of ferromagnetic material, on which the pole pieces magnetized in the axial direction with alternating polarization are arranged and fastened radially and rotate with the return body, with the The aim of keeping the heating of the eddy current path over the entire area of the magnets the same at all points is characterized in that the radially arranged pole pieces or conducting pieces have a larger air gap or a smaller pole face towards the larger disk diameter.
This makes it possible to reduce the flow through the eddy current path from smaller to larger diameters of this path in such a way that the heating due to eddy currents, the size of which depends on both the flow and the cutting speed, is the same for the entire path acted on by lines of force .
The device described above can be used in addition to cooking food, such. B. for the purpose of steam generation in boilers. In this case, the field magnet acts on disk-shaped or cylindrical parts made of suitable material, which are connected to the boiler or are part of the boiler. Furthermore, a metallurgical melting process can also be carried out with the device in that the field magnet acts directly on metallic bodies which are located in the non-metallic melting crucible. In this case it can prove to be useful to make the rotational speed of the field magnet variable in order to create the possibility of adapting the frequency to the material to be melted or to the melting process. At the same time, the field strength can also be varied.
In addition, the present invention can of course also be used in other physical devices and systems in which the object is to directly heat a body which contains an object to be heated. Such a system can, for. B. can also be used advantageously for heating up frozen points in railway operations.
In the drawing, embodiments of devices according to the invention are illustrated in various applications and. show between:
1 shows a vertical longitudinal section through a cooking device for preparing food, FIG. 2 shows a view of the pole wheel according to FIG. 1, FIG. 3 shows a longitudinal section through a device for steaming
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4 shows a longitudinal section through a device for melting metals, FIG. 5 shows a partial section through the magnet wheel according to FIG. 4 equipped with electromagnets, FIG. 6 shows a vertical longitudinal section through a further developed device according to the invention, FIG. 7 shows a plan view the device according to FIG. 6 in a partially broken away view, FIG. 8 a detail from a device according to FIGS. 1-2, partially in a vertical longitudinal section with beveled bottom surfaces.
The cooking device consists of the housing 1, the base 2, the base 3 which is arranged on the base and on which the electric motor 4 is screwed. The shaft 5 of this motor carries a disk 6 made of ferromagnetic material, on which permanent magnets 7 are attached in a ring shape perpendicular to the disk surface. These permanent magnets have a prismatic cross-section, with the longer side surfaces lying in the radial direction. They are magnetized perpendicular to the plane of the disk in such a way that alternating south poles lie next to one another. About this. Magnetic disk is a plate 8 covering the housing made of a non-metallic material, such as. B. made of plastic. In this plastic plate, an annular groove 9 is recessed on the side facing the pole wheel 6, 7, into which the permanent magnets with an air gap protrude.
Permanent magnets 11 provided with pole shoes 10 are let into this cover plate at any point and on both sides of the annular groove 9. These holding magnets have the task of a pan 12 placed on the cover plate at this point, which is made of a highly electrically conductive material, such as. B. copper is to hold in place. For this purpose, a plate 13 of appropriate size made of ferromagnetic material is soldered to the bottom of the pan. If the motor 4 is now started, the disk 6 with the permanent magnets 7 rotates in the groove 9 and in relation to the pan placed above the plate 8 in this area.
Because of the changing polarity of the disc magnets, the force flows between neighboring magnets pass through the bottom of the pan in alternating directions and in rapid succession, the part of pan 12, which is made of electrically conductive material, is heated by the eddy currents that arise, while that of ferromagnetic material Soil insert is heated by hysteresis losses. Both physical features therefore add up to an increased and very rapid heating of the pan or any other container used for the preparation of food.
Here ponderomotive forces come into effect through the rapid rotation of the disk on the body to be heated. endeavor to lift these bodies off or push them away, the aforementioned holding magnets embedded in the plate are so strong that they keep the ponderomotive forces in balance.
The embodiment according to FIG. 3 is a boiler 14 which is used to generate steam and is filled with water, the bottom 15 of which is arched in the shape of a hat and which is made of electrically conductive material, e.g. B. consists of copper. In this cylindrical bulge 15a, a bell 16 made of ferromagnetic material rotates, on the outer surface of which permanent magnets 17 magnetized in a ring in the radial direction are arranged in an alternating pole sequence so that a small air gap remains between the pole surfaces and the wall of the bulge. On the opposite side or the side facing the water space, a ring 18 made of ferromagnetic material is attached to this vault 15a. The effect is the same as in the case of the arrangement according to FIG. 1.
When the drive shaft 20 mounted at 19 and coupled to an electric motor (not shown) rotates, the magnetic fluxes of the magnets 17 flow through both the outer surface of the copper bulge 15a and the soft iron ring 18 in rapid succession and in alternating directions, including one Bring heating of these parts by eddy current or hysteresis effect. This heat is then transferred to the water.
Another application example for the idea on which the invention is based is shown in FIGS. 4 and 5, in that here metals are melted by the heat generated mechanically. For this purpose, a crucible 22 made of refractory material and accommodating the metals is inserted in the annular opening of a frame 21. This crucible includes a rotating bell 23 made of ferromagnetic material with an air gap, on the inside of which pole pieces 24 made of the same material are attached.
These pole pieces carry wire windings 25, the ends of which are connected to a direct current source via the slip rings 26. The magnetic excitation creates electromagnets with alternating polarity in the bell, which have the same effect on the body to be heated as already described for the exemplary embodiments according to FIGS. That is, after some time, the metals 27 are heated by the eddy currents until they liquefy. If it concerns ferromagnetic metals, this heating is accelerated by the addition of the hysteresis effect.
The bell is driven by any mechanical means, in the present case via a bevel gear 28.
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With this device, the melting process can be largely influenced by regulating the current strength for the excitation of the magnets and also by changing the speed of rotation, which is particularly important when melting alloys.
In Fig. 6, a motor 29 is fastened in a table-like housing 1, on whose shaft 30 a circular disc-shaped return path body 31 made of ferromagnetic material is arranged axially displaceable by means of the sleeve 32 and the wedge 33 in a rotationally fixed manner. This disk 31 is pressed by the spring 34, which is supported in the cup-shaped disk 35, which is fastened to the shaft 30 by means of the pin 36, against the end disk 37, which is firmly connected to the shaft 30 by the screw 38, Magnets 39, 40, which rotate with it, are attached to the circular disc-shaped return body 31.
In front of the pole ends of these magnets facing away from the return body, while maintaining the air gap required for mechanical reasons, there is a plate 41 in which laminated pole pieces 42 and 43 are embedded. Also embedded in the plate 41 are ring-shaped, radially magnetized permanent magnets 44 and 45, whose likewise ring-shaped pole shoes 46, 47 and 48, 49 cut off with the plate 41. This plate is expediently made of a temperature-resistant insulating material so that no eddy currents can develop in it, but also. the heat generated by contact transfer from the cooking appliance on it cannot cause any damage.
To make it easier to keep the overall arrangement clean, an uninterrupted thin protective plate 50 made of a heat-resistant insulating material, such as, for example, can be placed on the plate 41 with all the parts embedded in it. B. silicone, are placed, which if necessary on its entire outer edge forms a moisture trap 51 with the drain 52, "which can be closed by a not shown tap. The device to be heated, eg.
B. the pan 53, which is made of a highly electrically conductive material. These devices can be provided on their outer edge with a ring 54 made of ferromagnetic material in such a way that the ring 54 is held in place by the pole pieces of the magnets 44 and 45 when there is a favorable flow through the attached device.
If the occupation of the raceway, which is described by the rotating magnetic poles or the inserted pole pieces, with eddy current paths is increased so much that the braking reaction on the drive motor 29 exceeds the permissible load torque, the repulsive effect of the Opposite fields originating from eddy currents on the permanent magnets 39 and 40 are so large that they force the return body 31 back in the axial direction against the pretensioned spring 34. The degree of bias of the spring 34 is chosen so that this displacement movement can only begin when the maximum permissible braking effect is due to excessive occupation of the magnetic track with z. B. cooking devices is exceeded.
In Fig. 7, the section A shows a breakthrough through the plates 50 and 41, so that the circular disc-shaped return path body 31 with the magnets 39a and 39b or attached to it. 40a and 40b can be seen, while in section B only the uppermost cover plate 50 is cut out, so that the plate 41 with the lamellar pole pieces 42a, 42b and 42c and 42d embedded in it and the ring-shaped magnets 44 and 45 with their ring-shaped pole pieces 46 and 47 or 48 and 49 become visible.
In 'Fig. 8, the circular disc-shaped return path body 57, which carries permanent magnets 58, is attached to the shaft 55 of the motor 56. The plate 59 made of non-conductive, heat-resistant material has an annular groove 60 on its underside, into which the magnets 58 dip. Ring-shaped, radially magnetized permanent magnets 61 and 62 with ring-shaped pole pieces 63, 64 and 65, 66, which cut off flush with the upper edge of the plate 59, are embedded around this annular groove in the plate 59. Above the groove 60 there is a cooking appliance on the plate 59, e.g. B. a pan 67. The bottom 68 of this pan is pressed through and covered on the inner hollow part with a plate 69 and on the outer edge part with a ring 70, both made of ferromagnetic material.
The plate 69 closes the flux of force which penetrates the floor 68 in an eddy current-generating manner from the magnets 58, while the ring 70 releasably connects the pan 67 to the plate 59 via the adhesive force of the ring magnet 61 or 62. The beveled pole surface 71 of the permanent magnets 58 causes the base 68 of the pan 67, which is made of a highly conductive material, to be heated uniformly in the entire area interspersed with lines of force.
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