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Induktionsofen zum Erhitzen metallischer Werkstücke
Die Erfindung bezieht sich auf einen Induktionsofen zum Erhitzen metallischer Werkstücke, der eine den Ofenraum umgebende, rohrförmige Wicklung mit Abschnitten zur Speisung mit verschiedenen, unverketteten Phasen eines Mehrphasensystems, von einer der üblichen Standardfrequenzen, z. B. 50 Hz, aufweist.
Bei bekannt gewordenen Induktionsöfen dieser Art bestand die Induktionswicklung aus einer Anzahl von getrennten, in Längsrichtung aufeinander folgenden Windungsabschnitten, von denen jeder mit Strom einer Phase des Mehrphasensystems gespeist war. Bei solchen Öfen ergibt sich eine verminderte Dichte des magnetischen Flusses in jenen Bezirken des Ofenraumes, die von an den Enden der Windungsabschnitte liegenden Windungen umgeben sind. Diese Verminderung der Flussdichte entspringt einerseits aus der Grösse der Phasenwinkel zwischen den Strömen, anderseits aus dem wegen des Spannungsunterschiedes an benachbarten Wicklungsenden notwendigen Abstand der Abschnitte, der die Anordnung isolierender Abstandshalter erfordert.
Wohl lässt sich durch Phasenumkehrung in dem mittleren von drei Wicklungsabschnitten, die mit Phasenströmen eines Drehstromnetzes gespeist sind, der Phasenwinkel zwischen den Speiseströme benachbarter Abschnitte, nicht aber deren Abstand verringern und der Abstandshalter entbehren. Ungleichmässigkeiten in der Dichte des magnetischen Flusses ziehen aber eine örtlich ungleich-
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raturinhomogenitäten auszuschalten, musste man entweder die Werkstücke solange im Ofen lassen, bis durch Wärmeleitung ein Temperaturausgleich herbeigeführt war oder für eine hin-und hergehende Längsbewegung des Chargengutes während der Erwärmungszeit sorgen, beides Massnahmen, die eine Verteuerung der Produktion nach sich ziehen.
Es ist ein Ziel der Erfindung, einen Ofen von einfacher und billiger Konstruktion anzugeben, der von diesen Mängeln frei ist und bei Speisung mit Phasenströmen einer mehrphasigen Stromquelle von üblicher Frequenz bei gleichem Zeitaufwand eine gleichmässigere Erwärmung zu erhitzender Werkstücke herbeiführt, als bisher möglich war. Dieses Ziel wird erreicht, wenn erfindungsgemäss die Wicklungsabschuitte als Windungsgruppen einer einzigen, im wesentlichen durchlaufenden Wicklung ausgebildet und die An- schlüsse je zweier, mit Strömen verschiedener Phase gespeister Wicklungsabschnitte so angeordnet sind, dass zwischen die beiden Anschlüsse für die eine Phase einer der beiden Anschlüsse für die andere Phase verlegt ist.
Zwei aneinandergrenzende Wicklungsabschnitte weisen dementsprechend eine Anzahl von Windungen auf, die beiden Abschnitten gemeinsam sind und die von einem aus der Überlagerung der beiden Phasenströme resultierenden Mischstrom durchflossen werden. Ein solcher Mischstrom weist gegenüber jedem der Phasenströme eine Phasenverschiebung auf, die kleiner ist als diejenige zwischen diesen beiden Strömen. Diese Tatsache wird im folgenden als "PhasenUberlappung" bezeichnet. Die Einschaltung von Zonen mit einer Phasenüberlappung der magnetomotorischen Kräfte führt zu einer erheblichen Verminderung des Streuflusses und der Potentialdifferenzen zwischen den Endwindungen benachbarter Windungsgruppen, so dass auf isolierende Abstandshalter verzichtet werden kann.
Die Anschlussstellen für die Speiseströme sind längs der gesamten Wicklung vorzugsweise so ausgeteilt, dass jede der einzelnen Windungsgruppen die gleiche Anzahl von Windungen aufweist und die Anzahl von zwei Gruppen gemeinsamen Windungen kleiner ist als die restliche Windungszahl einer Gruppe.
In diesem Fall werden die Phasenwinkel zwischen dem Mischstrom einer Überlappungszone und jedem
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der beiden Einphasenstrome, aus denen er entsteht. annähernd halb so gross, wie der Phasenwinkel zwischen den beiden Einphasenströmen.
Ein zum Betreiben mit einem Dreipuasensystem eingerichteter, erfindungsgemässer Induktionsofen weist drei in Längsrichtung aufeinanderfolgende Gruppen von Windungen zur Speisung mit den drei Phasenströmen mit aufeinanderfolgenden Phasen auf. Sechs voneinander abstehende, ausgewählte Windungen tragen Stromanschlusse. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der Reihe nach dem ersten und dritten Anschluss der Strom einer Phase, dem zweiten und fünften Anschluss der Strom der zweiten Phase und dem vierten und sechsten Anschluss der Strom der dritten Phase zugeführt. Der Phasenwinkel zwischen den Phasenströmen und den Strömen in den anliegenden Überlappungszonen beträgt dann 600.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird durch vertauschtes Anschliessen der Anschlüsse der mittleren Windungsgruppe die Phase des in dieser fliessenden Stromes umgekehrt. Diese Phasenumkehr zieht, wie bekannt, eine Verminderung der Phasenwinkel zwischen dem Phasenstrom der mittleren Windungsgruppe und jeder der anschliessenden Windungsgruppen von 1200 auf 600 und der Phasenwinkel der Mischströme gegenüber den diese erzeugenden Phasenströmen von 600 auf 300 nach sich. Insbesondere in diesem Fall bedarf es keiner Abstandshalter.
Die Anzahl der Windungen einer Überlappungszone kann kleiner sein als die der ausschliesslich von den Phasenströmen des Mehrphasensystems durchflossenen.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand einer beispielsweisen Ausführungsform näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt ist, in welcher Fig. 1 eine schematisierte Darstellung eines erfindungsgemässen Induktionsofens, Fig. 2 im Vektordiagramm die Phasenwinkel der Ströme bzw. Magnetfelder zwischen den verschiedenen Zonen der Wicklung nach Fig. 1 und Fig. 3 eine Zone mit Phasenüberlappung zeigt.
Die zylindrische Induktionswicklung 5 des Ofens nach Fig. 1 besteht aus einer Anzahl aufeinanderfolgender Windungen. Sie kann aus einem durchlaufenden Kupferleiter bestehen, der einen sich über die ganze Länge erstreckenden Durchflusskanal 5b für ein Kühlmittel umschliesst. Die Wicklung ist auf einem im wesentlichen zylindrischen Rohr 6 aus nicht magnetisierbarem und hitzebeständigem Metall, wie z. B. nichtrostendem Stahl od. dgl., aufgebracht. Das Rohr kann doppelwandig ausgebildet sein und, wie bei 7 angedeutet ist, wenigstens eine schmale, elektrisch nichtleitende Längsnaht aufweisen, die das Fliessen von Strömen in Umfangsrichtung unterbindet. Wenn keine solchen Längsnähte angeordnet sind, treten Ströme auf, die zu einer erheblichen Erwärmung des Rohres führen.
Während des Betriebes wird der Ofen mit Hilfe des die Wicklung durchströmenden Kühlmittels gekühlt, das an mehreren Stellen zu-bzw. abgeführt werden kann (Fig. 3).
Die Speisung der Induktionswicklung 5 erfolgt von einem üblichen, niederfrequenten Stromversorgungssystem mit Leitern l, 2, 3, an die im Dreieck die Primärwicklungen 31a, 23a und 12a von drei getrennten Einphasentransformatoren 31,23 und 12 angeschlossen sind. Die Induktionswicklung 5 weist drei Windungsgruppen, L, M, N, auf, die eine geschlossene Wicklung ohne isolierende Zwischenstücke oder Abstandshalter zwischen einzelnen Windungen bilden. Die Windungsgruppe L ist über ein Paar von Leitern la, 1b an die Sekundärwicklung 31b des Transformators 31, die wiudungsgruppe M über ein Paar Leiter bl, b2 mit der Sekundärwicklung 23b des Transformators 23 und die Windungsgruppe N über Leiter Cl, C2 an die Sekundärwicklung 13b des Transformators 12 angeschaltet.
Die Umkehrung des Stromes in der Primärwicklung 23a bewirkt eine entsprechende Phasenumkehrung in der Sekundärwicklung 23b und demzufolge auch eine Umkehrung der Phase der magnetomotorischen Kraft, die von den Windungen der mittleren Windungsgruppe induziert wird. Der diese Kraft versinnbildlichende Vektor B ändert seine Richtung gegenüber der ursprünglichen um 1800. In Fig. 2 sind diese beiden Lagen Bx bzw. B des Vektors voll bzw. strichliert sowie die Vektoren A bzw. C der von den Windungsgruppen N bzw. L induzierten magnetomotorischen Kräfte eingetragen. Der Vektor Bx schliesst mit jedem der Vektoren A und C einen Winkel von 600 ein.
Die Sekundärwicklungen 31b, 23b und 12b sind tiber die Leiterpaare al, a2, bl, b2 und cl, c2 an ausgewählte Windungen der Induktionswicklung angeschlossen, die zu diesem Zweck mit Anzapfungen 24, 27,48 und 51 versehen sind. Zwischen den Anzapfungen 24 und 27 bzw. 48 und 51 erstrecken sich ver- hältnismässig kurze. lnduktionszonen h1 bzw. h2, deren Windungen sowohl den Windungsgruppen L, M bzw. M, N angehören und die daher von den sich überlagernden Sekundärströmen der Transformatoren 31, 23 bzw. 23,12 durchflossen sind. Die Transformatoren 12,23 und 31 liefern in die Windungsgruppen N, M und L Ströme, deren Phasenfolge durch die Vektoren A, Bx und C veranschaulicht ist. Die Zonen hl bzw. h2, die von den Vektoren Bx und C bzw.
Bx und A entsprechenden Strömen durchflossen sind, können daher mit Recht als Überlappungszonen bezeichnet werden.
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Bei einem erfindungsgemässen Induktionsofen kann die gesamte Induktionswicklung z. B. 75 Windungen aufweisen, die in drei Wicklungsabschnitte L, M, N von je 27 Windungen aufgeteilt sind, so dass sich Überlappungszonen hl, h2 von je drei Windungen ergeben. Die in diesen Zonen aus je zwei in der Phase um 600 gegeneinander verschobenen Strömen entstehenden Mischströme weisen gegenüber diesen Phasenwinkel von 300 auf. Die diesen Mischströmen entsprechenden Vektoren ABx (Zone h2) und CBx (Zone hl) sind in Fig. 2 eingetragen. In den Abschnitten der Induktionswicklung entstehen daher in Richtung von rechts nach links Magnetfelder, deren richtig aufeinanderfolgende Phasen um je 300 verschieden sind und die ein magnetisches Wanderfeld bilden, das auf die Werkstuecke im Ofenraum in der gleichen Richtung mitnehmend wirkt.
Der wesentliche Vorteil der beschriebenen PhasenUberlappung besteht in der Möglichkeit der Anwendung von Einphasenströmen zur Erregung einer Induktionswicklung, bei der Zwischenräume zwischen von den einzelnen Strömen gespeisten Wicklungsabschnitten vermieden sind, so dass ein zu erwärmendes Werkstück in seiner ganzen Erstreckung annähernd in der gleichen Zeit auf im wesentlichen gleiche Temperaturen erhitzt wird. Bei den beschriebenen Öfen mit PhasenUberlappung können die Werkstücke an ein und demselben offenen Ende in den Ofenraum eingebracht und wieder entnommen werden, oder die Öfen können als Durchstossöfen ausgebildet sein.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Induktionsofen zum Erhitzen metallischer Werkstücke, der eine den Ofenraum umgebende rohrförmige Wicklung mit Abschnitten zur Speisung mit verschiedenen, unverketteten Phasen eines Mehrphasensystem aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsabschnitte als Windungsgruppen einer einzigen, im wesentlichen durchlaufenden Wicklung ausgebildet und die Anschlüsse je zweier, mit Strömen verschiedener Phase gespeister Wicklungsabschnitte (L, M bzw. M, N) so angeordnet sind, dass zwischen die beiden Anschlüsse für die eine Phase einer der beiden Anschlüsse für die andere Phase verlegt ist.