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Anordnung für die verlustfreie Induktionserwärmung von Körpern auf eine niedrige Temperatur
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung für die verlustfreie Induktionserwärmung von Körpern auf eine niedrige Temperatur, wobei der zu erwärmende Körper aus einem elektrisch leitenden Material besteht und auf seiner zylindrischen Oberfläche Nuten aufweist, die einen elektrischen, isolierten Leiter vollen Querschnitts aufnehmen und die von einem äusseren metallischen Mantel umgeben sind.
Der zu erwärmende Körper kann dabei zwei verschiedenen Verwendungszwecken dienen. Einerseits kann es erfoderlich sein, den Körper selbst zu erwärmen und auf der gewünschten Temperatur zu halten : d. h., der Körper soll-von den unerwünschten Wärmeverlusten abgesehen-keine Wärme an andere zu erwärmenden Substanzen abgeben. Als Beispiel können diejenigen Körper angeführt werden, die aus technologischen Gründen einer andern Betriebstemperatur als der Temperatur des Umgebungsmediums bedür-
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B.In der Praxis tritt nämlich häufig die Forderung auf, ein solches Material auf eine verhältnismässig niedrige Temperatur zu erwärmen. Ein Beispiel sind Strangpressen für plastisches Material, die vor dem Beginn des eigentlichen Pressens auf die verlangte Arbeitstemperatur erwärmt werden.
Manchmal ist es erwünscht, die Wärme, die vom Material aufgenommen wird, während des Pressens zuzuführen, wobei das Material erst in der Presse in den plastischen Zustand übergeht. Es kann auch ein bestimmter Temperaturverlauf innerhalb des Körpers verlangt werden. Die Erwärmung erfolgt bei Strangpressen gegenwärtig durch Widerstandserwärmung oder bei neueren Anlagen durch Induktionserwärmung.
Bei der Widerstandserwärmung ist der Widerstandsdraht gewöhnlich aussen um den zu erwärmenden Körper gewickelt und die einzelnen Heizelemente sind in der Achsenrichtung so verteilt, dass womöglich der verlangte Temperaturverlauf über die ganze Länge des zu erwärmenden Körpers erreicht wird. Der Der Hauptnachteil dieser Lösung ist eine sehr kleine Lebensdauer des Widerstandsmaterials. Es ist auch nicht einfach, den verlangten Verlauf der Wärmeenergie je Flächeneinheit des zu erwärmenden Körpers zu erreichen. Es entstehen Wärmeverluste dadurch, dass die Wärme auf die Oberfläche nur durch Wärmeleitung abgegeben wird und wenn das Heizelement nicht über seine ganze Fläche gut anliegt, so kommt es zu einer, unregelmässigen Erwärmung des Körpers.
Bei der Induktionserwärmung ist gewöhnlich die von einem Kupferleiter gebildete zylindrische Induktionsspule auf den zu erwärmenden Körper aufgeschoben. Zwischen der Spule und dem Körper ist eine thermische und elektrische Isolation eingelegt. Ein Nachteil dieser Lösung ist die Notwendigkeit, die elektrischen Verluste der Spule durch Kühlwasser abzuführen, das durch den hohlen Leiter der Spule fliesst, oder eine intensive Luftkühlung vorzusehen. Die Wasser- oder Luftkühlung ist notwendig mit Rücksicht auf die beträchtlichen Ströme, welche die Spule durchfliessen und mit Rücksicht darauf, dass die Spule von ihrer Innenseite her durch den Körper erwärmt wird. Ohne Kühlung würde eine beträchtliche Erwärmung, eine Steigerung des elektrischen Widerstandes und eine weitere Steigerung der Wattverluste der Spule eintreten.
Die Spule hat einen relativ schlechten Wirkungsgrad, einen schlechteren Leistungsfak-
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tor (cos tp) und ausserhalb der Spule bildet sich ein starkes magnetisches Wechselfeld, welches die magnetisch leitenden Konstruktionsteile erwärmt, die sich inihrerNähe befinden. Kann man diese Konstruktionsteile nicht in genügender Entfernung von der Spule anordnen, so ist es notwendig, aus Transformatorblechen einen Leitungsweg für den magnetischen Fluss zu bilden oder ihn durch eine Reaktionskurzschlusswicklung zu unterdrücken. Die ganze Wärme, welche durch das Kühlwasser oder die Kühlluft abgeleitet wird, geht verloren, was sich ungünstig im elektrischen Wirkungsgrad des Induktors auswirkt.
Der schlechte Leistungsfaktor kann durch den Anschluss eines geeigneten Kondensators, welcher die induktive Blindleistung der Spule kompensiert, verbessert werden.
Ziel der Erfindung ist es, eine verbesserte Anordnung für die Induktionserwärmung von Körpern zu schaffen, bei welcher. die angeführten Nachteile weitgehend vermieden werden. Dies wird bei der ein-
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dadurch erreicht, dasssind, wobei der aus einer Nut in die nächste führende Leiter einen schräg verlaufend ausgefrästen Kanal ausfüllt, dessen Tiefe und Breite die gleiche wie die der Nut ist.
Insbesondere wird durch die erfindungsgemässe Anordnung eine Verbilligung in der Herstellung erzielt, da zur Ausbildung der Nuten für den elektrischen Leiter lediglich eine einfache Drehbearbeitung erforder- lich ist. Die erfindungsgemässe Anordnung erlaubt es auch, die vor allem bei Strangpressen immer wie- der auftretende Forderung nach Einhaltung eines bestimmten Temperaturverlaufes über die Länge des zu erwärmenden Körpers auf einfachste Weise zu erfüllen. Es brauchen zu diesem Zwecke nur die Abstände der Nuten voneinander in geeigneter Weise variiert werden.
Die erfindungsgemässe Anordnung ist für die Erwärmung auf Temperaturen bis zu 500 C und für Körper aus elektrisch leitenden ferromagnetischen oder nichtmagnetischen Materialien verwendbar.
Wenn ein Wechselstrom der Netzfrequenz die Spule durchfliesst, so tritt eine Erwärmung nach dem- selben Prinzip wie bei einer üblichen Induktionsspule ein, die aussen auf den Körper aufgeschoben ist.
Die Entfernung zwischen Spule und Körper ist dadurch sehr gering, dass die Windungen der Spule in Nuten eingebettet sind, welche direkt in dem zu erwärmenden Körper gebildet sind, wobei zwischen den Leitern der Spule und der Nutenwand ein hitzebeständiger elektrischer Isolator. z. B. aus Mikanit, eingelegt ist. Diese Massnahme führt zu einer sehr guten Kopplung und zu einer kleinen Blindleistung der Spule.
Der ganze magnetische Fluss, der durch die Spule erzeugt wird, 0 geht praktisch durch den zu erwärmenden Körper und es fallen alle Streuflüsse weg, die sich am eigentlichen Vorgang der Erwärmung nicht beteiligen. Der magnetische Fluss, der im Körper der Induktionsspule gebildet wurde, muss wie jeder Wirbelfluss geschlossen werden und er kehrt deshalb aussen zur Spule zurück.
Bei der Erwärmung nach der Erfindung ist der Fluss ausserhalb der Spule räumlich durch einen Metallmantel begrenzt, welcher den zu erwärmenden Körper mit der Spule dicht umfasst, wobei die Aussenfläche des Mantels von einer thermischen Isolation umhüllt ist. Der Mantel kann folgendermassen ausgestaltet sein : a) Der Mantel, der die Zylinderfläche des zu erwärmenden Körpers umhüllt, besteht aus einem leitenden, ferromagnetischen Material, bildet keine Kurzschlusswicklung und ist von dem Körper durch eine dünne Schicht eines hitzebeständigen Isolierstoffes isoliert. Der durchgehende Wechselstrom induziert Wirbelströme, welche zusammen mit den Hysteresisverlusten eine Erwärmung des Mantels verursachen. b) Der Mantel, der gut passend den Körper umhüllt, besteht aus einem ferromagnetischen Material und bildet eine Kurzschlusswicklung.
Der Fluss ausserhalb der Spule geht durch den Mantel, wird zu seiner inneren Wand gelenkt und induziert im Mantel die Ströme, welche diesen erwärmen. c) Der Mantel, der den Körper gut passend umhüllt, besteht aus einem nicht magnetischen, elektrisch gut leitenden Material und bildet eine geschlossene Kurzschlusswicklung. Der Mantel verhindert durch seinen Reaktionseffekt einen Durchgang des Flusses der Spule über den Aussendurchmesser des Mantels. Die Prinzipien der Abschirmung, die unter b) und c) angeführt sind, sind theoretisch dieselben und in der Elektrotechnik bekannt. Beide Mäntel unterscheiden sich durch die magnetische und elektrische Leitfähigkeit, die Grösse der Verluste (der entstehenden Wärme) und die Qualität der Abschirmung.
Die Verluste und der Prozentsatz des nach aussen dringenden Flusses sind durch die Dicke des Mantels gegeben.
Die geringste Wärme entsteht im Mantel nach Punkt a). In dem Mantel nach Punkt b) wird die Wärme annäherungsweise dieselbe wie in dem zu erwärmenden Körper, wenn das Material des Körpers und des Mantels annähernd dasselbe ist, im Mantel nach Punkt c) werden die Verluste etwas geringer sein als in der Spule, wenn das Material der Spule und des Mantels dasselbe ist.
In allen Fällen kann die entstandene Wärme nicht durch Kühlung der Aussenzylinderfläche entweichen, welche durch eine Schicht eines thermischen Isolierstoffes umhüllt ist, die Temperatur des Mantels nimmt so viel zu, dass der entstandene
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Temperaturgradient genügte, die Wärme in den zu erwärmenden Körper abzuführen. Bei dieser Erwär- mung sind die Wärmeverluste zufolge einer gut ausgeführten thermischen Isolation sehr gering.
DieFig. l und 2 stellen eine Ausführungsmöglichkeit mit einer Spule dar, deren Wicklung wie an sich bekannt, in schraubenlinienförmigenNuten eingebettet ist. Mit 1 ist der zu erwärmende Körper, mit 2 der KupferleiterderSpule, mit3und6eineMikanitisolation, mit4derAussenmetallmantel, mit 5 einethermische Isolation und mit 7, 8 die herausgeführten Enden der Spule bezeichnet. Die Fig. 3 stellt eine Aus- führungsmöglichkeit gemäss der Erfindung mit einer Spule dar, deren Wicklung in Nuten eingebettet ist, welche in parallelen, zur Achse des Körpers senkrechten Ebenen liegen.
Die Bezeichnung der Teile ist dieselbe wie in den Fig. 1 und 2. Die Fig. 4 stellt einen Teil des zu erwärmenden Körpers mit ebenen Nuten für die Aufnahme der Wicklung dar, welche in verschiedenen Tei- lungen angeordnet sind, zum Zwecke, einen vorgeschriebenen Temperaturverlauf in dem zu erwärmenden Körper zu erzielen. Die Fig. 5 stellt einen Teil des Schnittes durch den zu erwärmenden Körper mit dem ferromagnetischen leitenden. über seine ganze Länge aufgetrennten Mantel dar. Die Kreise mit den Punkten bzw. mit den Kreuzen bedeuten die Richtungen der die Spule durchfliessenden Ströme bzw. der in dem zu erwärmenden Körper und dem Mantel induzierten Ströme. Die Striche mit den Pfeilen zeigen die Richtung des magnetischen durch die Spule induzierten Flusses an.
Die Fig. 6 stellt eine Ausführung dar, bei der ein Mantel aus einem ferromagnetischen oder nichtmagnetischen Material verwendet wird, der eine Kurzschlusswindung bildet.
Die Vorteile der erfindungsgemässen Erwärmung sind folgende :
Joule Wärme, die in der Wicklung (in dem Leiter der Spule) entsteht, geht nicht verloren, sondern wird restlos in den zu erwärmenden Körper durch Wärmeleitung durch die dünne Wand des hitzebeständigen Isolierstoffes abgeleitet. Der elektrische Wirkungsgrad ist logo.
Die Spule kann einfach aus einem üblich erzeugten Leiter eines vollen Querschnittes verfertigt werden und es fällt jede Kühlung weg.
Der Mantel, der die Spule und den Körper umhüllt, schützt den Leiter der Spule und den Körper vor Beschädigung und verhindert die Streuung des magnetischen Flusses nach aussen. Der Mantel bildet einen einfachen Körper von Zylinderform, der die thermische Isolation der Aussenoberfläche in einfacher Weise gewährleistet.
Der Leiter der Spule ist gegen mechanische Beschädigung geschützt. Durch das Einbetten in eine geschlossene Nut ist auch seine Oxydation erschwert. Es entfällt praktisch jede Instandhaltung und ein störungsfreier Betrieb ist gesichert. Da der Leiter der Spule von dem zu erwärmenden Körper umhüllt ist, ist eine sehr gute Kopplung und ein guter Leistungsfaktor (cos cp) zwischen Körper und Spule gegeben, welcher höher als bei den bekannten Anordnungen der Induktionserwärmung ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Anordnung für die verlustfreie Induktionserwärmung von Körpern auf eine niedrige Temperatur, wobei der zu erwärmende Körper aus einem elektrisch leitenden Material besteht und auf seiner zylindrischen Oberfläche Nuten aufweist, die einen elektrischen, isolierten Leiter vollen Querschnitts aufnehmen und die von einem äusseren metallischen Mantel umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten in zur Achse des Körpers (1) senkrechten Ebenen ausgebildet und gegebenenfalls in variierten Abständen voneinander angeordnet sind, wobei der aus einer Nut in die nächste führende Leiter (2) einen schräg verlaufend ausgefrästen Kanal ausfüllt, dessen Tiefe und Breite die gleiche wie die der Nut ist.