Induktionsheizeinrichtung Die Erfindung betrifft eine Induktionsheizeinrich- tung unter Verwendung eines ein- oder mehrwindigen Ausseninduktors und eines in sich geschlossenen Innen- induktors, wobei lediglich der Ausseninduktor an eine Mittel- oder Hochfrequenzstromquelle angeschlossen ist.
Es sind Induktionserhitzer mit fest angeordneten, mehrwindigen Induktionsspulen bekannt, bei denen die Spulenanordnung nur für Werkstücke eines bestimm ten Durchmessers verwendbar ist.. Ferner ist eine ein windige Induktionsspule zur durchlaufenden Erwärmung von Werkstücken bekannt, bei der die Werkstücke in einem Drehteller gehalten und nach der Erwärmung aus dem Drehteller herausgestossen werden. Ausserdem ist bereits vorgeschlagen worden, einen Trommelerhitzer für Werkstücke unterschiedlichen Durchmessers so aus zubilden, dass mindestens ein Teilstück der einwindig ausgebildeten Induktionsspule einschliesslich der auf dem Teilstück angebrachten Eisenrückschlüsse in zur Trom melrichtung radialer Richtung verschiebbar ist.
Nach einem weiteren älteren Vorschlag ist eine Querfeld- induktionsheizeinrichtung so aufgebaut, dass die Leiter einer Tunnelspule relativ zueinander in einer zur Trans portrichtung senkrechten Richtung gegeneinander ver setzbar sind.
A11 diesen vorstehend genannten Induktionsheizein- richtungen ist trotz ihres verschiedenartigen Aufbaues bzw. ihrer Eignung für die Erhitzung von Werkstücken gleichen oder auch verschiedenen Durchmessers ein Kennzeichen gemeinsam, nämlich jenes, dass der Spulen querschnitt mehr oder weniger genau dem Querschnitt der zu erhitzenden Werkstücke angepasst oder anpassbar ist.
Insbesondere sind die vorstehend angeführten In duktionsheizeinrichtungen nach der jedem Induktions- erwärmungsfachmann geläufigen Erkenntnis aufgebaut, dass der Wirkungsgrad einer derartigen Anlage desto besser ist, je fester die Kopplung zwischen Werkstück und Induktionsspule und je höher der Füllfaktor, d. h.
das Verhältnis der Flächen Werkstückquerschnitt/Spu- lenquerschnitt ist. Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass der Wirkungsgrad einer In duktionserwärmungsanlage auch dann sich nicht we sentlich ändert, wenn der Füllfaktor klein und nur die Kopplung zwischen Werkstück und Spule gut ist.
Ausser dem nutzt die Erfindung die Erkenntnis aus, dass die Verteilung des von einer Induktionsspule induzierten Magnetfeldes über den Spulenquerschnitt keineswegs konstant ist, sondern, dass bei einer Zylinderspule bei spielsweise in der Ringfläche, die von der Spuleninnen- fläche ausgeht, das induzierte Magnetfeld seinen Maxi malwert annimmt, während es in den anschliessenden Ringflächen zur Spulenlängsachse hin nach einer be kannten Funktion abnimmt. Ähnlich wie bei der Zylin derspule liegen die Verhältnisse auch bei langgestreck- ten Tunnelspulen.
Von obiger Erkenntnis ausgehend, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Induktionsheizeinrich- tung zu schaffen, durch die unterschiedliche Intensitäten des Magnetfeldes längs einer Spulenachse erzielbar sind.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch ge löst, dass die Länge des Inneninduktors kleiner ist als die Länge des Ausseninduktors. Dadurch kann die Wärmewirkung auf bestimmte Werkstückteile besonders konzentriert werden.
Ferner kann der Temperaturgra dient in den verschiedenen Induktorabschnitten mit und ohne Inneninduktor verschieden gehalten werden. Vor- teilhafterweise ist bei einem hohlkegelstumpfförmigen Ausseninduktor der Inneninduktor ebenfalls kegelstumpf- förmig ausgebildet, so dass zwischen Ausseninduktor und Inneninduktor ein Ringraum mit konstantem Abstand entsteht.
Zwecks einfacherer Steuerung der Erwär mungsintensität der einzelnen Werkstücke kann der Inneninduktor drehbeweglich und/oder längsverschieb bar und/oder exzentrisch zur Induktorlängsachse ange ordnet werden.
Um den Abstand zwischen Induktorinnenfläche und Werkstück auf ein für die Kopplung günstiges Mindest mass verringern zu können, kann die Innenfläche des Ausseninduktors. mit Platten aus unmagnetischem und gut wärmeleitendem Material belegt werden. Zur völ ligen Unterdrückung vagabundierender Kreisströme kann dabei auch zwischen zwei derartigen Platten ein Isolierspalt vorgesehen werden. Zweckmässig sind dann dabei die Isolierspalte zwischen den Platten schräg zu einer der Spulenachsen verlaufend angeordnet, um zu vermeiden, dass gradbehaftete Werkstücke mit den Plat ten verklemmen.
Mit Rücksicht auf die Eindringtiefe des induzierten Stromes in den Werkstücken beträgt die Plattendicke höchstens einige Millimeter.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt, sie werden anhand dieser Zeich nung im folgenden näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine in Form einer einwindigen Zylinderspule ausgebildete in duktive Rotationserwärmungseinrichtung.
Fig. 2 zeigt einen als Konzentrator dienenden Kör per mit Werkstückaufnahmen, wie er in Fig. 1 verwen det wird.
Fig.3 zeigt ebenfalls in schematischer Darstellung eine Rotationserwärmungseinrichtung mit hohlkegel- stumpfartig ausgebildeter Induktionsspule.
Fig.4 zeigt eine Rotationserwärmungseinrichtung mit scheibenförmig ausgebildeter Induktionsspule.
Fig. 5 zeigt die Anbringung von abriebfesten Gleit- platten an einer Zylinderspule.
Fig.6 zeigt in schematischer Darstellung eine in Form einer einwindigen Tunnelspule ausgebildete Trans fererwärmungsanlage mit Konzentrator.
In Fig. 1 ist ein Ausseninduktor, vorzugsweise eine einwindige Zylinderspule, mit 1 bezeichnet, an dessen Innenfläche zu erhitzende Werkstücke 2 kreisringförmig angeordnet sind. Zur Feldkonzentration ist im Spulen innenraum ein Inneninduktor 3 vorzugsweise in Form eines in sich geschlossenen zylinderförmigen Körpers aus Kupfer oder einem anderen elektrisch gut leitenden Stoff eingebracht. Der Inneninduktor 3 ist, wie aus Fig. 2 hervorgeht, mit Haltevorrichtungen für die Werk stücke 2 versehen, die vorzugsweise als halboffene Nu ten 4, die der Form der Werkstücke 2 angepasst sind, ausgeführt sein können. Dadurch kann der Inneninduk tor 3 gleichzeitig als Transportmittel für die Werkstücke 2 verwendet werden.
Die Nuten 4 sind mit zeichnerisch nicht dargestellten Materialien ausgelegt, die eine ther mische und elektrische Isolierung der Werkstücke 2 ermöglichen. Die Werkstücke 2 werden durch bekannte taktgebundene mechanische Mittel in die Nuten 4 ein gebracht und nach ihrer Erwärmung nach einem voll ständigen Spulenumlauf durch ein nachfolgendes Werk stück wieder ausgestossen. Die Taktzeit ist den Werk stückabmessungen sowie der erforderlichen Endtempe- ratur der Werkstücke 2 anpassbar. Mit Rücksicht auf einen guten Wirkungs- und Ausnutzungsgrad der er findungsgemässen Anlage sind die Werkstücke 2 mit möglichst geringem gegenseitigem Abstand 5 anzuord nen.
Der Ausseninduktor 1 wird an den Anschluss klemmen 6 vorzugsweise mit nieder- oder mittelfre- quentem Wechselstrom innerhalb des Frequenzspek- trums von etwa 50 bis 10 000 Hz beschickt. Die im Einzelfall verwendete Frequenz richtet sich, wie be kannt, nach dem Durchmesser der Werkstücke 2. Die in Fig.l dargestellte Induktionsheizeinrichtung ist grundsätzlich auch ohne den Inneninduktor 3 verwend bar, mit einem Wirkungsgrad, der sich von dem der bis her verwendeten Induktionsheizeinrichtungen mit ho hem Füllungsgrad nur wenig unterscheidet.
Aufgabe des Inneninduktors 3 ist es, bei vorgegebener Spulenspan- nung das Magnetfeld im Spulenraum, in dem die Werk stücke 2 angeordnet sind, zu verstärken. Die Induk- tionsheizeinrichtung nach Fig. 1 ist grundsätzlich für Werkstücke beliebiger Form und beliebigen Durchmes sers verwendbar. Um eine enge Kopplung zwischen dem Ausseninduktor 1 und den Werkstücken 2 zu erzielen, ist der Abstand x zwischen Induktorinnenfläche und Werkstückoberfläche gering zu halten. Durch weiter unten noch zu beschreibende Mittel kann erreicht wer den, dass der Abstand x einen Bereich von 3 bis 12 mm nicht überschreitet.
Der Füllfaktor, d. h. das Verhältnis der Flächen Werkstückquerschnitt/Induktorquerschnitt ist gering. Er beträgt beispielsweise bei einer Zylinder spule mit einem Innendurchmesser von 150 mm und einer kreisförmigen Anordnung von 12 Werkstücken mit je 20 mm Durchmesser über den Spulenumfang etwa 20 %. Der Wert des Füllfaktors kann je nach den Werk stückabmessungen und dem Erwärmungsprogramm von dem als Beispiel angegebenen Wert nach oben oder unten abweichen.
Er wird beispielsweise bei gleichen Werkstückabmessungen, bei gleicher Werkstückanzahl sowie gleicher Spulenleistung und vorgegebener Takt zeit niedriger sein, falls die erforderliche Werkstück temperatur höher liegt als die beim angeführten Bei spiel. Anderseits wird er bei den gleichen Voraussetzun gen und niedrigerer Werkstücktemperatur als beim an geführten Beispiel höher liegen.
Entscheidend für den Wirkungsgrad der erfindungsgemässen Induktionser- wärmungseinrichtung ist demnach nicht der Füllfaktor in bezug auf die gesamte Spulenfläche, sondern aus schlaggebend ist, dass der Füllfaktor lediglich im Be reich hoher Feldstärkewerte einer gegebenen Spulen anordnung hoch ist, d. h. aber, dass der Abstand 5 zwi schen den Werkstücken 2 möglichst gering sein muss und ausserdem der Abstand x die oben angegebenen Werte nicht überschreiten darf.
Der Erwärmungspro zess in den Werkstücken 2 ist örtlich beliebig steuerbar durch Änderung des Längenverhältnisses L/1 zwischen Ausseninduktor 1 und Inneninduktor 3 und/ oder durch Verschiebung des Inneninduktors 3 in Richtung der Spulenlängsachse A. Der Erwärmungsprozess ist aber auch zeitlich steuerbar, beispielsweise durch exzen trische Anordnung des Inneninduktors 3 zur Spulen längsachse A. Ausseninduktor 1 und Inneninduktor 3 sind, wie der schematischen Darstellung in Fig. 1 nicht zu entnehmen ist, wassergekühlt. Ausserdem kann die Induktoraussenfläche mit Eisenrückschlüssen versehen sein.
Fig.3 zeigt eine Rotationserwärmungseinrichtung mit hohlkegelstumpfförmig ausgebildetem Ausseninduk tor 7, der an der Induktoraussenfläche mit Eisenrück schlüssen 8 versehen ist. Die Anordnung der wieder mit 2 bezifferten Werkstücke entspricht der nach Fig. 1, d. h. sie sind auch bei dieser Induktionsheizeinrichtung lediglich in der Nähe der das magnetische Hauptfeld begrenzenden Induktorinnenfläche angeordnet. Der In neninduktor 3 hat etwa die Form eines Kegel stumpfes und ist drehbar (Pfeil B) sowie längsver schiebbar (Doppelpfeil C) angeordnet.
Der Inneninduk tor 3 ist ebenfalls wieder mit thermisch und elektrisch isolierten Werkstückaufnahmen versehen. Durch Ver schieben des Inneninduktors 3 in Richtung des Doppel pfeiles C ist der Luftspalt und somit auch der Kopp lungsgrad zwischen den Werkstücken 2 und dem Aussen induktor 7 in bestimmten Grenzen veränderlich.
Falls der Öffnungswinkel des hohlkegelstumpfförmig ausgebildeten Ausseninduktors 7 nach Fig.3 auf 180 erweitert wird, erhält man den in Fig. 4 mit 9 bezeich neten scheibenförmigen Ausseninduktor, der mit Eisen rückschlüssen 10 versehen ist. Die Werkstücke 2 sind kreisförmig auf einem tellerförmigen Inneninduktor 3 angeordnet, der ebenfalls wieder drehbar (Pfeil B) und längsverschiebbar (Doppelpfeil C) ausgebildet ist. Im übrigen entspricht die Ausbildung des Inneninduktors 3 der des in Fig. 3 dargestellten.
Die Anordnung nach Fig. 4 stellt einen Extremfall (n - 180 ) der Anordnung nach Fig. 3 dar. Auch bei dieser Anordnung ist nämlich die wirksame Länge 1 des Inneninduktors 3 so wählbar, dass sie kleiner ist als die wirksame Länge des Ausseninduktors, da vom In neninduktor im wesentlichen nur die von den Werk stücken 2 bedeckten Teile wirksam sind.
In Fig. 5 ist ein Ausschnitt eines Ausseninduktors 11 dargestellt, der mit Kühlkanälen 12 versehen ist. An der Induktorinnenfläche sind Platten 13 aus abriebfestem, wärmebeständigem und magnetisch nicht leitendem, z. B. einem unter dem Warenzeichen Thermax be kanntgewordenen, Material angebracht. Mittels einer Glimmerschicht 14 und durch Scheiben 15 und Buch sen 16 isolierte Schrauben 17 sind die Thermax - Platten 13 an die Induktorinnenfläche elektrisch iso lierend angebracht.
Da die Platten 13 nur einige Milli meter (3-7 mm) stark sind, ist dafür gesorgt, dass die Platten 13 die Spule 11 nicht auch wärmeisolierend abschirmen. Um eine ausreichende mechanische Festig keit der Platten 13 zu gewährleisten und auch mit Rück sicht auf die Temperaturbeständigkeit der Glimmer schicht 14, soll die Erwärmung der Platten 13 eine Temperatur von 400-500 C nicht überschreiten, was durch die oben angegebene Ausgestaltung der Platten 13 ermöglicht wird. Ausserdem ist die Dicke der Platten 13 auch danach zu bemessen, dass sie in jedem Fall kleiner als etwa die halbe Eindringtiefe des in den Werkstücken 2 induzierten Stromes ist.
Aufgabe der zur Spulenlängsachse A schrägliegenden Spalte 18 ist es, vagabundierende Kreisströme innerhalb der Ther- max -Auskleidung sowie das Verklemmen gradbehaf teter Werkstücke zu verhindern. Die Anwendung vor stehend beschriebener Thermax -Auskleidung ermög licht es, eine enge Kopplung zwischen den Werkstücken und der Spule bei gleichzeitiger absoluter Betriebssicher heit zu erzielen.
Fig. 6 zeigt eine Transfererwärmungseinrichtung mit einem als einwindige Tunnelspule ausgebildeten Aussen induktor 19. Die zu erwärmenden Werkstücke 2 sind in parallelen Reihen auf eine Transportkette 10 aufge bracht und werden von dieser in Richtung der Induk- torlängsachse A transportiert. Mit 21 sind die An schlüsse für den Mittelfrequenzstrom bezeichnet. Etwa in der Mitte des Ausseninduktors 19 ist zwischen den beiden Werkstückreihen ein Inneninduktor 22 für ein bestimmtes Erwärmungsprogramm ortsfest angebracht.
Die Länge des Inneninduktors 22 ist, wie in Fig. 6 dar gestellt, kleiner als die Länge des Ausseninduktors 19, so dass längs der Induktorachse A Zonen (a, c) entste hen, in die kein Konzentrator eingebracht ist und in de nen die Feldliniendichte geringer ist als in der Zone (b), die mit Konzentrator arbeitet. Damit wird aber be wirkt, dass der Temperaturgradient der Werkstücke 2 in den Zonen mit und ohne Konzentrator ein verschie dener ist.
Dies ist von grosser praktischer Bedeutung, weil für die Zunderbildung der Werkstücke 2 die Zeit massgebend ist, während der die Werkstückoberfläche eine höhere Temperatur als etwa 900 C hat. Um die Erwärmungszeit bei Temperaturen, die für die Zunder bildung günstig sind, zu verkürzen und trotzdem eine gleichmässige Erwärmung der beispielsweise als Schmiedestücke weiter zu verarbeitenden Werkstücke 2 zu erhalten, wird erfindungsgemäss folgender Weg vor geschlagen: Die Werkstücke 2 werden zunächst in einer Zone A mit geringer Feldlinienkonzentration auf eine Tempera tur von etwa 800 C gleichmässig erwärmt.
In der Zone b, in der der Inneninduktor 22, vorzugsweise eine wassergekühlte Kupferschiene, angebracht ist, wird die Leistungszufuhr in den Werkstücken 2 vergrössert, so dass deren Oberflächentemperatur beschleunigt auf etwa 1200 C erhöht wird. In der Zone c, die wiederum ohne Konzentrator arbeitet, wird den Werkstücken 2 nur mehr so viel Energie zugeführt, dass sie sich gleichmässig auf die Schmiedetemperatur erwärmen, ohne dass über hitzungen an der Werkstückoberfläche auftreten.
Durch Veränderung der Abmessungen des Inneninduktors 22, durch eine veränderte Anbringung innerhalb der in Fig.6 dargestellten Zonen a, b, c sowie durch eine asymmetrische Verschiebung senkrecht zur Spulen längsachse A, kann der Erwärmungsverlauf in den Werkstücken 2 in weiten Grenzen beliebig gesteuert werden. Bei Bedarf kann auch mit mehreren Innen induktoren 22 gearbeitet werden, so dass Zonen mit und ohne Konzentrator in beliebiger Folge verfügbar sind.
Die erfindungsgemässe Anordnung der zu erwär menden Werkstücke innerhalb von ein- oder mehrwin digen Induktionsspulen sowie die Verwendung von Konzentratoren beschränkt sich nicht auf die in den Beispielen dargestellten Spulenanordnungen, sondern ist grundsätzlich bei beliebigen Spulenausführungen an wendbar.
Abschliessend sei noch darauf hingewiesen, dass sich die vorstehend beschriebenen Erwärmungseinrichtungen in einfacher Weise in den Prozess einer Fliessfertigung einbauen lassen. Infolge der kreisförmigen Anordnung der Werkstücke bei den dargestellten Rotationserhit- zern ergibt sich eine sehr gedrängte Bauweise und damit ein geringer Platzbedarf. Da ferner die Entnahme und die Beschickungsstation dicht beieinanderliegen, ist eine einfache Bedienung gewährleistet und insbesondere die Möglichkeit gegeben, diese Vorgänge zu automatisieren. Durch die Trennung von Spule und Transporteinrich tung sind die Erwärmungseinrichtungen auch bei rau hem Betrieb äusserst betriebssicher.
Durch den geringen Raumbedarf eignen sich die gemäss der Erfindung auf gebauten Induktionserwärmungsanlagen insbesondere auch für einen Schutzgasbetrieb.