CN101820702A - 节能感应器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的节能感应器，属于设计制造技术领域，主要由多个串联或者并联或者串联与并联组合的感应线圈构成，所述感应线圈由带有绝缘层的铜带盘绕而成。主要解决了现有的感应器结构复杂、能耗高的技术问题。该节能感应器具有制造成本低、在电热过程中能耗低的特点，主要应用于如中频炉等的电加热过程中。

Description

节能感应器

技术领域

本发明属于电加热设计制造技术领域，具体涉及一种节能感应器。

背景技术

感应加热是通过给感应器里流过的中频或高频交变电流，在感应器中产生的磁场在金属材料中产生的涡流而加热金属。

现有的感应器绝大多数采用矩形或圆形空心铜管制做，由于交流电集肤效应的存在，电流被限定在透入深度一层。增加导体截面，电流分布并不因截面的扩大而改善，因此用增加导体截面的方法不能降低电流的热损耗。此外，此种结构的感应器因通过的电流很大，其平均电流密度为22～60A/mm²，且由于集肤效应，从而使感应器自身产生大量的热量，造成能量的损失。同时，为防止感应器过热，感应器的空心铜管中需通以冷却水以实现感应器和炉体的降温，因此需要配置大量的冷却系统。此种感应器配置的冷却系统结构庞杂，加工制造成本高。此外，由于电流很大，采用大量铜排，有时采用水冷铜排，造成铜以及电能的浪费。

上述结构的感应器对于单匝感应器的电效率可以表示为，

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\ρ}{0}^{2}R2}{\mathrm{\ρ}{0}^{2}R2+R10}---\left(1\right)$

R10——单匝系统感应器的电阻(按电流透入深度计算)。

R2——单匝系统金属炉料的电阻(按电流透入深度计算)。

ρ02——单匝系统金属炉料——感应器的偶合系数，

上述结构的感应器对于多匝系统如图1所示，假若线圈的匝数为n，则这时的感应器的电阻为n²*R10，即为是单匝感应器的电阻的n²倍；又因炉料——感应线圈的偶合电感是单匝系统的n²倍，所以金属炉料的折算电阻为n²*ρ0²*R2；电效率可以表示为

$\mathrm{\η}=\frac{n^2{\mathrm{\ρ}0}^{2}R2}{n^2{\mathrm{\ρ}0}^{2}R2+n^{2}R10}---\left(2\right)$

所以 $\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\ρ}0}^{2}R2}{{\mathrm{\ρ}0}^{2}R2+R10}---\left(3\right)$

因此现有的感应器的电效率与匝数多少无关，仅与线圈与炉料的电阻及偶合系数相关。

发明内容

本发明的目的在于提供一种节能感应器，主要解决了现有的感应器结构复杂、能耗高的技术问题。

本发明针对上述技术问题的技术解决方案如下：

一种节能感应器，其特殊之处在于，它包括至少两个串联或者并联或者串联与并联组合的感应线圈，所述感应线圈由带有绝缘层的铜带盘绕而成，该感应线圈包括电流引入端以及电流引出端。

以上所述绝缘层的厚度为0.2～1mm。

以上所述铜带的厚度为电流透入深度的20％～80％。

以上所述绝缘层的材料为，聚酰亚胺薄膜，导热绝缘弹性橡胶Sil-Pad 2000或T500等。

以上所述感应线圈为圆形、方形或椭圆形。

本发明的优点如下：

1.能耗低：本发明采用相互绝缘的铜带制作感应线圈的模块式的感应器，使通过该感应线圈自身的电流密度为2～3A/mm²，从而使感应器自身能量损失降低10-20倍，为总输入功率的2～4％。

2.成本低：本发明提供的感应器自身产生热量少，仅靠空气自然对流就可以达到所需温度的热平衡，因此其无需配制大量的水冷却系统；同时，由于线圈匝数的可以任意增多，因而可使输入电流大幅降低，从而降低制造成本。

附图说明

图1为现有的多匝系统的示意图；

图2为本发明的多匝系统的示意图；

图3为本发明结构示意图；

图4为本发明应用于中频炉的结构示意图；

图5为本发明应用于高频淬火的主视图；

图6为本发明应用高频淬火的俯视图。

附图标记说明如下：

1-炉体，2-炉盖，3-感应器，4-固定架，5-导磁体，6-坩埚，11-耐火层，12-隔热层，31-绝缘柱，32-水冷环，34-绝缘层，35-导热铜板，51-铁芯固定圈，101-感应线圈，103-电流引入端，104-电流引出端，7-冷却套，冷却水管-71，冷却铜板-72，绝缘层-73，隔热层-74，冷却水嘴-75，加热工件-8。

具体实施方式

本发明的工作原理在于：通过给感应器通以交流电流，根据磁场偶合原理，金属炉料中会产生相应的感应电流即涡流，致使炉料加热。以下通过简单计算对比说明这种设计能提高加热效率。

参见图2，本发明提供的感应器的加热系统电效率具体如下。设这种感应线圈的层数为n，每层厚度为一个电流透入深度，因感应线圈每层的电阻为R10，相对于单匝系统，所以感应线圈的总电阻为n*R10，而金属炉料的电阻没变，偶合系统没变，因匝数尺寸与第一种设为相同，则电效率可表示为：

$\mathrm{\η}=\frac{n^2{\mathrm{\ρ}0}^{2}R2}{n^2{\mathrm{\ρ}0}^{2}R2+\mathrm{nR}10}---\left(4\right)$

化简后为 $\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\ρ}0}^{2}R2}{{\mathrm{\ρ}0}^{2}R2+R10/n}---\left(5\right)$

因此，随n的增大，本发明的感应器的电效率大于现有的感应器的电效率。当n为无穷大时，R10/n的值可不计，则电效率为1。说明，这种感应器的损失功率大大降低。

参见图3，本发明提供的节能感应器，包括多个串联或者并联或者串联和并联组合的感应线圈101，该感应线圈101由带有厚度为0.2～1mm的绝缘层的铜带盘绕成圆形、方形或椭圆形等多种形状。为了消除电流的集肤效应，需要将铜带的厚度设为电流透入深度的20％～80％。绝缘层通常选用聚酰亚胺薄膜或导热绝缘弹性橡胶Ail-Pad 2000或T500等。

以下将以该节能感应器应用于中频炉为例并结合附图对于其工作方式进行

具体的阐述。

参见图4，中频炉主要由炉体1和与炉体1的端口相配合的炉盖2构成。炉体1上设有固定架4，该固定架4与炉体1的导磁体5通过螺栓固定连接。该导磁体5主要由多块铁芯和铁芯固定圈51构成，即将多块铁芯叠加后应用铁芯固定圈51将其加固为一体。

炉体1内设有由耐火材料制成的坩埚6；该坩埚6的外壁依次设有耐火层11和隔热层12。坩埚6的隔热层12的外围设有绝缘柱31。为了冷却炉体1的外壁，在绝缘柱31上固定设置有成间隔排布的多个并联的“C”形水冷环32。嵌于相邻的“C”形水冷环32之间的感应线圈101通过串联或并联或串联和并联的组合构成节能感应器3。并且“C”形水冷环32和感应线圈101之间填充有厚度约为1～3mm的绝缘材料，以防止层间因潮气短路以及感应线圈101对地水冷环短路。采用相互绝缘的铜带制作感应线圈101的模块式的节能感应器3，使通过该感应线圈101自身的电流密度仅为2～3A/mm²，从而使节能感应器3自身能量损失仅为输入功率的2～4％。“C”形水冷环32中通以冷却水以实现炉体1的冷却。另外，节能感应器3中的“C”形水冷环32或感应线圈101也可以根据具体情况设计成串联或并联或串联和并联的组合。

同时，“C”形水冷环32的具体结构，可以根据热场的计算，在该“C”形水冷环32的内圈增加一个导热铜板35，以利于炉体1的热量通过导热铜板35顺利导出，以防止感应线圈101过热。

以下结合附图说明本发明提供的节能感应器应用于高频淬火电炉的情况。

参见图5、图6，高频淬火电炉用于感应加热部分主要由冷却套7、与冷却套7的冷却铜板72固定连接的冷却水管71构成，感应线圈101固定设置于冷却套7内，且在感应线圈101与冷却铜板72之间设置有绝缘层73以防止其对地短路，冷却铜板72的内侧设置有设有隔热层74以进一步降低能耗。

设有冷却水嘴75的冷却水管71主要用于加热工件8在被加热的过程中产生热量的散失，以防止此种热量传到感应线圈101将其损坏。感应线圈101为被加热工件8提供热源，此种结构的感应线圈使得淬火过程中能耗仅为输出功率的2-4％，因此不需要水冷仅需风冷即可实现感应线圈101自身能量的散失。冷却铜板72必须设有缺口，例如该冷却铜板可设计为“C形”，以防止电流在其内形成回路。

Claims (5)

1.一种节能感应器，其特征在于，它包括至少两个串联或者并联或者串联与并联组合的感应线圈(101)，所述感应线圈(101)由带有绝缘层的铜带盘绕而成，该感应线圈(101)包括电流引入端(103)以及电流引出端(104)。

2.根据权利要求1所述的节能感应器，其特征在于：所述绝缘层(4)的厚度为0.1～1mm。

3.根据权利要求1所述的节能感应器，其特征在于：所述铜带的厚度为电流透入深度的20％～80％。

4.根据权利要求2或3所述的节能感应器，其特征在于：所述绝缘层的材料为聚酰亚胺薄膜或导热绝缘弹性橡胶Sil-Pad 2000或T500。

5.根据权利要求2或3所述的节能感应器，其特征在于：所述感应线圈(1)为圆形、方形或椭圆形。

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