CN102474921A - 模块式感应加热器系统 - Google Patents

Abstract

导电物理目标，例如，滚动元件轴承，采用第一初级线圈和第二初级线圈感应加热，第一初级线圈设在第一铁芯周围在目标中感应第一电流，第二初级线圈设在与第一铁芯不同的第二铁芯周围在导电材料中感应第二电流。第一和第二初级线圈并联电连接，并且并联连接通过单一模式转换电源驱动。

Description

模块式感应加热器系统

技术领域

本发明涉及感应加热包括导电材料的物理目标的系统。本发明还涉及感应加热这样物理目标的方法以及该系统中使用的供电模块。

背景技术

专业应用工件加热的技术领域的示例是滚动元件轴承和轮式铁路设备的领域。

在滚动元件轴承的领域中，要考虑在轴上安装滚动元件轴承。通常的技术是加热轴承以导致热膨胀，以便便利在轴上滑动膨胀的轴承，并且将其适当地定位在轴上。就位后轴承冷却时，轴承接触且最终通过收缩配合(或过盈配合)机械地连接到轴上。

在铁路设备的领域中，要考虑机车的驱动轮或货车的轮子。这样的轮子通常由钢制作，并且为实心的、加辐条的或者由多个箱形断面(“箱断面”)制作。可置换钢胎配合到轮子上。轮胎形成了与轮子轨道的接触表面，因此经受磨损。置换轮胎比更换整个轮子更不划算。轮胎通过对其加热而安装，作为加热的结果，其直径扩大，从而轮胎可设置在轮子上。当轮胎冷却时，它收缩，并且通过收缩配合保持在轮子上定位。用旧的轮胎可通过再一次对其加热而去除。

物理目标的感应加热的方法和系统是已知的。感应加热物理目标的必要条件是物理目标包括导电材料。加热的操作基于在导电材料中感应电流。由于导电材料的有限的欧姆电阻系数，感应电流在导电材料中产生热。导电材料的一定的位置上热产生的比率与该位置上的电流密度大小的平方成比例，并且与该位置上的电阻系数成比例。

要考虑具有导电材料且包括孔的物理目标，例如，滚动元件轴承。滚动元件轴承的孔由该轴承的内滚道的内径决定。物理目标可通过采用物理目标作为变压器的次级绕组而感应加热。

如所知，变压器是通过感应连接导电体从一个电路到另一个电路传输电能的装置。变压器典型地具有高磁透性的铁芯。初级线圈具有缠绕在铁芯周围的初级绕组。初级绕组通过可控的电流源驱动。初级线圈中的电流变化导致线圈内，即铁芯内磁场的变化。缠绕在铁芯周围的次级绕组的次级线圈经受磁场变化，结果，通过次级线圈的端部感应电压。如果次级线圈例如通过在次级线圈的端部之间连接负荷而闭合，则在负荷中感应电流。

滚动元件轴承安装为替代传统变压器的次级线圈。变压器的铁芯通过滚动元件轴承的内滚道形成的孔。于是，电流感应在由滚动元件轴承的构造形成的闭合回路中。该回路的欧姆电阻系数导致以热的形式的功率消耗，因此加热滚动元件轴承，并且使其膨胀。

商业上可购买的感应加热器包括铁芯、铁芯周围的初级绕组和给初级线圈提供电流的电源。铁芯可取出，以便设置滚动元件轴承，从而装配后铁芯形成的回路和滚动元件轴承的内滚道的回路互锁。例如，铁芯由形状为字母“U”的第一部分和形状为字母“I”的第二部分制作。将“I”穿过“U”的端部拓扑地产生字母“O”：一个回路。

关于感应加热器的操作利用有几个问题需要考虑。

一个问题是作为感应加热的结果物理目标的残留磁性。如果物理目标包括铁磁材料，或者，如果导电材料自身是铁磁的，则磁场的暴露可能导致不希望的物理目标的永磁性。其一个解决方法是例如通过在加热过程的末端逐渐减小电流的大小控制初级线圈中的交互电流。作为选择，通过连接到初级线圈的模式转换电源控制电流。模式转换电源通常以可变的工作周期在导通和切断之间转换半导体开关，其平均值是所希望的输出功率。模式转换电源以足够高的频率(大小量级：10kHz-100kHz)运行，从而铁芯中以及物理目标中产生低磁通密度。这避免了在物理目标已经感应加热后对磁性的需要。模式转换电源是已知的，不需要在此进一步详细地讨论。

另一个问题涉及物理目标的物理和几何参数。为了物理目标充分膨胀，其温度必须升高的计算目标温度的一定程度。优选地，该温度在整个物理目标上是均匀的，或者仅微量的变化，以避免因一个部分膨胀远大于另一个部分产生的过大应力。如果物理目标中感应产生的热较大，与诸如通过辐射和周围空气对流的冷却导致的热损耗相比，目标温度可能达到超过可实现的温度范围。作为后者，物理目标可包装在绝缘材料中，以便减少通过辐射和对流的热量损耗。是否到达目标温度取决于转换成热的功率量、物理目标的热容量、物理目标的尺寸、物理目标内热传输率、表面暴露到周围空气的面积大小等。

再一个问题是达到目标温度的时间。例如，采用相同的感应加热器，为了加热大的钢滚动元件轴承比小的需要更长的时间。例如，大的轴承的热容量(即为了升高一个单位的温度所需的热量)高于小轴承的热容量。结果，大轴承比小轴承需要输入更多的能量。如果采用相同的感应加热器，则加热大轴承所需的时间长于加热小轴承到相同温度所需的时间。

有一个问题是感应加热器的功率越高操作使用中消耗的功率越大，它变得体积更大且更重，并且它在周围移动和精确定位更加困难。

如上所述的考虑，通过感应加热器适当加热物理目标的过程是精巧的技术，几乎接近技术边缘，尤其是相对于大的物理目标，例如容纳承载工业尺寸风力涡轮机叶片的轴的滚动元件轴承。

发明内容

考虑到上面的问题，本发明人现在提出了一种模块式感应加热器系统，其采用多个感应加热器，所述多个感应加热器设置为与要加热的物理目标相关。这可利用多个比单个传统感应加热器小的感应加热器。通过使用多个感应加热器加热相同的物理目标不是简单的练习。

要解决的一个问题是相同物理目标内的各感应加热器感应的各电流应当相对于极性、频率和大小被适当控制，以避免它们的结合给出太低的净结果，例如，零净电流。这样的效果通过比较利用多个感应加热器到三相电力系统的情景可得到很好的理解，其中，如果负荷均匀地分布在各相位中，则中性导体不携载净电流。

另一个问题如下。要考虑一对感应加热器，其每一个具有自己的模式转换电源。如上所述，采用这样的电源使退磁步骤不必要。进一步假设电流的各极性、大小和频率在各感应加热器上被适当控制以避免感应电流产生零净电流。现在，模式转换电源以非常高的频率在饱和/传导和切断之间转换半导体功率开关。如果感应加热器之一转换的第二个部分早于其它的部分，则早转换的感应加热器感应的电流上的改变通过物理目标感应地连接到其它感应加热器的初级线圈。结果是初级线圈当中的不希望的干扰，可能导致感应电流上的不可控制的震荡，并且可能烧断获得早转换感应加热器感应的电流导致磁场的感应加热器。几乎不可能的是同步具有这样好的精确性的模式转换式电源的运行，当同时采用两个或更多个感应加热器时，可忽略不希望的干扰。甚至显示，在相同的工艺中制造的一批半导体开关的每一个的导通时间和/或截止时间的变化大到足以导致问题，即使它们通常被控制。为此，实际上，加热相同的物理目标不采用多个感应加热器的构造。

因此，本发明人提出了感应加热包括导电材料的物理目标的模块式系统。根据本发明的模块式系统的第一基本实施例包括在第一铁芯周围用于在导电材料中感应第一电流的第一初级线圈和在与第一铁芯不同的第二铁芯周围在导电材料中感应第二电流的第二初级线圈。该模块式系统还具有连接到第一和第二初级线圈的电并联装置的供电模块。

因此，取代试图控制不同的感应加热器的不同的电源，本发明同步驱动第一和第二初级线圈。本发明采用单一的供电模块驱动两个或更多个初级线圈，每个初级线圈并联地缠绕在不同的铁芯周围。结果，根据该基本构造，第一和第二电流同步。初级线圈绕组和线圈设置使得产生共同的磁场。

结果，相对大的物理目标，例如，具有2米直径的滚动元件轴承，根据本发明可通过采用多个小的感应加热器被有效加热，所述多个小的感应加热器都由相同的电源并联驱动。

在本发明的系统的实施例中，供电模块包括模式转换电源。转换电源具有构造为在导通和截止之间转换的部件以产生驱动电流。驱动电流被供应到初级线圈的并联设置。

如上所述，采用模式转换电源消除了对退磁步骤的需要。还是如上所述，模式转换电源包括以可变工作周期受到控制的半导体功率开关，其平均值是所希望的输出功率。在本发明中，单一的半导体功率开关用于保证通过并联连接的初级线圈的电流受到精确地控制。

在进一步的实施例中，供电模块包括选择性连接或断开至少一个初级线圈与电源的构造装置。所述构造装置例如包括一个或更多个开关，用于选择性连接和断开特定的一个或更多个初级线圈。作为选择，所述构造装置包括一个或更多个插座，用于通过插入或去除连接到特定初级线圈的电源线的对应的插头而选择性连接或断开特定的一个或更多个初级线圈。

附图说明

本发明通过示例并且参考附图更加详细地说明，附图中：

图1是根据本发明的系统模块图；

图2a-2c是示出采用两个感应加热器用于加热根据本发明的滚动元件轴承的各种空间构造的示意图；

图3是对图2的空间构造列出实验结果的表格；

图4a-4d是示出采用三个感应加热器用于加热根据本发明的滚动元件轴承的各种空间构造的示意图；

图5是对图4a-4d的空间构造列出实验结果的表格；

图6是采用四个感应加热器用于加热根据本发明的滚动元件轴承的空间构造的示意图；以及

图7是图6的空间构造的实验结果的表格。

遍及各附图，类似或对应的特征由相同的参考标号表示。

具体实施方式

图1是根据本发明的系统100的模块图。系统100构造为感应加热包括导电材料(这里未示出)的物理目标(这里未示出)。系统100包括初级线圈的多个线圈布置。在所示的示例中，系统包括第一线圈布置102、第二线圈布置104、第三线圈布置106和第四线圈布置108。第一、第二、第三和第四线圈布置102-108的每一个在所示的示例中都包括各自的一对初级线圈，缠绕在各自高磁透性的铁芯(未示出)周围。每对初级线圈缠绕在相关的铁芯周围，方式为它们在系统100的运行使用中加强彼此的磁场。取代采用一对初级线圈，线圈布置102-108的每一个可仅具有单个的初级线圈。清楚的是，本发明中对于一个或多个初级线圈的每一个都可采用任何实际数量的线圈布置。

第一线圈布置102包括第一初级线圈110和第二初级线圈112。第二线圈布置104包括第三初级线圈114和第四初级线圈116。第三线圈布置106包括第五初级线圈118和第六初级线圈120。第四线圈布置108包括第七初级线圈122和第八初级线圈124。初级线圈110-124通过包括多个开关的构造装置129在第一供电线126和第二供电线128之间并联电连接。第一初级线圈110通过第一开关130连接到第二供电线128。第二初级线圈112通过第二开关132连接到第二供电线128。第三初级线圈114通过第三开关134连接到第二供电线128。第四初级线圈116通过第四开关136连接到第二供电线128。第五初级线圈118通过第一开关138连接到第二供电线128。第六初级线圈120通过第六开关140连接到第二供电线128。第七初级线圈122通过第七开关142连接到第二供电线128。第八初级线圈124通过第八开关144连接到第二供电线128。初级线圈110-124和第一供电线126之间的连接也可包括其间的开关。

第一和第二供电线126和128连接到供电模块146。供电模块146操作为通过供电线126和128控制提供给线圈布置102-108的电流。供电模块146自身例如从主电源系统148接收其电能。

构造装置129能选择性地连接任何一个初级线圈110-124到第二供电线128或者选择性地从第二供电线断开初级线圈110-124的每一个。因此，系统100具有模块构造，从而能够使用或去除一个或多个线圈布置102-108或者一个或多个初级线圈110-124。初级线圈110-124通过构造装置129连接到第二供电线128的那些初级线圈在第一和第二供电线126和128之间并联电连接。结果，通过初级线圈110-124的相连接线图的各电流完全同步。构造装置129是能构造系统100的特征，用于根据所需的初级线圈数操作使用。这样，构造装置129是选择性特征，并且，如果固定了初级线圈所需的数量，则可省略。在后者的情况下，初级线圈于是在第一和第二供电线126和128之间永久地并联连接。

开关130-144可手动操作转换。作为选择，开关130-144可在控制电路接收用于构造系统100的使用者输入时通过供电模块146中的控制电路(未示出)受到控制。构造装置129如图1所示设在供电模块146的外部。作为选择，构造装置129容放在供电模块146的壳体内。取代采用连接或断开第一至第八初级线圈到第二供电线128的两状态开关130-144，可采用插头和匹配插座。

优选地，供电模块146包括模式转换电源150。如上所述，在足够高的频率下采用模式转换电源操作时，去磁步骤是不必要的。而且，模式转换电源150的操作基于以可变的工作周期转换半导体功率开关(未示出)，其平均值是所希望的输出功率。单一半导体功率开关的使用保证了精确同步那些在初级线圈110-124当中通过连接装置129并联连接在第一和第二电源线126和128之间的那些线圈中流过的电流。

图2a-2c示出了采用上述方法为根据本发明的图1的系统100加热滚动元件轴承208并且利用缠绕第一铁芯212的第一初级线圈210和缠绕第二铁芯216的第二初级线圈214的各种空间构造202、204、206。第一初级线圈210和第二初级线圈214从相同的供电模块146接收初级电流。在第一空间构造202中，第一初级线圈210和第二初级线圈214设置为靠近滚动元件轴承208的内滚道的内边缘。在第二空间构造204中，第一初级线圈210和第二初级线圈214设置为靠近滚动元件轴承208的外滚道的外边缘。在第三空间构造206中，第一初级线圈210设置为靠近滚动元件轴承208的外滚道的外边缘，并且第二初级线圈214设置为靠近滚动元件轴承208的内滚道的内边缘。第一初级线圈210的绕组和第二初级线圈214的绕组设置为使第一初级线圈210和第二初级线圈214感应的磁场彼此加强。

图3是表格300，列出了采用图图2a-2c的三个空间构造202、204、206在特定类型的滚动元件轴承208上进行的实验结果。提供给初级线圈的并联装置的功率用大写字母“P”表示。大写字母“T”表示以分钟和秒规定的时间周期中达到的最大温度。该时间周期后滚动元件轴承208上的两个位置之间存在的最大温度差由“ΔT”表示。

在第一和第二空间构造202、204中，第一和第二初级线圈210、214二者都设置为靠近滚动元件轴承208的内滚道或者靠近滚动元件轴承208的外滚道。在这些空间构造202、204中，比其它滚道更加靠近初级线圈210、214的滚道之一可用作磁屏蔽。就是说，比其它滚道更加靠近初级线圈210、214的滚道防止初级线圈210、214产生的磁场到达滚动元件和其它滚道。

图4a-4d示出了采用用于图1的系统100的上述方法并且利用缠绕在第一铁芯412周围的第一初级线圈410和缠绕在第二铁芯416周围的第二初级线圈414以及缠绕在第三铁芯420周围的第三初级线圈418加热滚动元件轴承208的四个空间构造402、404、406、408。在第一构造402中，所有的三个初级线圈410、414和418设置为靠近滚动元件轴承208的内滚道。在第二构造404中，所有的三个初级线圈410、414和418设置为靠近滚动元件轴承208的外滚道。在第三构造406中，第一和第二初级线圈410、414设置为靠近滚动元件轴承208的内滚道，并且第三初级线圈418设置为靠近滚动元件轴承208的外滚道。在第四构造408中，第二和第三初级线圈414、418设置为靠近滚动元件轴承208的外滚道，并且第一初级线圈410设置为靠近滚动元件轴承208的内滚道。

图5是表格500，列出了也在参考图2和3描述的实验中采用的特定类型的滚动元件轴承208上进行的实验结果，现在采用图4所示的四个空间构造402、404、406、408。实验结果显示，让三个初级线圈中的两个设置为靠近滚动元件轴承208的外滚道，并且三个初级线圈的其中一个设置为靠近内滚道，对于构造408是有利的。

实验结论可在这样的意义上得出，也就是说考虑到较短的加热时间和与均匀温度分布较小的偏差，优选的是设置为某些有效的初级线圈靠近滚动元件轴承208的外滚道，并且其它的有效初级线圈靠近滚动元件轴承208的内滚道。这可解释为，这样的分布至少部分地克服了屏蔽效应。还显示为有利的是让第一数量的初级线圈靠近滚动元件轴承208的外滚道，并且让第二数量的初级线圈靠近滚动元件轴承208的内滚道，其中第一数量大于第二数量。这可通过考虑滚动元件轴承208的外滚道的材料量大于滚动元件轴承208的内滚道的材料量的实事来解释。因此，滚动元件轴承208的内滚道和外滚道具有不同的热容量。为了在给定的时间周期内加热滚动元件轴承208的内滚道和外滚道到基本上相同的温度，更多的热量被输送到较大的部分而不是较小的部分。

应当注意的是，在图4的第一构造402中获得了70℃的大温差ΔT。滚动元件轴承208的内滚道直接靠近所有的初级线圈410、414、418。滚动元件轴承208的内滚道屏蔽了滚动元件轴承208的外滚道。滚动元件轴承208的内滚道比滚动元件轴承208的外滚道具有较低的热容量。因此，滚动元件轴承208的内滚道达到较高的温度远快于滚动元件轴承208的外滚道。结果，滚动元件轴承208的内滚道的热膨胀大于滚动元件轴承208的外滚道的热膨胀。这意味着，滚动元件轴承208的诸如球的滚动元件随着温度的升高在内滚道和外滚道的表面上施加很大的压力。因此，在空间构造402中加热滚动元件轴承208时，应当意识到损坏内滚道和外滚道的风险。

还应当注意的是，如果滚动元件轴承208的外滚道加热较快并且膨胀大于滚动元件轴承208的内滚道，则存在一个或多个滚动元件掉出滚动元件轴承208之外的风险。因此，重要的是保持内滚道和外滚道之间的温差受到控制。

图6示出了另一个空间构造600，用于采用上述方法为图1的系统100加热滚动元件轴承208，现在采用四个初级线圈602、604、606、608，全部设置为靠近滚动元件轴承208的外滚道。第一初级线圈602缠绕在第一铁芯610周围。第二初级线圈604缠绕在第二铁芯612周围。第三初级线圈606缠绕在第三铁芯614周围。第四初级线圈608缠绕在第四铁芯616周围。

图7是实验结果的表格700，该实验也在参考图2-5描述的实验中采用的特定类型的滚动元件轴承208上进行，现在采用图6的构造，其中四个初级线圈全部设置为靠近滚动元件轴承208的外滚道。可见，对于这些示例中采用的特定的滚动元件轴承208，图6的构造和空间构造看起来是优化的，在合理的时间内所获得的目标温度在外滚道和内滚道之间具有0℃的ΔT。

因此，本领域的技术人员可根据物理目标的尺寸、形状和热容量并且根据初级线圈的功率级别改变铁芯的数量、初级线圈的数量、在不同铁芯周围的缠绕和并联驱动以及它们相对于物理目标的位置。如果物理目标的单位体积的热容量在物理目标上从一个位置到另一个位置变化，则可考虑线圈相对于物理目标的不均匀空间分布。

图2-7所示的示例仅示出了每个铁芯的单一初级线圈。应当清楚的是，每个单独的铁芯可采用两个或多个初级线圈，所有铁芯的所有初级线圈并联连接并且由诸如具有模式转换电源的单一电源模块驱动。

Claims (6)

1.一种感应加热包括导电材料的物理目标的系统，该系统包括：

第一初级线圈，其在第一铁芯周围，用于在该导电材料中感应第一电流；

第二初级线圈，其在与该第一铁芯不同的第二铁芯周围，用于在该导电材料中感应第二电流；以及

供电模块，连接到该第一和第二初级线圈的电并联装置，用于并联驱动该第一和第二初级线圈。

2.如权利要求1所述的系统，其中：

该供电模块包括模式转换电源；

该模式转换电源具有构造为在导通和截止之间进行转换的部件以产生驱动电流；并且

该驱动电流被提供到该第一和第二初级线圈的电并联装置。

3.如权利要求1或2所述的系统，其中该供电模块包括构造装置，用于选择性地将所述第一和第二初级线圈中的至少一个与该电源进行电连接或者与该电源断开。

4.一种在权利要求2或3的系统中使用的供电模块。

5.一种感应加热包括导电材料的物理目标的方法，该方法包括：

采用第一铁芯周围的第一初级线圈在该导电材料中感应第一电流；

采用与该第一铁芯不同的第二铁芯周围的第二初级线圈在该导电材料中感应第二电流；以及

通过单一电源模块驱动并联连接的该第一和第二初级线圈。

6.如权利要求5所述的方法，其中：

该供电模块包括模式转换电源；

该模式转换电源具有构造为在导通和截止之间转换的部件以产生驱动电流；并且

该驱动电流被提供到该第一和第二初级线圈的并联装置。

Images