CN103609196B - 感应加热工作线圈 - Google Patents

Abstract

一种感应加热工作线圈，具有铁氧体磁芯，多个导电材料的层缠绕在该铁氧体磁芯上。为了冷却绕组，将实心热导体插入到绕组的多个层之间，从而提供与多个层的热界面。工作线圈还可以具有缠绕在绕组的外侧上的中空管，并且该管具有循环经过该管的液体以冷却绕组。磁芯可以具有十字形顶部和I形腿部，并且绕组的多个层缠绕在磁芯的腿部上。实心热导体可以延伸超过绕组的高度，从而使得将要被消散的热量传递至工作线圈的上部。绕组的多个层紧密地缠绕在实心热导体上，以使热界面最大化。

Description

感应加热工作线圈

技术领域

本发明涉及在感应加热应用中使用的工作线圈，并且涉及从这样的线圈内部热量耗散。

背景技术

在诸如纸浆和纸张压光、辊轧机或相似的加工应用的应用中所使用的典型感应加热系统中，一个或多个感应加热工作线圈被放置在目标负载附近，其中，每一个线圈都具有相关联的功率变换器。功率变换器提供工作线圈中的高频交流电流，从而通过电磁场的变化使得负载被加热。

对于卷纸压光应用，通过向设置成堆的一个或多个轧辊施加热量而控制卷纸厚度，从而根据过程控制要求，使得轧辊直径中所产生的变化调节在两个轧辊之间形成的压区中的压力。在诸如轧辊温度的增加使得纸张的抛光质量、主要是光泽增加的一些情况下，也需要轧辊的热效应。

在卷纸加工应用中，目标是向轧辊施加热量从而使得材料以所需方式被改变或抛光。典型的加工应用是层压、印花、热定形和波纹成形。

在辊轧机应用中，目标是向轧辊的边缘施加热量从而使得它的温度变得均匀。由于辊轧机应用所产生的大量热量，很少需要向整个轧辊施加热量。在轧辊的边缘上的温度非常迅速地递减，并且因此机器的速度必须被减缓以防止材料损失。通过向轧辊边缘施加外部热量，能够加速进程并增加生产力。

如所公知的，工作线圈由导电绕组制成，并且可能由一种或多种铁氧体材料制成。由于工作线圈所经受的恶劣环境，线圈通常被封装在环氧型材料中。

发明内容

一种感应加热线圈具有缠绕在铁氧体磁芯上的导电材料的多层绕组；和位于绕组的多个层之间从而提供与多个层的热界面以用于冷却导电材料的实心热导体。

一种系统具有：

用于间接地加热不导电的材料片的感应仿形机，所述感应仿形机具有：

一个或多个感应加热线圈，所述一个或多个感应加热线圈中的每一个感应加热线圈具有：

缠绕在铁氧体磁芯上的导电材料的多层绕组；和

位于绕组的多个层之间从而提供与多个层的热界面以用于冷却导电材料的实心热导体。

用在感应加热工作线圈中的铁氧体磁芯具有带底面的十字形顶部，和从所述顶部的所述底面向下突出的I形腿部。

附图说明

图1显示了包括感应仿形机的典型造纸机。

图2显示了目前在纸张、加工和金属辊轧工业中使用的感应工作线圈。

图3显示了使用感应工作线圈的典型轧辊加热系统。

图4显示了感应工作线圈的实施方式，其中多个线圈层缠绕在导热通道上。

图5显示了感应工作线圈的另一个实施方式，其中每一个线圈层缠绕在导热间隔件上。

图6显示了感应工作线圈的另一个实施方式，其使用液体冷却。

图7显示了感应工作线圈的另一个实施方式。

图8显示了用于图4-7中所示的感应工作线圈的优选铁氧体磁芯。

图9显示了线圈大小的绕组在由感应工作线圈提供的热量分布上的效应。

具体实施方式

现在参考图1，显示了典型的造纸机10以及可以用在机器10上的不同的致动器驱动式仿形机12、14、16、18、20、22、24和26。更具体地，如本领域技术人员公知的，机器10包括与流浆箱10a相关联的致动器驱动式稀释仿形机12和致动器驱动式切片仿形机14。流浆箱10a将纸浆悬浮液供给到下网(在图1中未示出)的初始部分上。致动器驱动式仿形机12和14以及这里所描述的其它致动器驱动式仿形机被用于控制悬浮液的端面外形。

造纸机10还包括长网造纸机工作台10b和挤压部分10c，该挤压部分10c可以包括一个或多个致动器驱动的蒸汽仿形机，例如图1的仿形机16。诸如仿形机16的蒸汽喷头仿形机是传统的仿形系统，它们通过在生产过程中选择性地将蒸汽释放到卷筒纸上而工作。仿形蒸汽喷头在越过卷筒纸的区域中释放可变的蒸汽分布。经过蒸汽喷头的每个区域的蒸汽量通过位于该区域的致动器而调节。它们被用于控制纸张的总体湿度水平和含水量。

再下游的机器10还可以包括致动器驱动的空气水仿形机18、压光仿形机20、涂布量仿形机22、抛光仿形机24和感应仿形机26。诸如压光仿形机20的仿形蒸汽喷头也被用在压光过程中以改善纸质产品的光泽和平滑度。诸如空气水仿形机18的湿气喷射系统也是通常用在造纸机的蒸发部分中的传统仿形系统。感应仿形机26具有用于加热纸张轧辊从而提供厚度和光泽控制的一个或多个工作线圈。

现在参考图2，显示了定位在图3中所示的目标材料31附近的要被磁感应加热的典型现有技术的工作线圈的剖视图。工作线圈具有位于铁磁芯21上的三层或多层导电材料23。在图2中所示的工作线圈具有三个这样的层。各层之间的间隙25是不存在的，并且因此内部和中间的层经受高温。

图3显示了在其中可以使用工作线圈的典型感应加热系统30。一个或多个功率变换器32与匹配数量的工作线圈34一起使用，从而控制目标轧辊31的加热参数。每个变换器32由电力电缆33连接至其匹配的工作线圈34。为了易于说明，图3仅显示了被电力电缆33连接至其相关联的工作线圈34的一个功率变换器32。如本领域技术人员已知的，通常系统30被连接至未示出的过程控制器，从而使得参数被精确地控制。在与多个线圈和变换器一起使用时，可以在被加热的轧辊上执行诸如交叉方向(CD)控制的局部控制处理，因此消除了由传统加热方法引入的许多可变因素。

同样公知的，目标轧辊31具有导电外壳(在图3中未示出)，其通常表示轧辊31的与纸张或其它正被形成的产品接触的部分。导电外壳或轧辊31可以由任何适当的材料形成，诸如金属铁磁性材料。工作线圈34运行以在轧辊31的导电外壳的相关区域或范围中产生电流。例如当轧辊31是实心的时，电流也可以在轧辊31的不同区域或范围中产生。通过控制电源32以调整流到感应加热工作线圈31的线圈中的能量的量，可以控制流经所述区域的电流的量。该控制例如可以由过程控制器提供。

现在参考图4，显示了能够定位在将被磁感应加热的诸如轧辊31的目标材料附近的多层工作线圈40。多层导电材料43缠绕在铁磁芯41上以形成工作线圈40的绕组。具有许多倍于空气的热导率的实心热导体42以如下所述的方式被插入到层43之间。实心热导体42与低热导率气冷管或者我们已经发现不会提供用于感应加热工作线圈所需的冷却的导管相反。实心热导体42被定位为相对于工作线圈层43的定向成90°，从而消除了对于导体42将会形成次级绕组的顾虑。

在图4的剖视图中所示的磁芯41实际上是具有十字形顶部的磁芯的I形腿部。这样的磁芯的一个例子如图8中的磁芯80所示并且如下所述。磁芯41在图4中以简化的形式显示，从而使得能够更容易看到热导体42。

实心热导体42用作热量通道以提供用于在导电层43中产生的温度被排出至工作线圈40的表面的路径。热量通道42可以具有不同的实心形式或材料，典型地是圆形或矩形的导电材料。工作线圈绕组43被紧密地缠绕在通道42上，从而使得热界面被最大化。所选择的通道42的材料必须不干涉感应加热过程，也不会受其影响。优选地如图4所示，使得热量通道42比线圈自身长，从而使得热量能够从线圈绕组43被有效地移除。

在图4中所示的工作线圈40的一个实施方式中，具有许多倍于空气的热导率的实心热量通道42由李兹编织铜电缆制成。通过对通道42使用扁平电缆，层43与热量通道42之间的热界面被优化。扁平电缆还减少总体绕组尺寸，使加热图案变窄，因此帮助实现更高的功率密度。

李兹铜间隔件的热导率是空气的许多倍、典型地是10000倍或更多。作为例子，相较于铜的400W／m°K，空气在125℃的热导率是0.034W／m°K。铜间隔件的优选形状是扁平编织导线，增加绕组与间隔件之间的接触面积，同时使得没有间隔件的位置上的间隙最小。该设计允许本装置在轧辊或目标表面的温度超过130℃的操作，而传统地，必须使用液体冷却线圈。

图5显示了对于多层工作线圈的另一个实施方式50的内部示图。导电材料的多个线圈层51中的每一个被缠绕在磁芯53的I形腿部上，其中磁芯53具有十字形磁芯，其在如图8中的磁芯80中更详细地显示。层51之间的间隙填充有由实心导热材料制成的间隔件52。间隔件52的导热材料将热量从层51引导开。如图5所示，间隔件52被定位为相对于线圈层51成90度，并且比线圈长，从而使得热量能够从线圈层51被有效地移除。

在图6所示的另一个实施方式中，感应工作线圈60的绕组61被缠绕在磁芯63上，其中磁芯63是如图8所示的十字形磁芯80。层61之间的间隙填充有由实心导热材料制成的间隔件64。间隔件64被定位为相对于绕组61成90度。当感应工作线圈60被使用而具有非常高的表面温度(＞150℃)时，特氟隆(Teflon)、铜或其它材料的管62或者被缠绕在整个绕组61周围、即在那些线圈的外侧上，或者被用作绕组之间的热量通道。应该理解，将导热的但是不感应磁的管62缠绕在绕组61的外侧周围使得管62与绕组61的电气耦合大大地最小化。然后热量通过在管62中循环的液体而被带走。通常，水或乙二醇被用作冷却剂。

现在参考图7，显示了改进的感应加热线圈70的另一个实施方式。在该实施方式中，实心间隔件是连续的李兹编织带73，并且导电通道被插在最内层72和铁氧体磁芯71之间，其中铁氧体磁芯71是如图8所示的十字形磁芯80。如该图中所示，李兹编织带73延伸至柔软的铁氧体磁芯的十字形顶部，这进一步改善了热量从线圈绕组的移除。

图8显示了用于在图4至图7中所示的实施方式的优选铁氧体磁芯80。如图8所示，优选的磁芯80是柔软的铁氧体磁芯，其具有I形腿部81和十字形顶部82，图4的线圈绕组43、图5的线圈绕组51、图6的线圈绕组61和图7的线圈绕组72被放置在该I形腿部81上。柔软的铁氧体磁芯80由柔软的铁氧体I磁芯成形。

磁芯80的十字形设置使得磁通路径变得紧密并且改善了磁通量图的分布。该设置的十字形顶部82使得磁通线再聚焦，这使得磁通密度增加，并且因此使得被工作线圈加热的工件附近区域中的功率密度增加，其中的工件例如可以是诸如图3的轧辊31的轧辊。利用该十字形设置，磁通线被均等地分布在两个轴上。磁通线在I磁芯的底端之间传播，并且在十字形顶部铁氧体82的所有四个点上被均匀地分开。十字形顶部铁氧体82覆盖线圈绕组外侧尺寸，从而使得磁通线尽可能多地传播经过铁氧体磁芯，而无需不必要地增加装置的尺寸。在该设置中，线圈不受不同轧辊直径或材料形状的影响，只要目标件的尺寸基本大于底部I磁芯末端区域即可。

在图4中所示的热量通道42、在图5中所示的间隔件52、在图6中所示的管62和在图7中所示的连续的李兹编织带73中的每一个都将它们各自的线圈43、51、61和72保持冷却。这些线圈的冷却不仅有利于线圈本身的可靠性，而且增加线圈效率。典型地，诸如在图8中所示的磁芯80所使用的那些柔软的铁氧体材料在70℃附近获得峰值效率，在大约110℃时平稳，并且降低直至在220℃达到居里点。通过使用热量通道42或间隔件52或管62或连续的李兹编织带73保持线圈冷却，诸如磁芯80的磁通密度饱和水平以及它的磁导率的铁氧体参数被保持在它们的峰值效率水平上。因此十字形的柔软铁氧体磁芯80和热量通道42或间隔件52或管62或连续的李兹编织带73的组合允许工件附近区域中的功率密度增加，无需增加线圈绕组尺寸，而增加线圈绕组尺寸将会不利地影响功率密度。

图9示出了线圈绕组尺寸怎样影响目标材料上的加热效果。当线圈尺寸增加时，热量被分布到比当线圈是较窄的线圈90时更大的区域91。因此，在传送相同功率时，较大线圈91与较小线圈80相比具有更小的功率密度。

图4的工作绕组40、图5的工作绕组50、图6的工作绕组60和图7的工作绕组70中的每一个被封装在环氧树脂中，这起到防止化学和机械损坏的作用。为了实现需要的加热效果，附接至工作线圈的功率变换器将提供高电压并且环氧树脂还作为电绝缘体。虽然环氧树脂还帮助将热量从图4中所示的绕组43、图5中所示的绕组51、图6中所示的绕组61和图7中所示的绕组72移开，但它的效率远低于图4中所示的热量通道42、图5中所示的间隔件52、图6中所示的管62和图7中所示的连续的李兹编织带73。在图4-7中所示的每一个实施方式中，环氧树脂层至少是六(6)mm，但是保持在10mm以下。

应该理解，优选实施方式的描述仅是说明性的，而不是对本发明的穷举。在不背离如所附权利要求限定的本发明的精神或其范围的前提下，本领域技术人员将能够对所公开主题的实施方式进行某些增加、删减和／或变更。

Claims (15)

1.一种感应加热线圈，包括：

缠绕在铁氧体磁芯上的导电材料的多层绕组；以及

位于所述绕组的所述多个层之间的以提供与所述多个层的热界面以用于冷却所述导电材料的实心热导体。

2.根据权利要求1所述的感应加热线圈，其中所述实心热导体延伸超过所述绕组的高度，从而将热量从所述绕组的多个层传导至所述铁氧体磁芯的顶部。

3.根据权利要求1所述的感应加热线圈，其中所述铁氧体磁芯包括具有十字形顶部的I形腿部，并且所述绕组的多个层缠绕在所述腿部上。

4.根据权利要求3所述的感应加热线圈，其中所述实心热导体延伸超过所述绕组的高度，从而将热量从所述绕组的多个层传导至所述铁氧体磁芯的所述十字形顶部。

5.根据权利要求1所述的感应加热线圈，其中所述绕组的所述多个层以使得所述热界面最大化的方式缠绕在所述实心热导体上。

6.根据权利要求3所述的感应加热线圈，进一步包括缠绕在所述绕组的所述多个层外侧周围的中空管热导体。

7.根据权利要求3所述的感应加热线圈，其中所述绕组的所述多个层以使得与所述绕组的所述多个层之间的所述实心热导体的所述热界面最大化的方式被缠绕在所述腿部上。

8.根据权利要求1所述的感应加热线圈，进一步包括被缠绕在所述绕组的所述多个层外侧周围的中空管热导体。

9.一种系统，包括：

用于间接地加热不导电的材料片的感应仿形机，所述感应仿形机包括：

一个或多个感应加热线圈，所述一个或多个感应加热线圈中的每一个感应加热线圈包括：

缠绕在铁氧体磁芯上的导电材料的多层绕组；以及

位于所述绕组的所述多个层之间以提供与所述多个层的热界面以用于冷却所述导电材料的实心热导体。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述一个或多个感应加热线圈中的每一个感应加热线圈的所述铁氧体磁芯包括十字形顶部和从所述顶部的底面向下突出的I形腿部，并且所述绕组的所述多个层缠绕在所述腿部上。

11.根据权利要求9所述的系统，其中所述感应仿形机进一步包括目标轧辊，所述目标轧辊具有导电外壳以用于与所述不导电的材料片接触从而被所述一个或多个感应加热线圈间接地加热，并且所述一个或多个感应加热线圈中的每一个与所述目标轧辊相关联，从而在所述轧辊中产生磁通量。

12.根据权利要求9所述的系统，进一步包括一个或多个电源，以用于向所述一个或多个感应加热线圈中的相关联的一个感应加热线圈提供电力。

13.根据权利要求11所述的系统，其中所述目标轧辊包括被配置为压缩所述不导电材料片的一组反向旋转轧辊中的一个轧辊，和一个或多个感应加热致动器，所述一个或多个感应加热致动器中的每一个感应加热致动器包括所述一个或多个感应加热线圈中的相关联的一个感应加热线圈和用于向所述一个或多个感应加热线圈中的所述相关联的一个感应加热线圈提供电流的一个或多个电源中的相关联的一个电源。

14.根据权利要求9所述的系统，其中所述不导电的材料片是卷筒纸。

15.根据权利要求12所述的系统，进一步包括适于传送电力的一个或多个电缆，用于将所述一个或多个电源中的每一个电源连接至所述一个或多个感应加热线圈中的所述相关联的一个感应加热线圈。