CN103858518A - 感应加热系统，尤其是自主加热模具的品质因数调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及包括自主加热装置的模具（200），所述模具包括：a.模体（210、220），其包括具有电阻R1和电感L1的感应加热电路，其称为工具电路，所述工具电路包括延伸在模体的封闭腔内的电感器（215、225）；b.用于将工具电路连接到高频电流发生器的连接装置（250）；c.其特征在于，所述模具包括具有电阻R2和电感L2的称为调节线圈的线圈，其不在模体内感应电流并且在所述工具电路和连接装置（250）之间而连接到该工具电路。

Description

感应加热系统,尤其是自主加热模具的品质因数调节装置

本发明涉及用于调节感应自主加热模具的品质因数的装置。

根据现有技术已知的实施例，例如在文献EP1894442中的描述，自主加热模具包括限定了成型腔的两个模体。这样的模具可以被用于冲压操作或用于热模压操作。至少一个模体包括由电感器实现的自主加热系统。根据现有技术的这种实施示例，电感器是由在实现于模体中且形成封闭腔的槽或孔中延伸的导电体而构成的，所述槽或孔限定了电感器的路径。由这些电感器的数量和在模体内的分布而实现的路径，是通过由相关模体支撑且界定出成型腔的模腔形状、所述模腔内需要达到的温度以及在冲压或模压周期中所述模腔内的目标温度分布来决定的。一部分模体由承受电感器效应的铁磁材料构成。该部分模体可以是整个模具，仅仅整个模具的一部分体积，例如模体内开辟槽或孔的模体部分，或者由电感器所处的槽或孔的内覆盖层所限定的模体部分。所述模具在生产环境中被装配，例如压机的平台上。其因此连接到商用高频电流发生器。由于所述发生器连接到电感器，因此通过使高频交流电在所述电感器内流通而获得了加热，这产生了引起模具铁磁部分加热的感应电流，该铁磁部分温度提升并且通过传导而将该热量传送到模腔并最终传送到构成来自该模具的将来构件的材料上。

高频电流发生器通过使由电感器构成的振荡电路与由电感器加热的负载发生谐振来运转。这些条件允许最佳感应效率。当不遵守该条件时，由发生器提供的能量通过焦耳效应会在实现电感器的导体内被消耗，该效应不会或很少引起铁磁部分的加热。因此，这种能效的缺失使电感器在模具的加热效率方面受到相当大的热应力。

文献US1948704描述了一种适合对直接由感应激发的物质进行热处理的感应加热装置。例如，该装置适合对弹簧热处理或熔炼金属。如此感应加热的材料被放置在具有已知特性的感应线圈中。发生器的运转条件适用于该装置，从而使线圈和发生器整体构成谐振电路。在该电路中引入负载并且通过材料熔炼或把温度提升超过居里点而在热处理过程中修改所处理材料的特性，可能会使装置的运转条件脱离最佳条件。因此，该现有技术文献中公开的装置包括可变电感和电容，用于适配发生器的响应并试图始终保持在最佳条件下。

在自主加热成套设备的情况下，其形式由各种技术限制所规定的振荡电路通常并不是谐振的。因此，在许多情况下，当这种成套设备连接到高频发生器时，该发生器不能简单地启动。

关于现有技术的图1示出了自主感应加热装置的示意性电路。对应于与所述工具相互作用的模体的电感器的工具电路（120）电感器是由阻抗Z1来表征的，其结合了模体和电感器的等效电阻（105）和电感（115），R1和L1。依然根据现有技术，具有可调节电容C3的电容箱（101）并联连接到该工具电路（120）的发生器（100）。由阻抗ZG表征的高频电流发生器（100）被并行放置在该电路中用于对其供电。该发生器适于提供限定频率范围内的交流电流，通常介于10kHz和100kHz之间。由工具电路和电容箱构成的称为负载电路的电路形成并联式的振荡电路。为了向所述电路供电，在最佳条件下，发生器包括允许自身自动调整到振荡电路的谐振频率的电路。

正如所有的谐振现象，当其存在时，其特征在于谐振频率f0和谐振峰值宽度Δf。振荡电路的谐振频率f0由以下关系式给出：

L1.C3.ω₀ ²=1，其中ω₀=2πf0

并且峰值宽度是比值L1/R1的函数。L1/R1的值越高，谐振峰值越窄。

因此，发生器启动的条件是，发生器能够调整到振荡电路的谐振频率上，也就是说，该谐振频率能由较窄的谐振峰值充分标记，并且该谐振频率包括在所述发生器能提供的供电频率范围内。为此，确定品质因数Q=L1ω₀/R1。为了使谐振峰值被标记以及发生器能够检测振荡电路的谐振频率且在其上调整，该品质因数Q必须大于或等于2。然而，在大多数情况下，所述品质因数大大地小于1，从而使发生器不启动并且对电容C3的调整不能够修改品质因数Q。

此外，当负载阻抗在发生器输出阻抗的范围内时，由发生器提供并注入工具电路的功率最大，即：

Z1≈ZG

然而，R1和L1的值大部分是由模腔的几何形状以及所述模腔中温度分布的技术限制来决定的，从而使这些值仅获得很小的调节范围。

为了解决现有技术的缺陷，本发明涉及一种包括自主加热装置的模具，所述模具包括：

a模体，其包括具有电阻R1和电感L1的感应加热电路，其称为工具电路，所述工具电路包括延伸在所述模体的封闭腔内的电感器；

b用于将所述工具电路连接到高频电流发生器的连接装置；

c所述模具包括具有电阻R2和电感L2的线圈，其称为调节线圈，其不在所述模体内感应电流并且在所述工具电路和所述连接装置之间而连接到该工具电路。

在工具电路中插入额外的线圈提供了额外的调节范围。所述线圈不与负载相互作用，其几何形状（长度、匝数）是通过要达到的电感L2来决定的，与模体内的热分布无关，此外，电阻R2减小。因此，该线圈的存在允许调节工具电路的品质因数Q，并且使其得以谐振。所述调节线圈与模具相关联并且根据该模具来计算，从而使所述模具可以与所有商用发生器连接并一起运转。所述模具的自主加热装置的运转因此变得与生产环境无关。

本发明可根据以下公开的有利实施例来实施，所述实施例可以被单独考虑或者是根据任何技术上有效的结合而被考虑。

根据本发明目标模具的第一变型，所述调节线圈串联地电连接到所述工具电路。

根据本发明目标模具的第二变型，所述调节线圈并联地电连接到所述工具电路。

因此，根据所述调节线圈的连接模式，其电感和电阻可以以不同方式结合以达到期望的结果。

有利地，当连接到所述线圈的所述工具电路连接到高频电流发生器时，与所述调节线圈结合的工具电路的合成电感与电阻使所形成的振荡电路的品质因数Q介于2和5之间。因此，品质因数足够高以允许发生器轻松启动，但为了避免电感器太过加热，其依然受到限制，特别是当电感器不打算在操作上进行冷却时。

根据本发明目标模具的有利实施例，所述工具电路包括两个并联连接的电感器，并且所述调节线圈串联连接到电感器之一。因此，除了所述线圈对品质因数进行调节的效果，该线圈还允许调节两个电感器之间的电流强度的分配。电感器更特别地，当根据特定的实施例，本发明目标模具包括两个模体并且两个电感器分别在不同模体内延伸时，两个或更多个电感器的使用允许更好地分配模具各部分之间的加热。

根据上一个实施例，本发明目标模具包括电连接装置，当所述模体彼此接近时，该电连接装置能够在所述两个模体的电感器之间实现连接。因此，能够在冲头和冲模之间安排较大的开口位置，例如用来使得经受冲压操作之前的坯件在其中滑动，而无需在两个形状之间放置较大长度的连接缆线。

有利地，无论本发明目标模具的实施例如何，所述工具电路都包括两个串联连接的电感器。因此，感应加热效果可以更好地分布在冲压形状的表面上，此外，串联安装使之能够确保流经两个电感器的强度相同。所述调节线圈的存在使之能够补偿较大长度电感器上的连续品质因数下降。

参照附图1至5，下面描述本发明的非限制性优选实施例，其中：

–关于现有技术的图1示出了当模具连接到高频电流发生器时，与配备有自主感应加热装置的模具相对应的电路装配；

–图2按照前视图和俯视图的视角，以透视方式示出了包括冲头和冲模的根据本发明的模具的实施示例；

–图3示出了当模具连接到高频交流电发生器时，根据本发明实施示例的模具的等效电路，以及根据本发明实施示例的图2B和2C；

–图4是包括两个并联感应电路的本发明目标模具的实施示例的电路图；

–图5示出了根据本发明实施示例的模具的电路图，其包括两个并联连接的电感器和串联连接到这两个电感器之一的线圈。

图2，根据本发明目标模具的实施示例，该模具包括含有形成冲头的阳模腔的第一模体（210），以及带有形成冲模的阴模腔的第二模体（220）。两个模体每个都包括感应电路（215、225），该感应电路是由在所述工具的体积中大致描绘出线圈的导体所形成的。根据该实施示例，冲头（210）包括电感器（215），且冲模（220）包括两个串联连接的电感器（225）。这些电感器（215、225）中的每一个都与它在其中延伸的模体相互作用，以在模体中产生感应电流。根据实施示例，所述模具（200）由铁磁材料构成以使得这些感应电流引起所述模具的加热，从而将其迅速引导至适于对在冲头（210）和冲模（220）之间成型的材料进行加工的温度。依然根据该实施示例，所述冲模（220）和冲头（210）包括连接装置（230）以使得当所述冲模（220）靠近所述冲头时，该冲模（220）的电感器（225）以并联方式电连接到该冲头（210）的电感器（215）并且共同构成感应电路，所述电路通过合适的连接装置（250）连接到高频发生器（未示出）。不与所述工具相互作用的称为调节线圈的线圈（240）有利地被放置在如此形成于所述连接装置（250）和所述工具电路之间的电路中。该调节线圈（240）由例如铜的导电性能良好的材料构成，并且在直径和匝数方面被设计成具有电感L2以使得如此构成的电路符合能效及发生器启动的条件。

回到关于现有技术的图1，所述感应加热装置包括具有电感Li和欧姆电阻Ri的电感器，所述电感器与由所述模体构成的负载相互作用，所述负载具有电阻Rch和电感Lch。该负载和电感器的特性结合限定了称为工具电路（120）的电路的特性，所述工具电路连接到高频发生器（100）。可调节电容的电容箱（101）并联连接到该工具电路，根据该示例，电容值被调节至C3。将电容器和工具电路合并在一起的这个组件限定了连接到发生器（100）的振荡电路。该振荡电路由其阻抗Z1来表征，该阻抗Z1是电阻R1、电感L1和电容C3的合成特性的函数。因此：

Z1=L1/（C3.R1）

C3是可调节电容箱的电容（101）的调节值。振荡电路的合成电感（115）是如下限定的：

L1=Li-Lch

主要贡献来自电感器。

合成电阻（105）是如下限定的：

R1=Ri+Rch

主要贡献是由负载的电阻带来的。

在电感器较长的情况下，合成电感（115），L1就更高了。因此，该参数极大地受装置几何形状的影响，并且电阻（105）R1将主要受负载特性及其质量的影响。

在如图2所示的示例中，几何形状受到与模具形状和模腔内目标温度分布有关的函数因子的约束。因此，难以满足验证条件L1.C1.ω₀ ²=1，L1.ω₀/R1≥2且Z1≈ZG，其中ZG是发生器（100）的阻抗。

图3A和3B，在连接端子（250）和所述工具电路之间而将补充电感（341、342）引入电路中使之能够调节振荡电路的特性以使得所述条件获得验证并因而使得发生器能够启动且所述装置在最佳能效条件下能够运转，其中所述电感或者与所述工具电路串联连接（341），图3A，或者与之并联连接（342），图2C。

回到图2，由铜构成的调节线圈（240）具有非常小的欧姆电阻，以使得当所述线圈要被串联安装时，其电阻对于这种串联安装可被忽略且实际上R2=0。在调节线圈（240）要与振荡电路并联安装的情况下，较小的电阻R2对振荡电路的谐振特征并且尤其是对谐振峰值宽度（即品质因数Q）具有较大影响。

图3A，因此，在串联安装的情况下，电路的电阻Rc由R1给出，R1基本是负载的电阻，并且电路的电感Lc由组合（L1+L2）给出。因此，通过由调节线圈（341）的电感L2来增加电感值，品质因数Q得以增加，相对于发生器（100）的特性来适配阻抗和频率是通过修改电容（101）的值来实现的，也就是说无需修改与其调节线圈一起交付的模具。

图3B，在并联安装调节线圈（342）的情况下，所述电路的电感Lc将由以下关系式给出：

Lc=L1.L2（L1+L2）

因此，所述调节线圈在振荡电路中或者是以串联连接（341）配置或者是以并联连接（342）配置，这使之能够通过调节在所述负载中不感应电流的电感L2和其较小的电阻R2来确保适合高频发生器启动的品质因数Q。因此，所述工具电路是根据模腔几何形状、要在该模腔内获得的温度分布以及该工具的质量来确定的，而无需担心为所述模具供电的发生器的启动可能性并且无需考虑发生器存在时的加热能效。随后，所述调节线圈根据所述工具电路来计算以使其得以谐振。有利地，结合了与所述工具电路的串联和并联耦合的多个调节线圈允许精细调节自主加热模具的运转参数。因此，使用这样的调节线圈为模具设计提供了较大的自由并且使之能够实现其模腔表面上的加热分布为最佳的模具，从而为铸件带来更好的品质。

图4，根据本发明目标模具的另一实施示例，由其等效电阻（405）和电感（415）来表征的第一感应电路连接到发生器（100）。作为非限制性实例，该第一感应电路被用于加热冲头。电流i1流经该第一电路。由其等效电阻（425）和电感（435）来表征的第二感应电路例如被用来加热所述模具的冲模。该第二感应电路通过与所述第一感应电路并联来连接到发生器（100），并且电流i2流经该第二电路。如果这两个感应电路的特性相似，即其电感器的长度和感应加热体积在两个电路上基本相等，则：

i1=i2且i1+i2=Q.i

其中，i是由发生器递送的电流，并且Q是振荡电路的品质因数。在该配置中，在所述电路中插入调节线圈（440）使之能够在获得能促进发生器（100）启动的品质因数的同时，即因数Q至少等于2，还使得该因数Q保持接近该最小值从而避免过强的电流在电感器（415、435）中流通。

图5，根据实施示例，本发明的目标模具包括两个并联的感应电路，其具有等效电阻（505、525）或十分不同的电感（515、535）。等效阻抗的差异例如是源自用于加热冲头和冲模的电感器的不同长度或者用于每个感应电路的不同加热体积。因此，在缺少其他元件的情况下，由发生器（100）生成的电流在两个电路之间根据其各自的阻抗来分配，从而使得最强的电流流经阻抗最小的电路（因而要加热的材料体积最小）。使用调节线圈（540），除了上述公开的效果之外，在这里还使之能够在两个感应电路之间调节这个强度分配，从而使流经所述第一电路的电流i1和流经所述第二电路的电流i2能够根据负载特性来产生适于目标应用的加热效果。

在谐振条件下，在电感器中流通的电流强度依照由发生器产生的强度因数Q而翻倍。因此，有用的是作用于调节线圈的特性，以使之既能确保允许发生器启动的品质因数Q的值最小，同时也能固定该品质因数的最大值，从而使流经电感器的强度不会因电感器的正常加热而产生有损于电感器的风险。

以上描述和实施示例表明，本发明达到了期望的目标，特别是其允许调节自主加热模具的工具电路的特性以使得当所述工具电路连接到高频发生器时，所构成的振荡电路适合于所述发生器的启动并能够达到这样的能效，即因数Q大于2。使用连接在所述工具电路和该工具电路的连接端子之间、因而连接到该工具的调节线圈，使之能够将该工具从一个生产环境转移至另一个生产环境。

Claims (8)

1.一种模具（200），其包括自主加热装置，所述模具包括：

a模体（210、220），其包括具有电阻（105、405、425、505、525）R1和电感（115、415、435、515、535）L1的感应加热电路，也称为工具电路，所述工具电路包括延伸在所述模体的封闭腔内的电感器（215、225）；

b用于将所述工具电路连接到高频电流发生器（100）的连接装置（250）；

c其特征在于，所述模具包括具有电阻R2和电感L2的线圈（240、341、342、440、540），也称为调节线圈，其不在所述模体内感生电流并且在所述工具电路和所述连接装置（250）之间而连接到所述工具电路。

2.如权利要求1所述的模具，其特征在于，所述调节线圈（341）串联地电连接到所述工具电路。

3.如权利要求1所述的模具，其特征在于，所述调节线圈（342）并联地电连接到所述工具电路。

4.如权利要求1所述的模具，其特征在于，当连接到所述线圈的所述工具电路连接到高频电流发生器（100）时，结合了所述调节线圈（341、342、440、540）的所述工具电路的合成电感（115、415、435、515、535）和合成电阻（105、405、425、505、525）使得所形成的振荡电路的品质因数Q介于2和5之间。

5.如权利要求1所述的模具，其特征在于，所述工具电路包括两个并联连接的电感器（415、435），并且所述调节线圈（440）与所述电感器之一串联连接。

6.如权利要求5所述的模具，其特征在于，其包括两个模体（210、220），并且两个所述电感器（215、225）分别在不同模体内延伸。

7.如权利要求6所述的模具，其特征在于，其包括能够当所述模体彼此接近时在两个模体的所述电感器（215、225）之间实现连接的电连接装置（130）。

8.如权利要求1所述的模具，其特征在于，所述工具电路包括两个串联连接的电感器。

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