CN1062106C - 三相工频电磁感应加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁感应装置。本装置具有由硅钢片叠成“Ⅲ”形铁心，铁心三个心柱上各绕有一只绕组，磁钢设置在“Ⅲ”形铁心的开放端，磁钢与铁心两种不同材料构成三相导磁体而形成一闭合的三相磁回路；围绕在铁心各个心柱上的绕组按星接或角接进行连接；当三只绕组接通三相工频电源，则三相交变磁通通过磁钢时产生的涡流及磁滞使磁钢被快速加热。本发明结构简单、容量大小不受限制，使用时三相负荷平衡、热效率高。

Description

三相工频电磁感应加热装置

本发明涉及一种电磁感应加热装置，更确切地说是一种三相工频电磁感应加热装置。

目前用于金属熔炼的有心或无心工频感应加热装置，它们都是单相结构。而供电电网是三相，对此，在容量较大的情况下，为使其三相负荷平衡，常采用以下四种平衡方法：(1)移相法：由电抗与电容组成的三相平衡装置，通称LC平衡器；(2)分组法：将三台或数台单相加热装置，按容量相同或接近的分组成三相平衡负荷；(3)工频或三倍频率法：三台相同的单相变压器，将其原边绕组分接三相工频电源，原边的中心点分接零或不接零的二种，副边按一定接法，使三相功率转变为工频或三倍工频的单相负荷；(4)交直交法：由三相交流经整流后再逆变为单相交流的一种方法。综上所述，平衡装置结构复杂，造价昂贵，虽然采取上述技术措施后能达到三相平衡，但加热装置本身仍为单相。请参见中国专利申请CN87214703U。

目前用于液体加热的工频感应加热装置，有单相及三相的两种。见日本专利JP37536/89，其工作原理是，当原边绕组接通工频电源，副边的金属管中感应产生短路大电流而被加热，然后将热量传导给液体。它的结构是，全部由硅钢片叠成铁心导磁体，在铁心的心柱上由里及外依次围绕有原边绕组及作为副边的金属管组成一体穿过存放液体的容器，在原副边间用树脂填充而消除了不利热传导的空间，以使副边的金属管表面发热均匀。由此可见，它的铁心心柱穿过容器与容器外的上下轭部铁心形成闭合的磁回路。这样，要求铁心的心柱穿过容器部位的容器材料是非金属的，若是金属的则要采取绝缘间隔，否则在这里同样会产生更强大的短路电流，从而破坏了该专利设想的副边金属管发热的均匀性；另外，从容量与安全电压而言，容量小则其副边金属管中的短路电压低，若容量增大则副边金属管中的短路电压随之增高而影响安全，即短路电流的加热方式受到容量之限制，这从如下两公式可知： $S=K\sqrt{P},$ 式中铁心的横截面S与容量P的平方根成正比，K为常数；(2)S=E/4.44fBN，式中电动势(这里可以看作额定电压)E、频率f及磁感强度B可以看成一定值，则铁心横截面S与绕组匝数N成反比，容量越大，每匝电压越高；再者，与容器组成一体的加热器还存在着体积大容量小、加热温度受树脂耐温特性的限制等一系列问题。至于现有的其它加热方法所存在的问题，在该日本专利中已有详细介绍。

目前用于轴承等金属过盈件加热套装的工频感应加热装置也都是单相结构。对此，请参见中国专利申请CN2085127U。现有的同类产品如常州三利电器公司生产的ZJ20x-1系列及瑞典SKF的TIH系列感应加热器。其工作原理是；当原边绕组接通工频电源，副边的轴承中感应产生短路大电流而被加热。简言之，是一种低电压大电流的变压器。它们的共同缺点是，轴承的内径越小加热时间越长，且轴承内径应在φ20mm以上。例如，加热一只内径为φ30mm的6306轴承，温升110℃，用ZJ20x-1需要1.5分钟，而TIH-030需要10分钟，若加热一只同样大小的齿轮则时间更长。如此慢的速度，用于维修或小批量的生产中尚可，但用于汽车、摩托车等制造行业的生产线上，就远远跟不上其快节奏的生产节拍了。

EP0580899A1公开了一种电磁感应蒸汽发生器，虽利用电磁感应进行加热，其各绕组只是使用单相交流电或使用三相交流电的某一相，热效率不高，且由其结构决定，容量也做不大。

本发明的目的是为了解决在传统的加热装置和公开的工频感应加热装置中存在的问题，并提供一种三相负荷平衡、容量大小不受限制、热效率高、结构简单的三相工频电磁感应加热装置，以达到将电能转换成具有商用价值的热能之目的。

本发明的构思是基于三相变压器为提高效率、千方百计地降低铁损、降低温升，而本发明却相反、利用铁损发出更多的热量，两者的区别在于：一是三相变压器的导磁体铁心全部由硅钢片叠成，而本发明的导磁体是由铁磁性的钢铁件(简称磁钢)与硅钢片叠成的铁心两种不同材料构成。二是三相变压器的绕组通常由原边与副边两个部分组成，本发明只有一种绕组，其作用相当于三相变压器的原边绕组。三是三相变压器的功能是改变输电线路的电压，以达到经济输送电能的目的，本发明是将电能转变成热能。

本发明的工作原理是，由硅钢片叠成

形铁心，将铁磁性的钢铁件即磁钢设置在

形铁心上，

形铁心和磁钢两种不同材料构成的三相导磁体形成一闭合的三相磁回路，将围绕在 形铁心各个心柱上的绕组按星接或角接及符合电气原理的其它方法进行连接，将三个绕组接通三相工频电源，则在上述三相导磁体中产生三相交变磁通，这时在磁钢中该三相交变磁通产生远远大于铁心的涡流及磁滞而使磁钢被快速加热。上述被加热的磁钢可以在三相导磁体中的任意位置，只要它与铁心能构成一闭合的三相磁回路即可。上述构成三相导磁体的被加热的磁钢至少是一块或一件。上述磁钢与铁心构成固定的结构型式，或磁钢按加热的需要随时串插到铁心中去然后再形成三相导磁体的结构型式。上述铁心的三个心柱上围绕的绕组，其作用相当于通常三相变压器的原边绕组。

实现本发明目的的一种技术方案是，本装置具有硅钢片叠成的铁心，铁心三个心柱上各绕有一只绕组，其结构特点是：铁心形状为

形，铁磁性的钢铁件即磁钢设置在 形铁心三个心柱的上端面上，磁钢与 形铁心两种不同材料构成三相导磁体而形成一闭合的三相磁回路；围绕在

形铁心各个心柱上的绕组按星接或角接及符合电气原理的其它方法进行连接；当三只绕组接通三相工频电源，则三相交变磁通通过磁钢时产生的涡流及磁滞使磁钢被快速加热。

本装置还具有接线座及外壳，接线座固定在外壳的一侧，且接线座与绕组的引接线连接，外壳与磁钢的下端焊接形成包容 形铁心及绕组的密闭容器，容器中所有其他空间由绝缘的填充物充实，构成一全封闭的发热实体。

实现本发明目的的另一种技术方案是，本装置具有硅钢片叠成的铁心，铁心三个心柱上各绕有一只绕组，其结构特点是：铁心形状为 形，围绕在 形铁心各个心柱上的绕组按星接或角接及符合电气原理的其它方法进行连接；本装置还具有硅钢片叠成的位于上轭部位的固定铁心和活动铁心，固定铁心固定在 形铁心的中间心柱上端面上，两块活动铁心设置在

形铁心的两侧心柱上端面上、且各自与

形铁心左右滑动连接，活动铁心与固定铁心之间留有间距，当在该间距中串插被加热的钢铁过盈件即磁钢后可构成三相导磁体并形成一闭合的三相磁回路；此时，若三只绕组接通三相工频电源，则三相交变磁通通过磁钢时产生的涡流及磁滞使磁钢被快速加热。

本发明具有积极的效果：(1)众所周知，白天峰电价高，夜间谷电价低。目前我国的峰谷电价为3比1，发达国家的峰谷电价比更大。这是因为发电厂的电能是不能储存之故，发多少，得用多少，用不了也只能白白地被浪费掉，这是当今电能最大浪费之一。若应用本发明将夜间电网低谷时的多余电能转换成热能(热水)，然后储存起来，白天供家用或工业应用，以替代燃油、燃煤的中小型锅炉。这不但有利环境改善，而能源资源也是双倍的节约，投资不到锅炉的一半，运行费用比烟煤便宜。应用本发明加热输油管道中的石油，这尤其在环境非常恶劣而建造锅炉有相当难度的沙漠地区，本发明完全胜任，配以电脑集中控制实现自动操作。再如，将本发明作为溴化锂空调机组的热源，它既降低了机组的体积与成本，同时又有利环境的改善。(2)以上所述均为加热液体。若应用本发明加热齿轮等金属过盈件，加热速度将比现有的轴承加热器提高上百倍，完全能跟上汽车等制造行业的生产线上快节奏的生产节拍，以改变目前普遍采用烤箱加热的落后工艺。(3)本发明的工作原理是由电能转化成磁热能，磁钢被加热，且磁钢不带电，安全可靠又经久耐用。(4)本发明按用热多少配置所需的容量，就地安装，非常方便，它体积小，占地少或不占有效建筑面积。(5)本发明实测的热转换效率大于1.0，高效节能。综上所述，本发明对平衡大容量的峰谷用电及充分利用矿物燃料、改善环境污染、提高工作效率具有相当高的价值。所以，本发明从长远的广泛的应用来说，其经济效益和社会效益都非常好。

图1为本发明的一个开启式结构的示意图。

图2为本发明的一个全封闭结构的示意图。

图3为本发明的一个半封闭结构的示意图。

以下结合实施例和上述附图对本发明作进一步描述。

实施例1

图1中的正侧两视图，显示了本发明开启式结构的三相工频感应加热装置10，它由铁磁性的钢铁件即磁钢1与硅钢片叠成的铁心2两种不同材料构成三相导磁体，在铁心2的三个心柱上各围绕一只绕组3，铁心2的下轭及上端处设有夹件9，夹件9将铁心2夹紧固定，整机呈开启状。

在上述图1中：导磁体上轭部位的磁钢1为槽形容器的钢铁件，其横截面(除槽截面外)小于铁心2的横截面；铁心2采用低磁阻的硅钢片叠合成，它的三个心柱及下轭横截面相等；绕组3采用铜质导线或铜管，绕组3的绝缘耐温等级视其冷却方式：即空气自冷、循环水冷等现有的冷却方法以及熔化金属的温度进行选择；三相绕组3的功能与通常的三相变压器中的原边绕组相同，在图中为(Y)星形连接，中心点不接地，也可以设计成(△)三角形或符合电气原理的其它方法进行连接，然后将每一绕组上的引出线U、V、W分别引出，以备连接三相电源之用。

实施例2

图2中的正侧两视图，显示了本发明全封闭结构的三相工频电磁感应加热装置20，它由铁磁性的钢铁件即磁钢1与硅钢片叠成的铁心2两种不同材料构成三相导磁体，在铁心2的三个心柱上各围绕一只绕组3，接线座4固定在外壳5的一侧，外壳5与磁钢1的下端焊接形成一密闭容器，将铁心2、绕组3密封在这一容器中，容器中所有其它空间由绝缘的填充物6充实，这样，上述加热装置成为一个全封闭的发热实体。

上述图2中：导磁体上轭部的磁钢1为矩形体的钢铁件，材料一般取10～20号钢，或根据实测热转换效率优选不同的钢号，可由一块或数块厚钢板垂直拼合，块数尽可能的少，其横截面不小于铁心2的横截面，为防腐蚀，磁钢1的表面在整机总装后喷涂或复合一层不锈钢；铁心2采用低磁阻的硅钢片叠合而成，它的三个心柱及下轭横截面相等；绕组3采用铜质导线，绕组3及填充物6的绝缘耐热等级视被加热液体的要求加热温度进行选择，优先采用在高温状况下不产生挥发性气体、且热胀系数不大于金属的绝缘材料；三相绕组的连接方法与前述图1中的相同；接线座4是一种由良好导电性能的接线柱藉玻璃体与不锈钢座烧结的绝缘的组合件；外壳6采用不锈钢或其它材料制作，视被加热液体的性质及要求加热的温度而定。

实施例3

图3中的正侧两视图，显示了本发明半封闭结构的三相工频电磁感应加热装置30。该装置具有硅钢片叠成的铁心2及其上轭部位的固定铁心2a和活动铁心2b，铁心2的三个心柱上各围绕一只绕组3，固定铁心2a固定在铁心2的中间心柱上端面上，两块活动铁心2b设置在铁心2的两侧心柱上端面上、且各自与铁心2左右滑动连接，活动铁心2b与固定铁心2a之间留有一定间距，以便在使用本装置时串插被加热的钢铁过盈件即磁钢1后构成三相导磁体，也即固定铁心2a、活动铁心2b与过盈件1共同构成导磁体的上轭部并与铁心2形成一闭合的三相磁回路。接线座4固定在外壳5的一侧，外壳5与绝缘板7连接形成一容器，将绕组3及铁心2的一部分密封在这一容器中，容器中所有其它空间由绝缘的填充物6充实形成一半封闭实体。

上述图3中，磁钢1有各自独立的两件，分插在固定铁心2a与活动铁心2b之间，它可以是圆形的齿轮、轴承等金属过盈件或其它形状的钢铁件，系用户提供；铁心2与前述图2中的相同；接线座4为通常的外购标准件；外壳5选用金属或非金属材料制作；绕组3采用铜质导线，其三相连接方法与前述图1中的相同；绕组3、填充物6、绝缘板7的绝缘耐热等级可选择不低于A级的绝缘材料制作。

本发明的加热原理，借助图1～图3可见，铁磁性的钢铁件即磁钢1与硅钢片叠成的铁心2(或铁心2、固定铁心2a、活动铁心2b)两种不同材料构成的三相导磁体形成一闭合的三相磁回路，当围绕在铁心2上的三相绕组3接通三相工频电源，磁钢1中通过三相交变磁通产生远远大于铁心2的涡流及磁滞而被快速加热，即直接由三相工频电源之电能转变成磁热能的一种感应加热方法。

应用例1

取实施例1的本发明加热装置10进行金属的熔化：熔化焊锡120公斤，锡温290±10℃，以符合搪锡工艺要求。加热装置10设计为空气自冷型，三相交流50Hz，额定电压380V，容量22KW，Y/△连接方式。即(△)三角连接时为22KV，(Y)形连接时为22/3KW。实测通电半小时，锡温达300℃，这时通过温控装置自动转换成Y接保温，当锡温下降到280℃时又自动转换成△接，试用良好，符合搪锡工艺要求。同样，应用本发明加热装置10，亦可熔炼铝、铜等金属。

应用例2

取实施例2的本发明加热装置20进行对比加热测试：取10号变压器油两桶，油量相等，分别由容量相同的加热装置20和电热管同时通电加热1小时，加热的同时油被搅拌均匀，有关实测的参数见表1。从表中可见，本发明的加热装置20其热转换效率高达1.39，较电阻丝的电热管高1.5倍。

表1

全封闭结构的本发明加热装置20，系一种潜油、潜水加热装置。它不但热转换效率高，而且安全可靠，工作时由工频电能转换成磁热能，磁钢被加热，不带电压，三相设计，结构简单，容量任选。用它在谷电时加热水，比燃煤还便宜。用本加热装置作为载热体加热炉中的热源，即加热导热油，试验容量150KW，最高温度达340℃，运行良好；它操作简便，配以计算机控制，实现自动操作。

应用例3

取实施例3的本发明的加热装置30进行过盈件加热对比试验：所选取的齿轮的参数是：外径D=77mm，内径d=32mm，厚B-=21mm，过盈量为0.02～0.028mm，要求套装的加热温升为180℃，今分别用以下三种感应加热装置接通工频单相或三相电源加热，有关实测参数见表2。

表2

规格型号	TIH030单相220V 3．5KVA	ZL20X-1单相220V 2．2KVA	本发明加热装置三相380V 5KVA
加热齿轮(只)	1	1	2
加热时间(秒)	2670	231	52
温升(℃)	179	180	182

表2中：TIH030为瑞典SKF的产品，ZJ20X-1为常州市三利电器公司的产品，它们的工作方式均属短路大电流加热方式，每次加热一只。而本发明的加热装置30一次可加热2只，加热的速度较SKF的快百倍以上，较三利公司的亦快8倍多。完全满足汽车等制造行业的生产线上所需的快节奏要求。

本发明的加热装置30与通常使用的烤箱加热相比，烤箱加热属间接式的传导加热，加热时间长，若要达到上述温升180℃，空气温度势必高于180℃，以致被加热的齿轮表面发黄而影响硬度。本发明的加热方法是齿轮自身发热，加热速度快，齿轮硬度保持不变，为提高装配质量提供了充分的保证。

应用例4

根据上述三相工频电磁感应加热原理，还可以制成单相工频电磁感应加热装置，附图4给出了一种单相电磁感应热水装置的结构示意图，其中：铁磁性的钢铁件即磁钢1与硅钢片叠成的铁心2两种不同材料构成单相导磁体，在铁心2的中间心柱上围绕一只绕组3，8为管道，其两端设有水的进出口，在铁心2的下轭及上端处设有夹件9，将铁心2加紧固定。当绕组3中接通单相工频电源，在磁钢1中通过单相交变磁通产生远远大于铁心2的涡流及磁滞而被快速加热，再由磁钢1将热能传导给流经管道8中的水而使水被加热。本装置还可用于加热其它液体。

Claims (2)

1、一种三相工频电磁感应加热装置，具有硅钢片叠成的铁心(2)，铁心三个心柱上各绕有一只绕组，其特征在于：铁心(2)形状为

形，磁钢(1)设置在

形铁心(2)三个心柱的上端面上，磁钢(1)与

形铁心(2)两种不同材料构成三相导磁体而形成一闭合的三相磁回路；围绕在

形铁心各个心柱上的绕组按星接或角接进行连接；当三只绕组接通三相工频电源，则三相交变磁通通过磁钢(1)时产生的涡流及磁滞使磁钢(1)被快速加热。

2、一种三相工频电磁感应加热装置，具有硅钢片叠成的铁心(2)，铁心三个心柱上各绕有一只绕组，其特征在于：铁心(2)形状为 形，围绕在 形铁心各个心柱上的绕组按星接或角接进行连接；本装置还具有硅钢片叠成的位于上轭部位的固定铁心(2a)和活动铁心(2b)，固定铁心(2a)固定在 形铁心(2)的中间心柱上端面上，两块活动铁心(2b)设置在

形铁心(2)的两侧心柱上端面上、且各自与 形铁心(2)左右滑动连接，活动铁心(2b)与固定铁心(2a)之间留有间距，当在该间距中串插被加热的磁钢(1)后可构成三相导磁体并形成一闭合的三相磁回路；此时，若三只绕组接通三相工频电源，则三相交变磁通通过磁钢(1)时产生的涡流及磁滞使磁钢(1)被快速加热。

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