CN113727482A - 一种超导直线感应加热装置 - Google Patents

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张文峰
艾春梅
顾晓宇
罗宁
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Abstract

本发明公开了一种超导直线感应加热装置。超导直线感应加热装置由上下两个铁芯和分别绕在两个铁芯上的超导线圈等结构组成；超导线圈中通入方向相同的直流电流，感应出恒定磁场，并通过铁芯和铁芯之间的间隙形成闭合磁路。铁芯上开槽，导致气隙中磁阻不同。待加热工件为金属带材或板材。当工件以一定速度经过上下铁芯之间的间隙时，由于气隙中磁阻不同，通过工件表面的磁场产生变化，从而在工件表面感生涡流，从而利用焦耳热加热工件。本发明可以利用超导直流感应加热技术对板材、带材等结构的金属材料进行热处理，具有加热效率高，低电磁干扰等特点。

Description

一种超导直线感应加热装置
技术领域
本发明公开了一种超导直流感应加热装置，尤其适用于基于线性运动对金属材料进行热处理。
背景技术
传统感应加热方式利用交变磁场在静止的金属工件表面感生涡流，产生焦耳热，实现加热。超导直流感应加热技术在超导线圈中通入直流，在气隙中产生恒定磁场，对在磁场中运动的金属工件进行加热。
由于超导线圈具有无阻、高载流密度等特点，直流感应加热技术相比传统感应加热方式具有更高的加热效率，加热质量也更好。
现有超导感应加热技术主要针对圆柱状金属坯料，利用金属坯料的旋转运动切割恒定磁场实现加热，对于金属板材、带材等结构的工件加热技术还较少。
本发明提出一种超导直线加热装置，可以实现对这一类金属工件的加热需求，具有较好的应用前景。
发明内容
为解决对金属板材、带材等结构金属工件的超导直流感应加热需求，本发明提供一种超导直线感应加热装置。
本发明采用下述技术方案：
本发明的超导直线感应加热装置主要包括铁芯、超导线圈和在铁芯间作直线运动的金属工件等结构；
铁心包括平行设置的上铁芯和下铁芯，下铁芯的纵向截面均为E形结构，E形结构具有两个间隙，上铁芯和下铁芯呈间隙相对设置，上铁芯和下铁芯之间设有气隙，以供直线运动的金属工件通过。上下铁芯在气隙侧具有开槽，以在气隙中形成不等的磁导；
超导线圈包括上超导线圈和下超导线圈，分别环绕在上铁芯和下铁芯上，用以产生恒定磁场；
超导线圈中通入直流电，方向一致，超导线圈会根据需求，安装在杜瓦容器中，以保证超导线圈的低温工作环境；
金属工件以一定的速度直线通过上下铁芯之间的气隙，切割气隙中的恒定磁场，由于气隙磁阻不同，通过金属工件表面的磁通密度不同，通过金属工件表面的磁场不断变化，感应出涡流，对金属工件进行加热；
进一步地，可以通过改变气隙大小、铁芯上开槽的尺寸、金属工件运行速度等参数实现对加热速率的改变。
进一步地，可以采用直线电机、传动带、齿轮等结构拖动金属工件进行直线运动。
进一步地，可以通过磁路调整，将上铁芯和下铁芯设计为整体铁芯、调整为多个铁芯结构。
进一步地，可以通过磁路调整，将上超导线圈和下超导线圈调整为单个超导线圈或多个超导线圈，用以产生恒定磁场。
进一步地，金属工件可以作直线运动、直线往复运动以及在气隙内进行的旋转、曲线运动等。
有益效果
通过金属工件的运动切割磁场产生涡流，实现对工件的加热，避免了使用高频磁场，减小对环境的电磁干扰，提高了加热质量。
采用超导线圈励磁，减少了线圈的损耗，提高了加热效率。
通过气隙磁阻变化，实现了对在气隙中直线运动的板材、带材等金属工件的加热需求。
附图说明
图1为超导直线感应加热装置三维构造图；
图2为超导直线感应加热装置侧视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明。
如图1和图2，本发明的超导直线感应加热装置主要包括铁芯、超导线圈和在铁芯间作直线运动的金属工件等结构；铁芯包括上铁芯11、下铁芯12，超导线圈包括上超导线圈21、下超导线圈22。
下铁芯12的纵向截面均为E形结构，E形结构具有两个间隙，上铁芯11和下铁芯12呈间隙相对设置，上铁芯11和下铁芯12之间有气隙，且在铁芯的气隙侧开有凹槽4，以在气隙中产生不等磁阻。
上超导线圈21绕于上铁芯11的两个间隙，下超导线圈22绕于下铁芯12的两个间隙，上超导线圈21和下超导线圈22中通入方向相同的直流电，以在气隙中产生恒定磁场，在铁芯和气隙间形成闭合磁路。金属工件3可以以速度v作直线运动穿过气隙，由于气隙中磁阻不同，导致穿过金属工件3表面的磁通会产生变化，变化的磁场在金属工件3表面产生涡流，利用焦耳热实现对金属工件3的加热。
通过改变上铁芯11和下铁芯12上凹槽4的数量，可以改变金属工件3中通过变化磁场的频率，从而改变对金属工件加热的节奏和加热质量。同理，改变金属工件3的直线运动速度也可以产生相似的效果。
上铁芯11和下铁芯12与气隙一起形成闭合磁路，铁芯在气隙一侧有开槽，形成不等的气隙磁阻。通过磁路设计，上下铁芯也可以设计为一个整体铁芯。铁芯间气隙要保证待加热工件线性运动的空间。
上超导线圈21和下超导线圈22通常安置在杜瓦中，以保证超导线圈正常工作的低温环境，特别地，还需要对超导线圈设置磁屏蔽装置，以避免外界交变磁场在超导线圈中产生交流损耗。
上超导线圈21、下超导线圈22通入方向相同的电流，以增强铁芯和气隙中的磁通密度，超导线圈还需要放置于杜瓦中以保证超导线圈运行的低温环境。通过合理设计，超导线圈的数量不限于两个，可以为一个或多个。
金属工件3优选地采用直线电机拖动，以实现直线运动，直线运动速度可调，以保证对金属工件3的加热节奏。金属工件3的直线运动也可以采用传动带、齿轮等动力装置拖动。
金属工件3材料为金属，形状为板材、带材、立方体等具有平面结构的金属材料，其运动状态为线性运动，可以采用直线电机、传动带、齿轮等结构拖动金属工件进行直线运动，运动速度越大，加热速率越快；金属工件3以一定的速度直线通过上下铁芯之间的气隙，切割气隙中的恒定磁场，由于气隙磁阻不同，通过金属工件3表面的磁通密度不同，通过金属工件表面的磁场不断变化，感应出涡流，对金属工件进行加热。
工作原理：通过在超导线圈中通入直流电，在铁芯的气隙中感生恒定磁场。在铁芯气隙侧开槽，以改变气隙中的磁阻分布。当金属工件以一定的速度通过气隙时，会切割气隙中的磁场，并在金属工件表面产生涡流，气隙中变化的磁场也会在金属工件表面感生涡流，通过焦耳热实现对金属工件的加热。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超导直线感应加热装置，其特征在于：所述超导直线感应加热装置包括：
上铁芯（11）、下铁芯（12），所述上铁芯（11）、下铁芯（12）的纵向截面均为E形结构，E形结构具有两个间隙，上铁芯（11）和下铁芯（12）呈间隙相对设置，上铁芯（11）和下铁芯（12）之间具有气隙，且靠近气隙位置的上铁芯（11）和下铁芯（12）上开设有若干连续的凹槽（4）；
上超导线圈（21）和下超导线圈（22），所述上超导线圈（21）绕于上铁芯（11）的两个间隙，下超导线圈（22）绕于下铁芯（12）的两个间隙；
待加热工件（3）放置于所述气隙后，利用超导线圈产生恒定磁场，待加热工件以线性运动切割磁场，在工件表面感生涡流，实现对工件的加热。
2.根据权利要求1所述的一种超导直线感应加热装置，其特征在于：所述待加热工件（3）为金属材料，待加热工件（3）为板材或带材结构。
3.根据权利要求1所述的一种超导直线感应加热装置，其特征在于：所述待加热工件（3）于上铁芯（11）和下铁芯（12）之间的气隙内作直线运动。
4.根据权利要求1所述的一种超导直线感应加热装置，其特征在于：所述上铁芯（11），下铁芯（12）与气隙一起形成闭合磁路，上铁芯（11）和下铁芯（12）在气隙一侧有开槽，形成不等的气隙磁阻；通过磁路设计，上下铁芯也可以设计为一个整体铁芯；铁芯间气隙要保证待加热工件线性运动的空间。
5.根据权利要求1所述的一种超导直线感应加热装置，其特征在于：所述上铁芯（11），下铁芯（12）的开槽要一一对应对称设置。
6.根据权利要求1所述的一种超导直线感应加热装置，其特征在于：所述上超导线圈（21）、下超导线圈（22）通入方向相同的电流，以增强铁芯和气隙中的磁通密度，上超导线圈（21）或下超导线圈（22）为一个或多个。
7.根据权利要求1至6所述的一种超导直线感应加热装置，其特征在于，所述超导感应加热装置还包括杜瓦容器，超导线圈需要放置于杜瓦中以保证超导线圈运行的低温环境。
8.根据权利要求7所述的一种超导直线感应加热装置，其特征在于：所述超导感应加热装置还包括制冷系统，制冷机冷头应设置在所述杜瓦容器上，将所述超导装置的制冷系统与所述冷机冷头连接，用于提供使超导线圈处于超导态的低温环境。
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