CN1207235A - 电磁感应加热线圈 - Google Patents

Abstract

侧面开口电磁感应加热的线圈有重叠的线圈分段(20,21,22,23,24,25),它们在电气上相互并联,用能方便弯曲的细铜管可以构成比较大的线圈。然而保持线圈阻抗足够低,该线圈接入谐振振荡电路中,其谐振频率为远距离高频发生器所要求的频率,以使连接振荡电路和发生器的引线有最小的功率损耗。应用该线圈进行感应加热的方法,尤其是在保护布线电气配线的应用中亦被叙述。

Description

电磁感应加热线圈

本发明涉及电磁感应线圈，其可方便地用于感应加热物体的装置中，同时涉及应用该线圈的感应加热的方法。

众所周知，磁性材料可以经耦合到其上的高频交变磁场被感应加热，该磁场由加在工作线圈上的交流电压产生，工作线圈由若干匝电导线或其他细长的电导体构成。当工作时，感应线圈起变压器的初级绕组的作用，而工件起次级绕组的作用。被加热的材料不是闭合电路的一部分，热的产生是由于工件中流动的感应电流。加热工件是内部能量损耗所致，对铁磁材料而言是由于电阻或磁滞损耗，这引起温度上升。导电金属管子被用作线圈导体，使工作时冷却液能通过线圈。实际的电压和频率将取决于若干因素，包括电源设备的大小和工件以及线圈的类型。感应加热过程的成功在很大程度上取决于起感应器作用的工作线圈的适当设计。当被加热的物体的尺寸和形状使它不能方便地通过线圈的端头沿线圈内轴插入和移动时，使用加热过程中完全围绕工件的感应线圈是不方便的。一种这样类型的物体是电导线束或电气配线。其少量部分被放置在线圈中，以对用来堵塞线束中空隙的材料进行感应加热，进而达到下文所述的目的。

上述不方便性可用侧面开口的线圈来减缓，被加热的物体可以沿与线圈内轴线垂直的方向移入和移出线圈，而不是在线圈是封闭的情况下不可避免地沿该内轴移出入线圈。例如，可以这样制作这种侧面开口的感应线圈，将合适的导体绕制成一个简单的矩形“薄饼”线圈，并绕平行于该矩形短边的中心线弯曲该薄饼线圈，以致该矩形的长边周围拱起，从而限定了按此法构成的侧面开口线圈的大体上U形或C形线圈的内空间。然而为接纳更大的工业加热物体，加大这样侧面开口的“弯薄饼”线圈的尺寸例如在汽车制造业中大于20mm直径的汽车电气配线现已成为普通时，要求使用不希望有的高电压和/或电流和/或频率的非常规的大发生器，以便在该线圈中产生足够大的强场。非常高的频率(例如：5MHz)有更多的缺点，在遥控工作时如果线圈由加长的(1到4米)挠性引线加到发生器上，则可呈现不能容忍的功率损耗。

本发明通过下法寻求解决这个问题，提供侧面开口的电磁感应线圈，线圈包含至少两个线圈分段(最好由导电的管子制成)电气上互相并联，其中所说的线圈分段包含围绕线圈内轴的弓形靠近部分，围绕线圈内轴的弓形远离部分和基本上按线圈内轴相同方向伸展的将靠近部分和远离部分彼此相连的连接部分，因而沿着线圈内轴方向它们之间存在间隔，其中所说线圈分段让至少一个另外所说线圈分段的靠近部分对准在第一线圈分段的靠近部分和远离部分之间的所说间隔中，同时所说另外的线圈分段的远离部分被对准在第一线圈分段的远离部分的外边。

由于用电气并联线圈分段构成线圈，本发明可巧妙地用小口径的管子或线径比较小的导线方便地制作所期望的较大的线圈，同时保持足够低的总线圈电感，这样的电感能够足以在由商用发生器可得到的高频率(例如，0.5-1.5MHz)上的比较低又安全的电压(例如，250V以下)来激励。例如CEIA的“Power Cube”(商标)，120V。1MHz，2.5KW的发生器有时被用于加热宝石行业中的小金属物体。

“靠近”和“远离”部分是指给定线圈的分段的部分，从线圈的一端沿线圈内轴看，对观察者来说它们分别为较近(靠近)和较远(远离)。提及绕线圈内轴“拱起”的靠近部分和远离部分。并不意味着限制拱起部分成任何专门的形状。可以设想角形拱起，例如形成矩形的三个边。虽然更弯曲的形状对于线圈中产生更均匀的场是可取的。在线圈内轴的任何一边弓形有“腿”，它以比较直线的形式从开口边伸长，然后围绕线圈轴线弯约180°，朝向另外一边的“腿”，可以很好的构成有合适深度和开边宽度的线圈，在线圈的整个内部空间内可以接纳相当大的物体。可以应用基本上是园的拱起，绕线圈中心轴的张角至少为180°，最好为225°，为270°亦可以。

可以理解，一个线圈分段的靠近(或远离)部分可以是不连续的，如果要求由连续线圈分段的两个自由端构成弓形。最好，自由端区域被配置得可以彼此充分靠近，以致任何不连续对使用时线圈产生的场的不均匀性的影响是小到可以允许的。另外，每个线圈分段的自由端可以被安置在前述的连接部分中，它允许由线圈分段导体的连续长度构成两个弓形段。可以想象线圈在每个分段的靠近部分和远离部分都会是不连续的。这样的线圈可以在线圈内轴的每一边上构成单独的分段。每个分段有靠近部分和远离部分，两个分段在该轴的相对侧绕着面对相应单独的线圈分段的轴拱起。但是这种结构将使电气连接和冷却液连接到一系列这样“左边”和“右边”重迭的线圈分段复杂化。因此，沿线圈轴一边伸展的连续线圈分段和沿着轴的另外一边的绕着该轴折回的拱起是较可取的。

表明每个线圈分段的所说的连接部分基本上按与线圈内轴相同的方向延伸，并不意味着限制于严格平行对准的排列。连接部分不需要完全成直线，可以对线圈中心轴有某种程度靠近或离开的倾斜和偏移，由此实现沿轴远离部分和靠近部分间留出适当间隔放置物体。该纵向间隔最好足以减小或消除在各靠近部分中产生的相反场和每个优选线圈分段的远离弓形部分之间的一定程度的有害的相互作用。该被拱起的部分可被想象为如同人跟随线圈分段从一个自由端到另一端绕线圈内轴按相对的方向行走。

本发明的线圈分段的配置[具有至少一个所说另外线圈的靠近部分，该一个另外的所说线圈分段在所说第一线圈分段的靠近和远离部分的所说空间中对准，以及具有在该第一线圈分段远离部分那边对准的所说另外的线圈分段的远离部分]使所有围绕线圈内轴按一个方向(例如，顺时针)“行走”的靠近拱起部分形成一组，而与按另一方向(例如，反时针)“行走”的远离拱形部分的对应组(沿该线圈轴)相分隔开。于是有害的场的相互作用被限制在各靠近和远离组之间的线圈的小的中心区。选择紧邻拱起部分之间的空间最好使线圈的轴向长度最大，这样在工作中可以保持允许的均匀场。所涉及的靠近或远离部分被“对准”旨在传递该线圈分段的读出，该线圈分段被配置成公认的线圈结构，包括由两个(或更多个)线圈分段提供的四个(或更多个)拱起部分。严格的对准并非最重要，在准直和/或形状上有一些偏差是可以允许的，只要由线圈产生的场对以上提及的目的具有合适程度的均匀性。

在按本发明的一种特别优选的线圈形式中有两个或更多但不超过5个线圈分段，所说的另外的线圈分段同它们在所说第一线圈分段的空间中的各靠近部分以及它们在所说第一线圈分段那边的各远离部分对准。在该配置中，所说第一个线圈分段的靠近部分和远离部分之间的纵向距离被选择得适合插入的另外的线圈分段的靠近部分的总宽度，并连同相邻靠近部分之间的自由空间。此外较好的是，每个相连续的另外线圈分段的远离部分被对准在前一个线圈分段远离部分的外边。这允许各个线圈分段可以做得与另外的线圈分段在尺寸、形状和靠近部分对远离部分的距离上相当相似，仅需有小的变化，以便“箝套”彼此交错的线圈分段，构成一个公认的基本上定位得均匀的侧面开口线圈。

分开的线圈分段在电气上并联使它们可以用小口径的金属(例如，铜)管制作，例如，其外径不大于5mm，最好不超过4mm，更好不超过3.5mm，特别地从2.8mm到3.2mm。这也依次使每个线圈分段可以由弯曲单独的有连续长度的基本均匀直径的管子而方便的制成，反之，直径大于5mm的管子可能需要剪断和焊接，由于弯曲处太粗以致不能要求弯曲成复杂形状。每个线圈分段有一个绕线圈内轴拱起的管子总长度，它超过基本上按线圈轴同一方向延伸的连接部分的总长度。线圈液体冷却在应用中通常是很方便的，在这种情况下，优先选用的是所说线圈分段的第一端头被并行联到共用的冷却液入口歧管上，所说线圈分段的另外一端被并行联到共用的冷却液出口歧管上。所说的歧管可以方便地连接到电气上相互并联的线圈分段的各个端头，各个歧管电气上被连接到高频激励电路的相对边。

用于固化汽车的电气配线目的的根据本发明的有用线圈其优选开口边宽度至少20mm，最好至少25mm，再好至少30mm，深度至少20mm，最好至少25mm，再好至少30mm。沿线圈内轴从第一个靠近部分到所有线圈分段的最后远离部分测量线圈的轴向长度，该长度至少45mm，最好的至少50mm是被优选的。

线圈大体上刚性地加到高频发生器上，发生器包括有能在要求频率上谐振的被称为“振荡电路”的其他已知元件，在这种情况下被感应加热的物体将被送向线圈。但是，通常更方便的是，特别对于加热大的物体，例如，布线的电气配线，将线圈作为独立可移动组件的振荡槽路的一个部件可与远距离高频发生器进行电感应耦合。最好该组件通过灵活的电引导方式与远距离的高频发生器进行电感应耦合，其途径长至少1米，最好至少为2米，再好至少为3米，特别的是3.8-4.2米。

该感应线圈是远距离振荡槽路中的电感器，电容被加到线圈上。通过远距离振荡电路的电感和电容的配合，建立一个被调谐的谐振电路，它可以被馈入在谐振频率上的交流电压而在导线中保持非常小的损耗。优选远距离振荡电路的电容和线圈的电感使谐振频率在商用发生器的工作范围之内，发生器的输出频率是可自调谐的，以便与远距离振荡电路相匹配。因为在此系统中损耗是低的，发生器的功率和实际尺寸可以方便地保持很小。为了减小引线的电损耗，通过引线的电流经频率匹配被减至最小。为了达到上述目的，该线圈最好直接连到跨接远距离外套并与绕性引线相连的槽路电容器上。然而为了产生足够的电流以在线圈内建立所需的高磁通量，线圈的无功阻抗最好尽可能的低，优选小于5Ω，最好小于2Ω，特别好的低于1Ω；同时，为提供所需的功率电平跨接远距离外套的电容器要尽可能的大，优选大于200nF，最好大于350nF，特别好的大于500nF。对于使用1MHz的频率，感应加热非常小的金属颗粒很有效，如下文所述，500nF的电容量要匹配0.05μH的电感，根据本发明这可用增加并联线圈分段的数目将线圈电感减少到所要求的值来实现。

本发明包括电磁感应加热的方法，其中根据本发明任一方面的线圈由合适的高频发生器激励，可能被电磁感应加热的物体置于线圈产生的场内，因而物体被加热。在本方法的一个实施例中，可感应加热的物体与被绝缘的导线相联，最好是布线的电气配线部分，物体被放置得使导线按基本平行线圈内轴方向伸展，由此对导线的感应加热最小。如果线圈内的磁通线与导线以直角相交面不是按这个优选的安排-基本上沿导线延续，则对导线的加热大约是两倍。另一方面，当可感应加热的物体是一个带有或包含可感应加热的磁性颗粒的可热收缩的管形套管时，优选的放置方法是套管的管轴基本上平行与线圈的内轴(当该套管围绕上述布线的电气配线部分时这个状态自然呈现)。此时，套管的感应加热调整到最大(同时最好地引起套管的收缩)。由于沿套管壁方向流动的磁通线比与其表面成直角通过该管壁的磁通线有更多的机会同可感应加热的颗粒相互作用，由此套管能够被感应加热而收缩，而又恰巧使导线绝缘受热损害的危险降至最小。

在根据本发明这个方面的特别优选的方法中，可感应加热的物体包括：部分的被受热可收缩套管围绕的所说的布线的电气配线部分；最好是可感应加热的热收缩套管(更可取的是带有更包含可感应加热磁性颗粒的套管)；套管中亦可包装分离的受热活性密封胶材料的物体；最好是可感应加热的热活性密封胶材料(最好包含有上述的可感应加热磁性颗粒)。当套管和/或密封胶材料和/或配线束的导线各自或都被线圈内磁场感应加热时，在所说的配线部分内上述可感应加热的热活性密封胶材料熔化和流动，堵塞空隙。用于固化电缆或电气配线的可感应加热的材料和感应加热的方法在US-A-5378879(MP1474)中已叙述，其披露的内容此处作为参考。

现参照附图通过例子对本发明作更进一步的说明。

图1示出前面提及的已知的“弯曲薄饼”线圈的实例的透视图，用以进行比较。

图2示出根据本发明由三个并联线圈分段组成的线圈的透视图。

图3A和3B所示为对与图2相似的线圈从末端向开口边看过去的视图。

图4A，4B和4C是根据本发明有5个线圈分段的(代替图2和3中的三个分段)的类似线圈的视图。

图5示出用于线圈和远距离耦合的发生器的振荡电路的其他元件的组件或外壳的可能构成的简图。

图6示出图5线圈外壳的侧视图，具有杠杆操作的磁通集中器，其在线圈嘴中可以移动的定位以闭合磁通量环路。

示于图1的已知侧面开口线圈由从入端11延伸到出端12的单个长度铜管10的构成，该大略为矩形的原始平面薄饼线圈围绕线A所示的线圈内的轴被弯曲，以构成经弓形上箭头所示的方向“行进”的靠近的和远离的拱起部分，同时有平行与内部轴线A延伸的连接部分13。为了减小电感采用最大可弯曲直径(约5mm)的铜管，在有远距离振荡电路的系统中这种类型线圈的最大管子长度约300mm，它限制实际线圈的尺寸，内径和深度最大约20mm，沿内轴方向线圈长度最大约40mm。这也限制能放进线圈里的导线线束的直径，大约15mm，这表示一个线束最多有约30根线，该线是一种细的线常用于现代汽车布线的电气配线中。

与图1所示的线圈不同，示于图2的根据本发明的线圈由三个单独的线圈分段构成，各分段有围绕内轴A拱起的且按弓形上箭头所示方向“行进”的靠近部分20、21、22和远离部分23、24、25，同时有各自的连接部分26、27、28，这些连接部分粗略地与内轴A平行延伸。可以看出，在靠近部分20和远离部分23的间隔中，由靠近段21和22构成的弓形比第一个靠近部分20和三个远离部分23、24、25构成的弓形要稍微宽一些。这种做法适应优化交叠配置三个大致相似的线圈分段，第二个远离部分24被置于第一个远离部分23的外边，第三个远离部分25在第二个远离部分24的外边。如果比较理想，管子在靠近部分21和22的大部分长度上被弯曲且与其他的弓形段精密地配合，同时加宽靠近部分21和22上。十分接近连接部分27和28的部位。

各线圈自由分段的自由端被分别地连接到铜制的冷却液流入口歧管29和流出口歧管30，它实现三个线圈彼此之间需要的并联电连接。按照这种结构，线圈可用直径3mm的铜管制作，这三分段的每一个长300mm，构成线圈的易弯曲铜管的总长度900mm而仍可达到适用于有远距离振荡电路的系统的工作范围内的总电感(例如：小于0.5微亨，最好的小于0.3微亨，再好的0.08到0.12微亨)。这样能使线圈做成有非常可利用的工作容积，其内部宽约30mm，深大约32mm，沿内部轴线A有长度约50mm，可接受直径达25mm的平均包括60条汽车电气配线的日益普通的汽车导线线束。

图3A和图3B分别是从线圈末端和向线圈侧面开口看过去的示图，与图2近似相对应，图上带有相应编号的各种部件。上述靠近部分21和22的比较宽的弓形示于图3A，连接部分27和28被优选弯曲使它们各自的远离部分24和25连同第一远离部分23变成直线均示于图3B。

图4A是大体上类似于图3B的线圈示图，包含五个交叠线圈分段，有靠近部分41，远离部分42，连接部分43，以与图3B相似的方式安排。入口和出口歧管在图中被省略。

图4B是类似于图3A的端视图，线圈45加到作为上述远距离振荡电路的另一个元件的组件46的外壳上。该示图亦示出上述交错安置，靠近的和远离的弓形部分都大体上对准成一直线仅在连接部分48附近的47区域展宽，以适应交叠结构。在所有的型式中，线圈可以用合适的众所周知的树脂材料和方法进行保护性的封装，如虚线49所示。

图4C示出简化的有五个线圈分段的侧视图，具有弓形的靠近部分50，它被连接到入口和出口歧管51和52上，还有弓形的远离部分53，以及连接部分54，按前述交叠安排。

图5示出优选结构，适合于坚固的工业应用，例如：汽车电气配线生产线上，其中根据本发明的线圈61被封装在外壳62中，外壳62有保护性边缘63，它保护线圈，防止线圈同目标(例如，汽车布线电气配线)直接接触，使用时线圈放在其附近。外壳62可以方便地容纳其他远距离的振荡电路的元件以构成独立的可移动组件，使用时通过上述挠性电导线连接到所需的高频发生器上，并较好地与液流冷却管道结合。

在图6中，图5所示的线圈外壳有根据本发明的另外方面的附加装置，以构成磁通集中器70，它最好是铁氧体的，由杠杆72(最好有弹性负荷的)移动地安装在线圈61的嘴部中，使在工作时磁道环路可严格的闭合。当通过枢轴固定在线圈外壳62上的把手74按箭头x方向移动时，磁通集中器沿箭头y的方向移出线圈的嘴部，以允许线圈外壳从已处理的导线线束周围移开，接着，线圈围绕另一导线线束定位，如虚线76所示。释放把手74时，优选的弹性负荷(没有示出)能保证操作者不会忘记让铁氧体磁道集中器反方向返回线圈嘴部，围绕新的导线线束磁通环路闭合，进行感应加热。本装置提供先进的导线固定器78，最好非磁性材料构成，它使线束76磁通集中器隔开，并压迫线束76到线圈轴A或其附近的位置，以获得最佳感应效果。导线固定器78最好位于线圈端头的外侧磁道集中器70的端部，也可以放在线圈端头内，假若固定器的材料对线圈内的工作场没有难以接受的干扰。涉及集中器和固定器的本发明的特点是用任一侧面开口的感应线圈对细长物体感应加热是合适的，例如对上述的布线电气配线。

Claims (20)

1.侧面开口电磁感应线圈包括至少两个线圈分段(最好由导电管制作)，电气上相互并联，其中每一个所说的线圈分段含有围绕线圈内轴拱起的靠近部分，围绕线圈内轴拱起的远离部分，基本上按线圈内轴同一方向延伸的将靠近部分和远离部分连接在一起的连接部分。因此，在某种意义上它们之间沿线圈内轴方向有间隔，其中第一个所说线圈分段让至少一个另外所说线圈分段的靠近部分被对准在第一线圈分段的靠近部分和远离部分之间的所说间隔中，同时所说的另外线圈分段的远离部分被对准在第一个线圈分段的远离部分的外边。

2.根据权利要求1的线圈，其中两个或更多，但最好不多五个的所说的另外的线圈分段同在所说空间中的它们各自的靠近部分以及在所说第一线圈分段外边的它们各自的远离部分对准。

3.根据权利要求2的线圈，其中每个接连的另外线圈分段的远离部分在上一个线圈分段远离部分的外边对准。

4.根据任一个前述权利要求的线圈，其中各线圈分段在大小和形状基本互相相似。

5.根据任一个前述的权利要求的线圈，其中所说的线圈分段的管子直径应不大于5mm，最好不超过4mm，更好不超过3.5mm，特别好的为2.8-3.2mm。

6.根据任一个前述的权利要求的线圈，其中每一个所说的线圈分段各个都由单独连续长度的有基本上均匀直径的所说管子制成。该管子被弯曲构成各个线圈分段。

7.根据任一个前述权利要求的线圈，其中每一个所说的线圈分段具有的围绕线圈的轴形成弓形的所说管子的总长度超过基本上按线圈轴相同方向伸长的长度。

8.根据任一个前述权利要求的线圈，其中管状的所说线圈分段的初端被并联连接到共用的冷却液入口歧管上，同时所说线圈分段的另外一端被并联连接到共用的冷却液出口歧管上，所说的歧管最好也连接到电气上相互并联的线圈分段的各端。

9.根据任一前述的权利要求的其侧面开口的线圈，其宽度至少20mm(优选至少25mm，再好的至少30mm)，其深度至少20mm(优选至少25mm，再好的至少30mm)，同时线圈沿线圈轴的长度至少40mm(优选至少45mm，再好的至少50mm)。

10.根据任一前述权利要求的线圈，被配作为谐振的振荡回路组件的一个部分，可以与远距离的高频发生器电感应耦合，有与槽路相匹配的谐振频率。

11.根据权利要求10的线圈，其中所说的组件通过电导线的途径与远距离的高频发生器电感应耦合，导线长度至少为1m，优选为2m，再好为2.8到3.2m，该电导线途径最好结合或被结合于冷却液导管，可以传送冷却液，流入和流出线圈。

12.根据权利要求10或11的线圈，其中所说的发生器可以产生的频率低于1MHz，优选好的为低于500MHz，再好的为100到300KHz。

13.电磁感应加热的一个方法，其中根据任何一个前述的权利要求的线圈被高频发生器激励，可以被电磁感应加热的物体被放到线圈产生的磁场内，因而物体被感应加热。

14.根据权利要求13的方法，其中所说的可感应加热的物体与电导线相关联，最好是布线电气配线的部件，要设置得使导线基本上平行于线圈轴线方向伸长，故而对导线的感应加热最小。

15.根据权利要求13或14的方法，其中可感应加热的物体包括一个受热可收缩的管状套管，它带有或装入可感应加热的磁性颗粒，要放置得使套管的管轴基本平行于线圈轴线，故而对套管的感应加热最大，引起套管收缩。

16.根据权利要求14的方法，其中所说的可感应加热的物体包括由受热可收缩的套管围绕的布线电气配线，最好是可感应加热且受热可收缩的套管，套管还封入热活化密封胶材料的分离基质，最好是可感应加热的受热活化的密封胶材料，当套管和/或密封胶材料和/或电气配线导线被线圈内的磁场感应加热时，该密封胶材料熔化和流动从而堵塞在电气配线的所说部分内的空隙。

17.侧面开口的电磁感应线圈，被加上的磁道集中器相对于线圈是可移动的(最好是轴向)，该磁通集中器可以被移动地定位在线圈的开口中，使线圈工作时磁道环路基本闭合。

18.根据权利要求17的线圈，其中磁道集中器被偏置得朝向在线圈嘴部中的闭合环路的位置。

19.根据权利要求17和18的线圈，其中提供导线固定器，使用中压在通过线圈的延长的部件上，致使延长部件与磁道集中器隔开，同时将延长部件推入线圈。

20.根据权利要求17到19中任一个的线圈，它也如权利要求1或12中所要求的任一个。

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