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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Induktionsheizmodul mit einem Induktor zum Induzieren eines Wirbelstromes in einem zu heizenden Werkstück und einem elektrischen Schwingkreis zum Versorgen des Induktors mit einer Wechselspannung. Derartige Induktionsheizmodule sind vor allem zum Einsatz in Induktionsheizvorrichtungen als Teil von Induktionshärteanlagen vorgesehen.
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In Induktionshärteanlagen nach dem Stand der Technik wird der genannte Schwingkreis von einem Umrichter mit einer Wechselspannung im Bereich von mehreren kHz angeregt; die einzelnen induktiven bzw. kapazitiven Komponenten des Schwingkreises sind dabei erheblich von einander beabstandet, was einerseits hinsichtlich des beanspruchten Bauraumes und andererseits im Hinblick auf Leitungsverluste mit Nachteilen verbunden ist.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Induktionsheizmodul zu schaffen, das sich durch eine verbesserte Energieeffizienz sowie durch eine erhöhte Kompaktheit und Flexibilität auszeichnet. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung, eine Induktionshärteanlage mit verbesserten Eigenschaften zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch das Induktionsheizmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch die Induktionshärteanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Das erfindungsgemäße Induktionsheizmodul weist einen Induktor zum Induzieren eines Wirbelstromes in einem zu heizenden Werkstück und einem elektrischen Schwingkreis zum Versorgen des Induktors mit einer Wechselspannung auf. Dabei enthält der Schwingkreis eine Kondensatoranordnung und einen Transformator mit einer mit der Kondensatoranordnung verbundenen Primärspule und einer mit dem Induktor verbundenen Sekundärspule, wobei die Kondensatoranordnung und der Transformator innerhalb einer gemeinsamen baulichen Einheit angeordnet sind. Die aus Transformator und Kondensatoranordnung bestehende Baugruppe wird dadurch äußerst kompakt und lässt sich einerseits z. B. in einem gemeinsamen Gehäuse oder einem gemeinsamen Trägerrahmen aufnehmen, andererseits bedingt diese Anordnung, dass Schwingströme nahezu ohne Verluste auf kürzester Distanz fließen können. Hierdurch wird wiederum die Energieeffizienz des Induktionsheizmoduls erhöht, was sich zum Beispiel durch reduzierte Heizzeiten und damit reduzierten Prozesszeiten aufgrund der verringerten Energieverluste bemerkbar macht; daneben wird die Leistungsaufnahme des Induktionsheizmoduls verringert, wodurch sich ein verringerter Energiebedarf der Vorrichtung und damit reduzierte Unterhaltskosten ergeben.
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Die oben beschriebene kompakte und modulare Ausführung des Induktionsheizmoduls bringt darüber hinaus weitere wesentliche Vorteile mit sich. So kann als Folge des kleiner dimensionierten Transformators bzw. der Kondensatoranordnung bei dem Induktionsheizmodul der vorliegenden Erfindung auf äußere Stromschienen oder Strombänder, wie sie in bekannten Induktionsheizvorrichtungen notwendig sind, verzichtet werden. Ferner vereinfacht sich die Kühlung der Kondensatoranordnung, so dass eine etwaige Kühleinrichtung für das erfindungsgemäße Induktionsheizmodul vereinfacht ausgeführt sein kann. Insgesamt ist damit das Gewicht des Induktionsheizmoduls der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu bekannten Induktionsheizvorrichtungen erheblich verkleinert und der Zusammenbau und Einbau des Induktionsheizmoduls vereinfachen sich ebenfalls. Aufgrund der kleineren Dimensionierung von Transformator und Kondensatoranordnung sowie aufgrund der entfallenen Bauteile reduzieren sich darüber hinaus die Kosten nicht nur für das Induktionsheizmodul der vorliegenden Erfindung, sondern auch für mit dem Induktionsheizmodul verbundene Bauteile. Beispielsweise kann ein mit dem erfindungsgemäßen Induktionsheizmodul verbundener Umrichter als Folge der einfachen und kompakten Ausführung des Induktionsheizmoduls ebenfalls einen einfachen und kompakten Aufbau aufweisen, wodurch sich auch dessen Gewicht und dessen Kosten erniedrigen.
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Für die Verwendung in Induktionshärteanlagen hat die oben ausgeführte erfindungsgemäße Kompaktheit der Anordnung den besonderen Vorteil, dass dadurch, dass der Schwingkreis gut handelbar ist, der Abstand zwischen Schwingkreis und Induktor gering gehalten werden kann. Gerade bei einer Anwendung bspw. zum Härten von Kurbelwellen für Fahrzeugmotoren liegen die zu härtenden Abschnitte des Werkstückes – insbesondere Lagerstellen einer Kurbelwelle – vergleichsweise nahe beieinander. Auch für diesen Fall gestattet die Erfindung den parallelen, gleichzeitigen Betrieb mehrerer benachbart angeordneter Schwingkreise nahe bei dem Werkstück, so dass sich die Taktzeiten erheblich reduzieren lassen. Ferner werden aufgrund der damit verbundenen Kürze der Zuleitung zwischen Schwingkreis und Induktor die Leitungsverluste weiter vermindert, was im Ergebnis der Wirtschaftlichkeit der gesamten Induktionshärteanlage zugute kommt.
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Die Integration der Komponenten des Schwingkreises in einer gemeinsamen baulichen Einheit kann insbesondere dadurch verbessert bzw. erst ermöglicht werden, dass der Transformator als Scheibentransformator ausgelegt ist. Derartige Transformatoren zeichnen sich durch ihre geringe Bauhöhe aus, wobei es die genannte Bauform als Scheibentransformator dennoch erlaubt, einen Transformator mit einem variablen Übersetzungsverhältnis wie bspw. im Bereich von 4:1 bist 10:1, insbesondere mit einem Übersetzungsverhältnis von 9:1, 8:1 oder 7:1 zur verwenden. Zur weiteren Vereinfachung und Verkleinerung der Abmessungen der Baugruppe ist es daneben auch denkbar, einen Transformator mit einem einzigen festen Übersetzungsverhältnis zu verwenden.
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Geringere Übersetzungsverhältnisse haben dabei den Vorteil, dass sie eine niedrigere Strombelastung des mit der Sekundärspule verbundenen Induktors und damit eine höhere Induktorstandzeit bedingen.
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Die bauliche Integration der Komponenten des Schwingkreises kann dadurch, dass die Kondensatoranordnung eine Kondensatoraufnahmeeinheit aufweist, in welcher mindestens ein Kondensator angeordnet ist, weiter vereinfacht werden. Die genannte Kondensatoraufnahmeeinheit zeigt dabei eine Mehrzahl von Aufnahmen, in die jeweils ein Kondensator eingesetzt werden kann. Diese Variante gestattet es, je nach Anforderung auf einfache Weise Kondensatoren in den Schwingkreis einzusetzen oder aus diesem zu entfernen, sodass die elektrischen Eigenschaften des Schwingkreises je nach Anforderung mit geringem Aufwand abgestimmt werden können. Dabei kann bspw. die Resonanzfrequenz des Schwingkreises an die Nennfrequenz des in der Anlage verwendeten Umrichters angepasst werden.
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In einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist die Kondensatoraufnahmeeinheit als eine Anordnung aus zwei im Wesentlichen parallelen Metallplatten, zwischen denen quaderförmige Kondensatoren fixiert, insbesondere eingeschraubt sind, ausgebildet. Die Abmessungen der einzelnen Kondensatoren können dabei ca. (L × B × H) 70 × 30 × 30 mm betragen. Im Extremfall ist lediglich ein einziger Kondensator in der Kondensatoraufnahmeeinheit vorhanden. Die vergleichsweise große Auflagefläche der Kondensatoren an den Metallplatten erlaubt dabei einen guten Wärmeübergang und ermöglicht somit eine effiziente Kühlung der Kondensatoranordnung. Als vorteilhafte Bauform der Kondensatoren kommen insbesondere Feststoffkondensatoren, also Kondensatoren mit nichtflüssigem, insbesondere festem Dielektrikum in Frage, die sich durch hohe Sicherheit, geringe Störanfälligkeit und lange Lebensdauer auszeichnen.
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Im Ergebnis lässt sich aufgrund der vorgenannten Maßnahmen die genannte, den Schwingkreis enthaltende bauliche Einheit in einem Raumbereich von 750mm × 70mm × 400mm, insbesondere in einem Raumbereich von 580mm × 50mm × 300mm vollständig integrieren.
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Vorzugsweise weist das Induktionsheizmodul ein angeschraubtes, insbesondere koaxial aufgebautes Energiekabel auf, das eine Steckverbindung zur elektrischen Anbindung an einen Umrichter umfasst. Da die Energieübertragung vom Umrichter zum Induktionsheizmodul rein in Form von Wirkleistung erfolgt, werden Übertragungsverluste auf ein Minimum reduziert. Beispielsweise können die Übertragungsverluste auf 1 V/m oder weniger gesenkt werden. Bei einer Ausgangsspannung von 600 V bedeutet dies nahezu keine Verluste an der Energieleistung des Umrichters. Da die Energieverluste verschwindend gering sind, ist die Länge des Energiekabels frei wählbar. Aufgrund der insbesondere lösbaren Ausführung der Verbindungen als Schraub- oder auch Steckverbindung kann die Energieversorgung des Induktionsheizmoduls leicht geändert werden, ohne dass größere Umbauten anfallen.
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Eine bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Induktionsheizmoduls umfasst Schnellanschlusskupplungen zur Versorgung des Induktors und des Induktionsheizmoduls mit einem Kühlmedium, insbesondere einem Kühlfluid oder einem flüssigen Kühlmedium. Herkömmliche Induktionsheizvorrichtungen weisen dagegen mehrere Kühlanschlüsse auf, da bei ihnen der aufgrund des schlechten Wirkungsgrades mehr Verlustsleistung weggekühlt werden muss. Bei dem Kühlmedium kann es sich um gewöhnliches Kühlwasser handeln.
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Vorteilhafterweise ist das Induktionsheizmodul für Frequenzen zwischen 0–50 kHz, insbesondere von 10–30 kHz und besonders bevorzugt für 25 kHz ausgelegt. Zum Einen sind die Energieeffizienz und die Betriebssicherheit in diesem Frequenzbereich am besten optimierbar, und zum Anderen sind im Betrieb des Induktionsheizmoduls erzeugte Geräusche nicht mehr hörbar.
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Bei dem elektrischen Schwingkreis kann es sich – neben anderen Bauformen – insbesondere um einen Parallelschwingkreis handeln.
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Grundsätzlich kann das Induktionsheizmodul als Komponente einer Induktionshärteanlage vorgesehen werden. Dementsprechend umfasst das Induktionsheizmodul vorteilhaft einen Anschluss zum Anschließen des Induktionsheizmoduls an eine Induktionshärteanlage als deren Komponente, wobei das Induktionsheizmodul nach dem Anschließen sofort betriebsbereit ist. Derartige Anschlüsse, bei denen ein Gerät nach dem Anschließen sofort betriebsbereit ist, werden gemeinhin als Plug&Plag-Anschluss bezeichnet. Im einfachsten Fall ist dieser Anschluss mit der Steckverbindung des Energiekabels identisch. Für gewöhnlich wird das Induktionsheizmodul mit einem Umrichter der Induktionshärteanlage verbunden. Andererseits ist es möglich, das Induktionsheizmodul als erweiternde Komponente in eine bereits bestehende Induktionshärteanlage zu implementieren, die bereits über wenigstens einen Induktor und einen diesen mit Wechselstrom versorgenden Schwingkreis verfügt. Somit zeichnet sich das erfindungsgemäße Induktionsheizmodul durch eine große Vielseitigkeit und Flexibilität in den Einsatzmöglichkeiten aus.
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Vorzugsweise ist eine Induktionshärteanlage mit einem Induktionsheizmodul gemäß der vorliegenden Erfindung zum Härten von Kurbelwellen, und insbesondere zum Härten von Kurbelwellen für Vierzylindermotoren vorgesehen.
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Ein Induktionsheizmodul gemäß der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Induktionsheizmodul,
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2 eine Kondensatoranordnung des Induktions heizmoduls der 1,
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3 einen Transformator des Induktionsheizmoduls der 1; und
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4 den elektrischen Schaltplan der erfindungsgemäßen Vorrichtung:
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In der 1 ist ein Induktionsheizmodul 1 gemäß der vorliegenden Erfindung mit geöffnetem Gehäuse 2 zu sehen, wodurch dessen Inneres einsichtig ist. Das Gehäuse 2 selbst ist rechteckig ausgeformt. An einer Schmalseite des Gehäuses 2 steht ein Induktor 3 vom Gehäuse 2 ab. Innerhalb des Gehäuses 2 sind eine Kondensatoranordnung 4 und ein als Scheibentransformator ausgebildeter Transformator 5 angeordnet, die in den 2 und 3 jeweils vergrößert abgebildet sind. Eine Primärspule des Transformators 5 ist mit der Kondensatoranordnung 4 verbunden, während eine Sekundärspule des Transformators 5 mit dem Induktor 3 verbunden ist. Kondensatoranordnung 4 und Transformator 5 bilden einen elektrischen Parallelschwingkreis. An einer dem Induktor 3 abgewandten Schmalseite des Gehäuses 2 sind vier Schnellanschlusskupplungen 6, 7, 8, 9 zur Kühlwasserversorgung des Induktors 3 und des Induktionsheizmoduls 1 vorgesehen. Von diesen Schnellanschlusskupplungen 6, 7, 8; 9 ist die Schnellanschlusskupplung 6 zum Anschließen einer Kühlwasserzufuhrleitung zum Zuführen von Kühlwasser zum Induktionsheizmodul 1 vorgesehen, die Schnellanschlusskupplung 7 ist zum Anschließen einer Kühlwasserabführleitung zum Abführen von Kühlwasser vom Induktionsheizmodul 1 vorgesehen, die Schnellanschlusskupplung 8 ist zum Anschließen einer Kühlwasserzufuhrleitung zum Zuführen von Kühlwasser zum Induktor 3 vorgesehen, und die Schnellanschlusskupplung 9 ist zum Anschließen einer Kühlwasserabführleitung vom Induktor 3 vorgesehen. In den 1 und 2 sind diese Kühlwasserleitungen an den Schnellanschlusskupplungen 6, 7, 8, 9 bereits angeschlossen. Innerhalb des Gehäuses 2 vorgesehene Leitungen 10 sorgen für einen Zu- und Abfluss von Kühl-Wasser zum bzw. vom Induktor 3 und zum bzw. vom Induktionsheizmodul 1. Schließlich ist ein koaxiales Stromkabel 11 an derselben Schmalseite des Gehäuses 2 vorgesehen und mit diesem verschraubt, an dem sich auch die Schnellanschlusskupplungen 6, 7, 8, 9 befinden. Mittels des Stromkabels 11 kann der aus Kondensatoranordnung 4 und Transformator 5 bestehende Parallelschwingkreis mit Strom versorgt werden, der von einer in der Figur nicht zu sehenden Stromquelle herrührt, mit der das Induktionsheizmodul 1 über das Stromkabel 11 verbindbar ist.
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Um das gezeigte Induktionsheizmodul 1 betriebsbereit zu machen, wird das Stromkabel 11 an eine Stromquelle angeschlossen, bei der es sich für gewöhnlich um einen Umrichter handelt. Sofern die Kühlwasserleitungen nicht wie in der 1 und 2 gezeigt bereits an den entsprechenden Schnellanschlusskupplungen 6, 7, 8, 9 angeschlossen sind, werden die jeweiligen Anschlüsse vorgenommen. Im Betriebszustand des Induktionsheizmoduls 1 ist das Gehäuse 2 geschlossen und nicht wie in den 1, 2 und 3 geöffnet.
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In dem Parallelschwingkreis erfolgt in bekannter Weise eine elektrische Schwingung, die aufgrund der Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme im Werkstück über den Induktor 3 und aufgrund von ohmschen Verlusten ohne externe Anregung zum Erliegen kommen würde. Die notwendige Anregung zur Aufrechterhaltung der Schwingung erfolgt über das Stromkabel 11. Der Transformator 5 wandelt eine an seiner Primärspule anliegende Wechselspannung um, und der Induktor 3 wird mit der an der Sekundärspule des Transformators 5 anliegenden umgewandelten Wechselspannung versorgt. Um den Induktor 3 wird dadurch auf bekannte Weise ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Ein zu heizendes Werkstück kann nun innerhalb der Schlaufe des Induktors 3 positioniert werden. Infolge des magnetischen Wechselfeldes um den Induktor 3 lassen sich in einem derart innerhalb der Schlaufe des Induktors 3 positionierten Werkstück Wirbelströme erzeugen und das Werkstück dadurch aufheizen.
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Das gezeigte Induktionsheizmodul 1 ist insbesondere für den Einsatz in einer Induktionshärteanlage vorgesehen, die über eine Abschreckvorrichtung zum Abschrecken induktiv geheizter Werkstücke verfügt. Aufgrund der spezifischen Form des Induktors 3 ist es mit dem Induktionsheizmodul 1 möglich, vor allem Kurbelwellen abschnittsweise induktiv zu heizen. Durch Abschrecken der induktiv geheizten Teile können Kurbelwellen hergestellt werden, die Teilabschnitte mit genau festgelegten Härtegraden aufweisen.
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Zur weiteren Verdeutlichung ist in 4 der zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung gehörige elektrische Schaltplan dargestellt; dabei korrespondieren die in 4 verwendeten Bezugsziffern den in den vorangegangenen Figuren. Zusätzlich gegenüber den vorangegangenen ist in 4 schematisch eine Steckverbindung 12 mit einem in 4 nicht dargestellten Umrichter, der bspw. eine Nennfrequenz von ca. 20 kHz sowie eine Betriebsspannung von 600V eufweisen kann, gezeigt. Ferner ist in 4 ein Abgriff 13 für die Induktorspannung gezeigt.
