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Die Erfindung betrifft eine Spulenanordnung zum induktiven Erwärmen eines metallischen Bauteils nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Es ist bekannt, Bauteile mittels elektrischen Stromes induktiv zu erwärmen. Herzu werden Spulen aus Kupferdraht im Nahbereich des zu erwärmenden Bauteils angeordnet und entsprechend bestromt. Durch die Bestromung der Spulen mit niederfrequentem Wechselstrom entsteht ein magnetisches Wechselfeld, welches im zu erwärmenden Bauteil Wirbelströme induziert und in ferromagnetischen Stoffen auch eine zusätzliche Erwärmung durch Ummagnetisierungsverluste bewirkt.
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Durch das induktive Erwärmen können Bauteile besonders schnell und schonend auf eine vorgegebene Temperatur gebracht werden. Eine Anwendung hierfür ist das Wärmebehandeln von Blechbauteilen, wie es oftmals im Zuge des mehrstufigen Umformens durchgeführt wird. Ein derartiges Umformverfahren ist beispielsweise aus der
DE 2008 032 911 A1 bekannt. Um eine möglichst hohe Ziehtiefe zu erzielen, wird hierbei ein Blechbauteil zunächst einem ersten Ziehschritt unterzogen, dann einer Wärmebehandlung zugeführt, mittels welcher Spannungen aufgrund des Ziehens abgebaut werden. Nach der Wärmebehandlung wird das Bauteil wieder abgekühlt und in einem weiteren Ziehschritt weiter umgeformt.
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Um eine möglichst wirkungsvolle Wärmebehandlung zu erzielen, ist eine möglichst gleichmäßige Erwärmung des Bauteils notwendig. Dies kann mit gängigen Induktionsvorrichtungen nicht immer sichergestellt werden, da gerade bei großflächigen Bauteilen die notwendige Feldhomogenität über das gesamte Bauteil nur schwer sicherzustellen ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Spulenanordnung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bereitzustellen, mittels welcher eine besonders homogene Aufheizung eines Bauteils ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Spulenanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Eine solche Spulenanordnung zum induktiven Erwärmen eines metallischen Bauteils umfasst zumindest eine Spule aus einem Draht, insbesondere einem Kupferdraht, welche in einer definierten Relativlage zu dem zu erwärmenden Bauteil anzuordnen ist. Erfindungsgemäß werden die dem Bauteil zugewandten Bereiche jeweils benachbarter Windungen der Spulen während des Erwärmens in gleicher Richtung von elektrischem Strom durchflossen. Dies trägt zur Feldhomogenität bei, da die erzeugten magnetischen Feldlinien benachbarter Windungen gemäß der Lenz'schen Regel in diesem Fall gleichsinnig verlaufen. Eine derartige Spulenanordnung eignet sich daher besonders gut zum induktiven Erwärmen von Blechbauteilen während eines Umformprozesses der eingangs geschilderten Art.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Abstand zwischen zwei benachbarten Windungen der Spulen höchstens so groß ist, wie der Radius des Drahtes. Es hat sich herausgestellt, dass bei derartiger Gestaltung der Spulen ein besonders homogenes elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt werden kann, mittels welchem auch großflächige Bauteile sowie Bauteile mit komplexer Geometrie sehr gleichmäßig erwärmt werden können.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Spulen eine spiralförmige Wicklung auf. Auch hierdurch kann die Feldhomogenität weiter verbessert werden, so dass mittels einer derartigen Spulenanordnung eine möglichst homogene Erwärmung des zu erwärmenden Bauteils erzielt werden kann.
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Im Folgenden wird die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung des Feldlinienverlaufs und des Heizergebnisses bei der Verwendung der Spulenanordnung nach dem Stand der Technik;
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2 eine schematische Darstellung des Feldlinienverlaufs und des resultierenden Heizergebnisses bei der Verwendung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung;
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3 den Windungsverlauf einer Spule nach dem Stand der Technik; und
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4 ein Ausführungsbeispiel des Windungsverlaufs einer Spule eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung.
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Zum induktiven Erwärmen eines Bauteils 10 werden mit niederfrequentem Wechselstrom bestromte Spulen 12 verwendet. Bei der Verwendung einer mäanderförmig gewickelten zweidimensionalen Spule nach dem Stand der Technik, wie sie in 3 dargestellt ist, ergibt sich der Feldlinienverlauf, der in 1 veranschaulicht ist. Aufgrund der mäanderförmigen Gestaltung der Spule 12 besitzen jeweils benachbarte Windungen 14 jeweils entgegengesetzte Stromflussrichtungen, wie durch das Kreuz und den Punkt in den beiden Windungen 14 der Spule 12 gemäß 1 veranschaulicht wird. Der Stromfluss der linken Windung 14 zeigt senkrecht in die Zeichenebene hinein, während der Stromfluss der rechten Windung 14 senkrecht aus der Zeichenebene hinauszeigt. Der Verlauf der magnetischen Feldlinien 16 um die Windungen 14 herum ist daher gegensinnig. Die Feldlinien verstärken sich daher im Bereich 18 zwischen den Windungen 14, in dem dies jedoch nicht erwünscht ist, da hier das Bauteil 10 nicht beeinflusst wird. Im dem Bauteil zugewandten Bereich 20 der Windungen 14 verlaufen die magnetischen Feldlinien dagegen zu benachbarten Windungen gegensinnig, so dass es zu einer Abschwächung kommt. Daher kann über das Bauteil 10 hinweg mit der Mäanderspule 12 kein homogener Feldverlauf erzeugt werden und damit keine homogene induktive Erwärmung bewerkstelligt werden.
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Dies kann durch die Verwendung einer spiralförmig gewundenen Spule 22 gemäß 4 behoben werden. Für jeweils benachbarte Windungen der Spule 22 ergibt sich dabei der in 2 veranschaulichte Feldlinienverlauf. In jeweils benachbarten Windungen (abgesehen von den innersten beiden Windungen der Spule 22) liegt hier ein gleichsinniger Stromfluss vor. Gemäß der Lenz'schen Regel ergibt sich damit auch ein gleichsinniger Verlauf der Feldlinien 16 um die Windungen 14 herum. Dies führt nun dazu, dass im Bereich 18 zwischen den Windungen 14 die Feldlinien gegensinnig verlaufen, so dass sie sich gegenseitig abschwächen. Im dem Bauteil zugewandten Bereich 20 laufen die von den beiden Windungen 14 erzeugten Feldlinien 16 dagegen gleichsinnig und verstärken sich daher. Mit einer derartigen Spulenanordnung kann somit eine besonders homogene Erwärmung des Bauteils 10 sichergestellt werden. Hierzu ist es ferner zweckmäßig, wenn der Abstand d zwischen den Windungen 14 höchstens so groß ist wie der Radius D/2 der für die Windungen 14 verwendeten Drähte. Hierdurch kann eine optimale Überlappung der Feldlinien gewährleistet werden, so dass der gewünschte Verstärkungseffekt im Bereich 20 zustande kommt.
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Die mit den entsprechenden Abständen d, D gewickelte Spule 22 nach 4 eignet sich somit insbesondere zum induktiven Erwärmen von großflächigen und komplex geformten Bauteilen, die besonders schonend und gleichmäßig erwärmt werden sollen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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