DE102012021024A1 - Device for inductive heating of workpiece e.g. metal sheets, has conductor with second material whose electrical conductivity is higher than that of first material coated on surface of conductor - Google Patents

Device for inductive heating of workpiece e.g. metal sheets, has conductor with second material whose electrical conductivity is higher than that of first material coated on surface of conductor Download PDF

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Abstract

The device has inductor that is formed by winding extending along conductor (1). The first material (7) such as copper is provided on surface (3) of conductor, and second material (9) such as gold or silver with high electrical conductivity is provided on the side of conductor facing a to-be-heated workpiece (5). The first and second materials are different from each other, and the electrical conductivity of second material is higher than the electrical conductivity of the first material.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur induktiven Erwärmung von Werkstücken, insbesondere von Blechen, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for inductive heating of workpieces, in particular sheets, according to the preamble of claim 1.

Vorrichtungen der hier angesprochenen Art sind bekannt. Sie dienen der induktiven Erwärmung von Werkstücken, insbesondere von Blechen, Blechhalbzeugen oder Blechbauteilen zum Zwecke einer anschließenden, verbesserten Umformbarkeit derselben. Eine solche Vorrichtung weist einen Induktor auf, der eine Induktionsspule umfasst. Diese ist durch einen Leiter gebildet, der sich entlang von mindestens einer Windung erstreckt. Der Leiter, mithin die Induktionsspule wird zur induktiven Erwärmung eines Werkstücks mit einem Wechselstrom beaufschlagt, wodurch ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt wird, das seinerseits in dem zu erwärmenden Werkstück Wirbelströme erzeugt. Das Werkstück wird letztlich in einem zu erwärmenden Bereich durch Wirbelstromverluste schnell, effizient und schonend erwärmt. Es zeigt sich jedoch, dass bei bekannten Induktoren an Oberflächen des Leiters Wirbelströme auftreten, welche das entstehende Magnetfeld schwächen beziehungsweise zu Verlusten, insbesondere zu in dem Leiter selbst freiwerdender Verlustleistung führen. Die Leiter bekannter Induktoren sind beispielsweise aus Kupfer, insbesondere Kupferdraht gebildet und weisen dementsprechend auch an ihren Oberflächen Kupfer auf.Devices of the type discussed here are known. They are used for inductive heating of workpieces, in particular sheets, sheet metal semi-finished products or sheet metal components for the purpose of subsequent improved formability thereof. Such a device has an inductor comprising an induction coil. This is formed by a conductor which extends along at least one turn. The conductor, and thus the induction coil is subjected to an inductive heating of a workpiece with an alternating current, whereby an alternating electromagnetic field is generated, which in turn generates eddy currents in the workpiece to be heated. The workpiece is ultimately heated quickly, efficiently and gently in a region to be heated by eddy current losses. It turns out, however, that in known inductors on surfaces of the conductor eddy currents occur which weaken the resulting magnetic field or lead to losses, in particular to be released in the conductor itself power loss. The conductors of known inductors are formed, for example, from copper, in particular copper wire, and accordingly also have copper on their surfaces.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, welche Wirbelstromverluste an Leiteroberflächen minimiert, vorzugsweise verhindert und so die Effizienz beziehungsweise den Wirkungsgrad des Induktors steigert.The invention has for its object to provide a device which minimizes eddy current losses on conductor surfaces, preferably prevents and thus increases the efficiency or the efficiency of the inductor.

Die Aufgabe wird gelöst, indem eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass der Leiter in seinem Volumen ein erstes Material umfasst, wobei er zumindest an einer einem zu erwärmenden Werkstück zugewandten Oberfläche ein zweites Material mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit aufweist, wobei das erste und das zweite Material voneinander verschieden sind, und wobei die elektrische Leitfähigkeit des zweiten Materials vorzugsweise höher ist als die elektrische Leitfähigkeit des ersten Materials. Ist der Leiter demnach beispielsweise im Wesentlichen aus Kupfer, insbesondere Kupferdraht oder als Kupferrohr gebildet, weist er zumindest an seiner dem zu erwärmenden Werkstück zugewandten Oberfläche bevorzugt ein zweites Material auf, dessen elektrische Leitfähigkeit höher ist als die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer. Durch die im Bereich der Oberfläche erhöhte elektrische Leitfähigkeit wird eine Wirbelstrombildung an der Oberfläche reduziert oder sogar vollständig unterbunden. Im Vergleich zu üblichen Kabeln weist der Leiter einen geringeren elektrischen Widerstand auf. Durch die erhöhte elektrische Leitfähigkeit und den geringeren elektrischen Widerstand sinken Verluste in der Intensität des durch den Leiter erzeugten Magnetfelds beziehungsweise es wird weniger Verlustleistung in dem Leiter selbst frei. Dadurch steigen die Effizienz und der Wirkungsgrad des Induktors, wodurch auch die Effizienz der mithilfe des Induktors bewirkten Erwärmung steigt. Damit verkürzen sich Fertigungszeiten, insbesondere Aufheizzeiten der mithilfe des Induktors zu erwärmenden Werkstücke, wodurch letztlich auch Fertigungskosten sinken. Aufgrund des gesteigerten Wirkungsgrads ergeben sich auch positive Effekte auf eine mit der Erwärmung verbundene Umweltbelastung und auf die in Kauf zu nehmenden Energiekosten.The object is achieved by providing a device having the features of claim 1. This is characterized in that the conductor comprises in its volume a first material, wherein it has a second material with a high electrical conductivity at least on a surface to be heated facing a workpiece, wherein the first and the second material are different from each other, and wherein the electrical conductivity of the second material is preferably higher than the electrical conductivity of the first material. If, for example, the conductor is essentially made of copper, in particular copper wire or copper pipe, it preferably has a second material whose electrical conductivity is higher than the electrical conductivity of copper, at least on its surface facing the workpiece to be heated. Due to the increased electrical conductivity in the area of the surface, an eddy current formation on the surface is reduced or even completely prevented. Compared to conventional cables, the conductor has a lower electrical resistance. Due to the increased electrical conductivity and the lower electrical resistance losses decrease in the intensity of the magnetic field generated by the conductor or it is less power dissipation in the conductor itself free. This increases the efficiency and efficiency of the inductor, which also increases the efficiency of the inductor heating. This shortens the production times, in particular the heating times of the workpieces to be heated by means of the inductor, which ultimately also reduces manufacturing costs. Due to the increased efficiency, there are also positive effects on the environmental impact of heating and on the purchase price of energy.

Eine hohe elektrische Leitfähigkeit spricht bevorzugt eine Leitfähigkeit an, die größer ist als 40 × 106 S/m, wobei sie vorzugsweise größer ist als 50 × 106 S/m, besonders bevorzugt größer als 60 × 106 S/m. Jedenfalls weist das an der Oberfläche des Leiters vorgesehene, zweite Material bevorzugt eine Leitfähigkeit auf, die zumindest nicht kleiner, vorzugsweise aber höher ist als die Leitfähigkeit des ersten Materials, welches der Leiter in seinem Volumen umfasst.A high electrical conductivity preferably addresses a conductivity which is greater than 40 × 10 6 S / m, wherein it is preferably greater than 50 × 10 6 S / m, particularly preferably greater than 60 × 10 6 S / m. In any case, the second material provided on the surface of the conductor preferably has a conductivity which is at least not smaller, but preferably higher, than the conductivity of the first material, which the conductor comprises in its volume.

Vorzugsweise weist der Leiter an mehr als einer Oberfläche, besonders bevorzugt an all seinen Oberflächen ein zweites Material mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit auf. Hierdurch werden im Bereich der entsprechenden Oberflächen, vorzugsweise im Bereich aller Leiteroberflächen Wirbelströme reduziert oder deren Auftreten bevorzugt sogar vollständig unterbunden.The conductor preferably has a second material with a high electrical conductivity on more than one surface, particularly preferably on all its surfaces. As a result, in the region of the corresponding surfaces, preferably in the region of all conductor surfaces, eddy currents are reduced or their occurrence is preferably even completely prevented.

Es wird eine Vorrichtung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass der Leiter mit dem zweiten Material beschichtet ist. Dabei weist er bevorzugt zumindest an der dem zu erwärmenden Werkstück zugewandten Oberfläche, besonders bevorzugt jedoch an mehr als einer Oberfläche und ganz besonders bevorzugt an all seinen Oberflächen eine entsprechende Beschichtung auf.A device is preferred, which is characterized in that the conductor is coated with the second material. In this case, it preferably has a corresponding coating at least on the surface facing the workpiece to be heated, but more preferably on more than one surface and most preferably on all its surfaces.

Es wird auch eine Vorrichtung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass das zweite Material Silber umfasst. Bevorzugt besteht es aus Silber. Ganz besonders bevorzugt ist der Leiter also zumindest an seiner dem zu erwärmenden Werkstück zugewandten Oberfläche mit Silber beschichtet, wobei er besonders bevorzugt allseitig mit Silber beschichtet ist. Dabei zeigt sich, dass Silber eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweist als beispielsweise Kupfer. Insbesondere wenn der Leiter in seinem Volumen ein erstes Material umfasst, welches eine geringere Leitfähigkeit aufweist als Kupfer, beispielsweise Stahl oder Aluminium, ist es auch möglich, dass als zweites Material Kupfer verwendet wird. Bevorzugt wird auch eine Vorrichtung, bei welcher das zweite Material Gold umfasst. Besonders bevorzugt besteht es aus Gold. Ganz besonders bevorzugt ist der Leiter zumindest an seiner dem zu erwärmenden Werkstück zugewandten Oberfläche mit Gold beschichtet, wobei er besonders bevorzugt allseitig mit Gold beschichtet ist.A device is also preferred which is characterized in that the second material comprises silver. It is preferably made of silver. Most preferably, therefore, the conductor is coated with silver at least on its surface facing the workpiece to be heated, and it is particularly preferably coated on all sides with silver. This shows that silver has a higher electrical conductivity than, for example, copper. In particular, if the conductor comprises in its volume a first material which has a lower conductivity than copper, for example steel or aluminum, it is also possible for copper to be used as the second material. Also preferred is a device in which the second material comprises gold. It is particularly preferably made of gold. Most preferably, the conductor is coated with gold at least on its surface facing the workpiece to be heated, and it is particularly preferably coated on all sides with gold.

Schließlich wird eine Vorrichtung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Oberfläche des Leiters, welche das zweite Material aufweist, poliert ist. Es zeigt sich nämlich, dass eine Wirbelstrombildung insbesondere in rauen, unebenen Oberflächenbereichen auftritt. Die Wirbelstrombildung kann daher weiter reduziert oder sogar bevorzugt ganz unterbunden werden, indem die mindestens eine Oberfläche des Leiters, die das zweite Material aufweist, poliert ist. Bevorzugt sind alle Oberflächen, welche das zweite Material aufweisen, ganz besonders bevorzugt also insgesamt alle Oberflächen des Leiters, poliert. Damit können eine Wirbelstrombildung im Bereich des Leiters minimiert und dessen Effizienz und Wirkungsgrad optimiert werden.Finally, a device is preferred which is characterized in that the surface of the conductor comprising the second material is polished. In fact, it turns out that eddy current formation occurs especially in rough, uneven surface areas. Eddy current formation can therefore be further reduced or even preferably completely inhibited by polishing the at least one surface of the conductor comprising the second material. Preferably, all surfaces which have the second material, very particularly preferably all surfaces of the conductor, polished. This allows eddy current formation in the area of the conductor to be minimized and its efficiency and efficiency to be optimized.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to the drawing. Showing:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Leiters in schematischer Querschnittsansicht, und 1 a first embodiment of a conductor in a schematic cross-sectional view, and

2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Leiters in schematischer Querschnittsansicht. 2 A second embodiment of a conductor in a schematic cross-sectional view.

1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Leiters 1, der sich entlang nicht dargestellter Windungen erstreckt, um eine ebenfalls nicht dargestellte Induktionsspule zu bilden. Der Leiter 1 weist eine Oberfläche 3 auf, die einem zu erwärmenden Werkstück 5 zugewandt ist. In seinem Volumen weist der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel massiv ausgebildete Leiter 1 ein erstes Material 7 auf. Es ist auch möglich, dass der Leiter 1 als Hohlleiter, beispielsweise aus einem Rohr gebildet ist. In diesem Fall umfasst er das erste Material 7 in einem Volumen eines Wandungsmaterials, welches den von dem Leiter 1 umschlossenen Hohlraum umgibt. 1 shows a schematic cross-sectional view of a conductor 1 which extends along unillustrated turns to form an induction coil, also not shown. The leader 1 has a surface 3 on, which is a workpiece to be heated 5 is facing. In its volume, the solid in the illustrated embodiment ladder 1 a first material 7 on. It is also possible that the conductor 1 is formed as a waveguide, for example from a tube. In this case, it includes the first material 7 in a volume of wall material which is that of the conductor 1 enclosed cavity surrounds.

An der Oberfläche 3 ist der Leiter 1 mit einem zweiten Material 9 beschichtet, welches eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, die vorzugsweise höher ist als die des ersten Materials 7, aus welchem der Leiter im Übrigen besteht. Das erste Material 7 unterscheidet sich von dem zweiten Material 9. Beispielsweise ist es möglich, dass das erste Material 7 Kupfer ist, wobei das zweite Material 9 Silber ist. Es ist auch möglich, dass das erste Material 7 Aluminium oder Stahl ist, wobei das zweite Material 9 Gold oder Kupfer ist. Gold hat gegenüber Kupfer den Vorteil einer hohen Korrosionsbeständigkeit.On the surface 3 is the leader 1 with a second material 9 coated, which has a high electrical conductivity, which is preferably higher than that of the first material 7 of which the leader otherwise consists. The first material 7 is different from the second material 9 , For example, it is possible that the first material 7 Copper is the second material 9 Silver is. It is also possible that the first material 7 Aluminum or steel is, being the second material 9 Gold or copper is. Gold has the advantage over copper of high corrosion resistance.

Im Bereich der Oberfläche 3 werden durch die Beschichtung Wirbelströme minimiert beziehungsweise vermieden, wodurch die Effizienz eines den Leiter 1 umfassenden Induktors steigt.In the area of the surface 3 Eddy currents are minimized or avoided by the coating, which increases the efficiency of the conductor 1 comprehensive inductor increases.

2 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Leiters 1. Gleiche und funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Der Leiter 1 ist hier allseitig, also nicht nur im Bereich der Oberfläche 3, sondern im Bereich all seiner Oberflächen mit dem zweiten Material 9 beschichtet. Hierdurch wird an allen Oberflächen des Leiters 1, nicht nur an der dem Werkstück 5 zugewandten Oberfläche 3 eine Wirbelstrombildung reduziert, bevorzugt ganz vermieden. Dadurch wird die Effizienz des Leiters 1 und damit auch der Induktionsspule, des Induktors und der Vorrichtung zur induktiven Erwärmung weiter gesteigert. 2 shows a schematic cross-sectional view of a second embodiment of a conductor 1 , The same and functionally identical parts are provided with the same reference numerals, so that reference is made to the preceding description. The leader 1 is here on all sides, not just in the area of the surface 3 but in the area of all its surfaces with the second material 9 coated. This will work on all surfaces of the conductor 1 , not only on the workpiece 5 facing surface 3 reduced eddy current formation, preferably completely avoided. This will increase the efficiency of the conductor 1 and thus also the induction coil, the inductor and the device for inductive heating further increased.

Insgesamt zeigt sich, dass die hier vorgeschlagene Vorrichtung eine besonders effiziente Erwärmung des Werkstücks 5 und damit kürzere Fertigungszeiten ermöglicht. Durch die Wirkungsgradsteigerung ist es auch möglich, Energie einzusparen, was eine durch die Vorrichtung verursachte Umweltbelastung sowie mit der Erwärmung verbundene Energiekosten senkt.Overall, it turns out that the device proposed here a particularly efficient heating of the workpiece 5 and thus shorter production times possible. By increasing the efficiency, it is also possible to save energy, which reduces an environmental impact caused by the device as well as associated with the heating energy costs.

Claims (4)

Vorrichtung zur induktiven Erwärmung von Werkstücken (5), insbesondere Blechen, mit einem eine Induktionsspule aufweisenden Induktor, wobei die Induktionsspule durch einen sich entlang von mindestens einer Windung erstreckenden Leiter (1) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (1) in seinem Volumen ein erstes Material (7) umfasst, und dass der Leiter (1) zumindest an einer einem zu erwärmenden Werkstück (5) zugewandten Oberfläche (3) ein zweites Material (9) mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit aufweist, wobei das erste Material (7) und das zweite Material (9) voneinander verschieden sind, und wobei die Leitfähigkeit des zweiten Materials (9) vorzugsweise höher ist als die elektrische Leitfähigkeit des ersten Materials (7).Device for inductive heating of workpieces ( 5 ), in particular sheet metal, with an induction coil having an inductor, wherein the induction coil by a along at least one turn extending conductor ( 1 ), characterized in that the conductor ( 1 ) in its volume a first material ( 7 ) and that the leader ( 1 ) at least on a workpiece to be heated ( 5 ) facing surface ( 3 ) a second material ( 9 ) having a high electrical conductivity, wherein the first material ( 7 ) and the second material ( 9 ) are different from each other, and wherein the conductivity of the second material ( 9 ) is preferably higher than the electrical conductivity of the first material ( 7 ). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (1) mit dem zweiten Material (9) beschichtet ist.Device according to claim 1, characterized in that the conductor ( 1 ) with the second material ( 9 ) is coated. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material (9) Gold oder Silber umfasst, vorzugsweise aus Gold oder Silber besteht.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the second material ( 9 ) Comprises gold or silver, preferably consists of gold or silver. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (3) des Leiters (1), welche das zweite Material (9) hoher elektrischer Leitfähigkeit aufweist, poliert ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the surface ( 3 ) of the leader ( 1 ), which is the second Material ( 9 ) has high electrical conductivity, is polished.
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