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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum induktiven Erwärmen von Werkstücken gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Vorrichtungen der hier angesprochenen Art sind bekannt. Sie dienen der induktiven Erwärmung von Werkstücken, insbesondere von Blechen, besonders von Blechhalbzeugen oder Blechbauteilen, um deren Umformbarkeit im Anschluss an die Erwärmung zu verbessern. Eine solche Vorrichtung weist einen Induktor auf, der eine Induktionsspule umfasst, wobei diese durch einen sich entlang von mindestens einer Windung erstreckenden Leiter gebildet ist. Die Induktionsspule wird mit einem Wechselstrom beaufschlagt, wodurch ein elektromagnetisches Wechselfeld in der Umgebung der Induktionsspule erzeugt wird. Wird die Induktionsspule in die Nähe eines zu erwärmenden Bereichs eines Werkstücks, insbesondere eines Blechhalbzeugs oder Blechbauteils, gebracht, werden in diesem Wirbelströme induziert, sodass das Werkstück durch Wirbelstromverluste rasch, effizient und schonend erwärmt wird. Dabei wird angestrebt, die Erwärmung des Werkstücks möglichst homogen zu gestalten, sodass in dem erwärmten Bereich eine homogene Umformbarkeit und insbesondere auch ein homogenes Gefüge des Werkstücks resultiert. Es zeigt sich, dass erhebliche Feldinhomogenitäten und insbesondere reduzierte Feldstärken in Bereichen auftreten, in denen der Leiter einen kleinen Krümmungsradius oder eine scharfwinklige Ecke aufweist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die ein homogeneres elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt und somit eine homogenere Erwärmung von Werkstücken mit gleichmäßiger Temperatur in dem zu erwärmenden Bereich ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 geschaffen wird.
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Dadurch, dass ein Krümmungsradius des Leiters entlang der mindestens einen Windung mindestens 10 mm beträgt, werden scharfe Biegungen, insbesondere mehr oder minder scharfwinklige Ecken in dem Windungsverlauf vermieden, an denen sich sonst das elektromagnetische Feld deutlich schlechter entfaltet als in weniger stark gekrümmten Bereichen. Temperaturabfälle über diese Eckbereiche an den zu erwärmenden Werkstücken werden hierdurch wirksam verhindert. Die Feldstärke und damit auch die Erwärmung sind so über den gesamten zu erwärmenden Bereich des Werkstücks homogener, sodass sich letztlich eine vergleichmäßigte Umformbarkeit und damit eine schnellere und prozesssichere Fertigung in Zusammenhang mit einem Werkstück ergibt, das mithilfe der Vorrichtung erwärmt wurde.
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Es wird eine Vorrichtung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass der Krümmungsradius des Leiters entlang gekrümmter Bereiche der mindestens einen Windung höchsten 80 mm beträgt. Dabei hat sich herausgestellt, dass größere Krümmungsradien im Allgemeinen wenig praktikabel sind, und dass sich eine hinreichende Feldhomogenität in einem Bereich eines Krümmungsradius des Leiters von mindestens 10 mm bis – in gekrümmten Bereichen – höchstens 80 mm einstellt.
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Es wird auch eine Vorrichtung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass der Krümmungsradius des Leiters entlang der mindestens einen Windung von mindestens 20 mm bis höchstens 70 mm, vorzugsweise von mindestens 30 mm bis höchstens 60 mm, vorzugsweise von mindestens 40 mm bis höchstens 50 mm und besonders bevorzugt 45 mm beträgt. In den hier angegebenen Bereichen beziehungsweise bei den angegebenen Werten von Krümmungsradien wird jedenfalls eine hinreichende bis hin zu stark verbesserter Feldhomogenität und damit auch eine entsprechende homogene Erwärmung eines mithilfe der Vorrichtung zu erwärmenden Werkstücks ermöglicht. Die hier angegebenen Höchstwerte werden bevorzugt zumindest bereichsweise entlang der mindestens einen Windung eingehalten. Dabei bezieht sich die Angabe „zumindest bereichsweise” auf gekrümmte Bereiche der mindestens einen Windung. Umfasst diese auch geradlinige Bereiche, ist der Krümmungsradius in diesen selbstverständlich wesentlich höher und strebt insbesondere gegen Unendlich. Es zeigt sich demnach, dass eine Angabe von Höchstwerten für einen Krümmungsradius tatsächlich nur für solche Bereiche der mindestens einen Windung sinnvoll ist, in denen endliche Krümmungsradien vorliegen.
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Es wird auch eine Vorrichtung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass die Induktionsspule im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet ist. Bevorzugt ist sie quadratisch ausgebildet. Dabei erstreckt sich der Leiter vorzugsweise spiralförmig oder mäanderförmig entlang von mindestens einer Windung, die – in Draufsicht gesehen – rechteckförmig, vorzugsweise quadratisch verläuft. Es wechseln sich entlang der mindestens einen Windung geradlinige und gekrümmte Leiterabschnitte ab, wobei die geradlinigen Abschnitte entlang der Kanten des Rechtecks beziehungsweise Quadrats vorgesehen sind, während die gekrümmten Bereiche dessen Eckbereiche bilden. Eine solche Ausbildung der Induktionsspule ist deswegen bevorzugt, weil sich gerade im Bereich parallel geführter, geradliniger Leiterabschnitte ein optimales elektromagnetisches Feld ausbildet. In den Eckbereichen stellt sich dagegen eine stark reduzierte Feldstärke und damit ein Temperaturabfall in dem erwärmten Werkstück ein. Dieser Effekt ist umso ausgeprägter, je scharfwinkliger die Ecken in dem Windungsverlauf ausgebildet sind. In den Eckbereichen ist so typischerweise eine homogene Erwärmung verhindert, und der Wirkungsgrad des Induktors ist dort reduziert.
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Es wird daher bevorzugt, von der Scharfwinkligkeit des Windungsverlaufs abzurücken und stattdessen möglichst große, sanfte Radien in den Eckbereichen bereitzustellen, was erreicht wird, indem der Krümmungsradius des Leiters entlang der mindestens einen Windung mindestens 10 mm beträgt oder innerhalb eines der zuvor genannten Bereiche liegt, oder einen der zuvor genannten Werte aufweist. Hierdurch wird zwar in den Eckbereichen kein geradliniger Windungsverlauf erzielt, jedoch wird insoweit ein Kompromiss erreicht, indem zumindest spitze Winkel beziehungsweise scharfe Ecken zugunsten von sanften Übergängen vermieden werden.
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Dabei zeigt sich, dass der Krümmungsradius überall entlang der Windungen mindestens 10 mm beträgt, wenn er in den Eckbereichen mindestens 10 mm beträgt. In geradlinig ausgestalteten Leiterabschnitten geht der Krümmungsradius nämlich gegen Unendlich, sodass er jedenfalls seinen kleinsten Wert in den Eckbereichen annimmt.
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Die zuvor genannten Höchstangaben für Krümmungsradien beziehen sich demnach – wie bereits ausgeführt – auf Leiterabschnitte beziehungsweise Bereiche der mindestens einen Windung, die einen endlichen Krümmungsradius aufweisen, mithin gekrümmt sind. Beispielsweise sind die genannten Höchstwerte bevorzugt in den Eckbereichen der rechteckförmigen, vorzugsweise quadratischen Induktionsspule verwirklicht. Die geradlinigen Bereiche weisen demgegenüber vorzugsweise einen sehr viel höheren, bevorzugt unendlichen Krümmungsradius auf.
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Es wird auch eine Vorrichtung bevorzugt, bei welcher die Induktionsspule – in Draufsicht gesehen – die Form einer Kreisspirale aufweist. Insbesondere kann die Geometrie der Induktionsspule in Abhängigkeit von einer gewünschten oder erlaubten Größe der Induktorfläche gewählt werden. Im Fall von entlang einer kreisrunden Spirale verlaufenden Leiterwindungen treten keine geradlinigen Abschnitte, jedoch auch keine Ecken auf. Das von einer solchen Spule erzeugte elektromagnetische Wechselfeld weist daher zwar im Mittel eine geringere Intensität auf als ein von einer rechteckförmigen oder quadratischen Induktionsspule erzeugtes Feld, es ist allerdings über die gesamte Fläche der Induktionsspule und damit auch über den zu erwärmenden Bereich des zu behandelnden Werkstücks homogener, also mit geringeren Feldstärkenunterschieden ausgebildet. Dementsprechend sind auch die Temperaturunterschiede in dem zu erwärmenden Werkstück geringer. Entlang der Windungen, die sich in Form einer Kreisspirale erstrecken, weist der Leiter überall einen endlichen Krümmungsradius auf, der allerdings – in radialer Richtung der Kreisspirale gesehen – von außen nach innen abnimmt. Vorzugsweise ist daher der kleinste erreichte Krümmungsradius beschränkt, sodass er mindestens 10 mm beträgt. Vorzugsweise verwirklicht der Krümmungsradius entlang der gesamten Kreisspirale Werte, die in einem der oben genannten Bereiche liegen.
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Es zeigt sich in diesem Zusammenhang noch Folgendes: Temperaturunterschiede, die sich aufgrund von Feldinhomogenitäten ergeben, betragen bei einer rechteckförmigen oder quadratischen Induktionsspule zwischen den geradlinigen Leiterabschnitten und den Eckbereichen ungefähr 35 K, wobei sich bei einer Induktionsspule, welche die Form einer Kreisspirale aufweist, Temperaturunterschiede aufgrund der – in radialer Richtung gesehen – von außen nach innen abnehmenden Krümmungsradien von ungefähr 15 K ergeben. Auch diese Betrachtung zeigt, dass das elektromagnetische Wechselfeld, das von einer Induktionsspule erzeugt wird, welche die Form einer Kreisspirale aufweist, homogener ist als ein entsprechendes, von einer rechteckförmigen oder quadratischen Induktionsspule erzeugtes Feld.
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Es wird eine Vorrichtung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass der Leiter als Rohr oder als Hohlleiter ausgebildet ist. Hierdurch wird – zusätzlich zu einem frequenzabhängig realisierten, sogenannten Skin-Effekt – eine Konzentration des elektrischen Stroms auf die Randbereiche des Leiterquerschnitts erreicht, was für die Intensität des abgestrahlten elektromagnetischen Feldes vorteilhaft ist. Darüber hinaus ist es möglich, durch den Hohlraum des als Rohr oder Hohlleiter ausgebildeten Leiters ein Fluid zur Kühlung desselben zu leiten, sodass sich der Induktor selbst nicht übermäßig erwärmt. Hierdurch kann die Effizienz beziehungsweise der Wirkungsgrad der Vorrichtung weiter gesteigert werden. Insbesondere kann so einem Anstieg des elektrischen Widerstands des Leiters durch Temperaturerhöhung entgegengewirkt werden.
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Es wird auch eine Vorrichtung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass der Krümmungsradius abhängig von einem Querschnitt des Leiters ausgewählt ist. Alternativ oder zusätzlich ist der Krümmungsradius bevorzugt abhängig von einer Größe einer durch die Induktionsspule definierten Fläche, mithin von einer Flächenausdehnung des Induktors gewählt. Damit ist es möglich, den Krümmungsradius optimal auf die konkret vorliegenden Bedingungen, insbesondere die konkrete Ausgestaltung der Vorrichtung abzustimmen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Induktionsspule, und
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2 eine schematische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Induktionsspule.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Induktionsspule 1, die Teil eines nicht weiter dargestellten Induktors ist, wobei dieser außer der Induktionsspule 1 noch eine Zuleitung und eine Ableitung für elektrischen Strom zu beziehungsweise von der Induktionsspule 1 umfasst, sowie Befestigungsmittel zur Befestigung der Induktionsspule an einer ebenfalls nicht dargestellten Vorrichtung zum induktiven Erwärmen von Werkstücken.
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Die Induktionsspule 1 ist durch einen Leiter 3 gebildet, der sich hier entlang von drei Windungen 5 erstreckt, wobei er – in Draufsicht gesehen – in Form einer Rechteckspirale angeordnet ist.
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Dabei wechseln sich geradlinige Leiterabschnitte, von denen hier beispielhaft vier mit den Bezugszeichen 7 gekennzeichnet sind, mit gekrümmten Leiterabschnitten ab, von denen hier ebenfalls vier beispielhaft mit den Bezugszeichen 9 gekennzeichnet sind. Dabei ist in 1 dargestellt, dass die geradlinigen Leiterabschnitte 7 die Kanten der Rechteckspirale bilden, während die gekrümmten Leiterabschnitte 9 deren Eckbereiche bilden.
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Um eine möglichst homogene Feldstärke über die gesamte Fläche der Induktionsspule 1 zu gewährleisten, ist vorgesehen, dass der Krümmungsradius des Leiters 3 in den Bereichen der gekrümmten Leiterabschnitte 7 mindestens 10 mm beträgt. Dadurch wird sichergestellt, dass scharfwinklige Eckbereiche vermieden werden, in denen sonst ein starker Intensitätsabfall des elektromagnetischen Feldes und mithin auch ein starker Temperaturabfall in dem zu erwärmenden Werkstück gegeben wäre.
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In den Bereichen der geradlinigen Leiterabschnitte 7 ist der Krümmungsradius des Leiters 3 ohnehin jedenfalls wesentlich größer als 10 mm, bevorzugt geht er gegen Unendlich.
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In den gekrümmten Leiterabschnitten 9 beträgt der Krümmungsradius vorzugsweise höchstens 80 mm, vorzugsweise von mindestens 20 mm bis höchstens 70 mm, vorzugsweise von mindestens 30 mm bis höchstens 60 mm, vorzugsweise von mindestens 40 mm bis höchstens 50 mm, besonders bevorzugt 45 mm.
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Es zeigt sich auch, dass bei der Induktionsspule 1 gemäß 1 ein Kompromiss erreicht wird zwischen dem Bestreben, möglichst lange, parallele, geradlinige Leiterabschnitte 7 einerseits zu verwirklichen, und andererseits scharfwinklige Eckbereiche nach Möglichkeit zugunsten von sanften, möglichst großen Radien zu vermeiden. Auf diese Weise wird eine möglichst hohe Feldintensität in den Bereichen der geradlinigen Leiterabschnitte 7 mit einer verbesserten Feldhomogenität über die gesamte Fläche der Induktionsspule 1 erreicht.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Induktionsspule 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Die Induktionsspule 1 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 in Form einer Kreisspirale ausgebildet. Der Leiter 3 erstreckt sich demnach entlang von hier drei Windungen 5 durchgängig gekrümmt von außen nach innen beziehungsweise umgekehrt.
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Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist demnach überall entlang des Leiters 3 ein endlicher Krümmungsradius gegeben, der jedoch von – in radialer Richtung gesehen – außen nach innen abnimmt. Dabei zeigt sich, dass jedenfalls ein kleinster, radial innen angeordneter Bereich 11 des Leiters 3 einen Krümmungsradius aufweist, der mindestens 10 mm beträgt. Hierdurch wird ein zu kleiner Krümmungsradius und damit ein entsprechender Abfall in der Feldintensität beziehungsweise auch ein Temperaturabfall in dem Bereich 11 vermieden.
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Vorzugsweise beträgt der Krümmungsradius in dem Bereich 11 und besonders bevorzugt in dem gesamten Bereich der Induktionsspule 1 höchstens 80 mm. Bevorzugt beträgt er von mindestens 20 mm bis höchstens 70 mm, vorzugsweise von mindestens 30 mm bis höchstens 60 mm, vorzugsweise von mindestens 40 mm bis höchstens 50 mm. Besonders bevorzugt beträgt der Krümmungsradius zumindest in einem Bereich des Leiters 3 45 mm, ganz besonders bevorzugt in dem Bereich 11.
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Das von dem Ausführungsbeispiel der Induktionsspule 1 gemäß 2 erzeugte elektromagnetische Feld ist insgesamt homogener als das elektromagnetische Feld, welches von dem Ausführungsbeispiel der Induktionsspule 1 gemäß 1 erzeugt wird. Dafür weist allerdings – bei identischer Bestromung – das Ausführungsbeispiel der Induktionsspule 1 gemäß 2 keine Bereiche auf, in denen ähnlich hohe Feldintensitäten erreicht werden, wie in den Bereichen der geradlinigen Leiterabschnitte 7 des ersten Ausführungsbeispiels der Induktionsspule 1 gemäß 1.
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Insgesamt zeigt sich, dass mithilfe der Vorrichtung eine besonders homogene, damit effiziente und schnelle Erwärmung eines zu erwärmenden Werkstücks möglich ist, was dessen vergleichmäßigte Umformbarkeit und damit eine schnellere und prozesssicherere Fertigung zur Folge hat. Dabei zeigt sich auch, dass sich das elektromagnetische Feld desto besser ausbilden kann, je größer der Krümmungsradius des Leiters gestaltet ist. Damit ist auch die Erwärmung des Werkstücks effizienter und schneller, je größer der Krümmungsradius, insbesondere der kleinste Krümmungsradius im Bereich der Induktionsspule 1, gewählt wird.
