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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur induktiven Erwärmung von Werkstücken gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Vorrichtungen der hier angesprochenen Art sind bekannt. Sie dienen insbesondere der induktiven Erwärmung von Blechen, Blechhalbzeugen oder Blechbauteilen, um deren Umformbarkeit in einem sich typischerweise an die Erwärmung anschließenden Umformschritt zu verbessern. Eine solche Vorrichtung umfasst einen Induktor, der eine Induktionsspule aufweist, die mit einem Wechselstrom beaufschlagt wird, sodass ein elektromagnetisches Wechselfeld entsteht. Wird der Induktor in der Nähe eines zu erwärmenden Bereichs eines Werkstücks, insbesondere eines Blechs, angeordnet, werden durch das elektromagnetische Wechselfeld Wirbelströme in dem Werkstück induziert, sodass dieses durch Wirbelstromverluste geheizt wird. Das Werkstück kann so sehr schnell, schonend, kostengünstig und wenig energieintensiv erwärmt werden. Die Induktionsspule des Induktors ist durch eine Leiter gebildet, der sich entlang mindestens einer Windung erstreckt. Bei bekannten Vorrichtungen ist ein Querschnitt des Leiters typischerweise rund, insbesondere kreisförmig ausgebildet. Es zeigt sich allerdings, dass sich bei dieser Querschnittsform des Leiters ein Magnetfeld ausbildet, welches eine unzureichende Homogenität aufweist, um eine hinreichend homogene Erwärmung des Werkstücks zu gewährleisten. Durch Feldinhomogenitäten kommt es – entlang des dem zu erwärmenden Bereich des Werkstücks zugewandten Umfangs des Windungsquerschnitts gesehen – zu Temperaturabfällen, sodass sich heißere und kältere Zonen in dem Werkstück ausbilden. Hierdurch ist auch der Wirkungsgrad der Erwärmung reduziert.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, welche eine homogenere Erwärmung von Werkstücken bei zugleich verbessertem Wirkungsgrad 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 der Querschnitt des Leiters rechteckig ausgebildet ist, sind auf einer dem Werkstück zugewandten Seite desselben keine gekrümmten Bereiche vorhanden. Hierdurch wirkt ein homogenes Magnetfeld auf das Werkstück, sodass es nicht zu Temperaturabfällen über den Umfang des Windungsquerschnitts in dem zu erwärmenden Bereich kommt. Eine homogene Erwärmung ist so garantiert, was auch den Wirkungsgrad der Vorrichtung verbessert. Das Werkstück, insbesondere das Blech, kann schneller und gleichmäßiger unter Einsatz von weniger Energie durchwärmt werden, was letztlich auch die anschließende Umformbarkeit verbessert. Insbesondere wird die Umformbarkeit über den gesamten erwärmten Bereich vergleichmäßigt, was eine schnelle und prozesssichere Fertigung zur Folge hat. Es zeigt sich darüber hinaus, dass sich das Magnetfeld auf den Abschnitten der Windung am besten ausbilden kann, die geradlinig verlaufen. Auch in diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der Querschnitt des Leiters rechteckig gewählt ist.
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Vorzugsweise sind die Kanten des rechteckigen Querschnitts abgerundet, um nach Möglichkeit scharfkantige Bereiche zu vermeiden, die entweder zu Verletzungen eines Werkers, der mit dem Induktor umgeht, oder Beschädigungen an Werkstücken zu vermeiden, die mit den Induktor – gegebenenfalls versehentlich – in direkten Kontakt geraten. Dabei sind jedoch vorzugsweise die Rundungen, die sich in dem Windungsquerschnitt ergeben, mit möglichst kleinem Krümmungsradius ausgebildet, sodass sich eine insgesamt möglichst geradlinige Querschnittskontur ergibt. Insgesamt wird der Leiter also so ausgebildet, dass Rundungen in seinem Querschnitt vermieden werden, wobei möglichst geradlinige Konturen angestrebt werden.
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Durch die Wirkungsgraderhöhung reduziert sich nicht nur ein energetischer, sondern auch ein apparativer Aufwand für den Induktor.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung weist der Querschnitt des Leiters eine quadratische Form auf. In diesem Fall ist seine Geometrie besonders einfach ausgebildet.
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Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass der Querschnitt des Leiters rechteckig mit einem Seitenverhältnis ausgebildet ist, welches von eins verschieden ist. Der Leiter ist in diesem Fall also zumindest bereichsweise nicht quadratisch ausgebildet. Dabei ist es möglich, dass der Leiter bei einem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung insgesamt rechteckig mit einem Seitenverhältnis ausgebildet ist, welches von eins verschieden ist. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist es jedoch möglich, dass der Leiter bereichsweise quadratisch und bereichsweise rechteckig mit einem Seitenverhältnis ausgebildet ist, welches von eins verschieden ist.
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Insgesamt zeigt sich, dass das Seitenverhältnis des Leiters bevorzugt je auf den Anwendungsfall, insbesondere auf eine Geometrie eines zu erwärmenden Bereichs eines Werkstücks angepasst ist. Über die Wahl des Querschnitts kann eine für die konkrete Erwärmungsaufgabe optimale Geometrie des durch den Induktor zu erzeugten Magnetfelds eingestellt werden.
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Es wird auch eine Vorrichtung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass der Leiter als Hohlleiter ausgebildet ist. Insbesondere ist es möglich, als Leiter ein Rohr zu verwenden, wobei der Rohrquerschnitt je nach Anwendungsfall quadratisch oder rechteckig mit beliebigem Seitenverhältnis ausgebildet sein kann. Ein Hohlleiter beziehungsweise ein Leiter, der aus einem Rohr gebildet ist, hat den Vorteil, dass er vergleichsweise leicht bei ansonsten gleicher Geometrie im Vergleich zu einem massiven Leiter ausgebildet ist. Außerdem konzentriert sich der elektrische Strom in den Wandungsbereichen, also in äußeren Bereichen des Leiters, sodass das außerhalb des Leiters entstehende Magnetfeld eine höhere Intensität aufweist, als wenn ein massiver Leiter verwendet wird.
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Es ist auch möglich, durch einen als Hohlleiter ausgebildeten Leiter ein Kühlmedium zu führen, beispielsweise eine Flüssigkeit oder ein Gas, um bei der Erwärmung von Werkstücken entstehende Abwärme abführen zu können. Hierdurch kann der Leiter besonders schonend betrieben werden, was seine Lebensdauer erhöht.
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Es wird auch ein Ausführungsbeispiel bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der Induktor als Flächeninduktor mit ebener Induktionsspule ausgebildet ist. Die mindestens eine Windung, entlang derer der Leiter verläuft, liegt somit bevorzugt in einer Ebene. Bei einem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung verläuft der Leiter in spiralförmigen Windungen in Form einer Kreis- oder bevorzugt Rechteckspirale. Einzelne Abschnitte der Windungen verlaufen bevorzugt parallel zueinander und geradlinig, was die Homogenität des von dem Induktor erzeugten Magnetfelds weiter erhöht. Dadurch steigt wiederum der Wirkungsgrad des Induktors, und der mit der Vorrichtung verbundene energetische und apparative Aufwand wird verringert. Es resultiert so eine besonders homogene Erwärmung von Werkstücken, was wiederum eine gleichmäßige Umformbarkeit in dem erwärmten Bereich garantiert.
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Es wird auch eine Vorrichtung bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass der Leiter Kupfer umfasst. Bevorzugt besteht der Leiter aus Kupfer. Dabei ist Kupfer bekanntermaßen ein besonders geeignetes Material zur Durchleitung elektrischen Stroms.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur einen Abschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Leiters.
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Der Leiter 1 verläuft entlang mindestens einer Windung 3, die in der Figur abgebrochen dargestellt ist. Bevorzugt erstreckt sich der Leiter 1 derart entlang der mindestens einen Windung 3, dass er mindestens einen geradlinigen Bereich 5 aufweist. Umfasst die Induktionsspule mehrere Windungen 3, die entsprechend verlaufen, erstrecken sich die geradlinigen Bereiche 5 vorzugsweise parallel zueinander, wodurch ein besonders homogenes Magnetfeld ausgebildet wird.
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In der Figur ist eine Querschnittsfläche 7 des Leiters 1 dargestellt, wobei diese bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bezüglich ihrer äußeren Kontur 9 quadratisch ausgebildet ist. Hierdurch ist eine einem in der Figur nicht dargestellten Werkstück zugewandte Fläche 11 des Leiters 1 eben ausgebildet, sodass sich in deren Bereich ein auf eine gegenüberliegende Werkstückfläche einwirkendes, homogenes Magnetfeld einstellt. Insbesondere weil in dem Bereich der ebenen Fläche 11 ein Abstand des Leiters 1 zu dem Werkstück – gemessen von der Fläche 11 zu der Werkstückoberfläche – konstant ausgebildet ist, wirkt ein homogenes Magnetfeld auf das Werkstück ein. Dadurch bildet sich über den dem Werkstück zugewandten Umfang des Leiters 1 gesehen kein Temperaturabfall in dem Werkstück aus, sodass es zu einer raschen und homogenen Durchwärmung desselben kommt.
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Der in der Figur dargestellte Leiter 1 ist als Hohlleiter ausgebildet und umfasst einen Hohlraum 13, der seinerseits durch eine quadratische Kontur 15 begrenzt wird. Durch den Hohlraum 13 ist der Leiter 1 besonders leicht ausgebildet, und der elektrische Strom konzentriert sich in dessen äußerem Bereich.
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Es ist möglich, durch den Hohlraum 13 ein Kühlmedium zu leiten, beispielsweise ein Kühlgas oder ein flüssiges Kühlmedium.
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Der Leiter 1 ist vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet.
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Insgesamt zeigt sich, dass es mithilfe der Vorrichtung möglich ist, ein Werkstück, insbesondere ein Blech schnell, effizient und vor allem homogen zu durchwärmen, sodass eine gleichmäßige Umformbarkeit in dem erwärmten Bereich gewährleistet ist.
