DE102012021091A1

DE102012021091A1 - Spulenanordnung

Info

Publication number: DE102012021091A1
Application number: DE102012021091A
Authority: DE
Inventors: Tobias Todzy; Andreas Sulzberger
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2013-05-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Induktorspule (12) mit flächig zueinander angeordneten Windungen (14) zum induktiven Erwärmen metallischer Bauteile (10). Um eine Induktorspule (12) bereitzustellen, mittels welcher eine besonders homogene Aufheizung eines Bauteils (10) ermöglicht wird, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Abstand d der benachbarten Windungen (14) voneinander im Wesentlichen konstant ist und bis maximal 30 mm beträgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spulenanordnung zum induktiven Erwärmen eines metallischen Bauteils nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Es ist bekannt, Bauteile mittels elektrischen Stromes induktiv zu erwärmen. Hierzu werden Spulen aus Kupferdraht, bzw. aus einem Kupferrohr 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.
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.
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.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Induktorspule nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bereitzustellen, mittels welcher eine besonders homogene Aufheizung eines Bauteils ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Induktorspule mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei einer derartigen Induktorspule mit flächig zueinander angeordneten Windungen zum induktiven Erwärmen metallischer Bauteile ist der Abstand der benachbarten Windungen voneinander im Wesentlichen konstant und beträgt bis maximal 30 mm.
Hierdurch wird das zu erwärmende Bauteil homogen erwärmt ohne dass der jeweilige Zwischenraum zwischen den Windungen des Induktors, von dem keine Induktion ausgehen kann, als Temperatursenke ins Gewicht fällt. Aufgrund des geringen Abstandes nimmt die Anzahl der Windungen und damit die Windungsdichte über der zu erwärmende Fläche des Bauteils zu. Infolge dessen steigen die Induktorinduktivität und der Wirkungsgrad des Induktors. Gleichzeitig sinkt die Aufwärmzeit, was den Herstellungsprozess des Bauteils, in dem die induktive Erwärmung einen vorbereitenden Arbeitsschritt darstellt, beschleunigt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die einander zugewandten Flächen der Windungen mit einem elektrisch isolierenden Material versehen. Hierdurch kann der Abstand auf praktisch 0 reduziert werden, wodurch die Induktivität noch weiter verbessert und der Wirkungsgrad des Induktors gesteigert wird. Aufgrund des Fehlens eines Abstandes wird die Homogenität der Erwärmung optimal. Durch die elektrische Isolierung wird auch ein Kurzschluss vermieden.
In einer alternativen Weiterbildung der Erfindung beträgt bei nicht-isolierten Windungen ein minimaler Abstand 0,01 mm. Dies ist nach Versuchen der geringste Abstand, bei dem es gerade noch keine Gefahr eines Kurzschlusses gibt. Unter den gegebenen Bedingungen wird bei diesem Abstand die maximal erreichbare Homogenität in der Erwärmung erzielt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht die Spule aus einem Material hoher Konduktivität. Hierzu sind Materialien wie Kupfer, Silber und deren Legierungen auszuwählen. Auch Beschichtungen weniger edler Trägermaterialien mit Kupfer oder Silber sind denkbar. Aufgrund der damit einher gehenden hohen Induktivität sind auch Abstände zwischen den Windungen wählbar, die vom minimalen Abstand von 0,01 mm deutlich entfernt, also größer sind, ohne dass merkliche Einbrüche in der Homogenität der Erwärmung auftreten. Bei engeren Abständen wird bei der Wahl genannter Materialien die Homogenität optimiert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Spule spiralförmig oder mäanderförmig ausgebildet. Auch hierdurch kann die Feldhomogenität weiter verbessert werden, da so auf einer geringen Fläche möglichst viele Windungen angeordnet werden können, so dass mittels einer derartigen Spulenausbildung eine möglichst homogene Erwärmung des zu erwärmenden Bauteils erzielt werden kann.
Im Folgenden wird die Erfindung in einer Ausführungsform anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt die 1 eine schematische Darstellung des Feldlinienverlaufs und des resultierenden Heizergebnisses bei der Verwendung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Induktorspule.
Zum induktiven Erwärmen eines metallischen Bauteils 10 wird zumindest eine mit Wechselstrom bestromte Induktorspule 12 verwendet. Die Spule 12 weist flächig zueinander angeordnete Windungen 14 auf, deren Verlauf zu einer spiralförmigen oder mäanderförmigen Form der Spule 12 führt. Der Abstand d der benachbarten Windungen 14 voneinander ist im Wesentlichen konstant und beträgt bis maximal 30 mm, so dass der Zwischenraum zwischen den Windungen zu keiner merklichen Einbusse in der Erwärmungsleistung führt und damit eine homogene Erwärmung (Bereich 18) 28.09.2012 des Bauteils 10 gewährleistet ist.
Die einander zugewandten Flächen 16 der Windungen 14 können mit einem elektrisch isolierenden Material versehen sein, so dass das Abstand d zwischen den Windungen 14 auf beinahe Null reduziert werden kann. Bei nicht-isolierten Windungen 14 beträgt der minimale Abstand 0,01 mm. Das Material der Spule ist hoch konduktiv und besteht vorzugsweise aus Kupfer, Silber oder einem ähnlichen Werkstoff.
Die mit den entsprechenden Abständen d gewickelte Spule 12 eignet sich somit insbesondere zum induktiven Erwärmen von großflächigen und komplex geformten Bauteilen, die besonders schonend und gleichmäßig erwärmt werden sollen. Im Übrigen kann die Spule 12 auch hohl ausgebildet sein, so dass ein Kühlmedium durch den Induktor geleitet werden kann, wenn dies die Temperaturentwicklung an der Spule 12 erfordert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 2008032911 A1 [0003]

Claims

Induktorspule (12) mit flächig zueinander angeordneten Windungen (14) zum induktiven Erwärmen metallischer Bauteile (10), dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand d der benachbarten Windungen (14) voneinander im Wesentlichen konstant ist und bis maximal 30 mm beträgt.
Induktorspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugewandten Flächen (16) der Windungen (14) mit einem elektrisch isolierenden Material versehen sind.
Induktorspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei nicht-isolierten Windungen (14) ein minimaler Abstand d 0,01 mm beträgt.
Induktorspule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (12) aus einem Material hoher Konduktivität besteht.
Induktorspule nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (12) spiralförmig oder mäanderförmig ausgebildet ist.