DE102015015337A1

DE102015015337A1 - Induktionstiegelofen und magnetischer Rückschluss hierfür

Info

Publication number: DE102015015337A1
Application number: DE102015015337.4A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: ABP INDUCTION SYSTEMS GmbH
Current assignee: ABP INDUCTION SYSTEMS GmbH
Priority date: 2015-09-01
Filing date: 2015-11-26
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2035-11-27
Also published as: CN107926087B; US20180242409A1; HK1253937A1; US10887953B2; EP3345453B1; WO2017036438A1; CN107926087A; DE102015015337B4; EP3345453A1

Abstract

Es werden ein Induktionstiegelofen und ein magnetischer Rückschluss für einen Induktionstiegelofen beschrieben. Der Induktionstiegelofen besitzt eine entsprechende Spule und eine Vielzahl von magnetischen Rückschlüssen, die in Form einzelner an der Außenmantelfläche der Spule mit Umfangsabstand angeordneter Einheiten ausgebildet sind. Die magnetischen Rückschlüsse weisen jeweils zur Führung des von der Spule erzeugten magnetischen Flusses eine Anordnung aus einer Vielzahl von elektrisch gegeneinander isolierten und sich parallel zur Ofenachse erstreckenden länglichen Einzelelementen aus magnetisch permeablem Material auf. Diese Einzelelemente bestehen zumindest teilweise aus elektrisch gegeneinander isolierten Stäben, deren Längsachsen parallel zur Ofenachse verlaufen. Auf diese Weise werden sowohl Wirbelströme, die aus radialer Richtung auf die Anordnung treffen, als auch solche, die mit einer Querkomponente auf die Anordnung auftreffen, minimiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Induktionstiegelofen mit einem feuerfesten zylinderförmigen Tiegel, einer zylinderförmigen sich um den Tiegel erstreckenden Spule und einer Vielzahl von magnetischen Rückschlüssen, die in Form einzelner an der Außenmantelfläche der Spule mit Umfangsabstand angeordneter Einheiten ausgebildet sind, die jeweils zur Führung des von der Spule erzeugten magnetischen Flusses eine Anordnung aus einer Vielzahl von elektrisch gegeneinander isolierten und sich parallel zur Ofenachse erstreckenden länglichen Einzelelementen aus magnetisch permeablem Material umfassen.
Induktionstiegelöfen zum Schmelzen von Metallen durch die Erzeugung von Magnetfeldern, welche Wirbelströme in dem Metall erzeugen und es aufheizen, sind bekannt. Es ist ferner bekannt, derartige Induktionstiegelöfen mit magnetischen Rückschlüssen zu versehen, die an der Außenmantelfläche der Spule mit Umfangsabstand angeordnet sind. Im Betrieb des Ofens erzeugt der durch die Spule fließende Wechselstrom ein magnetisches Wechselfeld, das innerhalb des Ofentiegels durch das metallene Einsatzmaterial und außerhalb der Spule durch die Einzelelemente der magnetischen Rückschlüsse geführt wird. Das magnetische Wechselfeld induziert im magnetischen Einsatzmaterial Wirbelströme, die in Wärme umgesetzt werden.
Ein Induktionstiegelofen der eingangs beschriebenen Art ist aus der EP 0 512 466 B1 bekannt. Die magnetischen Rückschlüsse sind hierbei auf der Außenseite der Spule in Form einzelner über den Umfang der Spule mit Zwischenräumen verteilter Einzelpakete parallel zur Ofenachse angeordnet. Die Einzelelemente bestehen hierbei aus Eisenblechen und bilden Eisenblechpakete, die den Zweck haben, den magnetischen Wechselfluss zu führen. Dabei soll dem magnetischen Fluss ein Weg geringen magnetischen Widerstandes geboten werden, der gleichzeitig nur geringe Wirbelstromverluste verursacht.
Das den Wechselfluss führende Material muss eine hohe Permeabilität und geringe Wirbelstromverluste aufweisen. Üblich ist hierfür ein Aufbau aus entsprechend dünnen, elektrisch voneinander isolierten Transformatorblechen mit hohem spezifischen elektrischen Widerstand. Diese Bleche erstrecken sich dabei in radialer Richtung von der Außenmantelfläche der Spule aus.
Entsprechend ausgebildete magnetische Rückschlüsse sind aus der EP 0 563 802 A2 , der DE 42 10 374 A1 , der DE 41 15 278 A1 und der EP 0 688 145 A2 bekannt.
Aus der EP 0 876 084 B1 ist ein Induktionsofen bekannt, bei dem die Spule von einer Schicht aus metallischem und magnetisch permeablen Material umgeben ist, wobei diese Schicht im Wesentlichen aus mehreren diskreten, nichtgepulverten Elementen besteht, die in einer elektrisch nichtleitenden Matrix gebunden sind. Die Schicht erstreckt sich hierbei vollständig um den Umfang der Ofenspule herum, und bei den Elementen handelt es sich vorzugsweise um sphärisch ausgebildete Elemente.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Induktionstiegelofen der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, der in Bezug auf seine magnetischen Rückschlüsse einen besonders einfachen und kostengünstigen Aufbau aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Induktionstiegelofen der angegebenen Art dadurch gelöst, dass die Einzelelemente zumindest teilweise aus elektrisch gegeneinander isolierten Stäben bestehen, deren Längsachsen parallel zur Ofenachse verlaufen, wobei die Anordnung sowohl in radialer Richtung als auch in Umfangsrichtung der Spule mindestens zwei Stäbe aufweist.
Kennzeichnend beim Stand der Technik ist, dass diejenigen Feldlinien, die in radialer Richtung aus dem Tiegelofen austreten, durch den magnetischen Rückschluss aufgenommen und vom Spulenanfang zum Spulenende geführt werden. Durch die Ausführung mit den entsprechend dünnen, elektrisch gegeneinander isolierten Trafoblechen wird die Entstehung von Wirbelströmen minimiert.
Nachteilig bei diesem Stand der Technik ist jedoch, dass diejenigen Feldlinien, die aus einer azimutalen Richtung (Umfangsrichtung), d. h. mit einer Querkomponente, auf die besagten Trafobleche bzw. Elektrobleche auftreffen, entsprechende Wirbelströme mit der Folge einer zusätzlichen Erwärmung des Elektrobleches verursachen. Durch diese zusätzliche Erwärmung kann eine Wasserkühlung des magnetischen Rückschlusses erforderlich bzw. in erhöhtem Maß erforderlich werden.
Demgegenüber werden mit der erfindungsgemäßen Lösung die Kosten und der Platzbedarf am magnetischen Rückfluss reduziert. Insbesondere gelingt es, eine zusätzliche Kühlung ganz oder zumindest teilweise zu vermeiden. Hierzu werden die beim Stand der Technik vorgesehenen Elektrobleche ganz oder teilweise durch gegeneinander elektrisch isolierte Stäbe ersetzt. Hierdurch werden sowohl Wirbelströme, die aus radialer Richtung auf die Anordnung der Einzelelemente treffen, als auch Wirbelströme, die in azimutaler Richtung, d. h. mit einer Querkomponente, auf die Anordnung der Einzelelemente auftreffen, minimiert.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung besteht die Anordnung der Einzelelemente aus einer Vielzahl von elektrisch gegeneinander isolierten Stäben, deren Längsachsen parallel zur Ofenachse verlaufen. Die Anordnung weist sowohl in radialer Richtung als auch in Umfangsrichtung der Spule mindestens zwei Stäbe auf, wodurch der vorstehend beschriebene Effekt der Reduzierung von Wirbelströmen in beiden Richtungen, d. h. radial und azimutal, reduziert wird.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Stäbe sind elektrisch gegeneinander isoliert. Hierzu weisen die Stäbe, die aus magnetisch permeablem Material, insbesondere metallischem Material, wie Eisen, bestehen, einen Überzug aus elektrisch isolierendem Material auf, der beispielsweise über ein Tauchverfahren hergestellt wird. Hierfür können beispielsweise geeignete und bekannte Kunststoffe Anwendung finden.
Vorzugsweise kommt eine Vielzahl von derartigen Stäben zum Einsatz, die entsprechend geringe Abmessungen besitzen, beispielsweise in einem Bereich von 0,35 × 0,35 bis 0,35 × 80 mm im Querschnitt (Abmessung in Umfangsrichtung × Abmessung in Radialrichtung).
Die mindestens zwei Stäbe können eine unterschiedliche Querschnittsform aufweisen.
Bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung besteht die Anordnung aus Einzelelementen vollständig aus elektrisch gegeneinander isolierten Stäben. Bei einer anderen Ausführungsform besteht die Anordnung teilweise aus Blechen und teilweise aus Stäben. Hierbei besitzt die Anordnung vorzugsweise einen aus Blechen bestehenden zentralen Bereich und zwei aus Stäben bestehende seitliche Außenbereiche. Bei dieser Ausführungsform werden gezielt die entstehenden Wirbelströme im zentralen Bereich, die eine zusätzliche Erwärmung der Bleche verursachen können, durch die in den Außenbereichen vorgesehenen Stäbe verhindert bzw. zumindest reduziert.
Die um den Umfang der Ofenspule herum angeordneten magnetischen Rückschlüsse sind an der Außenmantelfläche der Ofenspule fixiert. Hierzu weist die Anordnung eines jeweiligen Rückschlusses eine Befestigungseinrichtung auf, die die Anordnung an der Außenmantelfläche der Spule fixiert. Andere Befestigungsarten, wie Kleben, Schweißen, sind ebenfalls möglich. Wenn eine mechanische Befestigungseinrichtung Anwendung findet, ist sie vorzugsweise als Tragkörper ausgebildet, der die Anordnung aus den Einzelelementen vorzugsweise auf allen Seiten und oben und unten umgeben kann. In diesen Tragkörper kann die Anordnung aus den Einzelelementen eingepresst, eingeklebt oder auch eingegossen sein.
Bei einer speziellen Ausführungsform können die Stäbe und die ggf. vorhandenen Bleche mit einem Material, insbesondere Kunstharz, zu einem Gesamtpaket vergossen sein. Dieses Gesamtpaket kann beispielsweise in den Tragkörper eingegossen oder als Einsatz in den Tragkörper eingesetzt und in diesem fixiert sein.
Wichtig ist, dass die Einzelelemente (Stäbe und ggf. Bleche) eng benachbart zueinander im Paket bzw. in der Anordnung vorgesehen sind.
Was die Querschnittsform der Stäbe anbetrifft, so sind diese vorzugsweise im Querschnitt rechteckig, insbesondere quadratisch, ausgebildet. Dies schließt aber nicht aus, dass die Stäbe im Querschnitt rund ausgebildet sind, beispielsweise kreisförmig, elliptisch etc., oder als Polygon.
Vorzugsweise kann mit der erfindungsgemäßen Ausführungsform eine zusätzliche Kühlung des Rückschlusses, insbesondere eine an den Seiten der Anordnung angeordnete Wasserkühlung, vermieden werden. Dies schließt allerdings nicht aus, dass, falls erforderlich, der Anordnung aus den Einzelelementen eine Kühleinrichtung, insbesondere an den Seitenflächen, zugeordnet ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die elektrisch gegeneinander isolierten und sich parallel zur Ofenachse erstreckenden länglichen Einzelelemente der Anordnung so ausgebildet, dass nur im oberen und/oder unteren Bereich derselben Stäbe vorgesehen sind, während sich im übrigen Bereich Abschnitte mit größerem Querschnitt befinden.
Diese Ausführungsform nutzt die Erkenntnis, dass die magnetische Flussdichte, die mit einer Querkomponente auf den magnetischen Rückschluss trifft, am oberen und/oder am unteren Ende des Rückschlusses einen relativen Maximalwert aufweist. Daher sind die Wirbelströme an diesen Stellen am größten.
Zur Minimierung dieser größten Wirbelströme ist es daher in erster Linie erforderlich, den magnetischen Rückschluss am oberen und/oder unteren Ende in Einzelstäbe aufzuteilen. In den restlichen Zonen des Rückschlusses kann sich bei dieser Ausführungsform eine Aufteilung in Stäbe erübrigen. Positiver Nebeneffekt dieser Ausführungsform ist eine verbesserte mechanische Stabilität.
Insbesondere weist bei dieser Ausführungsform die Anordnung längliche Einzelelemente auf, die im oberen und/oder unteren Bereich durch parallel zur Ofenachse verlaufende Schlitze gebildete Stäbe umfassen. Es kommen somit geschlitzte Einzelelemente zur Anwendung, die vorzugsweise am oberen und am unteren Ende geschlitzt sind.
Die Schlitze können in Umfangsrichtung des Tiegelofens und/oder in Radialrichtung desselben verlaufen. Besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform, bei der die Anordnung radial angeordnete Bleche aufweist, die im oberen und/oder unteren Bereich durch in Umfangsrichtung verlaufende Schlitze gebildete Stäbe umfassen. Diese Bleche können teilweise oder gänzlich oben und/oder unten mit mindestens einem Schlitz versehen sein, um in diesen Bereichen die erfindungsgemäß gewünschten Stäbe vorzusehen.
Die Stäbe müssen daher in Vertikalrichtung nicht durchlaufend ausgebildet sein. Vielmehr können die Einzelelemente auch nur über einen Teil ihrer Längserstreckung als Stäbe ausgebildet sein, und zwar nur über den oberen und/oder unteren Teil, während der restliche Teil der Einzelelemente einen größeren Querschnitt besitzt.
Wie bereits erwähnt, sind die erfindungsgemäß vorgesehenen Stäbe gegeneinander elektrisch isoliert. Dabei kann die elektrische Isolation beispielsweise durch einen Luftspalt oder durch irgendein Isoliermaterial verwirklicht sein. Der Begriff „elektrisch isoliert” soll daher alle möglichen Arten einer Isolierung abdecken.
Die Erfindung betrifft ferner einen magnetischen Rückschluss für einen Induktionstiegelofen der vorstehend beschriebenen Art.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 einen Horizontalschnitt durch einen Teil eines Induktionstiegelofens, wobei ein magnetischer Rückschluss des Ofens dargestellt ist, bei einer Ausführungsform des Standes der Technik;
2 eine entsprechende Darstellung wie 1 mit einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
3 eine entsprechende Darstellung wie 1 mit einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
4 einen Vertikalschnitt durch einen Teil einer anderen Ausführungsform eines Induktionstiegelofens mit magnetischem Rückschluss;
5 eine vergrößerte Ansicht des oberen Teiles des magnetischen Rückschlusses der 4; und
6 eine schematische Vorderansicht des magnetischen Rückschlusses der 4 und 5.
1 zeigt einen Horizontalschnitt durch einen Teil einer Spule 1, die einen Tiegel (nicht gezeigt) eines Induktionstiegelofens umgibt. Um den Umfang der Spule 1 herum sind in Abständen einzelne magnetische Rückschlüsse 2 angeordnet. Diese magnetischen Rückschlüsse 2 sind in der Form einzelner an der Außenmantelfläche der Spule 1 mit Umfangsabstand angeordneter Einheiten ausgebildet, die jeweils zur Führung des von der Spule 1 erzeugten magnetischen Flusses eine Anordnung aus einer Vielzahl von elektrisch gegeneinander isolierten und sich parallel zur Ofenachse erstreckenden länglichen Einzelelementen aus magnetisch permeablem Material umfassen. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform des Standes der Technik handelt es sich hierbei um eine Anordnung 3 aus einer Vielzahl von elektrisch gegeneinander isolierten und parallel zueinander angeordneten dünnen Elektroblechen, die sich im Wesentlichen in Radialrichtung von der Ofenspule 1 aus erstrecken. Diese Anordnung 3 von Elektroblechen befindet sich innerhalb eines Tragkörpers 5, der sämtliche Seiten der Anordnung 3, auch die Oberseite und Unterseite, umgibt. Die Anordnung 3 aus Elektroblechen ist hierbei in den Tragkörper 5 hineingepresst.
An der einen Seitenfläche des Tragkörpers befindet sich eine Wasserkühlung 4, die dazu dient, entsprechende Wirbelströme, die aus denjenigen Feldlinien resultieren, die aus einer azimutalen Richtung, d. h. mit einer Querkomponente, auf die Elektrobleche auftreffen und die eine zusätzliche Erwärmung der Bleche verursachen, zu kompensieren.
2 zeigt eine entsprechende Ausführungsform, bei der der magnetische Rückschluss 2 erfindungsgemäß ausgebildet ist. Auch hierbei ist der Rückschluss 2 in Kontakt mit der Außenmantelfläche der Ofenspule 1 angeordnet und setzt sich grundsätzlich aus einer Anordnung 3 von Einzelelementen zusammen. Von diesen Einzelelementen ist nur der zentrale Teil aus dünnen Elektroblechen gebildet, während die beiden seitlichen äußeren Bereiche 6 aus elektrisch gegeneinander isolierten Stäben bestehen, deren Längsachsen parallel zur Ofenachse verlaufen. Hierdurch werden Wirbelströme reduziert, die auf Feldlinien basieren, welche aus einer azimutalen Richtung auf die Anordnung 3 auftreffen. Auch bei dieser Ausführungsform wird die Anordnung von einem Tragkörper 5 umgeben, dem seitlich eine Wasserkühlung 4 zugeordnet ist. Aufgrund der durch die elektrisch gegeneinander isolierten Stäbe gebildeten Außenbereiche der Anordnung kann auf diese Wasserkühlung auch verzichtet werden.
3 zeigt eine entsprechende Ausführungsform eines magnetischen Rückschlusses, bei dem die gesamte Anordnung 3 aus elektrisch gegeneinander isolierten Stäben 7 gebildet ist, deren Längsachsen parallel zur Ofenachse verlaufen.
Die Stäbe 7 sind bei dieser Ausführungsform mit einer Kunstharzmasse zu einem Einsatz vergossen, der im Tragkörper 5 fixiert ist.
Die 4 bis 6 zeigen eine weitere Ausführungsform eines Induktionstiegelofens mit magnetischem Rückschluss. Im Vertikalschnitt der 4 ist ein Teil eines Tiegelofens 10 mit Induktionsspule 1 schematisch dargestellt. An der Induktionsspule 1 befindet sich ein magnetischer Rückschluss 2, der bei dieser Ausführungsform eine Anordnung 3 von in Radialrichtung verlaufenden parallel zueinander angeordneten Blechen umfasst. Diese Bleche sind an ihrem oberen und an ihrem unteren Ende durch in Umfangsrichtung des Tiegelofens 10 verlaufende Schlitze 11 in einzelne Stäbe 7 aufgeteilt, bei denen es sich wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen um elektrisch gegeneinander isolierte Stäbe handelt.
Bei der hier dargestellten Ausführungsform ist ein Blech durch Schlitze 11 in vier nebeneinander angeordnete Stäbe 7 aufgeteilt, und zwar sowohl am oberen als auch am unteren Ende. Diese Stäbe 7 sind dort vorgesehen, wo die größten Wirbelströme auftreten.
6 zeigt eine schematische Vorderansicht des Rückschlusses 2 mit der Anordnung 3 von Einzelelementen, welche parallel zueinander und radial angeordnete Bleche umfassen, die jeweils am oberen und unteren Ende in Stäbe 7 aufgeteilt sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0512466 B1 [0003]
EP 0563802 A2 [0005]
DE 4210374 A1 [0005]
DE 4115278 A1 [0005]
EP 0688145 A2 [0005]
EP 0876084 B1 [0006]

Claims

Induktionstiegelofen mit einem feuerfesten zylinderförmigen Tiegel, einer zylinderförmigen sich um den Tiegel erstreckenden Spule (1) und einer Vielzahl von magnetischen Rückschlüssen (2), die in Form einzelner an der Außenmantelfläche der Spule (1) mit Umfangsabstand angeordneter Einheiten ausgebildet sind, die jeweils zur Führung des von der Spule (1) erzeugten magnetischen Flusses eine Anordnung (3) aus einer Vielzahl von elektrisch gegeneinander isolierten und sich parallel zur Ofenachse erstreckenden länglichen Einzelelementen aus magnetisch permeablem Material umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelelemente zumindest teilweise aus elektrisch gegeneinander isolierten Stäben (7) bestehen, deren Längsachsen parallel zur Ofenachse verlaufen, wobei die Anordnung (3) sowohl in radialer Richtung als auch in Umfangsrichtung der Spule (1) mindestens zwei Stäbe (7) aufweist.
Induktionstiegelofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Stäbe eine unterschiedliche Querschnittsform aufweisen.
Induktionstiegelofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (3) vollständig aus elektrisch gegeneinander isolierten Stäben (7) besteht.
Induktionstiegelofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (3) teilweise aus Blechen und teilweise aus Stäben (7) besteht.
Induktionstiegelofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (3) einen aus Blechen bestehenden zentralen Bereich und zwei aus Stäben (7) bestehende seitliche Außenbereiche (6) aufweist.
Induktionstiegelofen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (3) eine Befestigungseinrichtung aufweist, die sie an der Außenmantelfläche der Spule (1) fixiert.
Induktionstiegelofen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungseinrichtung als Tragkörper (5) ausgebildet ist und dass die Anordnung (3) in den Tragkörper (5) eingepresst, eingeklebt oder eingegossen ist.
Induktionstiegelofen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stäbe (7) und ggf. Bleche mit einem Material, insbesondere Kunstharz, zu einem Gesamtpaket vergossen sind.
Induktionstiegelofen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stäbe (7) im Querschnitt rechteckig, insbesondere quadratisch, ausgebildet sind.
Induktionstiegelofen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stäbe im Querschnitt rund ausgebildet sind.
Induktionstiegelofen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anordnung (3) eine Kühleinrichtung (4), insbesondere an den Seitenflächen, zugeordnet ist.
Induktionstiegelofen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch gegeneinander isolierten und sich parallel zur Ofenachse erstreckenden länglichen Einzelelemente der Anordnung (3) so ausgebildet sind, dass nur im oberen und/oder unteren Bereich derselben Stäbe (7) vorgesehen sind, während sich im übrigen Bereich Abschnitte mit größerem Querschnitt befinden.
Induktionstiegelofen nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (3) längliche Einzelelemente aufweist, die im oberen und/oder unteren Bereich durch parallel zur Ofenachse verlaufende Schlitze (11) gebildete Stäbe umfassen.
Induktionstiegelofen nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (11) in Umfangsrichtung des Tiegelofens und/oder in Radialrichtung desselben verlaufen.
Induktionstiegelofen nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung (3) radial angeordnete Bleche aufweist, die im oberen und/oder unteren Bereich durch in Umfangsrichtung verlaufende Schlitze (11) gebildete Stäbe (7) umfassen.
Magnetischer Rückschluss für einen Induktionstiegelofen nach einem der vorangehenden Ansprüche.