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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Galetteneinheit mit einem zylindrischen Galettenmantel, der mittels einer feststehenden Induktionsspulenanordnung beheizbar ist. Beheizbare Galetten werden in der Textilindustrie zum Heizen und Führen von mindestens einem Faden oder Band benutzt. Typischerweise rotieren Galettenmäntel mit einer Umfangsgeschwindigkeit von bis zu 8.000 Meter pro Minute [m/min]. Es sind im Stand der Technik verschiedene Systeme zur Beheizung von Galettenmänteln bekannt, wobei einerseits eine Beheizung von außen erfolgen kann, andererseits aber bevorzugt eine Beheizung durch Mittel im Inneren des Galettenmantels erfolgt. Die
DE 195 40 905 A1 beschreibt eine solche Anordnung, bei der eine feststehende Induktionsspule im Inneren eines Galettenmantels elektrische Ströme im Galettenmantel induzieren kann, die den Galettenmantel aufheizen. Die Anordnung, von der die vorliegende Erfindung ausgeht, beschreibt auch, wie Temperaturmesswerte aus dem rotierenden Galettenmantel nach außen zu einer feststehenden Anordnung übertragen werden können.
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Es gibt zahlreiche weitere Ausführungsformen für die induktive Beheizung eines Galettenmantels durch im Inneren des Galettenmantels angeordnete Induktionsspulen. Allen ist gemeinsam, dass bisher ferromagnetische Materialien, vorzugsweise in Form von lamellierten Blechen oder Ferrite, eingesetzt werden, um den Magnetfluss der Induktionsspule möglichst vollständig in den Galettenmantel zu leiten. Dies erfordert einen erheblichen Materialaufwand und macht die induktive Heizanordnung relativ schwer und teuer. Dies wurde aber bisher für erforderlich angesehen, um eine Aufheizung der Antriebswelle und anderer Bauteile der Galettenanordnung zu vermeiden und um die Beheizung des Galettenmantels möglichst effektiv zu gestalten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine induktive Heizanordnung im Inneren eines Galettenmantels leichter und kostengünstiger zu gestalten, ohne die Verluste signifikant zu erhöhen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe dient eine Galetteneinheit gemäß dem unabhängigen Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen, die einzeln oder in technisch sinnvoller Weise kombiniert Anwendung finden können, sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Eine erfindungsgemäße Galetteneinheit weist einen zylindrischen beheizbaren Galettenmantel aus einem ferromagnetischen und elektrisch leitfähigen Material auf, der eine Dicke und eine Außenumfangsfläche zum Heizen und Führen mindestens eines Fadens oder Bandes aufweist und einen Innenraum umgibt, in dem zentrisch eine rotierbare Antriebswelle angeordnet ist, an der der Galettenmantel mit einer äußeren Stirnseite befestigt ist, und mit einer feststehenden Induktionsspulenanordnung zwischen der Antriebswelle und dem Galettenmantel auf einem Spulenträger, wobei der Spulenträger aus nicht elektrisch leitfähigem und nicht ferromagnetischem Material besteht und konzentrisch zu der Antriebswelle und dem Galettenmantel angeordnet ist und wobei im Wesentlichen kein ferromagnetisches Material im Innenraum vorhanden ist mit Ausnahme der Antriebswelle, falls diese ferromagnetisch ist.
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Die Spulenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine sogenannte „kernlose“ oder „eisenlose“ Anordnung, was bedeutet, dass es keine die Magnetfelder im Inneren des Galettenmantels leitenden Einbauten gibt. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass das Weglassen der Magnetfeld leitenden Einbauten nicht zu einer gravierenden Vergrößerung der Verluste und auch nicht zu einer massiven Aufheizung anderer Strukturteile als des Galettenmantels führt. Tatsächlich kann gemäß der Erfindung ein Spulenträger beispielsweise aus Kunststoff eingesetzt werden, wodurch die gesamte Induktionsspulenanordnung bedeutend weniger Gewicht aufweist als nach dem Stand der Technik. Überraschenderweise hat sich aber auch Glas als geeignetes Material herausgestellt. Glasrohre lassen sich kostengünstig herstellen und sind viel temperaturbeständiger als die meisten Kunststoffteile, so dass Glas auch bei sehr hohen Temperaturen im Inneren der Galette eingesetzt werden kann. Vorteilhafterweise werden Glassorten eingesetzt, die speziell für den Einsatz bei hohen Temperaturen von z. B. 100 bis 200 oder sogar 300 °C entwickelt wurden. Glas wurde bisher nicht als Material für Bauteile im Inneren von Galetten in Betracht gezogen, da der Fachmann die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Metall und Glas für hinderlich hielt. Der Spulenträger ist aber tatsächlich nur an einer Seite fixiert oder kann elastisch eingespannt werden, so dass er sich in axialer Richtung unabhängig von den anderen Bauteilen dehnen kann. Der Spulenträger braucht auch nur die Spule zu tragen, da diese gut ausgewuchtet ist, so dass sich selbst bei hohen Drehzahlen keine zusätzlichen Belastungen für ein Glasrohr ergeben. Außerdem sind die Kosten eines im Wesentlichen zylindrischen Spulenträgers aus Glas erheblich geringer als die Material- und Montagekosten bei Verwendung von lamellierten Trafoblechen. Es zeigt sich, dass ohne die Verwendung von Magnetfeld leitenden Einrichtungen sogar eine sehr gleichmäßige induktive Aufheizung des Galettenmantels erreicht werden kann. Bevorzugt wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Induktionsspulenanordnung eingesetzt, die mindestens eine konzentrisch um die Antriebswelle verlaufende Spule aufweist, die mit einer Wechselstromquelle vorgebbarer Frequenz und/oder Stromstärke verbindbar ist.
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Die prinzipielle Anordnung einer Zylinderspule und deren Versorgung aus einer Wechselstromquelle sind im Prinzip aus dem Stand der Technik bekannt. Das Weglassen ferromagnetischer Spulenkerne führt zwar zu einer etwas geringeren Induktivität, was aber durch geeignete Modifikation der Wechselstromquelle oder durch eine Erhöhung der Frequenz ausgeglichen werden kann. Die vorliegende Erfindung erfordert daher nur geringfügige Änderungen an bekannten Stromversorgungs- und Steuereinrichtungen.
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Besonders gering können die Verluste gehalten werden, wenn die Induktionsspulenanordnung mit einem äußeren Ringspalt von dem Galettenmantel beabstandet ist, der deutlich kleiner ist als ein innerer Ringspalt, mit dem die Induktionsspulenanordnung von der Antriebswelle beabstandet ist. Die Magnetfelddichte im Inneren der Spule wird dadurch relativ gering, während sich das äußere Magnetfeld der Spulenanordnung im Galettenmantel konzentriert. Bevorzugt ist der innere Ringspalt mindestens doppelt so groß, insbesondere mehr als fünfmal so groß wie der äußere Ringspalt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Antriebswelle zumindest im Innenraum des Galettenmantels einen elektrisch gut leitenden Überzug auf, insbesondere aus Aluminium.
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Dies kann beispielsweise durch das Anbringen eines Aluminiumrohrs mit einer Dicke von 0,1–3 mm erfolgen, welches über die Antriebswelle geschoben wird. Da die Antriebswelle im Allgemeinen aus elektrisch leitfähigem Material, insbesondere sogar aus ferromagnetischem Material besteht, würde das Magnetfeld im Inneren der Spulenanordnung auch Ströme in der Antriebswelle erzeugen und diese aufheizen. Das wäre zwar wegen der Größe des inneren Ringspalts nur in geringem Maße der Fall, ist jedoch trotzdem unerwünscht. Ein elektrisch gut leitender Überzug, wie er beispielsweise durch ein Aluminiumrohr oder ein Kupferrohr erreicht werden kann, bildet wegen des geringen elektrischen Widerstands oberflächliche Wirbelströme aus, die dem sie erzeugenden Magnetfeld entgegenwirken und dieses damit quasi aus dem Bereich der Antriebswelle verdrängen. Zwar wärmt sich die Oberfläche dabei auf, jedoch in weit geringerem Maße als sich sonst die gesamte Antriebswelle aufheizen würde.
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Erfindungsgemäß ist die Spulenanordnung, um ihre Aufgabe erfüllen zu können, so gestaltet, dass ein in der oder den Spule(n) fließender Wechselstrom ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, welches in den Galettenmantel eindringt und dort elektrische Ströme induziert, die den Galettenmantel aufheizen.
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Prinzipiell können alle für diesen Zweck bekannten Spulenanordnungen erfindungsgemäß auch ohne ferromagnetisches Material im Inneren des Galettenmantels verwendet werden, jedoch sind besonders eine Zylinderspule oder mehrere hintereinander angeordnete Zylinderspulen für diesen Zweck geeignet.
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Aufgrund der leichteren Ausführung des Spulenträgers eignet sich die vorliegende Erfindung auch für besonders lange Galetten, mit einer axialen Länge von bis zu 1.500 mm oder sogar darüber. Auch bezüglich des Außendurchmessers setzt die Spulenanordnung keine Grenzen, so dass durchaus Außendurchmesser bis 500 mm und darüber erreicht werden können.
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Wie prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt, kann auch bei der vorliegenden Erfindung eine Temperaturregelung durch Messung der Temperatur im Galettenmantel mittels mindestens eines Temperatursensors erfolgen, wobei dieser mit einer Regeleinrichtung zur Regelung der Wechselstromquelle der Induktionsspulenanordnung verbunden ist.
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Es sei noch erwähnt, dass in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die äußere Stirnseite der Galette, die den Galettenmantel mit der Antriebswelle verbindet, aus ferromagnetischem Material besteht. Hierdurch wird auch die Nabe vorteilhafterweise beheizt. Gleichzeitig verhindert dies, dass magnetische Streufelder außerhalb der Galettenanordnung auftreten.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, auf das die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, wird im Folgenden schematisch anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Galetteneinheit,
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2: einen Querschnitt entlang der Line II-II durch 1,
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3: einen typischen Magnetfeldverlauf in einer Galettenanordnung nach 1,
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4: die typischen Wirbelströme in einer erfindungsgemäßen Galettenanordnung gemäß 2, und
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5: eine Befestigung eines Glasrohres als Spulenträger.
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Die 1 und 2 zeigen im Längsschnitt bzw. im Querschnitt in einer teilweise schematischen Anordnung eine erfindungsgemäße Galettenanordnung 1 mit einem Galettenmantel 2 mit einer Dicke D. Der Galettenmantel 2 ist an einer äußeren Stirnseite 7 mit einer Antriebswelle 5 verbunden, die konzentrisch in dem Innenraum 22 des Galettenmantels 2 verläuft. Die Antriebswelle 5 ist von einem Aluminiumrohr 6 zumindest innerhalb des Innenraums 22 umgeben, wobei das Aluminiumrohr 6 eine Schichtdicke d von 0.1–3 mm aufweist. Ebenfalls konzentrisch zum Mantel 2 ist im Innenraum 22 ein Spulenträger 4, vorzugsweise ein Glasrohr, angeordnet, der eine zylindrische Induktionsspulenanordnung 3, insbesondere in Form einer durchgehenden Zylinderspule, trägt. Die Induktionsspulenanordnung 3 ist durch eine äußeren Ringspalt R2 vom Galettenmantel 2 beabstandet und durch einen inneren Ringspalt R1 von der Antriebswelle 5. Die Ausdehnung des Spulenträgers 4 und die Dicke des Aluminiumrohrs 6 werden dabei für die Größe des inneren Ringspalts R1 mitgerechnet. Wichtig ist, dass der Spulenträger 4 nicht aus ferromagnetischem Material besteht und nicht elektrisch leitend ist und der Innenraum 22 auch sonst keine ferromagnetischen Materialien enthält, mit Ausnahme ggf. der Antriebswelle 5. Es handelt sich daher praktisch daher um eine kernlose oder eisenlose Spulenanordnung. Die Stromversorgung der Induktionsspule 3 erfolgt über eine Stromzuführung 8, die von einer Wechselstromquelle 9 versorgt wird. Wenn eine Regelung der Temperatur des Galettenmantels 2 gewünscht wird, was meistens der Fall ist, können aus dem Stand der Technik bekannte Regelungen eingesetzt werden. Dazu kann beispielsweise mindestens ein Temperatursensor 10 im Galettenmantel 2 angeordnet sein, der über eine berührungslose Signalübertragung 11 mit einer Regeleinrichtung 12 verbunden, die die Wechselstromquelle 9 regelt. Die Signalleitung 11 kann, da sie Messwerte von einer rotierenden Einrichtung übertragen muss, entweder durch die Antriebsachse verlaufen und zu Schleifkontakten geführt werden oder es kann eine drahtlose Verbindung benutzt werden. Die gesamte Galetteneinheit 1 ist typischerweise an einer Tragstruktur 13 befestigt. Dabei kann die Antriebswelle 5 in einer geeigneten Lagerung 14 rotierbar befestigt sein, während der Spulenträger 4 einseitig ortsfest an der Tragstruktur 13 angebracht ist. Durch das verringerte Gewicht und den einfacheren Aufbau des Spulenträgers 4 und der Induktionsspulenanordnung 3 eignet sich die vorliegende Erfindung auch für Galetteneinheiten 1 mit einer großen axialen Länge L, von beispielsweise 1.500 mm oder mehr und für kleine oder große Außendurchmesser A, bis zu einer Größenordnung von 500 mm und darüber. Der Galettenmantel 2 weist eine Außenumfangsfläche 21 auf, die zum Heizen und Führen mindestens eines Fadens 15 oder Bandes 16 geeignet ist. Sehr häufig werden an einem Galettenmantel 2 auch mehrere Fäden und/oder ein Faden in mehrfacher Umschlingung geführt.
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Die 3 und 4 veranschaulichen die magnetischen und elektrischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Galetteneinheit 1. Im Prinzip bildet sich um eine zylindrische Induktionsspulenanordnung 3 ein typisches inneres und äußeres Magnetfeld aus, wobei dieses Magnetfeld jedoch außen im Galettenmantel 2 konzentriert wird, während es innen durch die Wirkung des Aluminiumrohrs 6 größtenteils aus der Antriebswelle 5 verdrängt wird. Dies führt zu den in der 4 durch Ringe und Pfeile angedeuteten Stromflüssen I1 im Aluminiumrohr 6, I2 im Galettenmantel 2, I3 in der Induktionsspulenanordnung 3, die natürlich mit wechselndem Magnetfeld jeweils ebenfalls ihre Richtung wechseln. Ein in der Induktionsspule 3 fließender Strom I3 erzeugt einen in Gegenrichtung fließenden Ringstrom I2 im Galettenmantel 2 und einen kleinen ebenfalls in Gegenrichtung fließenden Strom I1 im Aluminiumrohr 4. Zu einem ganz überwiegenden Teil kann die Energie des Magnetfelds daher dazu genutzt werden, den Galettenmantel 2 aufzuheizen.
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Eine bevorzugte Möglichkeit zur Befestigung eines Glasrohres als Spulenträger 4 ist in 5 dargestellt und besteht darin, das Glasrohr 4 mit Zugankern 17 zwischen der Tragstruktur 13 und einer der Tragstruktur 13 axial gegenüber liegenden Flanschplatte 18 zu befestigen. Die Längendehnung des Glasrohres kann zum einen durch die Längendehnung der Zuganker 17 und durch eine Einbettung eines Endes des Glasrohres 4 in einer mit wärmebeständigem Silikon ausgekleideten Nut 19 oder einem zentrischen Sitz auf der Flanschseite ausgeglichen werden. Diese Art der Halterung stellt auch gleichzeitig die Zentrierung sicher, das Silikon kann Durchmesserunterschiede bei thermischen Dehnungen ausgleichen. Vorteilhafterweise werden die von Muttern 20 gehaltenen und gespannten Zuganker 17 ebenfalls aus elektrisch und magnetisch nicht leitendem Material hergestellt.
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Die vorliegende Erfindung eignet sich daher als Ersatz für bisher verwendete induktive Galettenheizungen mit Magnetfeld leitenden Einbauten im Inneren des Galettenmantels. Spulenträger aus Kunststoff sind preisgünstiger und leichter als bisher bekannte Anordnungen mit lamellierten ferromagnetischen Blechen, so dass sich auch Galetteneinheiten mit großer axialer Länge oder großem Durchmesser besonders gut mit erfindungsgemäßen Heizeinrichtungen ausrüsten lassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Galetteneinheit
- 2
- Galettenmantel
- 3
- Induktionsspule
- 4
- Spulenträger, Glasrohr
- 5
- Antriebswelle
- 6
- Überzug/Aluminiumrohr
- 7
- äußere Stirnseite
- 8
- Stromzuführung
- 9
- Wechselstromquelle
- 10
- Temperatursensor
- 11
- Signalübertragung
- 12
- Regeleinrichtung
- 13
- Tragstruktur
- 14
- Lagerung
- 15
- Faden
- 16
- Band
- 17
- Zuganker
- 18
- Flanschplatte
- 19
- Mit Silikon ausgekleidete Nut
- 20
- Haltemutter
- 21
- Außenumfangsfläche des Galettenmantels
- 22
- Innenraum des Galettenmantels
- D
- Dicke des Galettenmantels
- d
- Dicke des Überzuges/Aluminiumrohres
- R1
- innerer Ringspalt
- R2
- äußerer Ringspalt
- L
- axiale Länge des Galettenmantels
- A
- Außendurchmesser des Galettenmantels
- I1
- induzierter Strom im Aluminiumrohr
- I2
- induzierter Strom im Galettenmantel
- I3
- Strom in der Induktionsspulenanordnung
- M
- Magnetfeld
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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