DE19532044C2 - Induktionsheizwalze - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Induk­ tionsheizwalze, insbesondere eine Induktionsheizwalze mit einer Vorrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Flusses an den Enden.

Stand der Technik

Einer der Erfinder zur vorliegenden Erfindung hat bereits eine Induktionsheizwalze vorgeschlagen mit einer Vorrich­ tung zur Erzeugung eines magnetischen Flusses in einer drehbaren hohlen zylindrischen Walze aus magnetischem Ma­ terial, wodurch in der Umfangswand der Walze Wärme durch Induktionsstrom erzeugt wird. Zusätzliche oder Hilfsinduk­ tionsspulen sind vorgesehen. Endplatten verschließen die offenen Enden des Walzenkörpers, wobei letztere Induk­ tionswärme erzeugen (japanisches Gebrauchsmuster Nr. 31999 aus 1990).

Da die Verbindungsbereiche zwischen Walzenkörper und End­ platten bei der Vorrichtung nach der obigen Druckschrift erwärmt werden können, ist eine Differenz zwischen der Temperatur des Walzenkörpers, wo die magnetische Fluß­ dichte relativ gleichmäßig verteilt ist und der magneti­ sche Fluß wirksam ist, und der Endplatten, wo die magneti­ sche Flußverteilung auf Vormagnetisierung beruht, um den Effekt der Induktionsheizung zu Beginn des Heizprozesses zu zerstreuen, vermeidbar. Wenn nur ein Hauptmittel zur Erzeugung eines magnetischen Flusses vorgesehen ist, kann die Temperaturdifferenz und somit die Bildung eines Spalts in dem Verbindungsbereich verhindert werden. Generell hat die Wärme, die im Hauptbereich des Walzenkörpers erzeugt wird, die Neigung, einen Wärmefluß zu den Enden hin zu er­ zeugen, zu denen hin die Wärme, die von der Flußerzeu­ gungsvorrichtung erzeugt wird, sch kaum erstreckt. Die Wirkung der Enden des Walzenkörpers und der Endplatten mit Hilfe der zusätzlichen Induktionsspulen kompensiert diesen Wärmefluß, um einen minimalen Temperaturabfall zu den Walzenenden hin zu erhalten und dadurch möglich zu machen, die Zeit, die bis zur Stabilisierung der Oberflächentempe­ raturverteilung am Walzenkörper erforderlich ist, zu ver­ kürzen.

Fig. 3 zeigt die Anordnung der genannten Druckschrift, in der 1 einen Walzenkörper aus magnetischem Material mit elektrischer Leitfähigkeit bezeichnet (oder niedrigem elektrischen Widerstand). 2 bezeichnet Endplatten zum Schließen der Endflächen des Walzenkörpers 1. 3 bezeichnet Wellenabschnitte, von denen jeder einteilig mit den End­ platten 2 ausgebildet ist und die einen Durchgang aufwei­ sen. Die Wellenabschnitte sind drehbar in Lagern (nicht gezeigt) eines Maschinenrahmens gelagert. Bezugszeichen 5 bezeichnet hülsenartige Lagerstangen, die in die Durch­ gänge der Wellenabschnitte 3 hineinreichen und von den Wellenabschnitten 3 über Lager 6 drehbar gelagert sind und bezüglich des Maschinenrahmens fest sind. Die Lagerstangen 5 halten an gegenüberliegenden Seiten eine zylindrische Vorrichtung 7 zur Erzeugung eines magnetischen Flusses.

Die Flußerzeugungsvorrichtung 7 im Inneren des Walzenkör­ pers 1 enthält einen zylindrischen Eisenkern 8 mit einem mittigen Durchgang 8A der gemeinsam ist mit den inneren Hohlräumen der Lagerstangen 5, und eine Induktionsspule 9, die um den Kern gewickelt ist. 10 bezeichnet Leiter für die Induktionsspulen 9 und 11 eine Ringkammer in der Um­ fangswand des Walzenkörpers 1, die abgedichtet ist und ein Heizmedium (z. B. Wasser) aufnimmt, das in zwei Phasen vor­ liegen kann, nämlich gasförmig und flüssig.

Die Konstruktion nach Fig. 3 ist symmetrisch im Hinblick auf die vertikale Mittellinie, und die Endplatten 2 an je­ dem Ende enthalten einen Plattenabschnitt 2A, einen Ver­ bindungsabschnitt 2B, der vom Plattenabschnitt 2A absteht in die Öffnung des Walzenkörpers 1 hinein und darin pas­ send angeordnet ist. Ferner weist die Endplatte 2 einen Flanschabschnitt 2C auf bündig zum Plattenabschnitt 2A, der sich über die äußere Umfangsfläche des Verbindungsab­ schnitts 2B hinauserstreckt. Der Flanschabschnitt 2C ist mit dem offenen Ende des Walzenkörpers 1 durch Schrauben­ bolzen 12 verbunden.

13 bezeichnet Hilfs- oder Zusatzinduktionsspulen innerhalb des Walzenkörpers 1. Sie sind ähnlich der Induktionsspule 9 koaxial mit den Wellenabschnitten 3 angeordnet und somit mit den Lagerstangen 5 zwischen dem Eisenkern 8 der Fluß­ erzeugungsvorrichtung und den Endplatten 2 angeordnet. 14 bezeichnet ringförmige Eisenkerne der Zusatzinduktionsspu­ len 13, die darauf gewickelt sind. Die Eisenkerne sitzen auf ringförmigen Stufenflächen, die koaxial um die Lager­ stangen in mittleren Bereichen an gegenüberliegenden End­ flächen des Eisenkernkörpers 8 geformt sind. 15 bezeichnet Zuleitungen für die Zusatzinduktionsspule 13. Sie sind mit einer Wechselspannungsquelle verbunden wie die Zuleitungen 10.

Wenn die Induktionsspule 9 zur Erzeugung eines magneti­ schen Flusses durch den Walzenkörper 1 aktiviert ist, werden abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen Wirbel­ ströme (makroskopische Kreisströme) erzeugt, die den Walzenkörper veranlassen, sich zu erwärmen (Induktionshei­ zung). Gleichzeitig damit werden die Zusatzspulen 13 akti­ viert, worauf die Endplatten 2 Wärme erzeugen durch Induk­ tion nach dem gleichen Prinzip, wodurch die Möglichkeit eines Wärmeflusses vom Walzenkörper 1 zu den Endplatten 2 und zu den Wellenabschnitten 3 eliminiert wird. Dadurch wird ein Temperaturabfall in der Nähe der Enden des Wal­ zenkörpers 1 vermieden. Dadurch stabilisiert sich die Oberflächentemperaturverteilung auf den Walzenkörper 1 rasch. Da die Verbindungsabschnitte 2B der Endplatten ebenfalls mit Hilfe der Zusatzspulen 13 Induktionswärme erzeugen, wird die Temperaturdifferenz und somit die Tem­ peraturdehnungsdifferenz zwischen den offenen Endflächen des Walzenkörpers 1 und den Verbindungsabschnitten 2b re­ duziert, um die Bildung eines Spaltes dazwischen auszu­ schließen. Wenn der Walzenkörper 1 auf die gewünschte Tem­ peratur gleichmäßig aufgeheizt ist, wird die Versorgung der Zusatzinduktionsspulen 13 abgeschaltet. Ein bemerkens­ werter Wärmefluß hat nicht stattgefunden, so daß die Ver­ sorgung der Hauptinduktionsspule allein ausreichend ist, um für das thermische Gleichgewicht zu sorgen.

Jedoch mit einer solchen zusätzlichen Heizanordnung ist es nicht immer möglich, die Endplatten dazu zu bringen, in ausreichendem Maße Wärme zu erzeugen, da die Zusatzinduk­ tionsspulen in begrenzten Bereichen zwischen dem Flußer­ zeugungsmechanismus 7 und den Endplatten 2 angeordnet sind und die Anzahl der Windungen begrenzt ist.

Auf der anderen Seite sichert die koaxiale Anordnung der Zusatzinduktionsspulen 13 und der Verbindungsabschnitte 2B der Endplatten 2 eine effektivere magnetische Kopplung, wodurch die Verbindungsabschnitte 2B wirksame Wärme erzeu­ gen können. Da jedoch die Endplattenabschnitte 2A axial außerhalb der Zusatzinduktionsspulen 13 und der ringför­ migen Induktionskerne 13 und mit den Flanschabschnitten 2C verbunden sind, die sich im wesentlichen außerhalb des magnetischen Kreises befinden und mit den Antriebswellen­ abschnitten 3, die sich ebenfalls außerhalb des magneti­ schen Kreises befinden, hindert die erwähnte Abmessungsbe­ schränkung für die Zusatzinduktionsspulen die Endplatten­ abschnitte 2A daran, Wärme effizient zu erzeugen. Das be­ deutet, daß es unmöglich ist, eine schnelle Stabilisierung der Temperaturverteilung auf dem Walzenkörper 1 zu erhal­ ten.

Da die Endplattenabschnitte 2A eine geringere Effizienz im Hinblick auf die Wärmeerzeugung aufweisen als die Verbin­ dungsabschnitte 2B und die Temperatur der ersteren relativ niedriger wird, versucht der Verbindungsabschnitt 2B, thermisch zu expandieren entsprechend der thermischen Ex­ panision des Walzenkörpers 1. Da der Verbindungsabschnitt 2B durch die Endplattenabschnitte 2A begrenzt ist, der nicht in gleicher Weise thermisch expandiert, kann die Ex­ pansion nicht in erwartetem Maße eintreten. Wenn dies schließlich häufig geschieht, kann die gestellte Aufgabe für die Zusatzinduktionsspulen, die Bildung eines Spalts zwischen Walzenkörper 1 und Verbindungsabschnitten 2B zu verhindern, nicht vollständig gelöst werden.

Bei genauerer Untersuchung ist festzustellen, daß der Flanschabschnitt 2C der Endplatten 2 eine geringere Effizienz im Hinblick auf die Wärmeerzeugung hat als die Plat­ tenabschnitte 2A und daß somit der Grad der thermischen Expansion geringer ist. Daher ist die thermische Expansion der Endkanten des Walzenkörpers 1 lokal beschränkt, beson­ ders an den verschraubten Bereichen am Flansch 2C, wodurch die Kreisform des Walzenkörpers 1 beeinträchtigt wird und übergroße Spannungen in den Endplatten 2 erzeugt werden, was manchmal zu Ermüdungsbrüchen führt.

Offenbarung der Erfindung

Es ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine Induk­ tionsheizwalze zu schaffen, die einen vergrößerten Raum für die Installation von zusätzlichen Induktionsheizspulen zur Wärmeerzeugung in Endplatten vorsieht, welche die offenen Enden des Walzenkörpers verschließen, wodurch Flanschabschnitte, die mit den offenen Endkanten des Wal­ zenkörpers verbunden sind, ausreichend Wärme erzeugen.

Um die gestellte Aufgabe zu lösen, sieht die Erfindung eine Induktionsheizwalze vor, die folgende Merkmale umfaßt:

• - einen drehbaren hohlen zylindrischen Walzenkörper aus magnetischem Material
• - zwei Endteile zum Verschließen der gegenüberliegenden Enden des Walzenkörpers, die einen Antriebswellenab­ schnitt aufweisen, der mittig nach außen steht und einen axialen Durchgang aufweist,
• - Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Flusses, die eine Induktionsspule aufweisen, die um einen Eisen­ kern gewickelt ist, der zwischen den Endteilen im Hohlraum des Walzenkörpers angeordnet ist,
• - ein Paar hülsenförmige Stangen, die zur Drehlagerung von entgegengesetzten Endflächen des Eisenkerns ab­ stehen und in die Durchgänge der Wellenabschnitte hineinstehen,
• - ein Paar Zusatzmittel zur Erzeugung eines magneti­ schen Flusses, die Zusatzinduktionsspulen aufweisen, die auf ringförmige Eisenkerne gewickelt sind, die auf der Innenseite der Endteile an den Basisabschnit­ ten angebracht sind, an welchen die hülsenförmigen Lagerstangen mit dem Eisenkernkörper verbunden sind,
• - wobei die Anordnung derart ist, daß Erregerströme durch die Induktionsspule und die Zusatzinduktionsspulen geleitet werden durch eine Vielzahl von An­ schlußleitungen, die durch die hohlen Abschnitte der hülsenförmigen Lagerstangen hindurchgeführt sind, wo­ durch ein magnetischer Fluß durch den Walzenkörper und die Endteile erzeugt wird, der bewirkt, daß der Walzenkörper und die Endteile durch Wirbelströme er­ wärmt werden.

Die Induktionsheizwalze ist dadurch gekennzeichnet, daß die Endteile Verbindungskanten aufweisen, die in die ge­ genüberliegenden Öffnungen des Walzenkörpers eingefügt sind, wobei die Flanschabschnitte kontinuierlich mit den Verbindungskanten sind und geeignet, in die offenen End­ kanten des Walzenkörpers eingesetzt zu werden und daß ko­ nische im Durchmesser sich verringernde Abschnitte Vorge­ sehen sind, die integral und gemeinsam sind zwischen den Verbindungsabschnitten und den Flanschabschnitten in Rich­ tung der Wellenabschnitte und daß die axiale Länge minde­ stens eines ringförmigen Kerns der Zusatzvorrichtung für die Erzeugung eines magnetischen Flusses derartig ist, daß die ringförmigen Stirnflächen gegenüber den Basisabschnit­ ten, an denen die Eisenkerne mit dem Eisenkernkörper ver­ bunden sind, innerhalb des Bereiches der konischen Ab­ schnitte der Endteile angeordnet sind.

Gemäß der obigen Anordnung erlaubt die konische Form der Endteile die Anordnung der äußeren Enden der Zusatzinduk­ tionsspulen so zu positionieren, daß sie bis in die koni­ schen Abschnitte der Endteile sich hineinerstrecken. Dies vergrößert den Installationsraum für die Zusatzinduktions­ spulen gegenüber den Verbindungs- und Flanschabschnitten. Da die Endabschnitte konisch geformt sind, um den Zusatz­ induktionsspulen zu erlauben, in das Innere der Konen sich hineinzuerstrecken, koinzidieren die Endteile mit den Zu­ satzinduktionsspulen axial zumindest teilweise. Im Ergeb­ nis wird eine Induktionswärmeerzeugung nicht nur von den Verbindungsabschnitten und den Flanschabschnitten erhalten, sondern auch durch die entsprechenden Abschnitte der End­ teile erhalten.

Kurzfigurenbeschreibung

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer Induktionsheizwalze nach der Erfindung.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine zweite Ausführungs­ form einer Induktionsheizwalze nach der Erfindung.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch eine konventionelle Heiz­ walze.

Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung

Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird anhand von Fig. 1 beschrieben. Vorweg wird angemerkt, daß die Teile, die mit denen nach Fig. 3 übereinstimmen, mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Ein Endteil 22 ent­ sprechend einer konventionellen Endplatte weist nach der Erfindung einen Verbindungsbund 2B auf, der in jedes Ende des Walzenkörpers 1 hineinpaßt, einen Flanschabschnitt 2C und einen Hauptabschnitt 22A, der sich von dem inneren Um­ fang zum Flanschabschnitt 2C zum Wellenabschnitt 3 er­ streckt. Der Hauptabschnitt 22A ist in Form eines Kegelab­ schnitts ausgebildet und erstreckt sich von dem Walzenkör­ per aus, wobei seine Mittelachse durch den Wellenabschnitt 3 definiert ist. Das vordere Ende des konischen Abschnitts 22A geht kontinuierlich in den Wellenabschnitt 3 über, und der Bund 2B geht kontinuierlich in den Abschnitt des ko­ nischen Abschnitts mit dem größeren Durchmesser über. Das Endteil ist wie die konventionelle Endplatte aus ferromag­ netischem Material, d. h. aus Eisen. Der Bund 2B ist ein­ teilig mit dem Hauptabschnitt 22A.

Eine Zusatzinduktionsspule 23 ist auf einen ringförmigen Eisenkern 24 gewickelt, der auf einer ringförmigen Stufenfläche des Eisenkernkörpers 8 an jedem Ende sitzt, wobei das axial äußere Ende der Spule sich in das Innere des konischen Abschnitts 22A des Endteils 22 erstreckt. Die inneren Enden liegen gegenüber jeweils einem Ende des Eisenkernkörpers 8 der Vorrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Flusses. Bei dieser Vorrichtung ist die Zu­ satzinduktionsspule 23 nicht nur gegenüber dem Bund 2B und erstreckt sich über einen entsprechenden Bereich, sondern ist durch den Feldkern abgestützt, der eine axiale Länge aufweist, die sich über die axiale Lage der Flanschab­ schnitte 2C hinauserstreckt in das Innere des konischen Abschnitts 22A hinein.

Bei dieser Anordnung ist der Aufnahmeraum für die Zusatz­ induktionsspule 23, die sich in das Innere des konischen Abschnitts 22A hineinerstreckt, größer als bei der konven­ tionellen Anordnung. Dadurch bewirkt die Speisung eines Erregerstroms in die Spule und in die Hauptspule 9, daß nicht nur der Bund 2B, sondern auch der Flanschabschnitt 2C ausreichend erwärmt wird. Somit ist die Differenz in der thermischen Ausdehnung zwischen dem Walzenkörper 1 und dem Endteil 22 relativ klein und die Kreisförmigkeit des Walzenkörpers 1 kann aufrechterhalten werden.

Der Bereich des konischen Abschnitts 22A, der den größeren Durchmesser aufweist und der neben und der Zusatzinduk­ tionsspule gegenüberliegt, erzeugt ebenfalls Wärme durch Induktion mit dem Ergebnis, daß die thermische Ausdehnung wie erwartet identisch ist mit der thermischen Ausdehnung des Walzenkörpers im Bereich des Bundes 22B. Dadurch ist es möglich, die Bildung eines Spaltes zwischen Walzenkör­ per 1 und Verbindungsbund 2B zu vermeiden.

Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, in der das axial äußere Ende der Zusatzinduktionsspule 23', d. h. der Teil davon, der sich in das Innere des konischen Abschnitts 22A des Endteils hineinerstreckt, eine geneigte Außenfläche hat, die sich entsprechend der Neigung des ko­ nischen Abschnitts 22A erstreckt. Entsprechend verringert sich der Durchmesser des vorderen Endes des ringförmigen Eisenkerns 24'.

Diese Anordnung ermöglicht, die Anzahl der Windungen auf der Induktionsspule 23' zu erhöhen, die äußere Umfangsflä­ che mehr zum Bund 2B zu bringen und den Amperewindungsbe­ lag zu erhöhen. Je kleiner der Abschnitt kleineren Durch­ messers des konischen Abschnitts 22 angenähert wird, um so kleiner ist die Anzahl der Windungen auf der Hilfsinduk­ tionsspule im Querschnitt und um so kleiner ist der lokale Effekt der elektromagnetischen Induktion für den konischen Abschnitt 22A. Die Zusatzinduktionsspule 23' in dieser Form erlaubt daher eine thermische Expansion des konischen Körpers 22A, die der thermischen Expansion des Verbindungs­ bundes 2B des Endteils 22 entsprechend dem Durchmesser folgt.

Die Zusatzinduktionsspule 23 oder 23' wird zur gleichen Zeit eingeschaltet wie die Zusatzinduktionsspule der kon­ ventionellen Vorrichtung, und die Versorgung der Zusatzin­ duktionsspule wird vorzugsweise abgeschaltet, wenn die Temperatur des Walzenkörpers 1 über seine Oberfläche gleich ist.

Es wurde bisher beschrieben, daß gemäß der Erfindung In­ duktionsspulen in den Enden des Walzenkörpers in ver­ größerten Aufnahmeräumen angeordnet sind, um die Tempera­ turabfälle zu den Enden zu minimieren, ohne daß die Kreis­ form des Walzenkörpers beeinträchtigt wird und exzessive thermische Belastungen erzeugt werden.

Claims (2)

1. Induktionsheizwalze
einem drehbaren hohlen zylindrischen Walzenkörper (1) aus magnetischem Mate­ rial,
zwei Endteilen (22) zum Verschließen der gegenüberliegenden Enden des Wal­ zenkörpers, die Wellenabschnitte (3) ausweisen, die von mittigen Bereichen nach außen stehen und einen axialen Durchgang haben,
Mittel (7) zum Erzeugen eines magnetischen Flusses, die eine Induktionsspule (9) aufweisen, die um einen Eisenkern (8) gewickelt ist, der zwischen den Endteilen (22) im Hohlraum des Walzenkörpers (1) angeordnet ist,
einem Paar hülsenförmiger Stangen (5), die zur Drehlagerung von entgegenge­ setzten Endflächen des Eisenkerns (8) abstehen in die Durchgänge der Wellenab­ schnitte (3) hinein,
einem Paar Hilfsmittel zur Erzeugung eines magnetischen Flusses, die Hilfsspulen (23) aufweisen, die auf der Innenseite der Endteile (22) auf Eisenkerne (24) ge­ wickelt sind und am Basisabschnitt verbunden sind, an dem die hülsenförmigen Stangen mit dem Eisenkern (8) verbunden sind,
wobei die Anordnung derart ist, daß Erregerstrom durch die Hauptinduktionsspule (9) und die Hilfs- bzw. Zusatzinduktionsspulen (23) geleitet wird über eine Viel­ zahl von Zuleitungen, die sich durch den hohlen Abschnitt der hülsenförmigen Stangen (5) erstrecken, wodurch ein magnetischer Fluß erzeugt wird, der durch den Walzenkörper und die Endteile (22) fließt, so daß der Walzenkörper und die Endteile Wärme durch Wirbelströme erzeugen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Endteile (22) Verbindungsbunde (2B) aufweisen, die in gegenüberliegende Öffnungen des Walzenkörpers (1) eingefügt sind, wobei Flanschabschnitt (2C), die in die Verbindungsbunde übergehen und dazu gedacht sind, mit den gegenüberliegenden Endflächen des Walzenkörpers verbunden zu werden, vorgesehen sind und daß koni­ sche Abschnitte (22A), die im Durchmesser nach außen abnehmen, sich vor dem Ver­ bindungsbereich zwischen dem Verbindungsbund (2B) und dem Flanschabschnitt (2C) zu den Wellenabschnitten (3) hin erstrecken und daß die axiale Länge min­ destens einen der ringförmigen Eisenkerne (24) in der Zusatzvorrichtung zur Erzeu­ gung eines magnetischen Flusses derart ist, daß die ringförmigen Endflächen, die den Basisabschnitten gegenüberliegen, an der die Eisenkerne mit dem Eisenkernkörper (8) verbunden sind, innerhalb des Bereichs der konischen Abschnitte (22A) der Endteile angeordnet sind.

2. Induktionsheizwalze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Zu­ satzinduktionsspule (23), die sich in das Innere des konischen Abschnitts (22A) des Endteils (22) hineinersteckt, konisch geformt ist und sich entlang der inneren Um­ fangsfläche des konischen Abschnitts (22A) erstreckt.