DE202007014930U1

DE202007014930U1 - induction heater

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Publication number: DE202007014930U1
Application number: DE202007014930U
Authority: DE
Original assignee: Zenergy Power GmbH
Current assignee: Zenergy Power GmbH
Priority date: 2007-07-26
Filing date: 2007-07-26
Publication date: 2008-03-20
Anticipated expiration: 2017-07-27

Abstract

Vorrichtung mit einer supraleitenden Wicklung (60) auf einem Eisenkern (55.2, 55.3, 55.4), einer Gleichstromquelle (80) zum Erzeugen eine Gleichstromes in der Wicklung (60) und mindestens einer relativ zur Wicklung (60) drehangetriebenen Einspannvorrichtung für ein Billet (10) aus einem elektrisch leitenden Material, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des in der Wicklung (60) durch die Gleichstromquelle (80) erzeugten Gleichstroms so eingestellt ist, dass die relative Permeabilität des Eisenkerns (55.2, 55.3, 55.4) zumindest im Bereich der Wicklung (60) gegenüber dem stromlosen Zustand der Wicklung (60) reduziert ist.contraption with a superconducting winding (60) on an iron core (55.2, 55.3, 55.4), a DC power source (80) for generating a DC current in the winding (60) and at least one relative to the winding (60) Rotary clamping device for a billet (10) from a electrically conductive material, characterized in that the Value of the in the winding (60) generated by the DC power source (80) DC is adjusted so that the relative permeability of the iron core (55.2, 55.3, 55.4) at least in the region of the winding (60) relative to the de-energized state of the winding (60) is reduced.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum induktiven Erwärmen eines Billets aus einem elektrisch leitenden Werkstoff durch Relativbewegung, insbesondere Erzeugen einer Drehung zwischen dem Billet und einem Magnetfeld, das mittels mindestens einer gleichstromgespeisten supraleitenden Wicklung auf einem Eisenkern erzeugt wird.The The invention relates to a device for inductive heating of a Billets of an electrically conductive material by relative movement, in particular Generating a rotation between the billet and a magnetic field, by means of at least one DC-powered superconducting winding is generated on an iron core.

Ein solche Vorrichtung zeigt die DE 10 2005 061 670.4 . Sie umfasst ein in einer drehangetriebenen Einspannvorrichtung eingespanntes zylinderförmiges Billet mit konstanter Drehzahl, das um seine Zylinderachse in einem Magnetfeld, das mittels eines konstanten Stroms durch die supraleitende Wicklung erzeugt wird, gedreht werden. Dadurch wird in dem Billet ein weitgehend konstanter Strom induziert. In der Realität ist das Billet jedoch in der Regel nicht optimal zylindrisch und/oder nicht exakt eingespannt, so dass es nicht um seine Zylinderachse gedreht wird. Dadurch verändert sich der magnetische Fluss durch das Billet auch betragsmäßig, so dass entsprechend ein betragsmäßig nicht konstanter Induktionsstrom in dem Billet induziert wird. Der Induktionsstrom I_ind(t) alterniert mit der Drehfrequenz f, d.h. I_ind(t) = I_ind(t + f^–1). Durch den zeitlich nicht konstanten Induktionsstrom in dem Billet wird ein sich zeitlich entsprechend veränderndes Magnetfeld erzeugt, welches die supraleitende Wicklung durchdringt und dort eine Spannung induziert. Dieser Effekt wird als Rückinduktion und die entsprechende Spannung als Rückinduktionsspannung bezeichnet. Aufgrund dieser sich zeitlich verändernden Rückinduktionsspannung fließt durch die supraleitende Wicklung kein zeitlich konstanter sondern ein zeitlich variabler Strom, der zu unerwünschten Verlusten, sogenannten Rückinduktionsverlusten in der supraleitenden Wicklung führt.Such a device shows the DE 10 2005 061 670.4 , It comprises a constant speed cylindrical billet clamped in a rotary chuck, which is rotated about its cylinder axis in a magnetic field generated by the superconducting winding by means of a constant current. As a result, a largely constant current is induced in the billet. In reality, however, the billet is usually not optimally cylindrical and / or not exactly clamped so that it is not rotated about its cylinder axis. As a result, the magnetic flux through the billet also changes in terms of amount, so that a corresponding amount of non-constant induction current is induced in the billet. The induction current I _ind (t) alternates with the rotational frequency f, ie I _ind (t) = I _ind (t + f ^-1 ). Due to the temporally not constant induction current in the billet, a temporally correspondingly changing magnetic field is generated, which penetrates the superconducting winding and induces a voltage there. This effect is referred to as re-induction and the corresponding voltage as re-induction voltage. Because of this time-varying re-induction voltage flows through the superconducting winding not temporally constant but a time-variable current, which leads to undesirable losses, so-called reverse induction losses in the superconducting winding.

Ebenso wird bei der Erwärmung nicht zylindrischer, stabförmiger Billets, z.B. mit rechteckigem oder ovalem Querschnitt, durch Drehung der Billets ein ständig alternierender Induktionsstrom erzeugt, der eine entsprechend alternierende Rückinduktionsspannung und damit entsprechende Rückinduktionsverluste bewirkt.As well gets warming not cylindrical, rod-shaped Billets, e.g. with rectangular or oval cross section, by rotation the billets one constantly generated alternating induction current, which is a corresponding alternating Rear induction voltage and thus corresponding reinduction losses causes.

Zeitlich variierende Rückinduktionsspannungen und damit Rückinduktionsverluste treten unabhängig von der Form des Billets insbesondere beim Beginn und am Ende der Induktionserwärmung auf, wenn das Billet in Rotation versetzt bzw. angehalten wird. Grundsätzlich treten die Rückinduktionsverluste bei jeder Änderung der Drehgeschwindigkeit auf.chronologically varying re-induction voltages and thus reverse induction losses occur independently from the shape of the billet in particular at the beginning and at the end of the induction heating on when the billet is rotated or paused. in principle the reverse induction losses occur every change the rotational speed.

Diese Rückinduktionsverluste müssen durch eine entsprechend leistungsfähige Stromquelle ausgeglichen werden und erhöhen die für die supraleitende Wicklung notwendige Kühlleistung.These Rear induction losses have to balanced by a correspondingly powerful power source become and increase the for the superconducting winding necessary cooling capacity.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die Rückinduktionsverluste in der supraleitenden Wicklung bei Durchführung des einleitend genannten Verfahrens zu verringern.Of the The invention is based on the object the return induction losses in the superconducting winding when performing the aforementioned Reduce the procedure.

Diese Aufgabe ist durch Vorrichtungen gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 gelöst. Weiterbildungen der Vorrichtungen sind in den Ansprüchen 4 bis 11 angegeben.These The object is solved by devices according to claims 1 to 3. Further developments of Devices are in the claims 4 to 11 indicated.

Bei allen Vorrichtungen wird wenigstens ein Billet relativ zu einem Magnetfeld bewegt. Es kommt dabei nicht darauf an, ob das Magnetfeld um das Billet gedreht wird oder umgekehrt. Gemäß dem Anspruch 1 wird in der supraleitenden Wicklung ein Gleichstrom mit einem Wert erzeugt und aufrecht erhalten, der in dem Eisenkern zumindest im Bereich der Wicklung eine magnetische Flussdichte erzeugt, bei der die relative Permeabilität des Werkstoffes des Eisenkerns kleiner als im stromlosen Zustand der Wicklung ist. Weil sich die relative Permeabilität reduziert, vermindert sich die Rückinduktion und damit der Verlust in der supraleitenden Wicklung. Gleichzeitig bleibt die das Magnetfeld der Wicklung führende Wirkung des Eisenkerns erhalten. Im Ergebnis wird die Rückinduktion verringert.at all devices will have at least one billet relative to one Magnetic field moves. It does not matter if the magnetic field to turn the billet or vice versa. According to claim 1 is in the superconducting winding produces a direct current with a value and maintained in the iron core at least in the area of Winding produces a magnetic flux density at which the relative permeability the material of the iron core smaller than in the de-energized state the winding is. Because the relative permeability reduces, the reinduction decreases and thus the loss in the superconducting winding. simultaneously remains the magnetic field of the winding leading effect of the iron core receive. The result is the reverse induction reduced.

Beispielsweise können zwei identische quaderförmige Billets mit quadratischem Querschnitt, mit gleicher Winkelgeschwindigkeit jeweils um ihre Längsachsen gedreht und mit diesen Längsachsen zumindest etwa orthogonal zu den Feldlinien des von der stromdurchflossenen Wicklung erzeugten Magnetfelds ausgerichtet werden, wobei die Lage der Billets zueinander so geregelt wird, dass die beiden Billets gegeneinander um 45° um ihre parallelen Längsachsen verdreht sind, denn dann nimmt der magnetische Fluß durch das eine der beiden Billets in dem selben Maße zu, wie er durch das andere Billet abnimmt. Hat der Fluss durch das eine Billet sein Maximum erreicht, nimmt er anschließend wieder ab, wobei der Fluss durch das andere Billet im gleichen Maße zunimmt. Der summierte magnetische Fluss durch die Billets ist im Idealfall konstant. Dann löschen sich die den einzelnen Billets zuzuordnenden Rückinduktionsspannungen durch subtraktives Superponieren zumindest teilweise aus. Der gleiche Effekt, wenn auch nicht so ausgeprägt, wird erreicht, wenn z.B. zwei quaderförmige Billets mit nicht kongruenten Querschnittsflächen gleichzeitig erwärmt werden. Dies gilt insbesondere für quaderförmige Billets mit ausgeprägtem Rechteckquerschnitt.For example can two identical cuboid Billets with square cross section, with the same angular velocity each about their longitudinal axes rotated and with these longitudinal axes at least approximately orthogonal to the field lines of the current flowing through Winding magnetic field to be aligned, the location the billets to each other is regulated so that the two billets against each other at 45 ° their parallel longitudinal axes are twisted, because then the magnetic flux goes through one of the two billets to the same extent as he did by the other Billet decreases. Does the flow through the one billet have its maximum reached, he then takes again, whereby the flow increases by the other billet to the same extent. The summed magnetic flux through the billets is ideally constant. Then delete the return voltages to be assigned to the individual billets subtractive superposition at least partially. The same Effect, though not so pronounced, is achieved when e.g. two cuboid Billets are heated with non-congruent cross-sectional areas simultaneously. This is especially true for cuboid Billets with pronounced Rectangular cross-section.

Nach einer weiteren Lösung kann bei gleichzeitigem induktiven Erwärmen von zwei oder mehr Billets durch Drehen in einem von einer gleichstromgespeisten supraleitenden Wicklung erzeugten Magnetfeld die Relativbewegung der Billets zuein ander so geregelt werden, dass die von den zeitlich veränderlichen Induktionsströmen der Billets erzeugten Rückinduktionsspannungen subtraktiv superponieren. Auch bei dieser Lösung geht es darum, die Billets in einem Magnetfeld so zu drehen, dass deren summierte Projektionsfläche zumindest weitgehend konstant ist. Durch die Regelung der Bewegung der Billets relativ zueinander kann alternativ oder optional die sich aufgrund ändernder Rotationsgeschwindigkeiten der einzelnen Billets relativ zu dem Magnetfeld summierte zeitliche Änderung des magnetischen Flusses durch die Billets minimiert werden.According to another solution, with simultaneous inductive heating of two or more billets by rotating in a magnetic field generated by a dc superconducting winding, the relative movement of the billets zuein other be controlled so that generated by the time-varying induction currents of the billets Subtractively superposing reinduction voltages. This solution also involves turning the billets in a magnetic field in such a way that their summed projection surface is at least largely constant. By controlling the movement of the billets relative to one another, alternatively or optionally, the time-related change in the magnetic flux through the billets, summed up due to changing rotational speeds of the individual billets relative to the magnetic field, can be minimized.

Beispielsweise können zwei vorzugsweise identische, z.B. zylindrische um ihre jeweilige Längsachse gedrehte Billets gegensinnig und vorzugsweise mit betragsmäßig gleicher Winkelgeschwindigkeit gedreht werden. Dadurch haben die den einzelnen Billets zuzuordnenden Rückinduktionen beim Start und am Ende der Erwärmung, d.h. beim Anfahren bzw. beim Stoppen der Drehbwegung, verschiedene Vorzeichen, so dass im Idealfall beim Starten und beim Stoppen eine Auslöschung der effektiven Rückinduktionsspannung in der Wicklung durch subtraktives Superponieren der den einzelnen Billets zuzuordnenden Rückinduktionsspannungen erfolgt.For example can two preferably identical, e.g. cylindrical around their respective longitudinal axis Turned billets in opposite directions and preferably with the same amount Angular speed to be rotated. This will have the individual billets attributable back inductions at the start and at the end of the warming, i.e. when starting or when stopping Drehbwegung, different signs, so that ideally when starting and stopping an extinction of effective reverse induction voltage in the winding by subtractive superposition of the individual Billets attributable to reverse induction stresses he follows.

Sofern die Querschnitte der Billets Symmetrien besitzen, lassen sich diese gezielt ausnutzen. Beispielsweise kann man ein erstes der zylindrischen Billets aus obigem Beispiel gegen ein stabförmiges mit quadratischem Querschnitt ersetzen und das zweite zylindrische Billet durch ein stabförmiges Billet mit regelmäßigem oktaedrischem Querschnitt ersetzen. Nun wird das erste Billet mit betragsmäßig doppelter Winkelgeschwindigkeit wie das zweite und gegensinnig zu diesem gedreht. Unabhängig von der Form sind die Billets vor dem Start der Drehung vorzugsweise so gegeneinander auszurichten, daß der magnetische Fluß mit Start der Drehbewegung durch beide Billets entweder zunächst zunimmt oder zunächst abnimmt. Vorzugsweise sind beim Start der Drehbewegung die Projektionsflächen der beiden Billets auf eine Ebene senkrecht zum magnetischen Fluss beide maximal oder beide minimal. Werden die beiden Billets gleichsinnig gedreht (bei betragsmäßig unverändertem Verhältnis der Winkelgeschwindigkeiten zueinander), sind die Billets vor dem Start so auszurichten, dass mit dem Start der Drehbwegung der magnetische Fluß durch eines der Billets zunächst abnimmt und durch das andere zunächst zunimmt. In diesem Fall ist beim Start der Drehbewegung die Projektionsfläche eines Billets vorzugsweise maximal und die Projektionsfläche des anderen Billets minimal. In beiden Fällen verändert sich der magnetische Fluß durch die beiden Billets gegenläufig, so dass die den einzelnen Billets zuzuordnenen Rückinduktionsspannungen unterschiedliche Vorzeichen haben und subtraktiv superponieren.Provided the cross sections of the billets have symmetries, they can be exploit selectively. For example, you can get a first of the cylindrical billets from the above example against a rod-shaped with square cross-section replace and replace the second cylindrical billet with a rod-shaped billet regular octahedral Replace cross section. Now the first billet with double the amount Angular velocity as the second and opposite to this turned. Independently from the form the billets are preferable before the start of rotation align with each other so that the magnetic flux with start the rotational movement through both billets either initially increases or first decreases. Preferably, at the start of the rotary motion, the projection surfaces of the both billets on a plane perpendicular to the magnetic flux both maximum or both minimal. Will the two billets be in the same direction? rotated (with unchanged amount relationship the angular velocities to each other), the billets are in front of the Start aligning so that with the start of Drehbwegung the magnetic Flow through one of the billets first decreases and through the other first increases. In this case, at the start of the rotary motion, the projection surface of a Billets preferably maximum and the projection area of the other billets minimal. In both cases, the magnetic changes Flow through the two billets in opposite directions, so that the individual billets assigned return induction voltages different Have signs and subtractively superpose.

Als supraleitende Wicklung kann beispielsweise ein bandförmiger Hochtemperatursupraleiter (HTSL) verwendet werden. Als HTSL werden z.B. Kuprat-Supraleiter bezeichnet, d.h. Seltenerd Kupfer-Oxide, wie z.B. YBa₂Cu₃O_7-x.As a superconducting winding, for example, a band-shaped high-temperature superconductor (HTSC) can be used. As HTSC, for example, cuprate superconductors are referred to, ie rare earth copper oxides, such as YBa ₂ Cu ₃ O _7-x .

Der Wert des Gleichstroms kann durch eine an die Wicklung angeschlossene, geregelte Stromquelle zumindest im Wesentlichen konstant gehalten werden. Aufgrund der geringen Rückinduktion kann diese Konstantstromquelle einen geringeren Regelungsbereich haben und damit kostengünstiger als bei Durchführung des Verfahrens nach dem Stand der Technik sein.Of the Value of direct current can be connected to a winding connected to the winding regulated power source are kept at least substantially constant. Due to the low reverse induction This constant current source can have a smaller control range have and therefore cheaper as when performing of the method according to the prior art.

Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 hat eine supraleitende Wicklung auf einem Eisenkern, eine Gleichstromquelle zum Erzeugen eines Gleichstroms in der Wicklung, mindestens eine Einspannvorrichtung für ein Billet aus einem elektrisch leitenden Material und einen Drehantrieb zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Wicklung und der Einspannvorrichtung. In einer Ausführungsform ist der Wert des in der Wicklung durch die Gleichstromquelle erzeugten Gleichstroms so eingestellt, dass die relative Permeabilität des Eisenkerns zumindest im Bereich der Wicklung gegenüber dem stromlosen Zustand der Wicklung reduziert ist.The Device according to claim 1 has a superconducting winding on an iron core, a DC source for generating a direct current in the winding, at least one Clamping device for a billet of an electrically conductive material and a rotary drive for generating a relative movement between the winding and the clamping device. In one embodiment is the value of the current generated in the winding by the DC source DC adjusted so that the relative permeability of the iron core at least in the region of the winding relative to the de-energized state the winding is reduced.

Hat die Vorrichtung mindestens eine weitere drehangetriebene Einspannvorrichtung, so können die Einspannvorrichtungen optional oder alternativ gegensinnig und vorzugsweise mit betragsmäßig etwa gleicher Winkelgeschwindigkeit angetrieben sein (Anspruch 2). Beispielsweise können die Einspannvorrichtungen über entsprechend geregelte Antriebsmotoren verfügen. Alternativ können auch mindestens zwei Einspannvorrichtungen mit einem gemeinsamen Motor angetrieben werden. Ein Getriebe mit gegensinnig und mit betragsmäßig gleicher Winkelgeschwindigkeit laufenden Abtrieben überträgt die Motorleistung auf die Einspannvorrichtungen.Has the device at least one further rotationally driven clamping device, so can the Clamping devices optionally or alternatively in opposite directions and preferably with amount approximately be driven at the same angular velocity (claim 2). For example can the jigs over have correspondingly regulated drive motors. Alternatively, at least two jigs driven by a common motor become. A gearbox with opposite direction and with the same angular velocity running drives transmits the engine power on the jigs.

Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung Mittel zum Bestimmen der von den zeitlich variierenden Induktionsströmen in den Billets jeweils hervorgerufenen Rückinduktionsspannungen haben. Durch eine Steuerung, welche die zuvor bestimmten Rückinduktionsspannungen auswertet, werden die Drehantriebe der Einspannvorrichtungen so gesteuert, dass die jeweils von den Billets hervorgerufenen Rückinduktionsspannungen subtraktiv superponieren (Anspruch 3). Beispielsweise kann die Lage der Billets zueinander und/oder die Relativbewegung der Billets zueinander durch die Steuerung geregelt werden.alternative or additionally For example, the device may include means for determining the time varying one induced currents have in the billets respectively induced re-induction voltages. By a controller which evaluates the previously determined return induction voltages, the rotary drives of the jigs are controlled so that each of the billets induced re-induction voltages superposing subtractive (claim 3). For example, the location the billets to each other and / or the relative movement of the billets controlled by the controller.

Der verwendete Eisenkern kann im einfachsten Fall ein Stab sein (Anspruch 6). An beiden Enden des Stabes kann ein Billet relativ zu dem aus dem Stab austretenden Magnetfeld bewegt, insbesondere gedreht werden. Der magnetische Rückschluss erfolgt durch den freien Raum.The iron core used can be a rod in the simplest case (claim 6). At both ends of the rod, a billet may be moved relative to the magnetic field exiting the rod, in particular to be turned around. The magnetic inference takes place through the free space.

Besser kann der verwendete Eisenkern ein näherungsweise C-förmiges Joch sein (Anspruch 7). Ein solcher Eisenkern ermöglicht eine gute Führung des magnetischen Flusses durch ein zu erwärmendes Billet. Im Vergleich zum Stab erfolgt auch der magnetische Rückschluss durch den Eisenkern.Better the iron core used can be an approximately C-shaped yoke be (claim 7). Such an iron core allows good guidance of the magnetic flow through a billet to be heated. Compared to the rod is also the magnetic return through the iron core.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der Eisenkern ein etwa E-förmiges Joch mit je einem Luftspalt zwischen dem Mittelschenkel und dem jeweiligen Endschenkel zur Aufnahme je eines Billets. Die Wicklung ist vorzugsweise auf dem Mittelschenkel angeordnet (Anspruch 8). Ein solcher Eisenkern ermöglicht mit nur einer Wicklung gleichzeitig zwei Billets zu erwärmen und auch den magnetischen Rückfluss durch den Eisenkern zu führen. Dazu wird in jedem der Luftspalte je ein Billet relativ zum Magnetfeld bewegt, z.B. in dem Luftspalt gedreht.To a preferred embodiment the iron core is an approximately E-shaped Yoke, each with an air gap between the middle leg and the respective end legs for receiving a billet. The winding is preferably arranged on the middle leg (claim 8). Such an iron core allows to heat two billets with just one winding at a time and also the magnetic reflux through the iron core. For this purpose, in each of the air gaps per a billet relative to the magnetic field moves, e.g. turned in the air gap.

Vorzugsweise besteht der Eisenkern zumindest teilweise aus geschichteten Blechen (Anspruch 9). Dadurch werden mögliche Wirbelströme in dem Eisenkern reduziert. Entsprechend sinkt die den Eisenkern erwärmende Wirbelstromverlustleistung und die Maßnahmen zur Kühlung des Eisenkerns können geringer ausfallen. Gleichzeitig wird der mögliche Wärmeeintrag vom Eisenkern auf die supraleitende Wicklung reduziert.Preferably the iron core consists at least partially of layered sheets (Claim 9). This will become possible eddy currents reduced in the iron core. Accordingly, the iron core sinks heated Eddy current power loss and the measures for cooling the Iron core can be smaller fail. At the same time, the possible heat input from the iron core reduces the superconducting winding.

Besonders bevorzugt sind die Bleche zumindest teilweise etwa orthogonal zu der Ebene geschichtet, in der der in dem Billet induzierte Strom zum überwiegenden Teil fließt (Anspruch 10). Dies ermöglicht eine gute Führung des Magnetfeldes bei geringen Wirbelstromverlusten.Especially Preferably, the sheets are at least partially approximately orthogonal to layered in the plane in which the current induced in the billet for the most part Part flows (Claim 10). this makes possible a good guide the magnetic field with low eddy current losses.

Vorzugsweise wird der Querschnitt im Bereich der Wicklung kleiner als außerhalb der Wicklung gewählt. Dadurch wird die Rückinduktion nochmals verringert (Anspruch 11).Preferably the cross-section becomes smaller in the area of the winding than outside the winding chosen. This will cause the reverse induction again reduced (claim 11).

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung weiter erläutert. Es zeigt jeweils schematisch vereinfacht und beispielhaft:Based the drawing, the invention will be further explained. It shows each schematically simplified and exemplary:

1 die Ansicht eines Induktionsheizers, 1 the view of an induction heater,

2a ein Magnetsystem eines Induktionsheizers mit einem stabförmigen Eisenkern, 2a a magnet system of an induction heater with a rod-shaped iron core,

2b eine Seitenansicht des Magnetsystems aus 2a, 2 B a side view of the magnet system 2a .

3a ein Magnetsystem mit einem C-förmigen Joch als Eisenkern, 3a a magnet system with a C-shaped yoke as the iron core,

3b das Magnetsystem aus 3a in der Frontansicht, 3b the magnet system off 3a in the front view,

4a ein Magnetsystem mit einem E-förmigen Joch als Eisenkern, 4a a magnet system with an E-shaped yoke as iron core,

4b das Magnetsystem aus 4a in der Frontansicht und 4b the magnet system off 4a in front view and

5 ein Beispiel der Rückinduktionsspannung als Funktion des Wicklungsstroms. 5 an example of the return induction voltage as a function of the winding current.

Der Induktionsheizer in 1 dient zum Erwärmen eines Billets 10 durch Drehen des Billets 10 in einem durch ein Magnetsystem 50 erzeugten Magnetfeld. Dazu ist das Billet 10 zwischen einem rechten und einem linken Andruckelement 2a bzw. 2b einer Einspannvorrichtung eingespannt und durch einen Motor 1 drehangetrieben. Ein Getriebe 3 verbindet die Motorwelle mit der Welle der in Richtung der beidseitigen Pfeile verschiebbaren Einspannvorrichtung 2a.The induction heater in 1 serves to heat a billet 10 by turning the billet 10 in one by a magnet system 50 generated magnetic field. This is the billet 10 between a right and a left pressure element 2a respectively. 2 B clamped by a jig and by a motor 1 rotatably driven. A gearbox 3 connects the motor shaft with the shaft of the displaceable in the direction of the double-sided arrows jig 2a ,

Das Magnetsystem 50 kann, wie in 2a und 2b stark vereinfacht gezeigt, eine gleichstromgespeiste supraleitende Wicklung 60 auf einem stabförmigen Eisenkern 55.2 umfassen. Zwischen der Wicklung 60 und den Eisenkern 55.2 ist ein Isolationselement 61, z.B. ein vakuumierter Hohlraum, welches den Wärmeeintrag in die Wicklung 60 reduziert (nur 2b). Der stabförmige Eisenkern 55.2 führt das durch die gleichstromgespeiste Wicklung 60 erzeugte Magnetfeld (nicht dargestellt), welches an den beiden Stirnflächen 56.2, 57.2 des Eisenkerns 55.2 wie aus einer Linse austritt und über einen Luftspalt in die dort befindlichen Billets 10 eintritt. Werden die Billets 10 in dem Magnetfeld bewegt, z.B. gedreht, so verändert sich der magnetische Fluss relativ zum Billet 10 und es wird ein Induktionsstrom in dem Billet 10 induziert. Der Induktionsstrom in den Billets 10 wiederum erzeugt ein weiteres Magnetfeld, welches mit dem von der Wicklung erzeugten Magnetfeld superponiert und eine Spannung in der Wicklung 60 rückinduziert. Um die supraleitende Wicklung 60 mit optimalem Wirkungsgrad zu betreiben, ist die zeitliche Variation des durch die Wicklung 60 fließenden Stromes vorzugsweise Null, d.h. I . / wi(t) = 0. Durch die zeitlich in der Regel nicht konstante rückinduzierte Spannung gilt jedoch I . / wi(t) ≠⁣ 0. Die Rückinduktion kann reduziert werden, in dem die Wicklung 60 mit einem Gleichstrom gespeist wird, der die relative Permeabilität vorzugsweise bis kurz vor den Sättigungsbereich senkt. Wenn dann das von dem Induktionsstrom erzeugte Magnetfeld mit dem von der Wicklung 60 erzeugten Magnetfeld additiv superponiert, wird die zusätzliche Feldstärke aufgrund der geringen relativen Permeabilität des Eisenkerns 55.2 nicht oder nur schlecht von dem Eisenkern 55.2 zu der Wicklung 60 geführt, sondern breitet sich im Wesentlichen „ungeführt" aus. Entsprechend kleiner ist die Änderung des magnetischen Flusses durch die Wicklung 60 und somit die rückinduzierte Spannung.The magnet system 50 can, as in 2a and 2 B shown in simplified form, a DC-powered superconducting winding 60 on a rod-shaped iron core 55.2 include. Between the winding 60 and the iron core 55.2 is an isolation element 61 , For example, a vacuum-sealed cavity, which is the heat input into the winding 60 reduced (only 2 B ). The rod-shaped iron core 55.2 This leads through the DC-powered winding 60 generated magnetic field (not shown), which at the two end faces 56.2 . 57.2 of the iron core 55.2 as it emerges from a lens and an air gap in the billets located there 10 entry. Will the billets 10 moved in the magnetic field, eg rotated, the magnetic flux changes relative to the billet 10 and there will be an induction current in the billet 10 induced. The induction current in the billets 10 in turn, generates another magnetic field, which superimposes with the magnetic field generated by the winding and a voltage in the winding 60 back induced. To the superconducting winding 60 to operate with optimum efficiency, is the temporal variation of the through the winding 60 flowing current preferably zero, ie I. / wi (t) = 0. However, due to the generally not constant back-induced voltage, I is valid. / wi (t) ≠ ⁣ 0. The re-induction can be reduced in which the winding 60 is fed with a direct current, which preferably lowers the relative permeability to just before the saturation region. Then, when the magnetic field generated by the induction current with that of the winding 60 The magnetic field produced is superimposed on the additional field strength due to the low relative permeability of the iron core 55.2 not or only badly from the iron core 55.2 to the winding 60 but essentially propagates "unguided." Correspondingly smaller is the change in the magnetic flux through the winding 60 and thus the back-induced stress.

In einer anderen Ausführungsform kann das Magnetsystem 50 im Wesentlichen aus einem C-förmigen Eisenkern 55.3 mit einer vorzugsweise HTSL-Wicklung 60 bestehen (3a und 3b).In another embodiment, the magnet system 50 essentially a C-shaped iron core 55.3 with a preferably HTS winding 60 consist ( 3a and 3b ).

Die Wicklung 60 wird von einer geregelten Gleichstromquelle 80 gespeist. Der Eisenkern führt das so erzeugte Magnetfeld, das durch die schwarzen Pfeile symbolisiert wird (nur 3b). Anders als bei der Ausführungsform nach 2 erfolgt der magnetische Rückschluss nicht durch den freien Raum sondern durch den Schenkel 57.3 (3b). Zwischen den beiden Schenkeln 56.3, 57.3 des Eisenkerns 55 befindet sich mindestens ein zu erwärmendes Billet 10. Anders als dargestellt, ist das zu erwärmende Billet 10 in der Regel nicht exakt zylindrisch und wird meist auch nicht exakt um seine Zylinderachse gedreht. Entsprechend variiert die vom magnetischen Fluss durchsetzte Fläche des Billets 10 und damit die Rückinduktion, wodurch auch der Strom durch die supraleitende Wicklung variiert. Wie schon zuvor beschrieben, wird die Rückinduktion durch entsprechende Wahl des Wertes des Gleichstroms, mit dem die Wicklung 60 gespeist wird, reduziert. Die Schnittfläche des Eisenkerns 55.3 rechtwinklig zu dem durch die schwarzen Pfeile symbolisierten Magnetfeld ist im Bereich der Wicklung 60 im Vergleich zu den entsprechenden Flächen der Schenkel 56.3, 57.3 reduziert. Zu erkennen ist die verringerte Dicke d_wi des Eisenkerns im Bereich der Wicklung im Vergleich zur Dicke d_f der freien Schenkel. Dadurch wird die relative Permeabilität des Eisenkerns im Bereich der Wicklung nochmals reduziert.The winding 60 is powered by a regulated DC source 80 fed. The iron core carries the magnetic field thus generated, which is symbolized by the black arrows (only 3b ). Unlike the embodiment according to 2 The magnetic conclusion is not through the free space but through the leg 57.3 ( 3b ). Between the two thighs 56.3 . 57.3 of the iron core 55 there is at least one billet to be heated 10 , Other than shown, is the billet to be heated 10 usually not exactly cylindrical and is usually not exactly rotated about its cylinder axis. Accordingly, the area of the billet penetrated by the magnetic flux varies 10 and thus the reverse induction, whereby the current through the superconducting winding varies. As previously described, the reverse induction is achieved by appropriate choice of the value of the direct current with which the winding 60 is fed, reduced. The cut surface of the iron core 55.3 perpendicular to the magnetic field symbolized by the black arrows is in the area of the winding 60 compared to the corresponding areas of the legs 56.3 . 57.3 reduced. Evident is the reduced thickness d _{wi of} the iron core in the region of the winding in comparison to the thickness d _{f of} the free legs. This further reduces the relative permeability of the iron core in the region of the winding.

Alternativ kann der Eisenkern 55.4, wie in 4a und 4b gezeigt, auch E-förmig sein. Zwischen den freien Schenkeln 71 und 72 bzw. 72 und 73 ist je eine Tasche, in die ein Billet 10 eingebracht ist. Auf dem mittleren freien Schenkel 72 sitzt eine Spule mit einer HTSL-Wicklung 60, die von einer nur in 4b dargestellten geregelten Gleichstromquelle 80 gespeist wird. Im Wesentlichen besteht der Eisenkern 55.4 aus geschichteten Blechen 58, die orthogonal zu der Ebene geschichtet sind, in der der in den Billets 10 induzierte Strom fließt.Alternatively, the iron core 55.4 , as in 4a and 4b shown, also be E-shaped. Between the free thighs 71 and 72 respectively. 72 and 73 is ever a bag in which a billet 10 is introduced. On the middle free thigh 72 a coil sits with a HTS winding 60 from a just in 4b shown regulated DC power source 80 is fed. Essentially, the iron core exists 55.4 from layered sheets 58 which are layered orthogonal to the plane in which the in the billets 10 induced current flows.

5 zeigt die berechnete Rückinduktionsspannung U_ind in Volt als Funktion des Wicklungsstromes I_wi ausgehend von 120 kW Heizleistung durch Drehung eines Billets im Feld einer Wicklung auf einem Eisenkern, die 3000 Windungen hat, bei einer gleichmäßigen Änderung der Drehfrequenz des Billets relativ zur Wicklung innerhalb 1s um 8Hz. Für kleine Ströme (z.B. I_wi ≈ 50 A) hat die Rückinduktionsspannung ihr betragsmäßiges Maximum von etwa 220 V. Mit zunehmendem Strom I_wi nimmt die Rückinduktion zunächst betragsmäßig stark ab. Eine Erhöhung des Stroms I_wi um beispielsweise etwa 15 A auf I_wi ≈ 65 A verringert die Rückinduktionsspannung U_ind betragsmäßig um rund 100 V. 5 shows the calculated return induction voltage U _ind in volts as a function of the winding current I _wi from 120 kW heating power by rotation of a billet in the field of a winding on an iron core having 3000 turns with a uniform change of the rotational frequency of the billet relative to the winding within 1 s 8 Hz. For small currents (eg, I _wi ≈ 50 A), the reinduction voltage has its maximum value of about 220 V. As the current I _wi increases, the reinduction initially decreases greatly in magnitude. An increase in the current I _wi for example, about 15 A to I _wi ≈ 65 A lowers the back-induction voltage U _ind magnitude to approximately 100 V.

Oberhalb von etwa 80 A bewirkt eine weitere Erhöhung des Stroms nur eine vergleichsweise geringe Verringerung der Rückinduktionsspannung U_ind _. Beispielsweise bewirkt eine Erhöhung des Stroms I_wi von etwa 80 A auf etwa 100 A lediglich eine Verringerung der Rückinduktionsspannung um ca. 20 V. Der optimale Betriebsbereich für den Induktionsheizer liegt zwischen etwa 60 A (~ 180.000 Ampèrewindungen) und etwa 80 A (~ 240.000 Ampèrewindungen) insbesondere bei etwa 70 A (~ 210.000 Ampèrewindungen), denn dann hat die relative Permeabilität des Eisenkerns einen Wert, der nur noch eine vergleichsweise geringe Rückinduktion zulässt, aber gleichzeitig noch ausreicht damit der Eisenkern das von der supraleitenden Wicklung erzeugte Magnetfeld zu dem Billet führt.Above about 80 A causes a further increase in the current only a relatively small reduction of the return induction voltage U _ind _. For example, increasing the current I _wi from about 80 A to about 100 A merely reduces the reinduction voltage by about 20 V. The optimum operating range for the induction heater is between about 60 A (~ 180,000 ampere-turns) and about 80 A (~ 240,000 Ampèrewindungen) in particular at about 70 A (~ 210,000 Ampèrewindungen), because then the relative permeability of the iron core has a value that allows only a relatively low reinduction, but at the same time still sufficient so that the iron core generated by the superconducting winding magnetic field to the billet leads.

Claims

Device with a superconducting winding ( 60 ) on an iron core ( 55.2 . 55.3 . 55.4 ), a DC power source ( 80 ) for generating a direct current in the winding ( 60 ) and at least one relative to the winding ( 60 ) Rotary Clamping Device for a Billet ( 10 ) of an electrically conductive material, characterized in that the value of the in the winding ( 60 ) by the DC power source ( 80 ) is adjusted so that the relative permeability of the iron core ( 55.2 . 55.3 . 55.4 ) at least in the area of the winding ( 60 ) compared to the currentless state of the winding ( 60 ) is reduced.

Device with a superconducting winding ( 60 ) on an iron core ( 55.2 . 55.3 . 55.4 ), a DC power source ( 80 ) for generating a direct current in the winding ( 60 ) and at least two relative to the winding ( 60 ) rotationally driven clamping devices, each containing a billet ( 10 ) is clamped from an electrically conductive material, characterized in that the clamping devices are driven in opposite directions.

Device with a superconducting winding ( 60 ) on an iron core ( 55.2 . 55.3 . 55.4 ), a DC power source ( 80 ) for generating a direct current in the winding ( 60 ) and at least two relative to the winding ( 60 ) rotationally driven clamping devices, each containing a billet ( 10 ) is clamped from an electrically conductive material, characterized in that the device comprises means for determining the time-varying induction currents in the billets ( 10 ) each having induced Rückinduktionsspannungen and a controller which controls the rotary actuators of the Einspannvorichtungen so that the respective caused Subtractively superposing reinduction voltages.

Apparatus according to claim 2 or 3, characterized that the clamping devices with magnitude at least about the same Angular velocity are driven.

Device according to one of claims 2 to 4, characterized in that the value of the in the winding ( 60 ) by the DC power source ( 80 ) is adjusted so that the relative permeability of the iron core ( 55.2 . 55.3 . 55.4 ) at least in the area of the winding ( 60 ) compared to the currentless state of the winding ( 60 ) is reduced.

Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the iron core ( 55.2 ) is rod-shaped.

Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the iron core ( 55.3 ) is an approximately C-shaped yoke.

Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the iron core ( 55.4 ) an approximately E-shaped yoke, each with an air gap for receiving a billet ( 10 ) between the middle leg ( 72 ) and the respective end leg ( 71 . 72 ) and that the winding on the middle leg ( 72 ) is arranged.

Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the iron core ( 55.4 ) at least partially from layered sheets ( 58 ) consists.

Apparatus according to claim 9, characterized in that the sheets ( 58 ) are at least partially layered approximately orthogonal to the plane in which the in the billet ( 10 ) induced current flows for the most part.

Device according to one of claims 1 to 9 or 10, characterized in that the iron core ( 55.3 ) in the area of the winding ( 60 ) a smaller cross-section than outside the winding ( 60 ) Has.