DE2263675C3 - Hochfrequenztransformator für Induktionsheizungsanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenztransformator for Induktionsheizungsanlagen mit koaxial tueinander angeordneter, im wesentlichen zylindrischer Primär- und Sekundärwicklung und einer von der Primärwicklung umschlossenen Innenkammer mit Ciftem darin angeordneten axial verschiebbaren Kern aus hochpermeablem Material und einer Kühlvorrichtung far den Kern.

Der erfindungsgemäße Hochfrequenztransformator ist insbesondere für Induktionsheizungsanlagen bestimmt, die zur Härtung der Ventilsitze von Zylinderköpfen mit Hilfe von Induktoren verwendet werden.

PQr die induktive Erhitzung von Werkstücken ist aus der Dt-PS S 08 260 seit langem ein transformator der eingangs genannten Art bekannt, bei welchem im inneren der von der Sekundärwicklung umschlossenen Primärwicklung ein Eisenkern angeordnet ist Der Eisenkern ist aus Dynamoblech gefertigt Um die entstehende Wärme abzufönren, ist der Eisenkern mit Kupferble-, chen durchsetzt, weieHe in Kahifohnen enden, die durch ein Kühlmittel, wie mft oder Wasser, gekühlt werden. Zur Einstellung der magnetischen Kopplung ist der S Eisenkern in der von der Primär- und Sekundärwicklung gebildeten Spule axial verschiebbar.

Aus der US-PS 2856499 ist eine veränderliche Hochfrequenzdrossel für Induktionsheizungsanlagen bekannt, deren axial versehieblicher Rein aus einem

ίο geschlossenen, niehtmagnetischeri Gehäuse besteht, in welchem eine Vielzahl stabfSrmiger Kernelemente aus höchpenneitbleih Material in dichter Packung angeordnet ist Zur Kühlung des Kerns ist das Gehäuse mit einem KüMmitteifelnlaß und -auslaß für ein durch das behause zirkulierendes, die Kettielemente umspülendes Kühlmittel versehen.

Ent induktor mit tSideih Innenkern, der aus einem geschlossenen, mit Kühlmittefeinlaß und -auslaß versehenen Gehäuse und darin in dichter Packung angeordne-

2ti ten Ferritstäben besteht ist auch aus der FR-PS 12 26 854 bekannt

Schließlich ist es aus der FR-PS 1344084 bekannt, zur induktiven Erhitzung von Kunststoff-Extrudern oder sonstigen Geräten die auf einem nichtmagnetisehen fe'antel sitzenden Induktionsspulen in einem Käfig anzuordnen, der aus einer Vielzahl dicht nebeneinander angeordneter, eine geschlossene Ummantelung bildender Stäbe aus ferromagnetischem Material besteht die mit ihren Enden in Ringnuten von Ringflansehen gehalten sind. Die Spulen umschließen den zu erwärmenden Extruder od. dgl

Die in der Vergangenheit für Induktionsheizungsund -härteanlagen bei Betriebsfrequenzen aber 15 kHz verwendeten Hochfrequenztransformatoren enthielten kein hochpermeablrs Material weil hier die Hystereseverluste während cks Hochfrequenzbetriebes in einem solchen Material unzuläßige Erwärmungen verursachen. Außerdem erwies sich hivr als nachteilig, daß es nicht ohne weiteres möglich war. die Energieabgabe des Hochfrequenztransformator» zu justieren, wenn sich die Lastbedingungen Indern. Diese Justierung der Ausgangsleistung des transformator« wahrend des Betriebs konnte bisher bei InduktionshUrteanlagen nicht in befriedigender Weise bewerkstelligt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Hochfrequenztransformator der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sich bei gutem Wirkungsgrad ein vergleichsweise einfacher Aufbau des transformator* und insbesondere seines Kerns bei äußerst wirksamer Kühlung

so desselben und bei veränderlicher Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwicklung ergibt

Der erfindungsgemäße Hochfrequenztransformator ist dadurch gekennzeichnet, daß in der von Isolierstoß begrenzten Innenkammer ein der Form dieser Innen-

SS kammer angepaßtes, geschlossene« und nichtmagnetisches Gehäuse für den Kern vorgesehen ist, in welchem eine Vielzahl stabförmiger Kernelemente hoher Permeabilität nur über die Innenseite der äußeren Gehäusewand verteilt und an diese angrenzend angeordnet

sind und sich axial zur Primär· und Sekundärwicklung erstrecken, und daß das Gehäuse mit einem Kühlmitteleinlaß und -auslaß für ein den gesamten Innenräum des Gehäuses durchströmendes und die stabförmigen Kernelemente direkt umspülendes Kühlmittel versehen ist

Während, wie erwähnt, in der Vergangenheit die füi lhdukttohShärteanlagen Verwendeten Hochfrequenz' transformatoren mit mehr als 15 kHz Betriebsfrequena

|ein perraeables Material enthielten, Weil die HystereseVerfuste wlhreoddes Hochfi^qiienzbetriebs unzulässige Emiuroungert verursachen, and bei dein erfindüngsgemäßen liocfiffeqiienziransftMTnator, der eine Pninarwiddang^ant vielen Windungen und eine sie umschließende enfcpndige Selamdärwfcklung aufweist, die magnetischen Verluste irt dem im Inneren 4^er Primärwicklung angeordneten Kern nicht übermäßig hoch, so daß gegenüber den bfstier IBr die genannten Zwecke verwendeten Transforniatoren cine wesentiicfi wirksaniere magnetische Kopplung der Primär- und Seitab· dlrwickhing und däriiii aücB ein höherer Wirkungsgrad erreicht wiri Dabei zeichnet sich der ftern flurcb einen besonders einfachen tind ϊπϊ Hinblick auf die Justierung der magnetischerf RÖppliAg und die Kühlung der Keinelemenfe zwecKdieMifieri ÄüfBau aus. Öa die 5tabfönhTgen lterneiSm^te nur Über den lAricrturiifang des Gehäuses verteilt sind und demzufolge keine den Gehäuseinnenraum nahezu vollständig ausfüllende dichte Packung bilden, läßt sich eine besonders wirksame Kühlung der von dem Kühlmittel umspülten Kernelemente erreichen. Eine Überhitzung der Kernelemente bei den hohen Betriebsfrequenzen, wie sie für das Induktionshärten von Ventilsitzen u.dgl. vorgesehen werden, ist daher nicht zu befürchten. Die stabforirrigen Kernelemente können in einfacher Weise in den jeweils erforderlichen Abmessungen von StandardstS-ben abgelängt werden. Der Einbau der Kernelenttinte läßt sich ebenfalls in einfacher Weise bewerkstelligen. Es empfiehlt sich, an dem Gehäuse in Nähe seiner umfangsseitigen Gehäusewand Halterungen für die stabförmigen Kernetemente anzuordnen. Vorzugsweise weist das Gehäuse an seinen gegenüberliegenden Seiten Verschlußplatten auf, an denen die Halterungen für die stabförmigen Kernelemente angeordnet sind. Die Halterungen werden zweckmäßig von in das Gehäuseinnere vorspringenden Flanschen od. dgl. gebildet, welche Einstecknuten bilden, in welche die stabförmigen Kernelemente mit ihren Enden einfassen.

Das Gehäuse mit den daran angeordneten Kernelementen erlaubt ohne weiteres auch eine Änderung der magnetischen Kopplung und damit eine einfache Justierung der in der Sekundärwicklung induzierten Ausgangsleistung, wfs mit Hilfe einer Verstellvorrichtung erreicht werden kann, mit der das Gehäuse in der Innenkammer der Primär- und Sekundärwicklung axial verschieben ist

In der Zeichnung ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt Es zeigt

F i g. 1 schematisch eine Induktionsheizungsanlage mit einem in Draufsicht dargestellten Hochfrequenztransformator gemäß der Erfindung,

F i g. 2 den Hochfrequenztransformator gemäß F i g. 1 in Seitenansicht,

F i g. 3 einen Schnitt nach Linie 3-3 der F i g. 1,

Fig.4 einen Schnitt durch das die Kernelemente aufnehmende Gehäuse nach Linie 4-4 der F i g. 1.

F i g. 1 zeigt eine Induktionsheizungsanlage A zur induktiven Erhitzung von Auslaßventilsitzen am Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine. Die Anlage weist einen Transformator B und einen Verbraucherstromkreis C mit Ausgangsleitungen 10 und 12 auf, welche an mehrere Induktor-Transformatoren 14 angeschlossen sind, wobei jedem Transformator 14 eine mit einem Induktor 16 verbundene Sekundärwicklung zugeordnet ist Die Induktoren 16 dienen zur induktiven Erhitzung der Ventilsitze.

Der Hochfreauenztransformator B besteht aus einer

Primärwicklung 20 mit einer Vielzähl von Windungen und einer Sekundärwicklung 22 mit einer einzigen Windung, Se mit Anschlüssen 24 nad 26 zur Speisung des Verbraucherstromkreises C versehen ist Zum An-

S Schluß der Primärwicklung 20 an den Schwingkreis eines Oszillators 33 (F i g. 2) dienen Anschlüsse 30 und 32. Die im wesentlichen zylindrische rtimärwickiurig 20 ist in einem nichtmagnetischen, elektrisch nichtleitenden Isolierstoff 34 eingekapselt Der Isolierstoff 34 auf

ίο der Innenseite 36 der Pklung begrenzt eise Innenkammer 40. Die Primärwicklung 20 weist ein oberes; mit dem Zufährungsanschluß 32 elektrisch verbundenes Endstück 42 und ein unteres Endstück 44 auf, das ηώ» dein Anschluß 30 elektrisch fat Verbindung steht

rs (Fig-3). Die Primärwicklung 20 liegt daher im Schwingkreis des Oszillators 3&

Die Sefemo^^ung 22 b^tfillt alis eurem zylindrischen Biecir<Ül dessen int Umfä/i^saBstärid angeordnete Kanten SO und 52 mit den Anschlüssen 24 und 26 elektrisch verbunden sind. Die Mittelachse * der Sekundärwicklung bzw. des zylindrischen Bleches 48 fällt mit der Mittelachse der zylindrischen Primärwicklung zusammen. Mit 54 ist die Außenfläche des zylindrischen Bleches und mit 56 der Luftspalt zwischen dem Blech 48 und der Primärwicklung 20 bezeichnet Der Luftspalt ist mit dem Isolierstoff 34 gefüllt der weder elektrisch noch magnetisch leitend ist und somit eine Permeabilität von angenähert 1,0 aufweist
Das zylindrische Blech 48 der Sekundärwicklung ist an den Stirnkanten 50 und 52 mit zwei im Abstand voneinander angeordneten Koppelschienen 60 und 62 verlötet zwischen denen ein Isolierstreifen 64 liegt und die mittels Isolierstücke 70 und 72 auf Abstand gehalten werden. Die Isolierstücke sind an den Enden der Koppelschienen mittels Schrauben 74 befestigt. Die Leitungen 10 und 12 im Lastkreis sind als Sammelschienen 80 und 82 ausgebildet welche mittels eines Isolierstreifens 84 voneinander getrennt und auf den Koppelschienen 60 und 62 mittels Schrauben 86 gehalten sind. Auf diese Weise sind die Stirnkanten 50 und 52 des zylindrischen Blechs 48 elektrisch gegeneinander isoliert; sie bilden den Ausgang der Sekundärwicklung 22, während die Sammelschienen 80 und 82 den Anschluß mit dem Lastbzw. Verbraucherkreis herstellen, in dem die Transformatoren 14 mit den Induktoren 16 angeordnet sind.

Die Primärwicklung ist zu Kühlzwecken als Rohrleiter ausgebildet wobei ein Kühlmittel in den Anschluß 32 eingespeist und am Anschluß 30 abgeführt wird. Zur Kühlung der Sekundärwicklung 22 dienen Rohrleitungen 92,94,96,98 und 100, die mit einem Kühlmitteleinlaß 90 und einem Kühlmittelauslaß 102 verbunden sind. Die Rohrleitungen 92, 96 und 100 umschließen das zylindrische Blech 48 und sind an diesem befestigt, während die Rohrleitungen 94 und 98 sich entlang der Koppelschienen 60 und 62 erstrecken und zu deren Kühlung dienen.

Der Transformator B ist so ausgelegt daß er mit einer Betriebsfrequenz des Hochfrequenzoszillators von oberhalb 15 kHz arbeitet In der von dem Isolierstoff 34 begrenzten Innenkammer 40 im Inneren der Primärwicklung 20 befindet sich ein Kern D mit einem der Form dieser Innenkammer angepaßten, geschlossenen und nichtmagnetischen Gehäuse 110, welches eine Vielzahl stabförmiger Kernelemente 140 hoher Peres meabilität aufnimmt Der Außenumfang 112 des Gehäuses umfaßt einen im wesentlichen zylindrischen, zur Innenwandung 36 der Primärwicklung 20 konzentrischen Abschnitt 112a und einen abgeflachten Abschnitt

1126, der ntit Durchlässen für die Anschlüsse 30 und 32 versehen ist Das Gehäuse ist an der Ober- und Unterseite von Verschlußplatten 114 und 116 verschlossen. Mit 118 ist der geschlossene Innenraum des Gehäuses bezeichnet Die durch den Isolierstoff 34 gebildete Innenkammer 40 weist eine Innenform auf, die im wesentlichen der Umfangsform des Gehäuses UO entspricht Sie ist demgemäß mit einem zylindrischen Umfangsteil 120 und einem abgeflachten Umfangsteil 122 versehen. Pie als Deckel ausgebildete obere Verschlußplatte 114 weist einen in das Gehäuse vorspringenden Flansch 130 auf, während die den Gehäuseboden bildende Verschlußplatte 116 mit einem nach oben in das Gerippe vorspringenden Flansch 132 versehen ist Diese Flansche bilden jeweils in Nähe der Innenwandung des Gehäuses eine Nutaussparung 134 bzw. 136. Die aus Ferritstäben bestehenden Kernelemente 140 fassen mit ihren Enden in diese Nutaussparungen ein und sind in diesen gehalten. Es ist erkennbar, daß die Kernelemente 140 nur über die Innenseite der äußeren Gehäusewand 112 verteilt und an diese angrenzend angeordnet sind, wobei sie sich axial zur Primär- und Sekundärwicklung erstrecken. Durch diese Anordnung der stabförmigen Kernelemente außerhalb des eigentlichen Luftspaltes 56 wird der Wirkungsgrad der Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwicklung des Hochfrequenztransformators B erhöht Zugleich ermöglicht diese Anordnung der stabförmigen Kernelemente 140 eine einfache und wirksame Kühlung derselben. Wie insbesondere F i g. 4 zeigt, ist zu diesem Zweck der Innenraum 118 des Gehäuses 110 als Kühlkammer ausgebildet, die mit einem an der oberen Verschlußplatte 114 angeordneten Kühlmitteleinlaß 150 und einem Kühlmittelauslaß 152 versehen ist Das über den Einlaß zu-

S geführte Kühlmittel fließt in den Innenraum 118 des Gehäuses 110 und umspült hierbei die axial angeordneten Kernelemente 140. Unterhalb des Kühlmittelauslasses 152 ist ein Ablenkrohr 154 befestigt, so daß der Kühlmittelfluß in dem Innenraum 118 im wesentlicher

ίο den in Fig.4 durch Pfeile angedeuteten Weg vom Kühlmitteleinlaß 150 über das Ablenkrohr 154 zu dem Kühlmittelauslaß 152 nehmen muß. Auf diese Weise wird eine wirkungsvolle Zirkulation des Kühlmittels in dem Innenraum 118 des Gehäuses erzielt Zur Entlee-

is rung des Innenraumes 118 dient ein an der unterer Verschlußplatte 116 angeordneter Ablauf 160.

Zur Einstellung der magnetischen Kopplung zwi sehen Primär- und Sekundärwicklung ist das gesamte Gehäuse 110 mit den darin befindlichen Kernelemen ten 140 in axialer Richtung einstellbar. Dies erfolgt mit tels einer besonderen Verstellvorrichtung, die au! einem nichtmagnetischen, elektrisch nichtleitender Block 170 besteht, der zwischen der unteren Verschluß platte 116 und einer fest angebrachten Tragkonstruk tion 172 angeordnet ist welche die Tragkonstruktioi für den Transformator B sein kann. Durch Änderung der Dicke dieses Blocks 170 kann die axiale Lage de: Kerns D innerhalb der Innenkammer 40 des Transfer mators geändert werdea

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1. 22 61675

   Patentansprüche:

   I f. Hochfrequenztransformator für Induktionsheiizungsanlagen mit koaxial zueinander angeordneter, Sn wesentlichen zylindrischer Primär- und Sekundärwicklung und einer tob der Primärwicklung umschlossenen innettkammer mit einem darin angeordneten axial verschiebbaren Kern aus hochperjheablem Material und einer Kühlvorrichtung für den Kern, dadurch gekennzeichnet, daß in der von isolierstoff -fiWj Begrenzten Innenkammer (40) On tier Föfrrf äieser Innenkaihmer ang£- "es, geschlossenes und ifichttiagneösches Ge-

   (il^fÜr deü kehl 0% vörgesenen H in Wd efae yiefeaht stäBfÖrmtger Kernetemente

   ftöfter Penngsfeftet mir über φ iffiiensefte der äußeren Gehäusewand (112) verteilt und an diese angrenzend angeordnet sind und sich axial zur Primär- und Sekundärwicklung (20, 22) erstrecken, und daß das Gehäuse (ItO) mit einem Kflhlmitteleinlaß (150) und -auslaß (152) für ein den gesamten Innenraum (118) des Gehäuses (UO) durchströmendes und die stabförmigen Kernelemente (140) direkt umspülendes Kühlmittel versehen ist
2. 2. Hochfrequenztransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Gehäuse (HO) für den Kern (D) in der Innenkammer (40) mittels einer Verstellvorrichtung (170,172) axial verstellbar ist
3. 3. Hochfrequenztransformator nach Anspruch 1 Oder 2, dadurch gekennzeichnet daß das Gehäuse (110) in Nähe seiner Gehäusewand (112) Halterungen fflr die stabförmigen Kernelemente (140) aufweist
4. 4. Hochfrequenztransformator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (UO) an seinen gegenüberliegenden Seiten Verschlußplatten (114, 116) aufweist, an denen die Halterungen for die stabförmigen Kernelemente (140) angeordnet sind.
5. 5. Hochfrequenztransformator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß die Halterungen durch in das Gehäuseinnere vorspringende, Einstecknuter. (!34,136) für die stabförmigen Kemeletnente (140) bildende Flansche (130. 132) gebildet Sind.