DE2720611A1

DE2720611A1 - Induktionsheizungskernaufbau und verfahren zur erwaermung

Info

Publication number: DE2720611A1
Application number: DE19772720611
Authority: DE
Inventors: Sen Robert L Zirk
Original assignee: Illinois Tool Works Inc
Current assignee: Illinois Tool Works Inc
Priority date: 1976-05-21
Filing date: 1977-05-07
Publication date: 1977-12-01
Also published as: JPS52143535A; FR2352465A1; US4048458A; BR7702101A; FR2352465B3; JPS5936392B2; GB1580562A; CA1058710A; SE7701694L; IT1084684B; ES457580A1

Description

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Induktionsheizungskernaufbau und Verfahren zur Erwärmung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf den Aufbau und ein Verfahren zur Bewirkung einer Klebeverbindung durch die Verwendung einer Induktionsheizung und eines durch Wärme aktivierbaren Klebstoffs.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen einheitlichen, zusammengesetzten Kernaufbau U-förmiger Art, der nebeneinanderliegende Werkstücke mit unterschiedlichen Raten erwärmen kann.

Eine Vielzahl von Systemen ist bekannt zur Aktivierung einer Klebeschicht zwischen einem Paar angrenzender Seiten durch die Verwendung von Wärme. Die vielleicht günstigste Technik zur Aktivierung derartiger Werkstücke ist, die gesamte Umgebung gleichzeitig einer Wärmequelle für eine vorbestimmte Zeit auszusetzen. Die Zeitdauer ist vorzugsweise so lang, wie es erforderlich ist, den Klebstoff auf die gewünschte Temperatur zu bringen. Eine derartige Technik erwärmt jede der angrenzenden Flächen sowie den Klebstoff, was eine wirkungsvolle Verbindung an jeder Binde-

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fläche fordert. Jedoch ist diese Art der totalen Erhitzung häufig unpraktisch und aus einer Vielzahl von Gründen nicht wünschenswert. Die Größe und Form der Teile, die erhitzt werden sollen, sind oftmals für ein solches Erwärmungsverfahren nicht dienlich. Auch kann die Gesamterwärmung eines Teils Flächen miterwärmen, die nicht erwärmt werden sollten, und somit in nachteiliger Weise bestimmte Flächen des Teiles beschädigen.

Aus diesen Gründen wurde die Erwärmung selektiver Regionen verv/endet, um eine geeignete Bindung zwischen zwei Flächen herzustellen. Typisch für derartige Verfahren sind Induktionsheizungsverfahren, bei denen eine Vielzahl von Gestalten und Formen des Kerns und des Kernaufbaus verwendet wird. Eine der vorteilhaftesten und wirkungsvollsten Spulen- und Kernaufbauten, die bisher in der Technik verwendet wurden, besitzen einen im wesentlichen U-förmigen Kern mit einer Erregerwicklung, die darum angeordnet ist, so daß der Kern mit den Schenkeln in direktem Kontakt mit dem zu erwärmenden Werkstück gebracht v/erden kann. Durch Anbringung eines Stroms an die Spule wird ein magnetischer Kreis in dem Kern erzeugt und durch das Werkstück geschlossen. Der Kern ist so aufgebaut, daß er Wärmeverluste in dem Kern selbst reduziert, jedoch Wärmeverluste zuläßt, die von Wirbelströmen und aufgrund der Hysteresis erzeugt werden und in dem Werkstück in

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einer ausgewählten Fläche zwischen den Schenkeln des Kerns auftreten. Ein derartiger Aufbau erwärmt wirkungsvoll einen kleinen Bereich, wobei nur sehr geringe oder gar keine Flußverluste an das umgebende Gebiet auftreten, In der Verwendung eines derartigen Systems zur Aktivierung eines durch Wärme aktivierbaren Klebstoffs ist der Kern in Berührung mit oder in nächster Nähe von zwei nebeneinanderliegenden, aneinander anhaftenden Flächen angeordnet, um so den magnetischen Kreisfluß zu vervollständigen. Dadurch wird es möglich, daß die in den angrenzenden Flächen erzeugte Wärme auf den Klebstoff übertragen werden muß, der zwischen den Flächen angeordnet ist, um in geeigneter Weise eine Verbindung zwischen den Flächen zu aktivieren und zu schaffen. Da Klebstoff ein isolierendes Material ist, erreicht häufig die geeignete Wärme nicht die Fläche, die der angrenzenden Fläche, die die Wärme erzeugt, gegenüberliegt. Da eine geeignete und gute Verbindung ein gutes "Anfeuchten" oder Klebeverbindung zwischen dem Klebstoff und nicht nur einer, sondern beiden gegenüberliegenden anhaftenden Seiten erfordert, ist es wichtig, daß die vorbestimmte Teinperaturhöhe auf beiden verbindenden Seiten zu im wesentlichen demselben Zeitpunkt existiert.

Bei der Verwendung eines einzigen U-förmigen Kerns ist eine Fläche des Klebstoffs entweder überhitzt oder nicht

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genügend erwärmt, wenn die andere Fläche die richtige Temperatur besitzt.

Probleme dieser Art treten in Vielzahl auf, wenn Werkstücke von im wesentlichen unterschiedlichen Massen miteinander verklebt werden sollen, da eine größere Leistung von Watt/kg erforderlich ist, um die anhaftende Fläche der größeren Masse auf die richtige Temperatur zu bringen im Gegensatz zur anhaftenden Fläche der kleineren Masse.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde herausgefunden, daß ein Induktionsheizsystem, das einen U-förmigen Kern verwendet, wirkungsvoller und geeigneter zur Verbindung zweier Werkstücke unterschiedlicher Massen gemacht werden kann. Die vorliegende Erfindung verwendet ein Paar ü-förmiger Kerne, die nestförmig zueinander angeordnet sind, wobei eine Erregerspule um beide Kerne gewickelt ist, so daß mindestens eine Wicklung beiden Kernen gemeinsam ist und eine unterschiedliche Anzahl von Wicklungen um den einen Kern gegenüber dem anderen vorgesehen ist.

Die Verwendung eines äußeren U-förmigen Kerns, der über einem kleineren U-förmigen Kern angeordnet ist, ermöglicht es, daß der kleinere Kern einem Material kleinerer Masse zugeordnet wird, während der obere und größere Kern dem Material mit der größeren Masse zugeordnet wird. Die

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nestförmige oder ineinandergeschachtelte Anordnung der Kerne, die dem Werkstück so zugeordnet sind, daß die Klebschicht zwischen den Materialien liegt, kann im wesentlichen von beiden Seiten der Klebschicht erwärmt werden, so daß die geeignete Temperaturhöhe von beiden Seiten in einer vorbestimmten Zeit erreicht wird.

Die Lehre der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, daß ein derartiger zusammengesetzter Kernaufbau zu einem einzigen Heizkopf in Topfform zusammengefaßt wird.

Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen zusammengesetzten Spulen- und Kernaufbau vorzusehen, der in der Lage ist, ein Paar nebeneinanderliegender Flächen bei unterschiedlichen Raten zu erwärmen, so daß eine geeignete Verbindung zwischen den beiden Flächen bewirkt wird.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist es, einen Aufbau und ein Verfahren zur Erwärmung vorzusehen, das es ermöglicht, kleine Massen geeignet klebezuverbinden mit großen Massen. Obige und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich bei Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen.

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Fig. 1 ist die Vorderansicht, des zusammengesetzten Kernaufbaus, der verwendet wird, einen Körper kleiner Masse an einem Körper großer Masse zu befestigen , wobei eine Klebschicht dazwischen angebracht ist.

Fig. 2 ist eine Seitenansicht des Kernaufbaus und des Werkstücks nach Fig. 1.

Fig. 3 ist eine Vorderansicht einer abgeänderten Ausführung des zusammengesetzten Kernaufbaus im Gebrauch.

Fig. 4 ist eine Aufsicht auf eine weitere Ausführung des zusammengesetzten Kernaufbaus gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 5 ist eine Vorderansicht der Ausführung des zusammengesetzten Kernaufbaus nach Fig. 4.

In Fig. 1 der Zeichnungen ist ein zusammengesetzter Aufbau 10 dargestellt, der im wesentlichen einen ersten U-förmigen Kern 12, einen zweiten ü-fönnigen Kern 24, der nestartig unter dem ersten Kern angeordnet ist, und eine Erregerspule 36 enthält, die um Abschnitte jedes der Kerne gewickelt ist. Die Anzahl der Wicklungen, die die Spule 36 um den äußeren Kern 12 besitzt, ist unterschiedlich gegen-

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fiber der Anzahl, die der innere Kern 24 trägt. Insbesondere besitzt die Spule 36 die Regionen Ά und B. Die Region B sind die Wicklungen der Spule, die gleichzeitig um die Kerne 12 und 24 gewickelt sind. Die Regionen A sind die Abschnitte der Spule, die Wicklungen nur für den äußeren Kern 12 bilden.

In übereinstiinmung mit der Erfindung ist jeder der Kerne im wesentlichen U-förmig und besitzt ein Paar Schenkel, die durch einen gebogenen Abschnitt miteinander verbunden sind. Beispielsweise besitzt der äußere Kern 12 ein Paar Schenkel 14 und 16 mit den jeweiligen Endflächen 18 und 20 an den freien Enden, wobei die Schenkel oben über einen gebogenen Abschnitt 22 verbunden sind. Der kleinere innere Kern 24 besitzt gleichermaßen ein Paar Schenkel 26 und 28 mit den Endflächen 30 und 32 am freien Ende, die Schenkel sind oben über einen gebogenen Abschnitt 34 verbunden.

In der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführung bildet die Spule 36 soinit eine Vielzahl von Wicklungen, die um den gebogenen Abschnitt 22 des Kerns 12 gewickelt sind und die Regionen A und B, wie in Fig. 1 dargestellt ist, beinhalten. Im Gegensatz dazu ist der innere Kern 24 nur durch eine Anzahl von Wicklungen umgeben, die in der Region B der Spule 36 gezeigt sind. Da die Flußdichte in starkem Maße abhängig von der Anzahl der Wicklungen um

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einen Kern ist, ist die in dem Kern 12 erzeugte Flußdichte größer als die in dem Kern 24 erzeugte.

Zur Erleichterung der Herstellung und Wicklung der Spule um die ineinanderverschachtelten Kerne kann ein isolierendes Spulen- oder Abstandsmaterial 38 zwischen den gebogenen Abschnitten der beiden Kerne angeordnet werden. Der eben beschriebene Aufbau kann auf übliche Weise durch ein Zusammenfassen oder Bedecken des gesamten Aufbaus mit einem isolierenden Material zusammengefaßt werden, solang fast keine oder gar keine Beschichtung an den Endseiten der Schenkel auftritt.

Die hier beschriebene Erfindung ist besonders wirkungsvoll in einer Klebverbindung eines Teiles von geringer Masse, zum Beispiel einsferromagnetischen Gewichts 40, an ein Material größerer Masse, zum Beispiel eine Antriebswelle 42 aus geeignetem ferromagnetischen Material. Bei Erregung der Spule 36 wird ein Fluß in dem äußeren Kern 12 erzeugt, wobei die Oberfläche des Werkstücks 42 größerer Masse eine Verbindung zwischen den Schenkeln 14 und 16 bildet und den Kreis des magnetischen Flusses vervollständigt. Zugleich mit der Schaffung des Flusses in dem äußeren Kern wird ein Fluß 52 im inneren Kern 24 als Ergebnis des Windungsabschnitts B erzeugt. Das kleine Gewicht 40 bildet eine Verbindung zwischen den Schenkeln 26 und 28 des inneren Kernes

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24, um den Flußkreis darin zu vervollständigen. Der Fluß durch die kleine Masse 40 und die große Masse 42 erzeugt Wärmeverluste durch Wirbelströme, Hysteresis und ähnliche Effekte in diesen Werkstücken. Die auf diese Weise in den ferromagnetischen Werkstücken 40 und 42 erzeugte Hitze wird schnell zu der Klebschicht 44 übertragen. Dabei ist insbesondere festzuhalten, daß das Verfahren der Erwärmung nach dieser Erfindung es ermöglicht, daß Wärme an die Verbindung des kleinen Gewichts 40 und der Klebschicht 44 übertragen wird sowie zu der Verbindung zwischen der großen-Masse 42 und der Klebschicht 44. Aufgrund der größeren Anzahl von Wicklungen um den äußeren Kern gegenüber dem inneren Kern ist die Erwärmungsrate für die größere Masse 42 größer als die Erwärmungsrate für die kleinere Masse 40. Aufgrund der relativen Größen wird mehr Energie verbraucht zur Erwärmung der Antriebswelle in diesem Beispiel als zur Erwärmung des Auswuchtgewichtes. Als ein Ergebnis des Aufbaus der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Temperatur, die erforderlich ist, um die Klebschicht 44 adäquat zu verflüssigen oder zu aktivieren, um eine wirkungsvolle Verbindung an jeder der Verbindungssciten zu erreichen, bewirkt, und die geeignete Temperaturhöhe wird auf jeder Seite im wesentlichen zum gleichen Zeitpunkt aufgrund des Verhältnisses der variablen Erwärmungsraten im Vergleich zu den variablen Massen erreicht.

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Es dürfte einleuchten, daß die unterschiedlichen Erwärmungsraten der unterschiedlichen angrenzenden Flächen mit einer Vielzahl von Aufbauten und Formen von Werkstücken verwendet werden können. Beispielsweise können die Endseiten 18a und 20a einer zusammengesetzten Einheit 10a so ausgelegt werden, daß sie eng mit einem bogenförmigen Werkstück in Verbindung stehen, wie es in Fig. 3 dargestellt ist.

In Übereinstimmung mit den wesentlichen Grundzügen der Erfindung kann der Aufbau des Kernes leicht abgeändert werden, um einer Vielzahl von verschiedenen Längen oder Breiten des Werkstücks kleiner Masse angepaßt zu werden. In den Figuren 4 und 5 ist ein Beispiel eines zusammengesetzten Kernaufbaus 10b gezeigt, der den inneren Kern 24b in einer Ebene anordnet, die quer zur Ebene liegt, in der der äußere Kern 12b angeordnet ist. Dies ermöglicht es, daß die Stirnseiten 30b und 32b des inneren Kernes neben dem Äußeren eines übergroßen Werkstücks kleiner Masse angeordnet v/erden können, während die Endflächen 18b und 20b in Berührung mit einer ausgewählten Region des Werkstücks größerer Masse angeordnet werden, wie es oben mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben worden ist. In weiterer Übereinstimmung mit der Erfindung ist die Spule 36b um den Kernaufbau derart gewickelt, daß sie zwei Abschnitte von Wicklungen A' und B¹ beinhaltet, wobei B¹

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sowohl um· den gebogenen Abschnitt 22b des äußeren Kerns als auch um den gebogenen Abschnitt 34b des inneren Kerns gewickelt ist. Die restlichen Wicklungen A¹ stellen zusätzlich zu B¹ die Gesamtanzahl von Wicklungen um den äußeren Kern dar. Gemäß den Grundzügen dieser Erfindung wird eine größere spezifische Leistung von Watt/kg für das Werkstück größerer Masse als Ergebnis des Kerns 12b vorgesehen, im Vergleich zu dem Werkstück geringerer Masse, das durch den inneren Kern 24b erwärmt wird.

In den verschiedenen Figuren, die zur Beschreibung der Zeichnung gedient haben, geben gleiche Bezugszeichen mit den Anhängseln a oder b ähnliche Elemente oder Komponenten an.

Somit ist deutlich, daß in Übereinstimmung mit der Erfindung ein zusammengesetzter Spulen- und Kernaufbau beschrieben ist, der vollständig die Aufgaben, Ziele und Vorteile, wie sie oben beschrieben sind, erfüllt. Während die Erfindung in Verbindung mit speziellen Ausführungen beschrieben wurde, ist deutlich, daß viele Alternativen, Modifikationen und Variationen dem Fachmann im Rahmen der vorangegangenen Beschreibung möglich sind. Demgemäß sollen alle derartigen Alternativen, Modifikationen und Variationen, soweit sie in den Rahmen der Ansprüche fallen, mitumfaßt werden.

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Claims

Ansprüche

1. jEin zusammerxgesetzter Aufbau von Spule und Kern zur Verwendung zur Erhitzung von Werkstücken durch Induktion, gekennzeichnet durch einen ersten, im wesentlichen U-förmigen Kern und einen zweiten, im wesentlichen U-förmigen Kern, der von dem ersten Kern umfaßt wird, eine Erregerspule, die um Abschnitte eines jeden Kerns gewickelt ist und wenigstens eine Wicklung besitzt, die zugleich Abschnitte von beiden Kernen umgibt, wobei die Erregerspule eine vorbestimmte Anzahl von VJicklungen um den ersten Kern besitzt, die unterschiedlich gegenüber der Anzahl der Wicklungen um den zweiten Kern ist.

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2. Zusammengesetzter Spulen- und Kernaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Schenkelabschnitte des ersten Kernes größer als die Länge der Schenkelabschnitte des zweiten Kernes ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule den gebogenen Abschnitt der beiden Kerne umgibt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kern mit einer größeren Anzahl von Wicklungen der Erregerspule im Vergleich zum zweiten umgeben ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerne derart angeordnet sind, daß der Bogen und die Schenkelabschnitte des ersten Kernes im wesentlichen in einer Ebene mit den Schenkelabschnitten und dem Bogen des zweiten Kernes liegen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korne so angeordnet sind, daß der Bogen und die Schenkelabschnitte des ersten Kernes sich in einer Ebene erstrecken, die quer zur Ebene liegt, die durch den Bogen und die Schenkelabschnitte des zweiten Kernes gebildet wird.

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7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des gebogenen und der Schenkelabschnitt des ersten Kerns größer als die Länge des Bogens des Schenkelabschnitts des zweiten Kernes ist.

8. Verfahren zur Befestigung durch Kleben eines ersten metallischen Werkstückes vorbestiiranten Volumens an ein zweites metallisches Werkstück eines größeren Gesamtvolumens, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Werkstück auf dem zweiten Werkstück mit einer dazwischenliegenden Schicht eines durch Hitze aktivierbaren Klebstoffs gelagert wird, daß beide Werkstücke durch Induktion zugleich von einer einzigen Seite derart erwärmt werden, daß die angrenzende Seite eines jeden eine verbestimmte Temperatur im wesentlichen zum gleichen Zeitpunkt erreicht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionswärme durch ein Paar ineinander verschachtelter U-förmiger Kerne geliefert wird, die mit einer Erregerspule um ihren Bogenabschnitt derart umwickelt sind, daß der äußere Kern mehr Wicklungen als der innere Kern besitzt, wobei die Schenkel des äußeren Kerns das zweite Werkstück berühren, während die Schenkel des inneren Kerns das erste Werkstück berühren- wodurch das zweite Werkstück einem größeren Jarmefluß als das erste Werkstück unterworfen virü.

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