DE3033482C2 - Walze mit elektromagnetischer Heizung - Google Patents

Walze mit elektromagnetischer Heizung

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    • H05B6/145—Heated rollers

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Walze mit elektromagnetischer Heizung nach dem Oberbegriff des Anspruchs !,insbesondere auf eine Kalanderwalze.
Bei einer bekannten Walze dieser Art (GB-PS 13 19 318), die dem Beheizen von Textilfaden dient, sind axial nebeneinander zwei in Umfangsrichtung verlaufende Magnetspulen vorgesehen, die mit Wechselstrom versorgt werden. Der Magnetkern besteht aus E-förmigen Blechen, deren drei Stege mit ihren Stirnseiten der Innenfläche des Walzenmantels zugewandt sind. An einer Stirnseite des fliegend gelagerte; ι Walzenmantels ■to ist ein Temperaturfühler ortsfest gehalten. In Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur wird der Erreger-Wechselstrom in beiden Magnetspulen geändert, um die Temperatur des verhältnismäßig kurzen Walzenmantels innerhalb annehmbarer Temperatures grenzen zu halten. Hierbei verläuft der magnetische Fluß innerhalb des Walzenmantels im wesentlichen in axialer Richtung.
Bei einer ähnlichen Konstruktion (GB-PS 9 78 163) weist der Magnetkern sechs in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte lamellierte Balken auf, die von zwei axial nebeneinander angeordneten, in Umfangsrichtung verlaufenden Spulen umgeben sind. Die beiden Stirnseiten der Balken liegen den einander zugewandten Innenflächen zweier mit dem Walzenmantel verbundener Stirnwände gegenüber, so daß der magnetische Fluß zunächst durch die Stirnwände und dann axial durch den Walzenmantel verläuft. Ein Thermoelement ist zwischen den beiden Spulen angeordnet.
w Bei einer weiteren bekannten Walte (DE=AS 12 37 239), die als Trockenzylinder für Papiermaschinen dient, sind mehrere konzentrisch zur Achse verlaufende Spulen axial nebeneinander vorgesehen, die schräg zu einer Durchmesserebene stehen und mit Wechselstrom erregt werden. Sechzehn sich in Axialrichtung erstrekkende, lamellierte Magnetkernteile weisen Stege auf, deren Polflächen der inneren Oberfläche des Walzenmantels zugewandt sind. Diese Polflächen sind auf einer
Spirallinie angeordnet Der magnetische Fluß im Walzenmantel verläuft wiederum in axialer Richtung. Am Rand der Walze muß eine verminderte Beheizung in Kauf genommen werden.
Es ist auch schon bekannt (US-PS 41 81 846), eine Trommel über einen schmalen Abschnitt von außen induktiv durch einen einzigen Elektromagneten zu beheizen, der mit Wechselstrom erregt wird.
Sodann ist es bei stangenförmigen Werkstücken bekannt (DE-OE 29 14 277), das Aufheizen in mehreren aufeinander folgenden Abschnitten eines Induktors durchzuführen. Die Erregung erfolgt durch Wechselstrom aus einem Dreiphasennetz. Die Temperatur des Werkstücks wird mit Meßwertgebern erfaßt und die Leistungszufuhr zu den zugehörigen Wicklungsabschnitten des Induktors nach einem Soll-Istwertvergleich entsprechend gesteuert, damit das Werkstück mit einer gleichmäßigen Endtemperatur die Heizvorrichtung verläßt.
Der Erfindung liegt die Aufgebe zugrunde, eine beheizbare Walze der eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei der die Oberflächentemperatur über die axiale Länge der Walze auf einem vorgegebenen Temperaturprofil und insbesondere auf einem über die axiale Länge konstanten Temperaturwert gehalten werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelöst
Da über die Walzenlänge mehrere getrennt ansteuerbare Sektionen vorhanden sind, läßt sich die durch Induktion übertragene Heizleistung und damit dte Temperatur an den diesen Sektionen zugeordneten Abschnitten des Arbeitsbereichs individuell festlegen. Durch die Verwendung der örtlichen Meßwerte in Verbindung mit der Regelkreisschaltung wird ein gewünschtes Temperaturprofil an der Außenfläche des Walzenmantels aufrechterhalten. Man kann daher eine mit geringsten Abweichungen über die Walzenlänge konstante Oberflächentemperatur einstellen. Man kann aber auch, beispielsweise unter Berücksichtigung der Feuchtigkeit des zu behandelnden Bahnmaterials, ein von dieser Konstanz abweichendes Temperaturprofil erzielen. Aufgrund seiner Wandstärke erhält der Walzenmantel eine verhältnismäßig große Masse mit einer sehr gleichmäßigen Tempera/urverteilung an der Außenfläche.
Da die Magnete mit Gleichstrom erregt werden und ihre Polarität in Umfangsrichtung alterniert, ergeben sich bei einer Drehung der Walze in deren Mantel in Umfangsrichtung verlaufende magnetische Wechselflüsse, die die zur Beheizung erwünschten Wirbelströme in axial genau definierten Bereichen hervorrufen. Hierbei muß keine Blindleistung, wie bei Wechselstrom, berücksichtigt werden, wodurch sich der Geräteaufwand reduzieren läßt. Die Verluste im feststehenden Träger sind vernachlässigbar klein; insbesondere tritt nicht eine solche Erwärmung des Trägers auf, daß rasche Temperaturerhöhungen im Walzenmantel (wie sie manchmal :zur Vermeidung von Ausschuß erforderlieh sind) behindert werden würden. Dies gilt auch, wenn der Träger nicht geblecht ist, sondern aus massivem Material besteht, wodurch die Stabilität erhöht werden und der Träger höheren mechanischen Belastungen ausgesetzt werden kann.
Gemäß den Ansprüchen 2 und 3 wird an den Enden des Walzenmantel zusätzlich Wärme erzeugt, wodurch der erhöhte Wärmeabfluß an den Walzenenden und die damit verbundene Abkühlung der Oberfläche kompensiert werden kann.
Durcij die Merkmale des Anspruchs 4 ergeben sich zusätzliche Beeinflussungsmöglichkeiten, beispielsweise um den Walzenmantel mechanisch durch Magnetkräfte zu belasten.
Unter Ausnutzung der Merkmale des Anspruchs j kann die von den Heizmagneten erzeugte Magnetkraft zusätzlich benutzt werden, um mechanisch auf die Walze einzuwirken, sei es um den Walzenmantel zu ι ο tragen, einen Durchbiegungsausgleich zu bewirken oder eine gewünschte Andruckkraft herbeizuführen. Insbesondere kann man mittels eines oder mehrerer Magneten die gewünschte Kompensationskraft einstellen, wodurch auch eine Heizleistung in den Walzenmantel übertragen wird, und durch weitere in Umfangsrichtung versetzte Magnete, deren Kraftsummenvektor infolge symmetrischer Anordnung Nuil ist, die noch fehlende Heizleistung übertragen.
Besondere Vorteile bietet ein Walzenmantel mit einer Wandstärke gemäß dem Anspruch <i.
Eine Walze nach Anspruch 7 erlaubt es, die Meßwerte an verschiedenen axial versetzten Stellen mit einem einzigen Meßwertgeber zu ermitteln.
Die Ausführung des Anspruchs 8 ist besonders wenig störanfällig. Für den Meßwertgeber können sonst unbenutzte freie Räume ausgenutzt werden.
Besonders empfehlenswert ist ein Infrarot-Strahlungsmeßgerät als Temperatur-Meßwertgeber nach Anspruch!). Da die Oberfläche der meisten Walzen metallisch und hochglänzend ist, ergibt sich eine hohe Meßgenauigkeit Besonders gute Meßergebnisse zeigen sich bei der Ausführungsform des Anspruchs 10. Beispielsweise kann ein Mattlack- oder Kunststoff-Streifen zur Erhöhung der Wärmestrahlenabgabe j> aufgetragen sein.
Da der Walzendurchmesser eine nur von der Temperatur abhängige Größe ist kann a>ich die Ausführungsform des Anspruchs 11 zur Temperaturmessung herangezogen werden.
Eine weitere Möglichkeit der Temperaturmessung ergibt sich aus Anspruch 12. Mit an sich bekannten Meßgeräten läßt sich die temperaturabhzngige Änderung von Materialeigenschaften, wie Leitfänigkeit und Permeabilität des Walzenmantels festsielien.
Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter, bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert Es zeigt
Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch eine Walze mit elektromagnetischer Heizung,
j» F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie H-II der F ig. 1,
F i g. 3 schematisch eine andere Ausführungsform einer Walze und
Fi g. 4 eine andere Ausführungsform eines Meßwertgebers.
Bei dem Ausführungsbeispiel der F i g. 1 und 2 ist eine Kalanderwalze 1 veranschaulicht, die mit einer Gegenwalze 30 zusammenwirkt Die Walze 1 weist einen hohlen Walzenrnrntel 2 auf, der über ein Lager 3 auf einem Träger 4 gelagert ist, welcher von einem Ständer 5 gehalten wird, und zwar drehfest, wie es durch eine Schraube 6 angedeutet ist.
Am Träger 4 sind in Achsrichtung nebeneinander mehrere Sektionen 51, 52, 53, 54 ... angeordnet, die jeweils acht ElektromagneJen A bis H aufweisen, die über ein im Träger 4 ausgebildetes Joch 7 miteinander verbunden sind. Jeder Magnet besitzt eine Spule 8 und einen Polschuh 9, dessen Polfläche 10 der Innenfläche 11 des Walzenmantel 2 benachbart ist. Die Ancnhlunioi.
tungen 12 der Spulen 8 sind durch eine Bohrung 13 im Träger 4 nach außen geführt
Außerhalb des Arbeitsbereichs 14 der Walze 1 ist ihrer Außenfläche 15 axial mit Abstand nebeneinander eine Anzahl von Temperatur-Meßwertgebern M be nachbart Jeder Sektion S iff. ist ein Meßwertgeber Miff, zugeordnet. Es handelt sich um Meßgeräte, die temperaturabhängige Änderungen des Walzenmaterials durch eine Wirbelstromprüfung ermitteln und daher über die Leitung 16 ein von der Temperatur der Außenfläche 15 abhängiges Signal abgeben.
Am Ende 17 des Walzenmantels 2 ist auf der dem Arbeitsbereich 14 gegenüberliegenden Seite im Walzenmantel 2 eine weitere Magnetanordnung 18 benachbart, welche die Magnete /bis L aufweist. Auch hier ist jeweils ein Polschuh 19 von einer Spule 20 umgeben. Seine Polfläche 21 ist der Außenfläche 15 des Walzenmantels benachbart. Diese Spulen 20 sind mit
Eine Regelkreisschaltung 22 weist für jede Sektion S1 ff. einen Regelkreis R 1, R 2, R 3, R 4... auf, dem über einen ersten Eingang 23 ein Temperatursignal vom Temperatur-Meßwertgeber M1 und über einen zweiten Eingang 24 ein dem Temperatur-Sollwert an dieser Stelle entsprechendes Signal zugeführt wird. Über einen dritten Eingang 25 kann ein der Belastung oder Lage der Walze entsprechendes Signal zugeführt werden. Der jeweilige Ausgang 26 führt zu einem Stromsteller Ti,T2, TX TA... für jede Sektion 5 iff.
Diese Stromsteller besitzen je einen Satz Ausgangsleitungen 27, welche mit den Anschlußleitungen 12 jeweils einer Sektion Siff. verbunden sind. Der Stromsteller Ti ist außerdem mit den Anschlußleitungen 21 der Magnetanordnung 18 verbunden. Es ist nicht erforderlich, daß alle Spulen je für sich angesteuert werden. Beispielsweise können jeweils zwei benachbarte Spulen oder zwei einander gegenüberliegende Spulen in Reihe geschaltet sein.
Wenn die Magnetspulen mit Strom versorgt werden, so werden in dem aus Stahl bestehenden Walzenmantel 2 Wirbelströme nahe der inneren Fläche 11 erzeugt. Diese führen zu einer Beheizung des Walzenmantels. Diese Wärme wird nach außen und an das zu behandelnde Bahnmaterial abgeführt. Da die Dicke d des Walzenmantels mehr als doppelt so groß ist als die J Eindringtiefe der Wirbelströme, ergibt sich zwischen den Sektionen ein gleichmäßiger Temperaturübergang. Auch wenn sämtliche Spulen einer Sektion vom gleichen Erregerstrom durchflossen werden und gleichpolig geschaltet sind, tritt diese Wirbelstrombildung auf, weil auf Grund der Lücken zwischen den Polflächen eine Flußänderung erfolgt. Günstiger ist es allerdings, an in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Puiflächen unterschiedliche Verhältnisse zu schaffen, um eine stärkere Flußänderung herbeizuführen, sei es durch : unterschiedliche Erregung oder durch einen alternierenden Polwechsel. Auf jeden Fall bereitet es keine Schwierigkeiten, auf diese Weise eine ausreichend große Heizleistung in den Walzenmantel zu übertragen. Im Betrieb wird dem Eingang 24 jedes Regelkreises * R1 ein dem Sollwert der Temperatur an der Außenfläche 15 entsprechendes Signal zugeführt, sei es fest eingestellt oder in Abhängigkeit von den Betriebs bedingungen änderbar. Über den Eingang 23 wird das Ausgangssignal des Temperatur-Meßwertgebers M zugeführt. Der Stromsteller T versorgt nunmehr die Spulen 8 seiner augehörigen Sektion derart mit Erregerstrom, daß sich durch Wirbelstrombildung die gewünschte Sollwerttemperatur einstellt. Die zusätzliehe Beheizung mittels der Magneten /bis L am Rand verhindert einen Temperaturabfall zum Ende der Walze hin.
Wenn über den Eingang 25 zusätzlich Lage- oder Belastungssignale zugeführt werden, kann auch ein Durchbiegungsausgleich od. dgl. erzielt werden. In diesem Fall würden beispielsweise die Magnete A und H so gesteuert werden, daß sie der die Durchbiegung hervorrufenden Kraft entgegenwirken. Die dabei aufireienueri Wirbelstrom« er/.eugen einen Teil der Heizleistung. In diesem Fall werden die Magnete D und Enicht benutzt. Die Magnete B, C, Fund G werden vom selben Strom durchflossen, der so gesteuert wird, daß die zusätzlich noch erforderliche Heizleistung aufgebracht wird. Die von diesen Magneten ausgeübten Kräfte heben sich gegenseitig auf.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 werden für gleiche Teile um 100 erhöhte Bezugszeichen gegenüber Fig. 1 Vt1 wendet. Unterschiedlich ist zunächst, daß an den Enden des Walzenmantels je ein Rotor 117, 117' eines Antriebsmotors 118, 118' vorgesehen ist, dessen Stator 119 ortsfest angeordnet ist. Dieser Motor kann beispielsweise ein Asynchronmotor mit Kurzschlußläufer sein. Die hierbei im Rotor aufgenommene Heizleistung trägt dazu bei, einen Temperaturabfall zum Walzenende hin zu verhindern.
Außerdem sind bei dieser Ausführungsform die Temperatur-Meßwertgeber Wals Infrarot-Strahlungsmeßgeräte ausgebildet, die fest am Träger 104 angebracht sind, und zwar jeweils zwischen zwei Sektionen Siff. Außerdem ist an der Innenfläche 111 des Walzenmantels 102 jeweils vor diesen Meßwertgebern M' ein Umfangsstreifen 128 aus schwarzem Mattlack aufgetragen, um eine optimale Strahlungsabgabe zu erzielen. Die so gemessene Temperatur an der Innenfläche 111 steht in einem festen Zusammenhang mit der Temperatur an der Außenfläche 115.
Außerdem sind am Träger 104 Belastungs-Meßwertgeber m vorgesehen, welche den Abstand zur Innenfläche 111 fühlen und ein entsprechendes Signal an die Eingänge 25 der Regelkreise R 1 ff. geben.
Bei der Ausführungsform nach F i g. 4 ist einer auf einem Träger 204 gelagerten Walze 201 ein Temperatur-Meßwertgeber M" zugeordnet, der auf einer Schiene 229 in Axialrichtung hin- und herbewegbar ist. Er kann in verschiedenen Positionen a. iund canhalten, um dort den Temperaturmeßwert aufzunehmen. Sein Ausgangssignal wird einer Regelkreisschaltiing 222 zugeführt weiche die jeweilige Messung der zugehörigen Sektion zuteilt.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:
1. Walze mit elektromagnetischer Heizung, mit einem hohlzylindrisehen Walzenmantel aus ferromagnetischem Material, mit in ihm induktiv Ströme erzeugenden, in Achsrichtung nebeneinander angeordneten, an einem im Innern des Walzenmantels angeordneten drehfesten Träger angebrachten Elektromagneten, deren Polflächen der inneren Oberfläche des Walzenmantels zugewandt sind, mit einer Temperatur-Meßwertgeberanordnung, die einen der Istwerttemperatur der Außenfläche des Walzenmantels entsprechenden Meßwert ermittelt, und mit einer Regelkreisschaltung, die den die Änderung des magnetischen Flusses im Walzenmantel bestimmenden Erregerstrom unter Berücksichtigung des Meßwerts und eines vorgegebenen Sollwerts in Richtung auf den Sollwert ändert, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagnete in Achsrichtung nebeneinander angeordnete Sektionen (S] nj bilden, deren jeweiliger Erregergleichstrom für sich einstellbar ist, daß in jeder Sektion eine gerade Anzahl in Umfangsrichtung versetzter Elektromagnete (A—H) vorgesehen ist, deren Polarität in Umfangsrichtung alterniert, daß die Temperatur-Meßgeberanordnung (M\m M', M") einen örtlichen Meßwert an verschiedenen axial versetzten Stellen ermittelt und daß die Regelkreisschaltung (22) den jeweiligen Erregergleichstrom der einzelnen Sektionen unter Berücksichtigung der örtlichen Meßwerte und eines vorgegebenen Temperaturprofils an der Außenfläche des Walzenmantels (2) ändert, dessen Wandstärke (d) mindestens doppelt so groß ist, wie die Eindringtiefe der Wirbelströme.
2. Walze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich räumlich feststehende Elektromagnete (I—L) nahe den Stirnseiten und/oder der Außenseite des Walzenmantels angeordnet sind.
3. Walze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nahe den Stirnseiten und/oder der Außenseite des Walzenmantels an diesem ein Rotor (117, 117') eines elektrischen Antriebmotors (118, 118') für die Walze mit einem räumlich feststehenden Außenstator (119,119') befestigt ist
4. Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregergleichströme der in Umfangsrichtung versetzten Magnete (A-H) einzeln oder gruppenweise von der Regelkreisschaltung (22) änderbar sind.
5. Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Belastungs-Meßwertgeber (m) vorgesehen ist, der einen der mechanischen, etwa in radialer Richtung wirkenden Istwertbelastung des Walzenmantels (102) an verschiedenen axial versetzten Stellen entsprechenden Meßwert ermittelt, und daß die Regelkreisschaltung (22) die Erregergleichströme zusätzlich in Abhängigkeit von diesen Meßwerten ändert,
6. Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke (d)des Walzenmantels (2) mindestens 20 mm beträgt.
7. Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Meßwertgeber (M") parallel zur Walzenachse außerhalb des Walzenmantels hin- und herbewegbar ist.
8. Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sektion (S\n) zumindest ein ortsfest angeordneter Temperatur-Meßwertgeber (M') zugeordnet ist, der sich jeweils zwischen zwei axial benachbarten Magneten befindet,
9. Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Temperatur-Meßwertgeber (M') ein Infrarot-Strahlungsroeßgerät verwendet ist
10. Walze nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Infrarot-Strahlungsmeßgerät (M') im Innern des Walzenmantels (102) angeordnet ist, dessen Mantel-Innenfläche zumindest im Bereich des Meßgeräts eine Behandlung zur Erhöhung der Wärmestrahlenabgabe erfahren hat
11. Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet daß als Temperatur-Meßwertgeber ein den Walzendurchmesser feststellendes Meßgerät verwendet ist
12. Walze nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Temperatur-Meßwertgeber (M) ein temperaturabhängige Änderungen des Walzenmaterials durch Wirbelstromprüfung ermittelndes Meßgerät verwendet ist
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