DE3229374C2

DE3229374C2 - Mehrlagige zylindrische Induktionsspule

Info

Publication number: DE3229374C2
Application number: DE19823229374
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Ing. 5107 Simmerath Schluckebier
Original assignee: Otto Junker GmbH
Current assignee: Otto Junker GmbH
Priority date: 1982-08-06
Filing date: 1982-08-06
Publication date: 1984-06-20
Also published as: FR2531596B1; GB2126059A; GB8321076D0; FR2531596A1; DE3229374A1; GB2126059B

Abstract

Um bei zylindrischen Induktionsspulen zum Erwärmen von metallischem Gut den Wirkungsgrad zu erhöhen, wird eine mehrlagige Induktionsspule verwendet, deren Spulenleiter (50) aus zwei elektrisch voneinander isolierten, sich teilweise überlappenden und identisch ausgebildeten Leiterprofilen (50a und 50b) besteht. Die Leiterprofile werden von einer Wickelbandage (52) zusammengehalten. Jedes Leiterprofil besitzt einen Kühlkanal (51a, 51b) zur raschen und gleichmäßigen Kühlung der Spulenwindungen. Durch die Verwendung eines solchen Spulenleiters ist ein kompakter Aufbau der Induktionsspule möglich.

Description

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) der Doppelleiter hat ovalen Querschnitt,

b) die Leiterprofile überlappen sich wenigstens teilweise und sind im Überlappungsbereich elektrisch voneinander isoliert, und

c) die Querschnitte der Leiterprofile des Doppelleiters sind zur Bildung des ovalen Querschnitts um 180° gegeneinander versetzt angeordnet.

2. Induktionsspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterprofile (60a, Güb) keilförmig ausgebildet sind, wobei der Kühlkanal (61a. 6\b) in dem der Kcilspitzc abgewandten Ende des Profils vorgesehen ist.

3. Induktionsspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterprofile an einer Seite abgestuft sind (F i g. 3,4).

4. Induktionsspule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterprofile (50a, 50Z>, einen den Kühlkanal (51a, 51b,} zu etwa dreiviertel kreisringförmig umschließenden Abschnitt (54) aufweisen, an den sich eine mit einem zugespitzten Ende versehene Rippe (55) anschließt.

5. Induktionsspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter wenigstens an einer Schmalseite einen abgerundeten, vorzugsweise halbKreisförmigcn Querschnitt aufweist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine mehrlagige zylindrische Induktionsspule gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Induktionsspule ist aus der DE-OS 39 647 bekannt. Der Leiter der bekannten Spule ist als Kupferrohr ausgebildet, wobei der Kühlmittelkanal einen im Vergleich zum Gesamtrohrquerschnitt großen Querschnitt aufweist, d. h. der Kupferquerschnitt des Leiters ist relativ gering. Bei einem solchen Verhältnis von Kühlkanalquerschnitt zu Kupferquerschnitt ist der sogenannte Kupferfüllfaktor, der angibt, inwieweit die Spulenquerschnittsfläche tatsächlich von dem Kupferleiter ausgefüllt wird, relativ gering. |e näher der Kupferfüllfaktor dem Wert 1 kommt, umso besser ist der Leistungsfaktor und umso besser ist der elektrische Wirkungsgrad der Spule. Würde man nun bei der bekannten Spule zur Erhöhung des Kupferfüllfaktors die Wandstärke der Rohre vergrößern, so würde sich eine relativ große radiale Dicke des Kupfcrlciiers ergeben. Die bei solchen Leitern auftretenden Wirbelstromverluste sind jedoch beträchtlich und beeinträchtigen den elektrischen Wirkungsgrad der Spule.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Induktionsspule der eingangs genannten Art anzugeben, die einen einfachen Aufbau aufweist und sich auf-

grund relativ geringer Wirbelstromverluste durch einen hohen elektrischen Wirkungsgrad auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch die spezielle Ausgestaltung der Leiterprofile mit gegenseitiger Überlappung wird erreicht, daß die Leiterprofile eine radiale Dicke vGn etwa nur 3 bis 4 mm haben können, so daß durch diese relativ geringe radiale Dicke der Leiierprofile eine gute Beschränkung der Wirbelstromverluste möglich ist.

In denjenigen Bereichen des Doppelleiters, wo keine Überlappung stattfindet, ist Platz genug für Kühlmittelkanäle ausreichend großen Querschnitts.

Zwar ist aus der DE-AS 10 00 543 eine Zweileiter-Sammelschiene für Induktionsöfen bekannt, bei der zwei Leiter kammförmigen Querschnitts ineinandergreifen, jedoch sind bei dieser Anordnung keine die Leiter durchsetzende Kühlkanäle vorgesehen, sondern die Kühlkanäle sind außen auf die Oberfläche der Leiter aufgeschweißt oder aufgelötet. Diese bekannte Sammelschiene dient zum Verbinden der Induktionsspule mit einer K-vunpensationskondensator-Anordnung. Für die Spule selbst läßt sich eine solche Leiteranordnung :^r> kaum verwenden, du einmal die Kühlung bei den dicht an dicht liegenden Windungen einer mehrlagigen Spule unzureichend sein dürfte und darüber hinaus eine dichte Packung (großer Kupferfüllfaktor) nicht möglich ist, daß der Außenumriß des Sammelschienenquerschnitts unregelmäßig ist, so daß ein dichtes Wickeln der Leiteranordnung nicht möglich ist.

Die erfindungsgemäße Induktionsspule gestattet ein direktes Aufeinanderwickeln der isolierten Leiter, so daß die Gesamtabmessungen der Spule relativ gering sind. Der Leistungsfaktor ist relativ hoch, weil der Abstand zwischen dem Werkstück und dem Spuleninneren sehr gering ist. Bei der erfindungsgemäßen Induktionsspule kann der Kupferfüllfaktor dem Wert 1 sehr nahe kommen, zumindest in radialer Richtung der Spule.
w Gegenüber den bekannten einlagigen Spulen wird ein wesentlich besserer Wirkungsgrad erzielt. Gegenüber den eingangs erläuterten bekannten mehrlagigen Induktionsspulen wird insbesondere erreicht, daß die Spule kompakter aufgebaut ist, also kleinere Außenabmes-4^r> sungcn besitzt. Die Gefahr von örtlichen Überhitzungen und von möglicherweise auftretenden Überschlägen zwischen den Leitern ist ausgeschaltet. Da kein spezieller Wasserbehälter für das Kühlmittel vorgesehen sein muß. läßt sich die Spule gegebenenfalls rasch repariercn.

Als weiterer, bedeutender Vorteil der Erfindung ist anzusehen, daß bereits existierende Induktions-Erwärmungsanlagen ohne besonderen Aufwand mit den erfindungsgemäßen mehrlagigen Induktionsspulen ausge- v> stattet werden können.

Die zwecks Herabsetzung der Wirbelstromverluste und zur Optimierung des Wirkungsgrades vorgeschlagene Überlappung der Leiterprofile kann auf verschiedene Weise realisiert werden.

w) Eine mögliche Ausführungsform der symmetrischen Lcitcrprofile sieht vor, daß die Leiterprofile keilförmig ausgebildet sind, wobei der Kühlkanal in dem der Keilspitze abgewandten Ende des Profils vorgesehen ist Eine fertigungstechnisch etwas günstigere Ausfühh^r> riingslonn sieht vor. daß die Leiterprofile an einer Seite abgestuft ausgebildet sind.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung, die sich durch sehr geringe Wirbelstromverluste auszeieh-

id, sieht vor, daß die Leiterprofile einen den Kühlkanal '.u etwa dreiviertel kreisringförmig umschließenden Abschnitt aufweisen, an den sich eine mit einem zugespiiz- :en Ende versehene Rippe anschließt. Der Querschnitt dieser Ausführungsform der Erfindung is; vergleichbar mit zwei nebeneinanderliegenden Neunen, von denen die eine »9« um 180° gedreht ist.

Es hat sich gezeigt, daß eine Verringerung der Wirbelstromverluste dadurch erzielt werden kann, daß der Leiter wenigsten« an pine·· S^h^.^l^ite einen abgerundeten, vorzugsweise halbkreisförmigen Querschnitt aufweist Durch diese Maßnahme, gemäß der der Leiter vorzugsweise auf beiden Schmalseiten halbkreisförmig abgerundet ist, läßt sich der elektrische Wirkungsgrad etwa um 10% verbessern.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht eines Teils einer Induktionsspulenanordnung,

F i g. 2 eine Querschnittsansicht zweier j.u einem Spulenleiter zusammengefügten Leiterprofile, und

Fig.3 und 4 Querschnittsansichten verschiedener Ausführungsformen von Spulenleitern.

Fig. 1 zeigt einen Teil einer mehrlagigen zylindrischen Induktionsspule, die zum Erwärmen eines durch den Spuleninnenraum geführten metallischen Werkstücks 1 dient. Der in der Zeichnung dargestellte Teil der Induktionsspule besteht aus einem Spulensegment 2, welches seinerseits aus zwei gegensinnig gewickelten Spulenspiralen 3 und 4 besteht. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind insgesamt fünf Wicklungslagen vorgesehen. Die beiden inneren Windungslagen der Spulenspiralen 3 und 4 stehen mit einem Übergangsstück 5 in direkter Verbindung. Das Übergangsstück 5 verläuft schräg zur Ebene der beiden Spulenspiralen 3 und 4.

Die nach oben herausgeführten Enden der äußeren Windungslagen sind gegeneinander, d. h. aus der Zeichnungsebene heraus beziehungsweise in die Zeichnungsebene hinein, versetzt. Der elektrische Anschluß erfolgt über die Anschlußfahnen 6 und 7. An den Enden der Spulenleiter befinden sich WasseranschluQstutzcn 8 und 9.

Die gesamte Induktionsspule wird von mehreren Spulensegmenten 2 gebildet, die dicht ncbcncinandeiliegend angeordnet sind.

Im folgenden sollten unter Bezugnahme auf die I" i g. 2 bis 4 verschiedene Ausführungsfomien von Spulenleitern (im folgenden Leiter genannt), die für die anhand von Fig. 1 beschriebene Spulenspiralen eingesetzt wei den, erläutert werden.

F i g. 2 zeigt zu einem Leiter 40 zusammengefaßte kongruente Leiterprofile, die — um 180° gegeneinander verdreht — von einer elektrisch isolierenien Wickelbandage 42 zusammengehalten werden. Die beiden Leiterprofile sind voneinander durch eine elektrisch isolierende Zwischenschicht 43 getrennt, und sie besitzen Kühlkanäle.

F i g. 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, die hinsichtlich der Vermeidung von Wirbelstromverlusten bevorzugt wird und die im Querschnitt angenähert oval ist. Der Leiter 50 besteht aus zwei um 180° gegeneinander verdrehten Leiterprofilen 50a und 50b, die in dem dargestellten Zustand einen weitgehend geschlossenen Querschnitt aufweisen. Die beiden Leiterprofilc sind elektrisch durch eine isolierende Zwischenschicht 53 voneinander getrennt. Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß die beiden Leiterprofile 50a und 506 völlig identisch ausgebildet und symmetrisch angeordnet sind.

Das Leiterprofil 50a beispielsweise weist einen den Kühlkanal 51;) etwa zu dreiviertel krcisringähnlich umschließenden Abschnitt 54 auf, an den sich eine Rippe 55 anschließt. Die Rippe 55 ist kanpp so dick wie der gesamte Leiter 50. Das dem Kühlmittel 51a abgewandte Ende der Rippe 55 ist zwecks Anpassung an den kreisförmigen Abschnitt des Leiterprofils 506 zugespitzt.
Die beiden Leiterprofile 50a und 506 werden von einer Wickelbandage 52 zusammengehalten. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist die Dicke eines der sich überlappenden Leiterprofile 50a und 506 an keinei Stelle größer als die Hälfte der Dicke des Leiters 50. Dies gewährleistet einen hohen Wirkungsgrad der Induktionsspule wegen der geringen Wirbelstromverluste im Leiter.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 sind zwei identisch ausgebildete Leilcrprofile 60a und 606 mit Kühlkanälen 61a und 616 mit einer Wickelbandage 62 zu einem Leiter 60 zusammengefaßt. Eine Isolierschicht 63 trennt die beiden Leiterprofile 60a und 606.

Die Erfindung wurde mit einer Versuchsanlage getestet, bei welcher der Leiter gemäß F i g. 3 eingesetzt wurde. Die Induktionsspule bestand aus insgesamt 15Teilspulcn der oben anhand von Fig. 1 erläuterten Art. Bei sechs Windungslagen betrug demgemäß die Anzahl der Windungen pro Teilspule zwölf. Bei einem Spulendurchmesser von 210 mm betrug die Spulenlänge 720 mm, der Spulenleiter hatte eine radiale Dicke von 8,5 mm und eine axiale Breite von 46 mm. Mit der so aufgebauten Induktionsspule wurde ein wassergekühlter Hohlblock aus Kupfer mil einem Durchmesser von 165 mm und einer Länge von 650 mm auf einem Temperaturniveau von 120°C warm gehalten. Die elektrische Leistung betrug 122 kW. Der Kühlwasserdurchsatz pro Kühlkanal jedes Leiterprofils betrug 0,2 m³/h. Eine Messung der Wassertemperatur ergab eingangsseitig einen Wert von 9,3°C und ausgangsseitig einen Wert von 19,2⁰C. Die Stromstärke betrug 11&5A, die Windungsspannung 3,35 V, der elektrische Widerstand betrug 1,70 · 10-^J.

Als Verlustleistung der Gesamtspule wurde ein Wert von 34,77 kW ermittelt, der cos q· betrug 0,175. Aus den gegebenen Daten errechnet sich der elektrische Wir-

•Γ) kungsgrad zu 0,715. Als Vergleich hierzu sei angegeben, daß bei einlagigen Induktionsspulen mit Innenkühlung ein elektrischer Wirkungsgrad von etwa 0.425 erreicht wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mehrlagige zylindrische Induktionsspule zum Erwärmen oder Schmelzen von metallischem Gut im Spuleninnenraum, mit mindestens einem als Doppelleiter ausgebildeten, aus zwei jeweils von einem Kühlkanal durchsetzten Leiterprofilen kongruenten Querschnitts bestehenden Leiter.