DE3604503A1

DE3604503A1 - Verfahren zum magnetischen freischwebenlassen und zum induktiven aufheizen eines werkstuecks sowie einrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3604503A1
Application number: DE19863604503
Authority: DE
Inventors: John H Mortimer
Original assignee: Inductotherm Corp
Current assignee: Inductotherm Corp
Priority date: 1985-08-01
Filing date: 1986-02-13
Publication date: 1987-02-12
Also published as: GB2178567A; GB8531808D0; JPS6310557B2; JPS6235491A; US4578552A; CA1245727A

Description

Verfahren zum magnetischen Freischwebenlassen und zum induktiven Aufheizen eines Werkstücks sowie Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Erfindung bezieht sich auf das Schwebeheizen von Werkstücken und insbesondere auf das Freischwebenlassen und Aufheizen von Werkstücken, wobei die zu lösende Aufgabe darin bestand, die sowohl zur Erzeugung der Aufheizeffekte als auch zur Erzeugung der Schwebekräfte notwendige elektrische Leistung von einer einzigen Versorgungseinheit zuzuführen, aber unabhängig voneinander zu steuern.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren vor mit den Merkmalen aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruch 1. Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Patentanspruch 2 beschrieben.

Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist Gegenstand der Patentansprüche 3 bis 6.

Die Erfindung umfaßt ein System zum magnetischen Freischwebenlassen und induktiven Aufheizen eines Werkstückes. Eine einzige Spule läßt gleichzeitig das Werkstück schweben und erwärmt es. Eine einzige mit variabler Frequenz arbeitende Wechselstromleistungsversorgungseinheit, an welche die Spule angeschlossen ist, versorgt die Spule mit der Leistung sowohl für das Freischwebenlassen als auch für das Aufheizen. Es sind Vorrichtungen vorgesehen zum Verändern der Frequenz der Ausgangsleistung der Versorgungseinheit, um den Aufheizeffekt am Werkstück zu verändern. Weiterhin sind in Serie zur Spule geschaltete Vorrichtungen vorgesehen zum Verändern der Scheinimpedanz der Spule bei einer Veränderung der Frequenz der Ausgangsleistung der Versorgungseinheit zur Erzielung einer konstanten Stromamplitude in der Spule unabhängig von der Frequenz zur Aufrechterhaltung einer konstanten Schwebekraft am Werkstück. Rückkopplungs- und Steuervorrichtungen sind vorgesehen zum Halten der Amplitude der der Spule zugeführten Leistung auf einem konstanten Wert.

Die Erfindung umfaßt weiterhin ein Verfahren zum magnetischen Freischwebenlassen und zum induktiven Aufheizen eines Werkstückes mit den Verfahrensschritten:

Gleichzeitiges Freischwebenlassen und Aufheizen des Werkstückes mittels einer einzigen Spule, Versorgen der Spule mit einer Wechselstromleistung sowohl zum Freischwebenlassen als auch zum Aufheizen, Verändern der Frequenz der Wechselstromleistung zur Veränderung des Aufheizeffektes am Werkstück, Verändern der Scheinimpedanz der Spule bei einer Veränderung der Frequenz der Wechselstromleistung zur Erzielung einer konstanten Stromamplitude in der Spule unabhängig von der Frequenz zur Aufrechterhaltung einer konstanten Schwebekraft am Werkstück und Halten der Amplitude der der Spule zugeführten Leistung auf einen konstantem Wert.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in den Zeichnungen eine z. Z. bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Es wird aber darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht durch die spezielle Anordnung und Ausbildung der dargestellten Einrichtung begrenzt ist.

Fig. 1 zeigt in einer vereinfachten Skizze die Prinzipien des magnetischen Freischwebenlassens so wie sie auf die vorliegende Erfindung anwendbar sind;

Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Einrichtung nach der Erfindung, das aus Gründen der Klarheit stark vereinfacht dargestellt ist;

Fig. 3 zeigt die elektrische Schaltung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 ebenfalls aus Gründen der Klarheit in vereinfachter Darstellung;

Fig. 4 zeigt in etwas detaillierterer Darstellung das Schaltbild nach Fig. 3 in dem eine Möglichkeit einer Ausbildung der Rückkopplungsvorrichtung dargestellt ist.

Im folgenden wird zunächst der theoretische Hintergrund der Erfindung erläutert.

Es ist bekannt, daß ein stabiles magnetisches Freischwebenlassen eines elektrisch leitenden Gegenstandes erreicht werden kann, indem der Gegenstand in einem geeigneten inhomogenen magnetischen Wechselfeld solcher Frequenz angeordnet wird, daß der Gegenstand eine entsprechende Rückstellkraft erfährt, welche ihn an einem vorgegebenen Ort in dem magnetischen Feld festhält. In einem derartigen Fall ist das Feld, das aufgrund des Wirbelstroms mit der Winkelfrequenz (Omega) in dem Gegenstand der der Einfachheit halber als Kugel mit dem Radius r angenommen wird, erzeugt wird, gleichzusetzen einer Stromschleife

Die magnetische Kraft F auf jedes Stromelement IcdL dieses äquivalenten Schleifenstromes in einem inhomogenen Magnetfeld,

aufgrund des Stromes Ic wird ausgedrückt als:

In den oben dargestellten Ausdrücken bedeutet "Re" den Realteil des komplexen Ausdrucks, Größen in eckigen Klammern bezeichnen den Betrag des Vectors; Bc bezeichnet die magnetische Induktion oder das Feld; "exp" bedeutet die Basis des Systems der natürlichen Logarithmen; "j" ist die Quadratwurzel aus -1; ω ist gleich 2 π f, wobei "f" die angelegte Frequenz ist; "t" bezeichnet die Zeit; ϕ bezeichnet das Umlauf- oder Kurvenintegral; d bezeichnet das Differentialelement in Richtung des Stromes; c bezeichnet die magnetische Induktion oder das Feld und Ic bezeichnet den Betrag des Stromes. Die Balken über den Buchstaben bezeichnen Vektorgrößen im Gegensatz zu skalaren Größen. Eine Vektorgröße ist eine Größe, die sowohl einen Betrag als auch eine Richtung besitzt, wie beispielsweise die Geschwindigkeit, während eine skalare Größe eine Größe ist, die nur einen Betrag besitzt, wie beispielsweise die Temperatur.

Fig. 1 ist nun eine einzige Drahtschleife 100 mit dem Radius R dargestellt, die in einer horizontalen Ebene liegt und in der ein Wechselstrom Ic fließt. In axialer Richtung über der Schleife 100 ist eine Kugel 102 aus leitendem Material, beispielsweise einem Metall, angeordnet, in welcher aufgrund der Induktion ein Wirbelstrom Is zirkuliert. Die Kugel 102 besitzt den Radius r. Die leitende Kugel 102 ist in einer Entfernung x über der Ebene der Schleife 100 angeordnet. Die Kugel 102 ist an einer Halterung 104 mittels einer Wendelfeder 106 aufgehängt.

Anhand der oben angegebenen Gleichungen kann für die in Fig. 1 dargestellte Anordnung abgeleitet werden, daß eine normalisierte Schwebekraft Fn auf die in Fig. 1 dargestellte leitende Kugel ausgeübt wird.

Eine derartige freischwebende leitende Kugel mit einem spezifischen Widerstand ρ (rho) absorbiert Leistung aus dem magnetischen Wechselfeld Bc aufgrund der entstehenden Stromdichte J in dem elementaren Randschichtvolumen dV, entsprechend der Beziehung:

wobei ∫∫∫ das Volumenintegral bedeutet und der Stern die konjugierte Größe bezeichnet.

Diese mittlere Leistungsabsorption ist der Grund für das Aufheizen und darauffolgende Schmelzen der leitenden Kugel, wenn genügend Leistung zugeführt wird. Es wird darauf hingewiesen, daß die absorbierte Leistung mit der Frequenz des Wechselfeldes Bc verknüpft ist wie anhand von Gleichung (2) gezeigt.

Im folgenden sollen zunächst bekannte Systeme zum magnetischen Freischwebenlassen und Aufheizen betrachtet werden.

Die bekannten Systeme zum magnetischen Freischwebenlassen und Aufheizen haben von den oben erwähnten theoretischen Prinzipien Gebrauch gemacht, um Metalle in einer Umgebung zu schmelzen, in der das Metall mit keinem festen Körper, wie beispielsweise einem feuerfesten Schmelztiegel, in Kontakt gerät. Das Schmelzen von Metall in einem feuerfesten Schmelztiegel oder Futter kann zu einer Verunreinigung der Schmelze führen. Beim Schmelzen des Metalls ohne Kontakt mit irgendeinem festen Körper werden aus der Umgebung stammende Einschlüsse im Metall und chemische Reaktionen zwischen dem Metall und seinen Bestandteilen mit den umgebenden Festkörpern vermieden.

Es ist viel Aufwand getrieben worden zur Entwicklung von Spulen mit einer solchen geometrischen Konfiguration, daß der durch den in den Induktionsspulen in geeigneter Stärke fließenden Wechselstrom erzeugte magnetische Fluß Metall innerhalb des Feldes stationär festhält. So wird beispielsweise in der US-PS 26 86 864 ein System zum magnetischen Freischwebenlassen und Aufheizen beschrieben, bei der das erzeugte Schwebefeld durch verschiedene Konfigurationen von Spulen erhalten werden kann.

Das bei den bekannten Systemen zum Schwebeschmelzen und Aufheizen auftretende Problem besteht in der Unmöglichkeit, die Schwebekräfte und die Aufheizeffekte zur gleichen Zeit unabhängig voneinander zu steuern. Während der Herstellung einer Schmelze ist es oft erforderlich, die Schmelze stärker aufzuheizen (beispielsweise durch Zuführung größerer Heizleistung) und dann die Schmelze bis zum Ende auf einer niedrigeren Leistung zu halten. Es kann auch wünschenswert sein, am Ende des Schmelzprozesses das Metall bis zur Bildung eines Festkörpers abzukühlen, während es noch in der Schwebe gehalten wird. Das Problem liegt darin, daß eine Veränderung der zugeführten Frequenz zur Steuerung des Aufheizens des Werkstückes eine Änderung der Schwebekräfte mit sich bringt und das Werkstück nicht länger im magnetischen Feld festgehalten werden kann.

Die vorliegende Erfindung ist eine Lösung des Problems, eine konstante Schwebekraft anzulegen, während zur gleichen Zeit die Möglichkeit besteht, die angelegte Frequenz zu ändern, um das Aufheizen im Werkstück zu steuern, wobei nur eine einzige Stromversorgungseinheit und nur eine einzige Spule sowohl zum Freischwebenlassen als auch zum Induzieren des Heizstromes im Werkstück verwendet werden.

In vereinfachter Darstellung kann man sagen, daß die Erfindung auf dem Prinzip beruht, daß die Schwebekraft im wesentlichen unabhängig von der angelegten Frequenz ist, sobald die angelegte Frequenz die Frequenz überschreitet, bei der der dreifache Wert der Eindringtiefe kleiner wird als der Durchmesser des Werkstückes. Oberhalb der Frequenz, bei der drei Eindringtiefen kleiner werden als der Durchmesser des Werkstückes ist die Schwebekraft in erster Linie von der Größe des in der Spule fließenden Wechselstroms abhängig (d. h. vom zugeführten Strom). Die Aufheizung des Werkstückes beruht auf dem induzierten Strom, der aufgrund der magnetischen Induktion zwischen der Spule und dem Werkstück im Werkstück fließen muß. Die Aufheizung ist proportional sowohl dem induzierten Strom als auch der angelegten Frequenz.

Um eine konstante Schwebekraft zu erhalten, ist ein konstanter Wechselstrom in der Spule erforderlich. Wenn die Frequenz verändert wird, um die Aufheizung zu steuern, ändert sich die Größe des Wechselstromes in der Spule, weil die Impedanz des Kreises bei verschiedenen Frequenzen unterschiedlich ist. Die Schwebekraft kann konstant gehalten werden, indem der zugeführte Strom konstant gehalten wird und der zugeführte Strom kann konstant gehalten werden, indem die Impedanz des Kreises gleichzeitig mit einer Änderung der angelegten Frequenz verändert wird. Die Impedanz des Kreises wird durch Veränderung einer in Serie mit der Induktionsspule geschalteten Drosselspule variiert. Durch Veränderung der in Serie geschalteten Drosselspule kann der zugeführte Strom über einen Bereich von angelegten Frequenzen konstant gehalten werden. Zur Erzielung eines konstanten Stromes im Kreis wird Rückkopplung, insbesondere in der Form eines Leistungsmessers verwendet. Bei der Durchführung des Verfahrens wird die variable Drosselspule auf einen Wert für den gewünschten Leistungspegel eingestellt und der Rückkopplungskreis justiert die Frequenz der Versorgungseinheit so, daß sie für den eingestellten Strom an die für das Freischweben erforderliche Resonanzfrequenz des Kreises angepaßt ist.

In den Fig. 2 bis 4 ist nun eine bevorzugte Ausführungsform 10 einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Wie am besten in Fig. 2 zu sehen, besitzt diese Einrichtung 10 eine einzige Schwebe- und Aufheizspule 12, die aus mehreren Spulenwindungen 14 aufgebaut ist. Mittels der Spulenzuleitungen 16 und 18 kann die Spule 12 an eine elektrische Energiequelle angeschlossen werden, die weiter unten ausführlicher beschrieben wird. Es wird davon ausgegangen, daß dem Fachmann Induktionsheizspulen bekannt sind und da die genaue Struktur der Spule 12 kein Teil der vorliegenden Erfindung ist, wird es für unnötig gehalten, die Spule 12 in größerer Ausführlichkeit zu beschreiben.

In Fig. 2 ist weiterhin ein Werkstück 20 dargestellt, das mittels der Spule 12 magnetisch in der Schwebe gehalten wird. Das Werkstück 20 ist in Art einer Kugel dargestellt, obwohl jede andere erforderliche Gestalt erhalten werden kann, indem die Struktur der Spule 12 nach an sich bekannten Grundsätzen verändert wird (siehe beispielsweise US-PS 26 86 864). Eine Pfanne 22, die auf einem in seiner Längsrichtung auf- und abbewegbaren Schaft 24 angeordnet ist, ist vorgesehen zur Aufnahme des Werkstückes 20 nach Beendigung des Aufheizens.

Fig. 3 zeigt in einem vereinfachten schematischen Diagramm den elektrischen Schaltkreis 30 nach der vorliegenden Erfindung. Mittels einer Hochfrequenz-Impuls- Versorgungseinheit 32 wird der Heizspule Energie zugeführt. Die Versorgungseinheit 32 kann nach an sich bekannten Grundsätzen so ausgelegt sein, daß sie die für das Freischwebenlassen und Aufheizen erforderliche Leistung abgibt. Die Leistung wird von der Impuls-Versorgungseinheit 32 aus durch einen Stromsensor 34 und einen Koppel- und Abstimmkondensator 38 sowie eine Abstimmspule 40 der Iduktionsspule und der Last zugeführt, wobei letztere schematisch als Ersatzschaltkreis 42 in Fig. 3 dargestellt sind. Der Ersatzschaltkreis 42 besitzt eine Ersatziduktanz 44 und einen Ersatzwiderstand 46. Der Ersatzschaltkreis 42 ist eine übliche Methode, die Scheinimpedanz der Induktionsspule und der Last, welche von der Versorgungseinheit 32 betrieben werden müssen, darzustellen. Das Ausgangssignal des Stromsensors 34 wird einem Steuerkreis 36 zugeführt, welcher die Frequenz der Impuls-Versorgungseinheit 32 so justiert, daß eine konstante Stromstärke in der Induktionsspule aufrechterhalten wird.

In Fig. 4 ist eine Möglichkeit der Ausführung des Stromsensors 34 und des Steuerkreises 36 dargestellt. Ein Stromwandler 48 fühlt den von der Versorgungseinheit 32 erzeugten und der Induktionsspule zugeführten Strom ab. Das Ausgangsssignal des Stromwandlers 48 wird einem Strom-Meßgrößenumformer 50 zugeführt, welcher eine analoge Ausgangsspannung erzeugt, die proportional dem abgefühlten Strom ist. Das Ausgangssignal des Strom- Meßgrößenumformers 50 wird einem Vergleicher 52 zugeführt, der den abgefühlten Stromwert mit einer Bezugsspannung vergleicht, die mittels eines variablen Widerstandes 54 erzeugt wird. Der variable Widerstand 54 kann auf die gewünschte Stromstärke und somit auf den gewünschten Wert für die Schwebekraft für die Induktionsspule eingestellt werden. Das Ausgangssignal des Vergleichers 52 wird der Impuls-Versorgungseinheit 32 zugeführt, um die Frequenz der Ausgangsimpulse in bekannter Weise einzustellen.

Die variable Drosselspule 40 kann von einer Bedienungsperson in der gewünschten Weise zur Steuerung des Aufheizeffektes der Induktionsspule am Werkstück 20 eingestellt werden. Die variable Drosselspule 40 kann hierzu mit einem einstellbaren Bedienungsknopf oder einem anderen Steuerelement an einem Schmelzofen-Steuerpult verbunden sein.

Im folgenden soll die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung kurz beschrieben werden:
Es soll erreicht werden, eine konstante Schwebekraft am Werkstück 20 aufrechtzuerhalten, was eine konstante Stromstärke des Wechselstroms in der Induktionsspule erfordert. Es soll weiterhin möglich sein, die Frequenz des Stromes zur Steuerung des Aufheizens im Werkstück zu verändern. Die Schwebekraft kann konstant gehalten werden, indem die Stromstärke konstant gehalten wird und die Stromstärke kann konstant gehalten werden durch Veränderung der Impedanz des Kreises zur gleichen Zeit, wenn eine Frequenzänderung durchgeführt wird. Die Impedanz des Kreises wird durch eine Veränderung an der veränderbaren Drosselspule 40 geändert. Bei einer Veränderung an der veränderbaren Drosselspule 40 kann die Stärke des Wechselstroms bei allen angelegten Frequenzen gesteuert werden. Der Stromsensor 34 und der Steuerkreis 36 wirken insbesondere als Leistungsmesser und stellen einen konstanten Strom im Kreis sicher durch Veränderung der Frequenz an der Versorgungseinheit 32, um die Frequenz des Kreises in der Weise anzupassen, wie es mittels der veränderbaren Drosselspule 40 voreingestellt ist. Die Erfindung macht es möglich, die Kreisimpedanz und die angelegte Frequenz so zu verändern, daß die Aufheizung des Werkstückes, welche eine Funktion der Frequenz ist, gesteuert wird und der zugeführten Strom, welcher eine Funktion der Kreisimpedanz bei der angelegten Frequenz ist, konstant bleibt, um eine konstante Schwebekraft zu erzielen.

Es kann somit festgestellt werden, daß die Erfindung eine konstante Schwebekraft erzeugt, während es zur gleichen Zeit möglich ist, die angelegte Frequenz zu verändern, um die Aufheizung im Werkstück zu steuern, wobei nur eine einzige Versorgungseinheit und eine einzige Spule benötigt werden.

Claims

1. Verfahren zum magnetischen Freischwebenlassen und zum induktiven Aufheizen eines Werkstückes, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:
a) Gleichzeitiges Freischwebenlassen und Aufheizen des Werkstückes (20) mittels einer einzigen Spule (12);
b) Versorgen der Spule mit einer Wechselstromleistung sowohl zum Freischwebenlassen als auch zum Aufheizen;
c) Verändern der Frequenz der Wechselstromleistung zur Veränderung des Aufheizeffektes am Werkstück (20);
d) Verändern der Scheinimpedanz (40) der Spule (12) bei einer Veränderung der Frequenz der Wechselstromleistung zur Erzielung einer konstanten Stromamplitude in der Spule (12) unabhängig von der Frequenz zur Aufrechterhaltung einer konstanten Schwebekraft am Werkstück (20) und
e) Halten der Amplitude der der Spule zugeführten Wechselstromleistung auf einem konstanten Wert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte zum Halten der Amplitude der der Spule zugeführten Wechselstromleistung auf einen konstanten Wert:
Abfühlen der Amplitude des Spulenstroms;
Vergleichen der abgefühlten Amplitude mit einem Vergleichswert und
Erzeugen eines auf dem Vergleich basierenden Steuersignals.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
a) eine einzige Spule (12) zum gleichzeitigen Freischwebenlassen und Aufheizen des Werkstückes (20);
b) eine einzige Wechselstromleistung-Versorgungseinheit (32) mit variabler Frequenz, an welche die Spule (12) angeschlossen ist zur Versorgung der Spule mit Wechselstromleistung sowohl zum Freischwebenlassen als auch zum Aufheizen;
c) Vorrichtungen zur Veränderung der Frequenz der Ausgangsleistung der Versorgungseinheit (32) zum Verändern des Aufheizeffektes am Werkstück (20);
d) eine in Serie mit der Spule (12) geschaltete Vorrichtung (40) zur Veränderung der Scheinimpedanz der Spule (12) bei einer Veränderung der Frequenz der Ausgangsleistung der Versorgungseinheit zur Erzielung einer konstanten Stromamplitude in der Spule (12) unabhängig von der Frequenz zur Aufrechterhaltung einer konstanten Schwebekraft am Werkstück (20) und
e)Rückkopplungs- (34) und Steuervorrichtungen (36) zum Halten der Amplitude der der Spule (12) zugeführten Wechselstromleistung auf einem konstanten Wert.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungseinheit als Impulsgenerator (32) ausgebildet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (40) zur Veränderung der Scheinimpedanz der Spule (12) eine variable Drosselspule ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungs- und Steuervorrichtungen einen Stromwandler (48) zur Abfühlung des Stroms in der Spule (12) aufweisen, sowie Vorrichtungen (52) zum Vergleich des abgefühlten Stromes mit einem Vergleichswert und zum Erzeugen eines Steuersignals aufgrund des Vergleichs.