DE4343578C2 - Vorrichtung zum induktiven Erwärmen elektrisch leitfähiger Werkstücke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum induktiven Erwärmen elektrisch leitfähiger Werkstücke, mit einem Generator und einem dem Generator nachgeschalteten Transformator, wobei der Transformator einen Kern mit Primärspule aufweist, der Kern offen ausgebildet ist, der magnetische Kreis durch das Werkstück schließbar ist und an den freien Enden des Kerns Aufnahmen vorgesehen sind, die der Form des zu erwärmenden Werkstücks angepaßt sind.

Vorrichtungen der in Rede stehenden Art sowie entsprechende Verfahren sind aus der Praxis bekannt. So wird das induktive Erwärmen elektrisch leitfähiger Werkstücke bspw. auch bereits zum Entfernen von Beschichtungen auf Metalloberflächen einge­ setzt. Hierzu wird lediglich beispielhaft auf die DE 39 27 432 A1 verwiesen. Wesent­ lich ist hierbei, daß die Metalloberflächen mittels eines elektromagnetischen Wech­ selfeldes erwärmt werden, wobei es sich hier konkret um ein Hochfrequenzwechsel­ feld handelt. Dieses Hochfrequenzwechselfeld wird von einer herkömmlichen Indukti­ onsspule erzeugt. Zum Entlacken wird die Induktionsspule über die beschichtete Metalloberfläche bewegt, wobei der Induktionsspule in üblicher Weise ein Transfor­ mator und diesem wiederum ein Generator vorgeschaltet ist.

Der Einsatz herkömmlicher Induktionsspulen ist jedoch insbesondere bei Bedarf ei­ ner mobilen Einrichtung problematisch, da ein erheblicher apparativer Aufwand erfor­ derlich ist. Im übrigen treten ganz erhebliche Verluste auf, die auf die Transformation und Einspeisung in den eigentlichen Induktor und die dort abermals stattfindende Transformation bzw. Übertragung zurückzuführen sind.

In den eingetragenen Unterlagen des deutschen Gebrauchsmusters 1 923 512 wird eine Vorrichtung zum Verleimen von Rippenplatten auf Eisenbahnschienenschwellen beschrieben, mit der der die Rippenplatten und die Eisenbahnschienenschwellen verbindende Kleber erwärmt wird, um den Prozeß des Aushärtens zu beschleunigen. Dazu werden die Rippenplatten während des Erwärmens als Schließteil für den ma­ gnetischen Kreis eines E-förmig zusammengesetzten Magnetkerns verwendet. Als Induktor wird ein Niederfrequenz-Rückschlußinduktor mit einem E-förmigen Magnet­ kern eingesetzt, dessen Stege wahlweise mit einer oder mit mehreren Induktions­ spulen versehen sein können. Die freien Enden der Stege werden direkt auf die Rip­ penplatte aufgesetzt und sind entsprechend ausgeformt. Die bekannte Vorrichtung zum induktiven Erwärmen läßt sich aufgrund der konkret gewählten konstruktiven Ausformung des Kerns sinnvoll, d. h. mit verhältnismäßig geringen Verlusten, nur für flächige Werkstücke einsetzen, deren Angriffsoberfläche an die Ausformung der freien Enden des Kerns angepaßt ist.

Die DE 23 31 814 B2 beschreibt eine Vorrichtung zum induktiven Erwärmen elek­ trisch leitfähiger Werkstücke, wobei hier aber über die konstruktive Ausgestaltung des Kerns keinerlei Aussagen gemacht werden. Aus der DE 35 18 946 A1 ist eine Vorrichtung zum Verbinden von Teilen mittels eines thermisch aktivierbaren Kleb­ stoffs bekannt, der durch einen Induktor aufheizbar ist. Der Kern und die Induktions­ spule des Induktors sind in ein aus Isolierstoff bestehendes Gehäuse eingesetzt und bilden so ein frei handhabbares Arbeitsgerät.

Die FR 2 661 849 A1 beschreibt ein Verfahren und eine gattungsgemäße Vorrichtung zum induktiven Erwärmen von elektrisch leitfähigen Werkstücken in Form von Meterware. Das Werkstück wird hier zum Erwärmen durch den Spalt eines Transformatorkerns bzw. einer Anordnung von Transformatorkernen geführt. Da das Werkstück möglichst rei­ bungslos durch die bekannte Vorrichtung geführt werden soll, schließt das zu erwär­ mende Werkstück keinen der Kerne der bekannten Transformatoranordnung. In der FR 2 661 849 A1 wird auch vorgeschlagen, die freien Enden des oder der Kerne der bekannten Vorrichtung an die Form des zu erwärmenden Werkstücks anzupassen, um eine bessere Ankopplung an das Werkstück zu erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum induktiven Erwär­ men elektrisch leitfähiger Werkstücke anzugeben, die möglichst vielseitig einsetzbar ist, insbesondere auch zum Erwärmen von Werkstücken unterschiedlicher Geome­ trie.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum induktiven Erwärmen elektrisch leitfähiger Werkstücke löst die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspru­ ches 1. Danach sind die Aufnahmen austauschbar.

Erfindungsgemäß wird demnach vom herkömmlichen Induktorprinzip abgegangen. Vielmehr wird der in üblicher Weise dem Induktor vorgeschaltete Transformator als quasi Instrument zum Erwärmen verwendet, ist nämlich der herkömmliche Induktor überhaupt nicht mehr erforderlich. Der Kern ist in erfindungsgemäßer Weise offen ausgebildet, d. h. er weist zwei freie Enden auf. Das zu erwärmende Werkstück wird nun entweder mit Abstand oder direkt über die freien Enden gelegt, so daß das Ma­ gnetfeld direkt in das zu erwärmende Werkstück eindringen kann. Folglich wirkt das als Joch dienende Werkstück im Sinne einer Sekundärwicklung hinsichtlich der dort auftretenden Wirbelströme. Man könnte hier von einer Art Mantelwicklung sprechen. An dieser Stelle sei angemerkt, daß der Wirkungsgrad bei nicht-ferritischen Materia­ lien erheblich steigt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist im Vergleich zu einem herkömmlichen Induktor ganz erheblich vereinfacht, weist nämlich keinen herkömmlichen Induktor mit vorge­ schaltetem Transformator auf. Vielmehr ist hier der Transformator aufgebrochen bzw. geöffnet und wird erst durch das Werkstück selbst "vervollständigt", wobei das Werk­ stück einerseits das Joch und andererseits die Sekundärwicklung des Transformators darstellt. Das Werkstück könnte einerseits von den freien Enden des Kerns beab­ standet sein oder andererseits diese direkt kontaktieren.

Damit nun mit ein und derselben Vorrichtung auch unterschiedliche Werkstücke er­ wärmt werden können, weist der Kern erfindungsgemäß an seinen beiden freien En­ den als Werkzeug dienende besondere Aufnahmen auf, die dann in dem als Joch dienenden Werkstück Wirbelströme produzieren bzw. hervorrufen. Diese Aufnahmen sind bspw. mittels Schnellspannplatten austauschbar, d. h. mit dem eigentlichen Kern verbindbar bzw. von dem Kern lösbar ausgeführt. Mit einfachen Mitteln und auf schnellste Weise lassen sich die Werkzeuge - d. h. die Aufnahmen - austauschen und an das zu behandelnde bzw. zu erwärmende Werkstück der Form nach anpassen.

Hinsichtlich der Erwärmung langer Werkstücke, bspw. langer Bänder, Rohre oder sonstiger Profilteile, könnten mehrere Kerne zu einer Baugruppe zusammenge­ schaltet sein. Somit könnte das Werkstück auf einer nahezu beliebigen Länge hinweg gleichzeitig erwärmt werden. Die Kerne bzw. Primärspulen können dabei parallel oder in Reihe zu dem Generator geschaltet sein. Im Falle einer Reihenschaltung würden sämtliche Kerne mit dem gleichen Primärstrom beaufschlagt werden.

Hinsichtlich einer konkreten Ausgestaltung des Kerns ist es von Vorteil, diesen U-förmig auszubilden. Die Primärwicklung könnte dann an beiden freien Schenkeln des Kerns vorgesehen sein, wobei sich diese jeweils bis zum freien Ende der Schenkel erstrecken könnte. Ebenso wäre es denkbar, die Primärwicklung an dem die beiden freien Schenkel miteinander verbindenden Quersteg des U-förmigen Kerns vorzuse­ hen, wobei eine besondere Abschirmung der Primärspule selbst dann nicht mehr er­ forderlich wäre, zumal von dort aus keine Beeinflussung des am freien Ende der Schenkel auftretenden Magnetfeldes stattfinden kann.

Des weiteren ist es von Vorteil, wenn die Schnellspannplatten aus einem nichtma­ gnetischen Werkstoff hergestellt sind. Hierzu kommt bspw. Kunststoff in Frage. Je­ denfalls ist bei den Schnellspannplatten darauf zu achten, daß sie in materialmäßiger Hinsicht außerhalb des Magnetflusses liegen.

Nun lassen sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowohl dünne Drähte als auch dicke Profile erwärmen oder gar glühen. Dazu ist es jedoch erforderlich, daß die dem Werkstück einprägbare Leistung über die am Werkstück bzw. an der Oberfläche auftretende Temperatur regelbar ist. Des weiteren ist es von Vorteil, wenn die Fre­ quenz, mit der die Primärspule beaufschlagt wird, ebenfalls in gewissen Bereichen vorgegeben werden kann, insbesondere um den sog. Skin-Effekt positiv zu nutzen. Bei entsprechend hohen Frequenzen läßt sich so bspw. eine bewußte Erwärmung an der Oberfläche erzielen, wobei die die Erwärmung hervorrufenden Wirbelströme eine nur geringe Eindringtiefe aufweisen. In diesem Zusammenhang sei noch angemerkt, daß der Generator - gerade zur Ausnutzung des sog. Skin-Effekts - als Hochfre­ quenzgenerator ausgeführt sein kann, um nämlich den Transformator bzw. dessen Primärspule mit hochfrequenten Strömen zu beaufschlagen.

Hinsichtlich der Wirkverbindung zwischen Generator und Transformator könnte der Transformator über ein Stromkabel oder eine Stromschiene mit dem Generator ver­ bunden sein. Ebenso wäre es jedoch denkbar, den Generator und den Transformator als eine bauliche Einheit zu bilden, wobei zu dem Generator dann bspw. ein Dreh­ stromkabel führen könnte. Gerade im Schiffsbau wäre eine solche Ausgestaltung von Vorteil, wo nämlich die gesamte zur Bearbeitung erforderliche Einheit zum Schiffs­ rumpf - und dort zum Entlacken - verbracht werden könnte.

Auch bei sonstigen Handhabungen ist es grundsätzlich denkbar, den Transformator mit den als Werkzeug dienenden Aufnahmen als Handgerät auszuführen, welches bspw. im Sinne eines Bügeleisens bewegt werden könnte. Ebenso könnte es sich hier um eine stationäre Einrichtung handeln, wobei dann das zu erwärmende Werk­ stück an den Aufnahmen vorbeigeführt werden müßte. Ein möglichst gleichmäßiger Vorschub müßte hier jedoch apparativ bewerkstelligt werden.

Schließlich sei nochmals ganz besonders darauf hingewiesen, daß die erfindungs­ gemäße Vorrichtung zum Entfernen von Beschichtungen, insbesondere zum Ent­ lacken von Metalloberflächen, verwendet werden kann. Hierin ist eine ganz beson­ ders vorteilhafte Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu sehen.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfol­ gende Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen.

In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbei­ spiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Vorrichtung zum induktiven Erwärmen elek­ trisch leitfähiger Werkstücke nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 in einer schematischen Ansicht, teilweise, ein erstes Ausführungsbei­ spiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 den Gegenstand aus Fig. 2 in einer Seitenansicht und

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Ansicht wie in Fig. 2.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung zum induktiven Er­ wärmen elektrisch leitfähiger Werkstücke. Zu der Vorrichtung gehören ein Generator 1 und ein dem Generator 1 nachgeschalteter, schwingkreisbeaufschlagter Transfor­ mator 2, wobei der Transformator 2 einen Kern 3 mit einer Primärspule 4 aufweist.

Der Kern 3 ist offen ausgebildet und durch das Werkstück 5 im Sinne eines Jochs schließbar.

In Fig. 1 ist der Kern 3 U-förmig ausgebildet, wobei die Primärspule 4 bzw. die Pri­ märwicklung an den beiden freien Schenkeln 6 des Kerns 3 vorgesehen ist, sich im konkreten jeweils bis zum freien Ende der Schenkel 6 erstreckt.

Die Fig. 2, 3 und 4 beziehen sich ausschließlich auf die Anordnung des Kerns 3 mit Primärspule 4 und Werkstück 5.

Bei den in den Fig. 2 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispielen von erfindungsgemäßen Vorrichtungen ist der Kern 3 ebenfalls U-förmig ausgebildet. Die Primärwicklung 4 ist jedoch an den die beiden freien Schenkel 6 miteinander verbindenden Quersteg 7 vorgesehen.

Während bei der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung die freien Enden 8 des Kerns 3 in einer Ebene liegende Flächen aufweisen, sind bei den in den Fig. 2 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispielen an den beiden freien Enden 8 der Kerne 3 Aufnahmen 9 vor­ gesehen, die mittels in den Fig. nicht gezeigter Schnellspannplatten austauschbar sind. Die Aufnahmen sind zumindest weitgehend der Form des zu erwärmenden Werkstücks angepaßt, so daß eine optimale Kopplung stattfinden kann.

Hinsichtlich weiterer Einzelheiten wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung verwiesen. Abschließend sei nochmals besonders hervorgehoben, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere auch zum Entfernen von Beschichtungen, insbesondere zum Entlacken von Metalloberflächen, verwendet werden kann. Durch den sog. Skin-Effekt an der Oberfläche des zu be­ handelnden Werkstücks erreichbare Temperaturen ermöglichen eine im wesentlichen auf die Oberfläche bezogene Temperaturbehandlung mit geringstmöglichem Energiebedarf.

Claims (15)

1. Vorrichtung zum induktiven Erwärmen elektrisch leitfähiger Werkstücke, mit einem Generator (1) und einem dem Generator (1) nachgeschalteten Transformator (2), wobei der Transformator (2) einen Kern (3) mit Primärspule (4) aufweist, der Kern (3) offen ausgebildet ist, der magnetische Kreis durch das Werkstück (5) schließbar ist und an den freien Enden (8) des Kerns (3) Aufnahmen (9) vorgesehen sind, die der Form des zu erwärmenden Werkstücks (5) angepaßt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmen austauschbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Kerne (3) eine Baugruppe bilden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärspulen (4) parallel zu dem Generator (1) geschaltet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärspulen (4) in Reihe zu dem Generator (1) geschaltet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (3) U-förmig ausgebildet ist und die Primärwicklung (4) an beiden freien Schenkeln (6) des Kerns (3) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwick­ lung (4) sich jeweils bis zum freien Ende der Schenkel (6) erstreckt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (3) U-förmig ausgebildet ist und die Primärwicklung (4) an dem die beiden freien Schenkel (6) miteinander verbindenden Quersteg (7) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmen (9) mittels Schnellspannplatten mit dem eigentlichen Kern (3) ver­ bindbar sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnell­ spannplatten aus einem nichtmagnetischen Werkstoff, insbesondere aus Kunststoff, hergestellt sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Werkstück (5) einprägbare Leistung über die am Werkstück (5), insbeson­ dere an dessen Oberfläche sich einstellende Temperatur regelbar ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz, mit der die Primärspule (4) beaufschlagt wird, vorgebbar ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (1) als Hochfrequenzgenerator ausgeführt ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (2) über ein Stromkabel oder eine Stromschiene mit dem Gene­ rator (1) verbunden ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Generator (1) und Transformator (2) eine bauliche Einheit bilden.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Transformator (2) mit den Aufnahmen (9) als Handgerät ausgeführt ist.