DE502691C

DE502691C - Coreless induction melting furnace

Info

Publication number: DE502691C
Application number: DEA46420D
Authority: DE
Original assignee: Ajax Electrothermic Corp
Current assignee: Ajax Electrothermic Corp
Priority date: 1924-11-29
Filing date: 1925-11-24
Publication date: 1930-07-29

Description

DEUTSCHES REICHGERMAN EMPIRE

AUSGEGEBEN AM 29. JULI 1930ISSUED ON July 29, 1930

REiCHSPATENTAMTREICH PATENT OFFICE

PATENTSCHRIFTPATENT LETTERING

KLASSE 21 h GRUPPECLASS 21 h GROUP

A 46420 VIlIb]21 h Tag der Bekannimachimg über die Erteilung des Patents: 3. JuliA 46420 VIlIb] 21 h. Day of notification of the grant of the patent: July 3rd

Ajax Electrothermic Corporation in Trenton, New Jersey, V. St. A.Ajax Electrothermic Corporation of Trenton, New Jersey, V. St. A.

Kernloser Induktionsschmelzofen Patentiert im Deutschen Reiche vom 24. November 1925 ab Coreless induction melting furnace Patented in the German Reich on November 24, 1925

ist in Anspruch genommen.is used.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Induktionsschmelzofen, bei dem die Induktionsspule einen Eisenkern nicht benötigt. Sie betrifft neu gefundene Beziehungen zwischen Menge und Durchmesser der erhitzten Chargierung, spezifischem Widerstand der Chargierung, innerem und äußerem Durchmesser des Induktors und der Frequenz.The invention relates to an induction melting furnace in which the induction coil an iron core is not required. It concerns newly found relationships between the quantity and diameter of the heated charge, specific resistance of the charge, inner and outer diameter of the inductor and the frequency.

Die Erfindung bezweckt eine derartige Wahl des Durchmessers der erhitzten oder geschmolzenen Masse oder eine derartige Regelung der Frequenz des verwendeten Stromes, daß die gesamte der Chargierung durch elektromagnetische Induktion mitgeteilte Energie im wesentlichen in Wärmeenergie umgesetzt wird, ehe die einfließende elektrische Energie die Achse der erhitzten oder geschmolzenen Masse erreicht.The invention aims at such a choice of the diameter of the heated or molten mass or such a regulation of the frequency of the current used, that all of the energy communicated to the charge by electromagnetic induction is essentially in thermal energy is implemented before the incoming electrical energy is the axis of the heated or melted mass reached.

Sie bezweckt ferner ein Maximum von Unabhängigkeit zwischen Leistungsfaktor und Frequenz durch Wahl der Frequenz oder des Durchmessers der erhitzten oder geschmolzenen Masse oder der Beziehung zwischen diesen, so daß die mit dem Induktor verbundene elektrische Energie beim Eindringen in die Chargierung so gut wie vollständig in Wärmeenergie vor dem Erreichen der Achse der Chargierung umgewandelt wird.It also aims at a maximum of independence between power factor and Frequency by choosing the frequency or the diameter of the heated or melted Ground or the relationship between them so that the one connected to the inductor electrical energy when it penetrates the charge almost completely into thermal energy is converted before reaching the axis of the batch.

Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, entsprechend den Durchmesser oder die Größe der erhitzten Masse oder Chargierung zu steigern, wenn die zulässige Frequenz beschränkt ist, und entsprechend die Induktorspule und die Breite des Induktors, aus dem sie gewickelt ist, zu bemessen, um weniger hohe Frequenzen als bisher für anwendbar gehalten wurden, benutzbar zu machen.Another purpose of the invention is to adjust the diameter or the Increase the size of the heated mass or charge if the permissible frequency is limited is, and accordingly the inductor coil and the width of the inductor from which it is wound, to be dimensioned to be less to make high frequencies usable as previously considered applicable.

Die Erfindung bezweckt noch, den kleinsten Durchmesser der leitenden erhitzten Chargierung zu einer bestimmten Funktion der Beziehung zwischen dem spezifischen Widerstand der Masse und der verwendeten Frequenz zu machen.The invention still aims at the smallest diameter of the conductive heated Charging to a specific function of the relationship between the specific Make resistance to ground and frequency used.

Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, zur Erzielung geringer Kosten für die Ausrüstung, bestimmte allgemeine Beziehungen, die theoretisch und praktisch erwiesen sind, zwischen gewissen Hauptkonstruktionselementen bei einem Schmelzofen zu verwenden, durch deren Anwendung im wesentlichen dieselben elektrischen Wirkungsgrade bei Öfen, die in ihrer Größe stark voneinander abweichen, erzielt werden. Ferner bezweckt die Erfindung, den Anteil des Widerstandes des Induktors an seinem Selbstinduktionswiderstand durch Verwendung einer hochkant gewickelten Spule niedrig zu halten, deren Leiter hinsichtlich seiner Breite eine bestimmte Beziehung zum Spulendurchmesser besitzt; man will dadurch die KraftverlusteAnother purpose of the invention is to achieve a low cost for the Equipment, certain general relationships that have been proven theoretically and practically are to be used between certain main structural elements in a melting furnace, by using them essentially the same electrical efficiencies in ovens, which differ greatly in size differ, can be achieved. Another object of the invention is the proportion of the resistance of the inductor on its self-induction resistance by using an upright to keep wound coil low, the head of which is a certain width in terms of width Has a relationship to the coil diameter; one wants the loss of strength through it

in der Spule niedrig halten, selbst wenn die Frequenz eine erhebliche Verringerung gegenüber der bei Hochfrequenzströmen verwendeten Frequenz erfährt. Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, die Beziehung zu verwenden, die als bestehend zwischen dem elektrischen Wirkungsgrad eines Schmelzofens und der Breite des Leiters gefunden wurde, wenn er hochkant in nur einer Schicht primär gewickelt ist, und dem inneren Durchmesser der Wicklung, wobei die Breite des hochkant gewickelten Leiters und der Spulendurchmesser in einer bestimmten Beziehung zueinander stehen.in the coil keep it low, even when the frequency is compared to a significant decrease the frequency used in high frequency currents. Another purpose of the invention is in using the relationship that is considered to exist between electrical efficiency of a furnace and the width of the conductor was found when it was primarily wound on edge in just one layer is, and the inside diameter of the winding, the width of the edgewise wound Conductor and the coil diameter are related to each other in a certain way.

Ein weiterer Zweck der Erfindung ist, bei wirklichen Konstruktionen bestimmte Beziehungen zwischen Chargierungsdurchmesser, Spulendurchmesser, spezifischen Wider- »o stand der Chargierung, Amperewicklung der Spule und verwendeter Frequenz anzuwenden, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad und einen möglichst günstigen Leistungsfaktor zu erzielen.Another purpose of the invention is to establish certain relationships in real constructions between charge diameter, coil diameter, specific resistance of the charge, ampere winding of the Coil and frequency used to apply to the highest possible efficiency and to achieve the lowest possible power factor.

Die Erfindung ist auf der Zeichnung schematisch dargestellt.The invention is shown schematically in the drawing.

Abb. ι zeigt schematsich das Prinzip der Erwärmung durch Induktion ohne Eisen.Fig. Ι schematically shows the principle of heating by induction without iron.

Abb. 2 zeigt die Verteilung und Dichte des induzierten magnetischen Feldes in einem leitenden Stoff.Fig. 2 shows the distribution and density of the induced magnetic field in a conductive Material.

Abb. 3 zeigt die Stromdichte unterhalb der Leiteroberfläche.Fig. 3 shows the current density below the conductor surface.

Abb. 4 zeigt einen Schnitt durch einen ausgeführten Tiegelschmelzofen nach der Erfindung. Fig. 4 shows a section through an executed crucible melting furnace according to the invention.

Da die Beschreibung und der Zweck besonderer Anordnungen nur bei Kenntnis verschiedener allgemeiner neuer Grundbegriffe des Erfinders über eisenlose Induktionserhitzung verstanden werden kann, sollen die Grundbegriffe in großen Umrissen zunächst dargelegt werden.Since the description and the purpose of special arrangements only with knowledge of different general new basic terms of the inventor about ironless induction heating can be understood, the basic terms should first be presented in large outlines.

Allgemeine Beschreibung der Phänomene eisenloser Induktionserhitzung General description of the phenomena of ironless induction heating

Eine typische Bauart kernloser Induktionserhitzung ist schaubildlich in Abb. 1 dargestellt. M ist ein fester zylindrischer Stoff, der durch in ihm induzierte elektrische Ströme erhitzt werden soll. / ist ein Induktor. Er besteht aus einer Einlagenwicklung (aus hochkantiger Wicklung hohler abgeflachter Kupferrohre), die vom Wasser und elektrischem Strom durchflossen wird. Eine beliebige Zahl η von Windungen kann als Einlagenwicklung in einer Länge H gewunden sein. Zwischen / und M ist eine Wärmeisolation h gelegt.A typical design of coreless induction heating is shown diagrammatically in Fig. 1. M is a solid, cylindrical substance that is supposed to be heated by electrical currents induced in it. / is an inductor. It consists of a single-layer winding (an edgewise winding of hollow, flattened copper pipes) through which water and electricity flow. Any number η of turns can be wound in a length H as a single-layer winding. A thermal insulation h is placed between / and M.

Ein elektromagnetisches Wechselfeld E ist an die Wicklungsenden t_lt t„ angeschlossen. An der Innenseite der Wicklung/ wird ein magnetischer Wechselkraftfluß (Feld) erzeugt. Der größte Teil des magnetischen Flusses fließt (annähernd in der Längsrichtung der Wicklung) durch die Masse M, aber ein Teil des Flusses geht durch die Isolation h, die zwischen der Spule / und der zylindrischen Masse M angeordnet ist. Nur der Teil des ganzen Kraftflusses, der durch die Masse M geht, kann elektrische Ströme in der Masse induzieren.An electromagnetic alternating field E is connected to the winding ends t _lt t " . A magnetic alternating force flow (field) is generated on the inside of the winding /. Most of the magnetic flux flows (approximately in the longitudinal direction of the winding) through the mass M, but part of the flux goes through the insulation h, which is arranged between the coil / and the cylindrical mass M. Only that part of the entire power flow that goes through the mass M can induce electrical currents in the mass.

Wenn das magnetische Feld vollkommen gleichmäßig innerhalb des rechtwinklig zur Achse gelegten Querschnittes wäre, dann würde der Anteil des ganzen Kraftflusses, derWhen the magnetic field is perfectly uniform within the perpendicular to Axis laid cross-section, then the portion of the entire power flow would be the

durch die Masse M hindurchgeht, = -^- despasses through the mass M , = - ^ - des

ganzen Flusses sein, worin j der Querschnittsflächeninhalt der Masse und S der Querschnittsflächeninhalt innerhalb der Innenseite der Spule ist. Das magnetische Feld schwingt indessen an den Enden der Wicklung aus, und der Anteil des Flusses, der durch die Massewhole flux, where j is the cross-sectional area of the mass and S is the cross-sectional area inside the inside of the coil. The magnetic field swings out at the ends of the winding, and so does the part of the flux that passes through the mass

geht, ist etwas weniger alsgoing is a little less than

Für eineFor one

Wicklung, deren Länge etwa gleich ihrem Durchmesser ist, und für den in Abb. 1 dargestellten Verhältnissen ähnliche Verhältnisse kann man als ungefähren Teilbetrag des durch die Masse gehenden Gesamtflusses setzen:Winding, the length of which is approximately equal to its diameter, and for the one shown in Fig. 1 Ratios similar to ratios can be expressed as an approximate partial amount of the set the mass of total outgoing flow:

C = -^- · 0,8. Die Konstante C wird Kupplungsfaktor zwischen Spule und Masse genannt. Nach Abb. 1 ist C= -^-0,8. Bei den dargestellten Verhältnissen würde der Kupplungsfaktor C ~ 0,62 sein; man sagt in diesem Falle: die Kupplung beträgt 62°/₀. C = - ^ - * 0.8. The constant C is called the coupling factor between coil and ground. According to Fig. 1, C = - ^ - 0.8. With the relationships shown, the coupling factor would be C ~ 0.62; in this case one says: the coupling is 62 ° / ₀ .

Wenn der Wechselstrom in der Spule/ von Null bis Maximum steigt, erzeugt der Fluß durch die Masse M, der auch von Null bis Maximum ansteigt, starke elektrische Wirbelströme in der Masse. Diese Ströme entwickeln Wärme. Die Stromdichte dieser Ströme ist indessen auf der Oberfläche der Masse am größten und nimmt nach der Achse hin allmählich ab. Bei guter Leitfähigkeit und ausreichendem Durchmesser werden die no Ströme, die in der Mitte der Masse durch den magnetischen Wechselfluß hervorgerufen werden, ganz unmerkbar werden, d. h. die Stromdichte wird vor dem Erreichen der Massenmitte gleich Null. In diesem Falle wird die ganze mit dem Fluß verbundene elektromagnetische Energie, die in die Masse eindringt, in Wärmeenergie innerhalb der Masse umgewandelt. In dieser Weise wird der Masse jedesmal eine Wärmemenge zügeführt, wenn der Strom, der den Fluß hervorruft, einen Polwechsel ausführt.When the alternating current in the coil / increases from zero to maximum, the flux through the mass M, which also increases from zero to maximum, creates strong electrical eddy currents in the mass. These currents generate heat. The current density of these currents, however, is greatest on the surface of the mass and gradually decreases towards the axis. With good conductivity and sufficient diameter, the no currents that are caused in the middle of the mass by the alternating magnetic flux will be completely imperceptible, ie the current density will be zero before the mass center is reached. In this case, all the electromagnetic energy associated with the flux that penetrates the mass is converted into thermal energy within the mass. In this way a quantity of heat is added to the mass every time the current which creates the flux changes its polarity.

Daraus ergibt sich, daß ein Strom von bestimmter Größe, der 1200 Polwechsel pro Sekunde ausführt, in einer Sekunde zehnmal soviel Wärme der Masse zuführen wird wie ein gleich starker Strom von nur 120 Polwechseln sekundlich. Mit anderen Worten: Für eine gegebene Zahl Amperewindungen der Spule / ist die Erwärmung der Masse proportional der Frequenz des verwendeten Stromes. Hierin liegen die Vorteile von Strömen hoher Frequenz zum schnellen Erwärmen einer leitenden Masse. Je höher die Frequenz des Stromes und je besser das Leitungsvermögen des Materials ist, um so mehr tritt auch die Neigung der Ströme auf, sich auf dem Umfang der Masse M zu verdichten. Es ist deshalb einleuchtend, daß bei kleinem Durchmesser und hohem spezifischem Widerstand der Masse Ströme sehr hoher »ο Frequenz angewendet werden müssen, wenn die gesamte elektromagnetische Energie in Wärmeenergie umgewandelt werden soll, ehe die eindringende Energie die Achse einer Alasse von kleinem Durchmesser erreicht. In der Tat kann auf diese Weise eine schnelle und wirksame Erwärmung von z. B. einer Graphitstange von etwa 2,5 cm Durchmesser nur bei Verwendung eines Stromes von mindestens 5000 bis 20 000 Perioden erreicht werden.From this it follows that a current of a certain size, which carries out 1200 pole changes per second, will supply ten times as much heat to the mass in one second as an equally strong current of only 120 pole changes per second. In other words: for a given number of ampere-turns of the coil /, the heating of the mass is proportional to the frequency of the current used. Herein lie the advantages of high frequency currents for quickly heating a conductive mass. The higher the frequency of the current and the better the conductivity of the material, the more the tendency of the currents to condense on the circumference of the mass M also occurs. It is therefore evident that, with a small diameter and high specific resistance of the mass, currents of very high frequency must be applied if the entire electromagnetic energy is to be converted into thermal energy before the penetrating energy reaches the axis of an alass of small diameter. Indeed, in this way, rapid and effective heating of e.g. B. a graphite rod of about 2.5 cm in diameter can only be achieved when using a current of at least 5000 to 20,000 periods.

Wenn andererseits die Masse M den niedrigen spezifischen Widerstand einer Legierung, wie Messing, besitzt und ihr Durchmesser mehrere Zentimeter beträgt, so wird die gesamte elektromagnetische Energie vor dem Erreichen der Achse in Wärme umgesetzt, selbst bei geringer Stromfrequenz, z. B. bei 50 Perioden pro Sekunde. Aber in diesem Falle müssen die Amperewindungen des Induktors stark vermehrt werden, um bei verringerter Frequenz dieselbe Wärmewirkung zu erreichen, wie bei größerer Frequenz und weniger Amperewindungen. Wird dagegen ein starker Strom durch die Spule geschickt, so muß, um die erforderliche große Anzahl Amperewindungen zu sichern, der Leiter einen größeren Querschnitt erhalten, damit er den starken Strom mit demselben Spannungsabfall in der Spule aufnehmen kann, die ein schwächerer Strom höherer Frequenz hervorruft. Deshalb erhält der Leiter eine große Breite und hochkantige Wicklung, um die erforderliche Anzahl von Windungen und das erforderliche Gesamtgewicht von Kupfer in der Spule zu sichern.On the other hand, if the mass M has the low resistivity of an alloy such as brass and its diameter is several centimeters, then all the electromagnetic energy is converted into heat before reaching the axis, even at a low current frequency, e.g. B. at 50 periods per second. But in this case the ampere-turns of the inductor must be greatly increased in order to achieve the same thermal effect at a reduced frequency as with a higher frequency and fewer ampere-turns. If, on the other hand, a strong current is sent through the coil, in order to secure the required large number of ampere-turns, the conductor must have a larger cross-section so that it can absorb the strong current with the same voltage drop in the coil that a weaker current of higher frequency causes . Therefore, the conductor is given a large width and edgewise winding in order to secure the required number of turns and the required total weight of copper in the coil.

Die Herstellungskosten von Wechselstromgeneratoren für hohe Frequenz steigen stark an bei Erhöhung der Frequenzzahl. Deshalb darf aus Ersparnisgründen kein Strom höherer Frequenz verwendet werden als erforderlich ist. Die Verhältnisse sind vom Erfinder untersucht worden, es sind Versuche ausgeführt und Vorrichtungen gebaut worden, und daraus wurden Erfahrungen gesammelt über die zweckmäßige Frequenz und die Dirnensionierung der Teile des Schmelzofens. Die Ergebnisse sind für die Fachmänner und Theoretiker völlig neu.The manufacturing cost of high frequency alternators is increasing sharply on when the number of frequencies increases. Therefore, for reasons of economy, no higher current is allowed Frequency can be used as is required. The circumstances are from the inventor have been investigated, tests have been carried out and devices have been built, and From this experience was gathered about the appropriate frequency and dimensioning of the parts of the furnace. The results are completely new to the specialists and theorists.

Diese gegenseitigen Beziehungen sollen beschrieben und erklärt werden, ebenso sollen die elektrotechnischen Konstruktionsunterlagen beispielsweise für einen Schmelzofen von einer stündlichen Schmelzleistung von 300 kg Rotguß bei 80 kW Energieverbrauch gegeben werden.These mutual relationships should be described and explained, as should the electrotechnical construction documents for a melting furnace, for example from an hourly melting capacity of 300 kg gunmetal with 80 kW energy consumption are given.

Grundlagen, auf denen die Verhältnisse eines Schmelzofens beruhenBasics on which the ratios of a melting furnace are based

Die Eindringungsstifte der durch ein elektromagnetisches Wechselfeld in einem Leiter induzierten Ströme von der Frequenz N ist von Steinmetz (in Kapitel VI und VII seines Buches »Transient Electric Phenomena«) genau bestimmt und angegeben worden. The penetration pins of the currents of the frequency N induced by an electromagnetic alternating field in a conductor have been precisely determined and specified by Steinmetz (in Chapters VI and VII of his book "Transient Electric Phenomena").

In Abb. 2 ist ein Querschnitt einer Masse von großer Länge / und große Dicke t dargestellt, a-a ist die freie Oberfläche dieser Masse unter der Annahme, daß sie große Ausdehnung senkrecht zu der Papierebene besitzt. Rechts von der Fläche a-a ist ein magnetisches Wechselstromfeld in der Richtung der Linie p. Die Kraftlinien des Wechselfeldes reichen in die Massel/ hinein, wie durch punktierte Linien q angedeutet; nach links nimmt die Intensität innerhalb der Masse ab. Da es ein Wechselfeld ist, werden Induktionsströme in der Masse hervorgerufen. Die Richtung, in der die Ströme in der Masse fließen, liegt rechtwinklig zur Papierebene. Die Amperezahl/qcm oder die Stromdichte ist am größten auf der Oberfläche a-a der Masse, und je mehr man in die Masse hineingeht, um so mehr nimmt die Stromdichte nach einem bestimmten Gesetze ab. Die in Abb. 3 dargestellten Linien c und c' zeigen die Abnahme der Stromdichte im Hauptquerschnitt bzw. deren augenblickliche Werte in der Masse nach links von der Ober- no fläche a-a aus (Abb. 2).In Fig. 2 a cross-section of a mass of great length / and great thickness t is shown, aa is the free surface of this mass, assuming that it has a large extent perpendicular to the plane of the paper. To the right of surface aa is an alternating current magnetic field in the direction of line p. The lines of force of the alternating field extend into the ingot /, as indicated by dotted lines q ; to the left the intensity decreases within the mass. Since it is an alternating field, induction currents are created in the mass. The direction in which the currents flow in the mass is perpendicular to the plane of the paper. The amperage / qcm or the current density is greatest on the surface aa of the mass, and the more one goes into the mass, the more the current density decreases according to a certain law. The lines c and c ' shown in Fig. 3 show the decrease in the current density in the main cross-section or its instantaneous values in the mass to the left of the surface aa (Fig. 2).

Wird eine senkrechte Linie 2-4 (Abb. 3) gezogen, so daß die rechteckige Fläche 0-1-2-4-0 gleich der schraffierten Fläche unterhalb der Kurve c ist, dann wird die Breite 1-2 des Rechteckes als Eindringungstiefe des Stromes in die Masse bezeichnet. Mit anderen Worten: 1-2 ist die wirksame Zone des Wechselstromes in der Masse, welche bei der gleichen Dichte, die auf der Oberfläche herrscht, denselben Gesamtstrom in der Masse ergibt.If a vertical line 2-4 (Fig. 3) is drawn so that the rectangular area 0-1-2-4-0 is equal to the hatched area below curve c , then the width 1-2 of the rectangle becomes the penetration depth of the Current into the mass. In other words: 1-2 is the effective zone of the alternating current in the mass, which results in the same total current in the mass at the same density prevailing on the surface.

S t e i η m et ζ hat nachgewiesen (Seite 383 »Theory and Calculation of Transient Electric Phenomena and Oscillations«), daß quantitativ die Eindringungstiefe für nicht magnetisches Material ausgedrückt werden kann, durch die GleichungS t e i η m et ζ has proven (page 383 "Theory and Calculation of Transient Electric Phenomena and Oscillations") that quantitative the penetration depth for non-magnetic material can be expressed, by the equation

Ip = 5030 J/ Ip = 5030 J /

worin ς der spezifische Widerstand des Materials und N die Frequenz des Induktionswechselfeldes ist.where ς is the specific resistance of the material and N is the frequency of the alternating induction field.

Die Formel gilt für eine Masse mit ebener Oberfläche. Ist die Fläche a-a konkav, so ist die Eindringungstiefe geringer, ist sie konvex, so ist die Eindringungstiefe etwas größer. Wenn ein Induktor, der das magnetische Wechselfeld erzeugt, eine zylindrische Masse mäßigen Durchmessers umgibt, so ist die Oberfläche der Masse konvex und man kann für den vorliegenden Zweck annehmenThe formula applies to a mass with a flat surface. If the surface aa is concave, the penetration depth is smaller, if it is convex, the penetration depth is somewhat greater. If an inductor, which generates the alternating magnetic field, surrounds a cylindrical mass of moderate diameter, the surface of the mass is convex and one can assume for the present purpose

(2)(2)

Aus der Kurve c' (Abb. 3) ist zu ersehen, daß, wenn man um den vierfachen Betrag der Eindringungstiefe in die Masse hineingeht,From curve c ' (Fig. 3) it can be seen that if one goes into the mass by four times the amount of penetration depth,

der wirkliche Wert der Stromdichte — ge-20 ^b worden ist und daß sein Wärmeeffekt aufthe real value of the current density - ge 20 ^b and that its thermal effect on

4OO4OO

des Betrages an der Massenoberfläche gesunken ist. Man kann deshalb behaupten, daß im Abstande der vierfachen Eindringungstiefe der Wärmeeffekt des Stromes in der Masse zu vernachlässigen ist, und daß die elektromagnetische Energie des magnetischen Wechselstromfeldes praktisch vollkommen in Wärmeenergie umgewandelt ist. Daraus folgt, daß bei der Erregung von Induktionsströmen in einer zylindrischen Masse mittels eines Wechselstromfeldes und Anordnung einer solenoidalen Spule, die den Zylinder umgibt, der Durchmesser D dieses Zylinders etwa das Achtfache der Eindringungstiefe sein muß, damit eine annähernd vollständige Umwandlung der elektromagnetischen Energie in Wärmeenergie erfolgt. Mit anderen Worten:of the amount has decreased on the surface of the mass. It can therefore be said that at a distance of four times the penetration depth the thermal effect of the current in the mass is negligible, and that the electromagnetic energy of the magnetic alternating current field is practically completely converted into thermal energy. It follows that when induction currents are excited in a cylindrical mass by means of an alternating current field and the arrangement of a solenoidal coil which surrounds the cylinder, the diameter D of this cylinder must be about eight times the penetration depth, so that an almost complete conversion of the electromagnetic energy into thermal energy he follows. In other words:

= 8lp~ 48000 = 8lp ~ 48000

oder abgerundet:or rounded:

(3)(3)

Wenn man daher einen Zylinder von geschmolzenem Messing erwärmen will, dessen spezifischer WiderstandSo if you want to heat a cylinder of molten brass, its specific resistance

ς = 40· ίο—⁰ ς = 40 · ίο— ⁰

ist, und eine Frequenz von 360 Perioden verwendet wird, so muß der Durchmesser des Zylinders wenigstensand a frequency of 360 periods is used, the diameter of the Cylinder at least

= 5 · 10*1/40-ίο-= 5 10 * 1/40-ίο-

360360

= 16,7 cm= 16.7 cm

sein.be.

Die Masse kann einen größeren Durchmesser als vorstehend besitzen, aber sie darf zur vollständigen Umwandlung der elektromagnetischen Energie in Wärmeenergie keinen viel kleineren Durchmesser erhalten. Die Induktionsspule wird im allgemeinen durch, eine Einlagenwicklung hergestellt. Die Vorteile bei Vierwendung eimer Einlagenwicklung gegenüber Mehrlagenwicklungen sind bekannt. Hochkantwicklungen eines abgeflachten Leiters werden verwendet, um mit einer Einlageniwicldutig eine Spule mit mehreren Windungen und geringem Widerstände zu verbinden. Der abgeflachte Leiter ist hohl, so daß Wasser hindurchfließen kann, um ihn zu kühlen und den Widerstand niedrig zu halten. Die eine Hälfte des axialen Schnittes des Induktors wird bei dieser Wicklung einen bestimmten Flächeninhalt einnehmen, dessen Länge H (Abb. 1) und dessen Breite t (Abb. 1) ist. Ein bestimmter Teil der Fläche t · H ist nicht mit Kupfer gefüllt, sondern ist notwendigerweise für den WasserdurchfLuß und dias Isoliermaterial zwischen den Induktorwindungen frei gelassen. Die einfachste Weise, dies bei Berechnung des Ohmschen Widerstandes der Wicklung zu berücksichtigen, besteht darin, anzunehmen, daß bei Zugrundelegung eines vollen Kupferquerschnittes t Ή der Wert des spezifischen Widerstandes des'Kupfers in dem Verhältnis zu vergrößern ist, als der scheinbare Kupferquerschnitt t' H größer ist als der wirkliche. Ist die Hälfte der Fläche t · H durch Nichtleiter ausgefüllt, so wird angenommen, daß der Widerstand des Kupfers verdoppelt ist. Der spezifische Widerstand des Kupfers bei der Betriebstemperatur seiThe mass can have a larger diameter than above, but it must not have a much smaller diameter for the complete conversion of the electromagnetic energy into thermal energy. The induction coil is generally made by single-layer winding. The advantages of a four-turn bucket single-layer winding over multi-layer windings are known. Edgewise windings of a flattened conductor are used to connect a coil with several turns and low resistance with a single layer. The flattened conductor is hollow so that water can flow through it to cool it and keep resistance low. With this winding, one half of the axial section of the inductor will take up a certain area, the length of which is H (Fig. 1) and the width of which is t (Fig. 1). A certain part of the area t · H is not filled with copper, but is necessarily left free for the flow of water and the insulating material between the inductor windings. The simplest way to take this into account when calculating the ohmic resistance of the winding is to assume that, based on a full copper cross-section t, the value of the specific resistance of the copper is to be increased in proportion to the apparent copper cross-section t 'H bigger than the real one. If half of the area t · H is filled by non-conductors, it is assumed that the resistance of the copper is doubled. Let the specific resistance of copper at the operating temperature be

ς = 2 · ίος = 2 ο

— ο- ο

und es sei angenommen, daß Kupfer, nur die halbe Fläche t -H einnimmt; mithin istand it is assumed that copper occupies only half the area t -H; therefore is

Der Querschnitt t · H ist dann anzusehen, als ob er ganz mit leitendem Material ausgefüllt ist.The cross-section t · H is then to be seen as if it is completely filled with conductive material.

Die Wahl der Breite des Induktors ist bis zu einem gewissen Grade willkürlich für einen Schmelzofen von bestimmter Größe; umThe choice of the width of the inductor is to some extent arbitrary for one Melting furnace of a certain size; around

einen genügenden elektrischen Wirkungsgrad zu erzielen, ist die Breite so gewählt, daß der Spulenwiderstand gering genug ist zur Erzielung keines höheren Verlustes in der Spule als io°/₀ bis 2o°/₀ der gesamten dem Ofen zugeführten Strommenge. Zur Erreichung dieser Wirkung bei einem bestimmten Ofen hat sich ergeben, daß die Breite des hochkant gewickelten Leiters annähernd ein Zwölftel ίο des lichten Durchmessers der Spule betragen soll. Bei der für einen bestimmten Ofen getroffenen Wahl hat sich herausgestellt, daß das-to obtain a sufficient conversion efficiency, the width is chosen so that the coil resistance is low enough to achieve any higher loss in the coil as io ° / ₀ to 2o ° / ₀ of the total amount of current supplied to the furnace. To achieve this effect in a particular furnace, it has been found that the width of the edgewise wound conductor should be approximately one twelfth of the clear diameter of the coil. In the choice made for a particular furnace, it has been found that the-

Tu ti- t-.-ij. · Breite des Leiters .., ,Tu ti- t -.- ij. Width of the conductor ..,,

selbe Verhältnis -^—-.—₃—r- angenähertsame ratio - ^ - -. - ₃ - r- approximated

Spulendurchmesser °Reel diameter °

für Schmelzofen beliebiger Größe beibehalten werden kann.can be maintained for any size furnace.

Das Verhältnis: Durchmesser der Masse M zum lichten Spulen durchmesser (Abb. 1) soll so groß wie möglich sein, denn dieses Verhältnis bestimmt die Kupplung und diese wiederum den Wirkungsgrad des Ofens. Andererseits muß ein genügender Raum C minus B (Abb. 1) für die Wärmeisolation bleiben; wird ein nicht leitender Schmelztiegel verwandt, so ist ein zusätzlicher Raum für die Dicke der Schmelztiegelwandung erforderlich. Erfahrungsgemäß muß der Raum für die Isolierung größer sein für Schmelzen bei sehr hoher Temperatur als für solche bei mittlerer Temperatur. Er braucht indessen im allgemeinen nicht größer zu sein für einen Ofen von großem Durchmesser als für einen von kleinem Durchmesser. Deshalb soll bei einem sehr großen Schmelzofen das Verhält-The ratio: the diameter of the mass M to the inside diameter of the bobbin (Fig. 1) should be as large as possible, because this ratio determines the coupling, which in turn determines the efficiency of the furnace. On the other hand, there must be enough space C minus B (Fig. 1) for thermal insulation; if a non-conductive crucible is used, additional space is required for the thickness of the crucible wall. Experience has shown that the space for the insulation must be larger for melts at a very high temperature than for those at medium temperature. However, it does not generally need to be larger for a large diameter furnace than for a small diameter furnace. Therefore, in a very large furnace, the ratio should

EinsatzdurchmesserInsert diameter

ms -TT-j— größer sein alsms -TT-j— be greater than

lichten Spulendurchmesser °clear coil diameter °

bei einem kleinen; man erhält dann für einen großen Schmelzofen eine bessere Kupplung und einen besseren Leistungsfaktor.
Für Berechnungszwecke wird man gleich-at a small one; a better coupling and a better power factor are then obtained for a large furnace.
For calculation purposes one will

wohl willkürlich das Verhältnis -^ (Abb. 1)probably arbitrarily the ratio - ^ (Fig. 1)

= 0,8 wählen und dieses Verhältnis für Schmelzofen von sehr verschiedener Größe beibehalten. Bei diesem Verhältnis beträgt die Kupplung etwa 62°/₀- Die Höhe des Induktors kann zweckmäßig etwa gleich dem Innendurchmesser gewählt werden. Dadurch wird einmal die Berechnung vereinfacht, und andererseits ist es ein gutes Verhältnis für die Betriebsbedingungen.= 0.8 and keep this ratio for furnaces of very different sizes. With this ratio, the coupling is about 62 ° / _0. The height of the inductor can expediently be selected to be approximately equal to the inside diameter. On the one hand, this simplifies the calculation and, on the other hand, it is a good ratio for the operating conditions.

Auf Grund der vorstehenden allgemeinen Überlegungen werden die theoretisch gefundenen und praktisch erprobten Verhältnisse folgendermaßen zusammengefaßt.On the basis of the above general considerations, the theoretically found and practically tested conditions are summarized as follows.

KupplungsfaktorCoupling factor

Es ist ausgeführt, daß dieser Faktor C annähernd das Verhältnis: Querschnitt des Durchmessers der Schmelze durch Spulenquerschnitt mal der Erfahrungskonstante 0,8 ist. Mit anderen Worten: C = 4^- · 0,8.It is stated that this factor C is approximately the ratio: cross section of the diameter of the melt through the coil cross section times the experience constant 0.8. In other words: C = 4 ^ - · 0.8.

Es hat sich als praktisch erwiesen C = 0,5 bis 0,7 zu wählen.It has proven practical to choose C = 0.5 to 0.7.

Induktor widerstandInductor resistance

Angenommen, der Induktor hat eine Windung und füllt einen Raum von der Länge H und der Breite ί (Abb. 1) minus dem Betrage des für den Wasserdurchfluß und die Isolation benötigten Raumes aus. Wäre der Induktor aus Kupfer und würde er den ganzen Raum ausfüllen, so würde der Widerstand einer Windung (s. Abb. 1) sein:Assume that the inductor has one turn and fills a space of length H and width ί (Fig. 1) minus the amount of space required for water flow and insulation. If the inductor were made of copper and if it filled the entire space, the resistance of one turn (see Fig. 1) would be:

'I = ^s-T' (4) 'I = ^ sT' (4)

worin A der mittlere Durchmesser der einen Spulenwindung und ς = 2 · ίο ~⁶ Ohm der spezifische Widerstand von Kupfer bei der Gebrauchstemperatur ist.where A is the mean diameter of one coil turn and ς = 2 · ίο ~ ⁶ Ohm is the specific resistance of copper at the service temperature.

Da aber ein bestimmter Teil des Flächeninhaltes H · t nicht mit Kupfer ausgefüllt ist, sondern mit Wasser und Isoliermaterial (zwisehen den einzelnen Windungen), so ist der spezifische Widerstand, wie oben angegeben, größer anzunehmen. Es soll ς' = p ς = 2ς als ein aus der Praxis genommenes Beispiel sein.However, since a certain part of the surface area H · t is not filled with copper, but with water and insulating material (between the individual windings), the specific resistance, as stated above, can be assumed to be higher. It should be ς '= p ς = 2ς as an example taken from practice.

Der Widerstand einer Windung ist dann:The resistance of a turn is then:

H-tH-t

(5)(5)

Wie oben ausgeführt ist, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, ein bestimmtes Verhältnis der Breite des abgeflachten Leiters zu Spulendurchmesser für alle Schmelzofen-As stated above, it has proven expedient to use a certain ratio the width of the flattened conductor to coil diameter for all furnace

größen beizubehalten. Schreibt man — - = k, Maintain sizes. If you write - - = k,

eine Konstante, in der k = 20 für die Praxis einzusetzen ist, so istis a constant in which k = 20 is to be used for practice

π ς' k H ' π ς 'k H '

(6)(6)

Ist der Raum H -1 mit η Windungen ausgefüllt, so wird der Widerstand /z^mal so groß sein, als wenn er mit einer Windung ausgefüllt wäre; deshalb kann der Widerstand einer Spule von η Windungen geschrieben no werden:If the space H -1 is filled with η turns, then the resistance will be z ^ times as great as if it were filled with one turn; therefore the resistance of a coil of η turns can be written no:

r = ■ r = ■

(7)(7)

Daraus folgt, daß es notwendig und zur Erhaltung des gleichen proportionalen Kraftverlustes in der Spule eines Schmelzofens beliebiger Größe zweckmäßig ist, die Einlagenspule so zu wickeln, daß ihr WiderstandIt follows that it is necessary and necessary to maintain the same proportional loss of strength in the coil of a melting furnace of any size is useful, the single-layer coil to wrap so that their resistance

r — r -

ΊΓΊΓ

(8)(8th)

ist. Das heißt man soll die Breite des hochkant gewickelten Leiters so wählen, daß der Widerstand der Spule als lineare Funktion der Spule abnimmt.is. That means you should choose the width of the edgewise wound conductor so that the resistance of the coil decreases as a linear function of the coil.

Beziehungen zwischen Frequenzen, Durchmesser und Widerstand einer be liebigen zu erhitzenden MasseRelationships between frequencies, diameter and resistance of any one to be heated Dimensions

Oben ist gezeigt, daß der Durchmesser der zu erhitzenden Masse nicht kleiner sein soll alsIt is shown above that the diameter of the mass to be heated should not be smaller as

worin ς der spezifische Widerstand der Masse und N die angewandte Frequenz bedeutet. Es gilt daherwhere ς is the specific resistance of the mass and N is the frequency used. It is therefore true

2? ~ S 7* W-* (9)2? ~ S 7 * W- * (9)

Daraus ist zu ersehen, daß der Durchmesser der Schmelze im direkten Verhältnis zur Quadratwurzel des Widerstandes der Schmelze und umgekehrt proportional zur Wurzel der Frequenz zu ändern ist.From this it can be seen that the diameter of the melt is in direct proportion to the Square root of the resistance of the melt and inversely proportional to the root of the Frequency is to change.

Claims

Patent claims:

ι. Coreless induction melting furnace, thereby characterized in that the diameter of the charge in relation to the specific resistance of the same and to the frequency of the alternating current used or that the frequency in relation to the diameter and the specific Resistance is chosen so that the induced electromagnetic energy does not penetrate significantly "over the axis of the batch.

2. Induction melting furnace according to claim ι, characterized in that melt material diameter (D), specific resistance (ς) of the melt material and frequency number (N) of the inducing current in the by the formula

se £ . Tr%4se £. Tr% 4

expressed relationship to each other.

3. Induction melting furnace according to claim ι and 2, characterized in that that the length of the induction coil in the axial direction is smaller than its diameter and that the inside diameter of the induction coil is no less than eight times and no more than twenty times is the radial width of the conductor forming the induction coil.

1 sheet of drawings