DE60126671T2

DE60126671T2 - Gekühlte induktionsheizspule

Info

Publication number: DE60126671T2
Application number: DE60126671T
Authority: DE
Inventors: Leif Markegard; Lars Andersson; Risto Säynäväjärvi; Pekka HÖYSSÄ
Original assignee: Metso Automation Oy; EFD Induction AS
Current assignee: Valmet Automation Oy; EFD Induction AS
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2001-12-17
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2021-12-18
Also published as: US6900420B2; DE60126671D1; EP1354499B1; ATE354267T1; FI20002862A0; CA2433113A1; FI109958B; EP1354499A1; US20040069774A1; WO2002052900A1; FI20002862A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Induktionsheizspule mit einem Litzenkabel, das gekühlt ist. Das Litzenkabel ist aus viel dünnen, gegenseitig elektrisch isolierten und gedrehten Kupferfäden zusammengesetzt. In der Induktionsheizspule ist das Litzenkabel in eine Spiralform gewickelt, um die Windungen einer Spule in der Induktionsheizspule zu bilden. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren an einer Papier- oder Kartonmaschine oder an einer Papierfinishmaschine.
Eine Induktionsheizspule enthält normalerweise einen Kern und einen Kabel oder ein Rohr, das um den Kern gewickelt ist. Typischerweise ist der Kern aus Ferrit oder laminiertem Eisen und das Material des Kabels oder des Rohrs enthält Kupfer. Es ist möglich die Induktionsheizspule ohne den Kern zu verwenden, aber insbesondere wenn die Spule die Komponente nicht umfasst, verbessert der Kern die magnetische Kopplung zu der Komponente drastisch.
Beim Induktionsheizen erzeugt ein Wechselstrom von einer elektrischen Spannungsquelle ein Wechselmagnetfeld. Das Wechselmagnetfeld induziert Wirbelströme, die eine Komponente aufheizen. Das Magnetfeld ist so angelegt, dass es mit einer bestimmten steuerbaren Frequenz wechselt, und diese Frequenz des Magnetfeldes bestimmt die Eindringtiefe des Induktionsheizens in die Komponente. Je höher die Frequenz ist, desto niedriger ist die Eindringtiefe. Um den erwünschten Heizeffekt zu erzielen, muss die Komponente ein elektrischer Leiter sein. Wenn die Komponente ferromagnetisches Material, wie Eisen, Kobalt, Nickel oder ihre Legierungen beinhaltet, wird die Eindringtiefe reduziert und die Komponente wirkt als höhere Widerstandslast. Dies hilft die Wirksamkeit der Induktionsspule zu erhöhen.
Die Wirksamkeit der Heizung hängt neben anderen Dingen von den elektrischen Verlusten in der Spule ab. Die Verwendung von Litzenkabeln als Spulenwindungen an Stelle von hohlen wassergekühlten Kupferrohren, hat den Vorteil von geringen Spulenverlusten, Ein Litzenkabel kann aufgrund der feinen Fäden des Litzenkabels, die einen Durchmesser haben, der kleiner ist als die Eindringtiefe von Kupfer bei der tatsächlichen Frequenz, in mehreren Lagen gewickelt werden, ohne außergewöhnliche Verluste zu erzeugen. Im Gegensatz zu einer Spule, die aus einem hohlen Kupferrohr gemacht ist, die in nur einer Lage gewickelt werden muss, um außergewöhnli che Verluste zu vermeiden, kann eine Litzenkabelspule mit einer großen Windungsanzahl und einer größeren effektiven Kupferfläche, und somit reduzierten Kupferverlusten hergestellt werden. Um jedoch eine gewünschte Leistung in einer Litzenkabelspule zu erreichen, sind die Verluste in den Windungen und dem Kern normalerweise auf einem Niveau, dass Zwangskühlung erfordert, um das Isolierungsmaterial des Kerns oder das Kabel, das eine Spule bildet, vor Überhitzung zu schützen.
Spulen, die Litzenkabeln enthalten, werden zB in US 5 101 086 und US 5 461 215 beschrieben. US 5 101 086 behandelt Spulen in einem Frequenzbereich von 12 bis 25 kHz und offenbart eine elektromagnetische Induktionsspule mit einem Ferritkern zum Heizen von elektrischleitendem Material. Die elektromagnetische Induktionsspule beinhaltet ein Litzenkabel und ein wassergekühltes Magnetflusskonzentratorrohr, welches vorgesehen ist Wasser umzuwälzen und indirekt eine aus dem Litzenkabel gewickelte Spule zu kühlen. Das Kühlkonzentratorrohr ist um die Spule angeordnet, und von ihr mit einem Kunstharz isoliert. Die elektromagnetische Induktionsspule wird zB an Kalandern verwendet.
Die Induktionsspule mit Konzentratoren wirkt als Kombination aus Transformator und Spule. Die Litzenkabelwicklung ist die Primärwicklung. Der Konzentrator ist eine Kombination aus einer Sekundärwicklung mit einer Windung und einer Spule mit einer Windung. Die Induktionsspule kann eine hohe Eingangsimpedanz haben aufgrund der hohen Anzahl von möglichen Wicklungen in der Primärlitzenkabelwindung, aber die Verluste sind auf dem Niveau einer Spule, die aus einem hohlen Kupferrohr gemacht ist und somit mehrfach höher als in einer reinen Litzenkabelspule. Dies wird einen wesentlichen Einfluss auf die Effizienz der Spule haben, selbst wenn die Komponente aus ferromagnetischem Material ist.
Die Veröffentlichung US 5 461 215 offenbart ein Litzenkabel, das von einem Kühlrohr umgeben ist. Ein Fluid zur Entfernung der durch das Litzenkabel erzeugten Wärme ist durch einen ringförmigen Raum zwischen dem Litzenkabel und dem Kühlrohr geführt. Das Kühlmittel ist so im direkten Kontakt mit dem Litzenkabel. Diese Veröffentlichung behandelt Starkstromlitzenkabel, deren Durchmesser von 9,5 mm bis 14 mm variieren. Der Strom variiert von 700 bis 1000 A und die Frequenz ist 300 kHz.
Die Litzenkabel enthaltenden Induktionsheizspulen, die ein Kühlsystem enthalten, sind eher kompliziert. Zusätzlich haben die Kühlmittelrohre, die ein Kühlmittelmedium haben, das in denselben und um die Litzenkabel in den Kühlmittelrohren fließt, große Durchmesser. Der große Durchmesser verursacht Einschränkungen in Bezug auf die Anzahl der Windungen und es wird daher, wenn der Strom begrenzt ist, die Leistung nicht erzielt. Wenn der Durchmesser des Kabels reduziert ist, ist die Menge an Kupfer in jedem dünnen elektrisch isolierten Faden reduziert, und die Energieverluste steigen daher. Aufgrund der größeren Verluste wird mehr Hitze erzeugt und daher ist mehr Kühlung erforderlich. Bessere Kühlung macht ein größeres Fluidvolumen notwendig oder die Stromdichte muss auf ein Niveau begrenzt werden, auf welchem das vorherrschende Kühlen entsprechend ist. Ferner haben die Kabeln mit großen Durchmessern Biegebeschränkungen, d.h. sie können nicht um einen Kern mit einem kleinen Durchmesser gewickelt werden.
Die oben genannten Nachteile können durch Verwendung einer Induktionsheizspule gemäß der Erfindung vermindert oder vermieden werden. Die Spule gemäß der Erfindung, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Litzenkabel eingerichtet ist, um durch ein indirektes Kühlsystem gekühlt zu werden, das ein Rohr umfasst, welches in ineinandergreifender Weise mit den Windungen des Litzenkabels gewickelt ist. Das Verfahren gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsheizspule durch ein Kühlmedium gekühlt wird, welches in einem Rohr zirkuliert, das in einer ineinandergreifender Weise mit den Windungen des Litzenkabels gewickelt ist.
In dieser Anmeldung bedeutet der Ausdruck „indirekt", dass das Kühlmedium nicht im direkten Kontakt mit dem Litzenkabel ist. Der Ausdruck „ineinandergreifend" bedeutet im diesem Zusammenhang, dass das Rohr, welches das Kühlmedium führt, in der gleichen Weise, wie das Litzenkabel gewickelt ist, und das die Windungen des Rohrs zwischen den Windungen des Litzenkabels im direkten Kontakt oder in unmittelbarer Nähe zur äußeren Oberfläche des Litzenkabels sind. Die Anzahl der Windungen des Rohrs hängt nicht von der Anzahl der Windungen des Litzenkabels ab.
Vorteile der Spule gemäß der Erfindung beinhalten zB dass

– die Spule kompakt ist,
– der Kühlkreislauf der Spule elektrisch von der Spule getrennt ist,
– der Kühlkreislauf gut zwischen den Windungen des Litzenkabels verteilt ist, und
– die Spule gemäß der Erfindung mit großer Wirksamkeit bei Spulen mit hoher Wicklungszahl und geringem Strom, in denen der Strom typischerweise von 10 bis 100 A ist, verwendet werden kann.

Wenn die Spule gemäß der Erfindung und die Spule, die in US 5 101 086 beschrieben ist, verglichen werden, hat die Spule der Erfindung mehrere Vorteile. Der Kühlkreislauf der Spule der Erfindung ist zwischen den Windungen verteilt, was geringere Distanzen zum Leiten der Wärmeverluste, sowie größere Wärmeleitoberfläche bedeutet. Der einfache Aufbau des Kühlkreislaufes verhindert auch zusätzliche Verluste aufgrund eines komplexen Aufbaues der Kühlanordnung und verbessert somit die Spuleneffizienz.
Eine Grundlage für einen Aufbau der Induktionsspulen ist, dass eine gewisse Anzahl von Amperewindungen erreicht werden muss, wenn Spulen mit einem kleinen Durchmesser verwendet werden. Die Anzahl der Windungen, die in den Spulen benötigt wird, hängt vom Strom ab. Wenn eine Spule direkt (ohne einen Transformator) mit einer Spannungsquelle verbunden ist, ist der Strom durch die Spannung vorgegeben.
Das Litzenkabel bildet im Allgemeinen mehrere Windungen. Das Litzenkabel kann um einen Ferritkern gewickelt sein, oder es kann auch ohne den Kern gewickelt sein. Um die Beschränkungen (oben in Verbindung mit dem Stand der Technik abgehandelt) Litzenkabel in Induktionsheizspulen zu verwenden, zu überwinden, wurde eine gut verteilte indirekte Kühlung des Litzenkabels erfunden. Die Induktionsheizspule der Erfindung enthält das Litzenkabel und ein indirektes Kühlsystem. Das indirekte Kühlsystem beinhaltet ein Kühlmedium, das in einem Rohr fließt. Das Litzenkabel ist außerhalb in unmittelbarer Nähe des Rohres angeordnet, sodass die in dem Litzenkabel erzeugte Wärme durch die Wände des Litzenkabels und des Rohrs zum Kühlmedium entfernt wird. Das Rohr ist in der gleichen Weise wie das Litzenkabel gewickelt, wobei es eine Spirale bildet, die mit der Spirale, die von dem Litzekabel gebildet wird, ineinandergreift. Der Querschnitt des Rohres kann zB ein Kreis oder ein Quadrat sein. Die Form des Querschnitts sollte an die Erfordernisse des kompakten Packens der Spule und/oder des effektiven Kühlens des Litzenkabels angepasst sein. Die Kontaktfläche zwischen dem Rohr und dem Litzenkabel ist wichtig in Bezug auf die Kühleffizienz. Je größer die Kontaktfläche zwischen dem Litzenkabel und dem Rohr ist, desto effizienter ist die Kühlung. Das Rohr ist vorzugsweise ein Schlauch aus fiexiblem, chemisch beständigen Kunststoffmaterial, welches Wärme leitet, und ist ein elektrischer Isolator. Die Wärmeübertragung durch die Wand des Rohres begrenzt die Kühlkapazität des Kühlmediums innerhalb des Rohres. Das Kühlmedium ist vorzugsweise Wasser, es sind aber auch andere geeignete Fluida oder Gase möglich, zB kann Öl oder flüssiger Stickstoff verwendet werden.
Die Induktionsheizspule der Erfindung kann verwendet werden, um elektrisch leitendes Material, vorzugsweise ferromagnetisches Material zu erwärmen. Sie kann zB in beheizten Systemen von Papier- oder Kartonmaschinen oder dergleichen, oder bei Papierfinishmaschisnen verwendet werden. Solche beheizten Systeme beinhalten unter anderem rotierende beheizte Kalanderwalzen. Die Kalanderwalzen können nur durch Induktionsheizspulen beheizt werden, oder die Induktionsheizspulen können als zusätzliche Heizvorrichtungen verwendet werden. Die Kalanderwalzen können auch durch mehrere Induktionsheizspulen beheizt werden, und in diesem Fall ist es möglich, das Temperaturprofil über die gesamte Walzenlänge durch Einstellen der Spulenströme einzustellen.
Im Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen
1 einen Querschnitt einer Induktionsheizspule der Erfindung zeigt,
2a eine Draufsicht auf eine Induktionsheizspule der Erfindung zeigt, und
2b eine Querschnittsansicht der Induktionsheizspule in 2a zeigt.
1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, in welcher das Induktionsheizsystem einen Ferritkern 1 und ein Litzenkabel 2 enthält. Das Litzenkabel ist mehrmals um den Ferritkern gewickelt. Die erforderliche Anzahl an Windungen hängt vom erwünschten Heizeffekt ab. Die Induktionsheizspule enthält ein Litzenkabel 2 und ein Kühlrohr 4 und zwar vorzugsweise in einer Weise, dass das Litzenkabel die äußere Oberfläche des Rohres 4, das Kühlmedium, wie Wasser führt, kontaktiert. Das Kühl medium ist somit vom Litzenkabel isoliert. Die Anzahl der Windungen des Rohres muss nicht gleich der Anzahl der Windungen des Litzenkabels sein. Die Anzahl der Windungen des Rohres hängt nur von der erforderlichen Kühlwirkung ab. Je höher der erwünschte Strom ist, desto größer ist die Anzahl der Windungen. Die Induktionsheizspule, die in 1 dargestellt ist, umfasst zwei symmetrische Hälften und so ist nur eine Hälfte der Spule gezeichnet.
Die 2a zeigt eine Draufsicht auf eine andere Induktionsheizspule der Erfindung und 2b zeigt eine Querschnittsansicht derselben Induktionsheizspule. Eine Induktionsheizspule enthält elektrische Isolierung 5 gegen einen Ferritkern 1. Das Material des Kühlrohrs 4 ist Polytetrafluorethylen (PTFE), das gut gegen Hitze und Flüssigkeiten beständig ist und Wärme leitet. In der Figur hat das Rohr 4 sieben Windungen und das Litzenkabel 2 21 Windungen. Der innere Durchmesser des Rohrs 4 ist 2 mm und der äußere Durchmesser ist 3 mm. Die Querschnittsfläche des Litzenkabels ist 2 mm².
Beispiel
Eine Wicklung für 25 A/18 kHz und mit 34 Windungen wurde in einem Fenster von 10 × 20 mm² mit einem minimalen Biegeradius von 17 mm realisiert. Ein Litzenkabel, dessen Querschnitt quadratisch war, und dessen Querschnittsfläche 2 mm² war, wurde verwendet. Die Anzahl der Windungen des Litzenkabels war 34 und die Anzahl der Windungen des Rohrs, das Kühlmedium führte, war 10. Der Innendurchmesser des Rohrs war 2 mm und der Außendurchmesser war 3 mm. Die Windungen des Rohrs waren ineinandergreifend mit den Windungen der Induktionsspule.
Bei der Verwendung der Kühlsysteme des Standes der Technik, die ein Litzenkabel innerhalb eines Kühlrohres beinhalten, sollte der Außendurchmesser des Systems zumindest 5 mm sein, und damit der Innendurchmesser des Kühlrohres 3,8 mm. Um das System in das gleiche Fenster von 10 × 20 mm² einzupassen, sollte die Maximalzahl der Windungen 10 (2 × 5) sein. Zusätzlich, um einen geeigneten Biegeradius zu erzielen, sollte das Kühlrohr vorgeformt sein, um die Windung zu verbessern. Wie man sehen kann, ist das System der Erfindung weit effektiver als die Systeme des Standes der Technik, wenn der Strom durch die Spannung vorbestimmt ist.
Die oben beschriebenen Tatsachen beschränken die Ausführungsformen der Erfindung nicht, sondern die Ausführungsformen können im Rahmen der Ansprüche variieren. Der Hauptaspekt der Erfindung ist, dass die Induktionsheizspule durch ein indirektes Kühlsystem gekühlt werden kann, das viele Vorteile verglichen mit den Induktionsheizspulen des Standes der Technik hat.

Claims

Induktionsheizspule mit einem Litzenkabel (2), das in eine Spirale gewickelt ist, um eine Spule zu bilden, und Mitteln (4) zum indirekten Kühlen des Kabels, dadurch gekennzeichnet, dass das Litzenkabel eingerichtet ist, um durch ein indirektes Kühlsystem gekühlt zu werden, das ein Rohr (4) umfasst, welches in ineinandergreifender Weise mit den Windungen des Litzenkabels gewickelt ist.
Spule gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmedium durch das Rohr (4) fließt.
Spule gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (4) aus einem flexiblen, wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Material besteht.
Spule gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (4) Kunststoffmaterial enthält.
Spule gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium Wasser, Öl oder flüssiger Stickstoff ist.
Verfahren zur Verwendung einer Spule gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule vorgesehen ist, um eine Komponente einer Papier- oder Kartonmaschine oder einer Papierfinishmaschine zu heizen.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente eine rotierende Walze in Kontakt mit einer Papier- oder einer Kartonbahn ist.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Walze eine Kalanderwalze ist.
Verfahren an einer Papier- oder Kartonmaschine oder an einer Papierfinishmaschine, in welchem Verfahren zumindest eine Induktionsheizspule mit einem gewickelten Litzenkabel (2) zum Heizen einer Komponente verwendet wird, und dass die Spule indirekt durch ein Kühlmedium gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsheizspule durch ein Kühlmedium gekühlt wird, welches in einem Rohr (4) zirkuliert, das in einer ineinandergreifenden Weise mit den Windungen des Litzenkabels gewickelt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (4) aus einem flexiblen, wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Material besteht.
Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium Wasser, Öl oder flüssiger Stickstoff ist.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule die Komponente einer Papier- oder Kartonmaschine oder einer Papierfinishmaschine heizt.
Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente eine rotierende Walze in Kontakt mit einer Papier- oder Kartonbahn ist.
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Walze eine Kalanderwalze ist.