DE69213155T2

DE69213155T2 - Induktionsanordnung zum Heizen von Metallbändern

Info

Publication number: DE69213155T2
Application number: DE69213155T
Authority: DE
Inventors: Jean F-95160 Montmorency Delassus; Georges Charles Residence L'hermitage F-78230 Le Pecq Ferry; Jean-Louis Bernard F-89140 Villethierry Peureux; Philippe F-68360 Soultz Roehr
Original assignee: Electricite de France SA
Current assignee: Electricite de France SA
Priority date: 1991-10-14
Filing date: 1992-10-14
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2012-10-15
Also published as: EP0538124B1; FR2682551B1; DK0538124T3; DE69225247D1; GR3021244T3; EP0538124A1; CA2120249A1; US5582790A; EP0690663A1; ES2093808T3; FR2682551A1; WO1993008669A1; EP0690663B1; CA2120249C; DE69213155D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Bearbeitungsprozesse mit Hilfe einer Induktionsanordnung für die Erwärmung von vorbeilaufenden Metallbändern zum Zwecke einer Wärmebehandlung oder Beschichtung. Die Beschichtung kann aus einem Metall (Aufschmelzen von Zinn, Zink) oder aus einem organischen Material (Einbrennen von Lacken oder Farben) hergestellt werden. Aufgrund seiner intrinsischen Eigenschaften (Sauberkeit, Schnelligkeit, Vielseitigkeit) stellt die Induktionserwärmung eine Technik dar, welche besonders gut für die kontinuierliche Bearbeitung von Metallbändern geeignet ist. Deshalb wird die Induktionserwärmung für die metallische oder organische Beschichtung von Metallbändern und insbsondere von Stahlbändern eingesetzt.
Insbesondere im Falle der Erwärmung von magnetischen Stählen erzeugen die eingesetzten Induktoren ein längliches magnetisches Feld, welches sich parallel zur Richtung des vorbeilaufenden Metallbandes erstreckt. Die Funktionsfrequenz der Induktoren hängt von den elektrischen, magnetischen und geometrischen Eigenschaften des Metallbandes ab, sowie von der Leistungsdichte für magnetische Werkstoffe. Die Induktoren bestehen aus einer Spule in Form einer abgeflachten Helix mit mehreren Windungen, welche von einem Frequenzwandler gespeist werden.
Eine solche Induktionsspule erzeugt ein magnetisches Feld mit einer großen Längskomponente, aber leider erzeugt sie auch eine Querkomponente. Diese erste Längskomponente erzeugt induzierte Ströme, welche in der Wandstärke des Bandes senkrecht zur Vorbeilaufrichtung des Bandes verlaufen und es erwärmen. Die Querkomponente erzeugt sogenannte Streuströme, die in dem Band entstehen und es anfänglich in Richtung des Vorbeilaufs des Bandes durchqueren und versuchen, an den Ausgangspunkt zurückzukehren, indem sie hierfür alle möglichen Wege einschlagen (Zylinder, metallisches Strukturen...).
Wenn man in den Verlauf dieser Streuströme einen Widerstand einbaut, wie zum Beispiel eine Schicht aus einer Farbe oder einem Lack, so wird dadurch eine Spannung erzeugt, deren Stärke die Zerstörung des Widerstandes verursachen kann. Dieses Phänomen, welches als Funkenerosion bekannt ist, ist besonders schädlich für die Qualität der Farben oder Lacke, welche auf das Metallband aufgetragen werden.
Bei leitenden Beschichtungen, das heißt, bei metallischen Beschichtungen, erfolgt keine Verschlechterung der Qualität, da die Ströme frei abfließen können. Sie können jedoch bestimmte Bauteile beschädigen, wie zum Beispiel die Wicklungen der Führungszylinder für das Band. Bei organischen Beschichtungen kann man ein stark isoliertes Führungssystem verwenden (einen Zylinder, welcher auf einem Unterlegkeil montiert oder mit einem Kunststoff beschichtet ist).
Bei Anlagen für polyvalente Bearbeitungen ist die Verwendung von metallischen Zylindern absolut notwendig. In einem solchen Fall können an den Seitenrändern der Bänder oberhalb und unterhalb des Induktors Kollektoren angeordnet werden, um Fehler zu lokalisieren. Leider führt dieses System dazu, daß Bänder schlechterer Qualität hergestellt werden, da ihre Seitenränder freigelegt werden und das System außerdem nicht sehr zuverlässig ist, da thermische Zerstörungen der Farbe "bis auf die nackte Haut" zu befürchten sind.
Der Ursprung der Streuströme liegt in der Querkomponente des von dem Induktor erzeugten magnetischen Feldes. Der Querschnitt dieses Induktors hat die Form eines verlängerten Rechtecks, welches das zu bearbeitende Band umgibt und enthält gerade Windungen, die untereinander über eine Schrägverbindung verbunden sind, welche an der Seite der Windung angeordnet ist.
Es ist zweckmäßig, diese Streuströme zu unterdrücken, um den Wirkungsgrad der Bearbeitungsanlagen für die Beschichtung zu verbessern, und insbesondere, um über polyvalente Bearbeitungsanlagen verfügen zu können. Deshalb hat sich die vorliegende Erfindung zum Ziel gesetzt, eine Induktionsheizung vorzuschlagen, welche es erlaubt, unerwünschte Streuströme auszuschalten.
Zu diesem Zweck bezieht sich das Ziel der vorliegenden Erfindung auf eine Induktionsanordnung für die Erwärmung von vorbeilaufenden Metallbändern für den Auftrag von Beschichtungen, welche aus einer Spule in Form einer abgeflachten Helix besteht, die Windungen aufweist, welche untereinander mit Hilfe einer Schrägverbindung verbunden sind, die an der kleinen Seite der Spule angeordnet ist und das vorbeilaufende Band umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel für die Unterdrückung der Querkomponente des Magnetfeldes vorgesehen sind, welches durch diese Spule erzeugt wird, wobei diese Spule aus Windungen gebildet wird, welche eine doppelte verschachtelte Helix bilden.
Da es die Erfindung ermöglicht, die Querkomponente des Magnetfeldes zu unterdrücken, verschwinden die Streuströme und die vorgenannten Nachteile treten nicht mehr auf.
Dank dieser Anordnung werden die von den Schrägverbindungen erzeugten Wirkungen paarweise ausgeschaltet.
Nach einer weiteren Ausführungsart der vorliegenden Erfindung besteht die Spule aus zwei symmetrischen Spulen mit entgegengesetzter Wickelrichtung.
Auch hier werden die nachteiligen Wirkungen der Schrägverbindungen paarweise ausgeschaltet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen durchgeführt wird, in denen folgendes dargestellt ist:
Die Fig. 1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Bearbeitungsanlage für die Beschichtung von Metallbändern, für die eine Induktionserwärmung eingesetzt wird;
Die Fig. 2 zeigt eine Induktionsspule klassischer Art;
Die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsart der Erfindung;
Die Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung, in der zwei Spulen mit entgegengesetzter Wickelrichtung eingesetzt sind;
Die Fig. 5 zeigt einen ersten Modus der Verbindung der in der Fig. 4 dargestellten Spulen; und
Die Fig. 6 zeigt einen zweiten Modus der Verbindung der in der Fig. 4 dargestellten Spulen.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer Bearbeitungsanlage für die Beschichtung eines vorbeilaufenden Metallbandes, in der eine Induktionsheizung eingesetzt ist. Das Metallband 1 wird der Anlage von der rechten Seite zugeführt und zu einem Führungszylinder 2 geleitet, welcher auch einen Kühlzylinder bilden kann. Anschließend durchquert es eine Induktionsheizung, die in dem dargestellten Beispiel zwei aufeinanderfolgende Induktionsspulen 3 und 4 umfaßt, welche jeweils von einem Frequenzwandler 5 oder 6 gespeist werden. Anschließend durchquert das erwärmte Band eine Bearbeitungsvorrichtung, welche schematisch durch ein Tauchbad 7 dargestellt wird.
Die Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer der Induktionsspulen. Sie besteht aus einem Metallband, welches so gewickelt ist, daß es eine abgeflachte Helix bildet. In dem dargestellten Beispiel enthält die Spule drei Windungen, die von der linken Seite mit einem Hochfrequenzstrom gespeist werden, und der Strom dann an der rechten Seite austritt, wobei die Zirkulation des Stromes durch kleine Pfeile symbolisch angedeutet wird.
Man kann erkennen, daß jede der Windungen zwei große Seiten 11 und 12 und eine kleine rechtwinklige Seite 13 aufweist. Benachbarte Windungen werden untereinander mit Hilfe einer Schrägverbindung 14 verbunden. Es ist der gesamte Umfang dieser Schrägverbindungen 14, welche die Querkomponente des Magnetfeldes erzeugen.
Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung soll diese Querkomponente annulliert werden.
Die Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Induktionsspule. In diesem Fall bewegt sich das Metallband 31 in einem Induktor, welcher aus einer doppelten verschachtelten Helix gebildet wird. Diese doppelte Helix enthält Windungen 16, 17, welche durch Schrägverbindungen 18, 19 miteinander verbunden sind, und die zweite Helix ist in entgegengesetzter Richtung zu der ersten Helix gewickelt, so daß sich die Ausgangsklemme der zweiten Helix auf der Höhe der Eingangsklemme der ersten Helix befindet.
Man wird erkennen, daß sich die Schrägverbindungen der ersten Helix mit den Schrägverbindungen der zweiten Helix so kreuzen, daß die Querkomponente des Magnetfeldes annulliert wird.
Tatsächlich kann man davon ausgehen, daß jede der Windungen aus einer Länge der ersten Helix und einer Länge der zweiten Helix besteht. Aufgrund der in dieser Anordnung notwendigen Symmetrien ist die Anzahl der Windungen gleich 4N + 1, wobei N eine ganze Zahl darstellt. Wenn man eine leichte Dissymmetrie akzeptiert, so kann man von der Bedingung 4N + 1 abweichen. Es ist jedoch notwendig, daß die Anzahl der Windungen hoch ist (und zum Beispiel über 7 liegt).
Die Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung, in der zwei Spulen verwendet werden, die aufeinanderfolgend angeordnet sind. Eine erste Spule 41 ist in einer ersten Richtung gewickelt und die zweite Spule 42 ist in entgegengesetzter Richtung gewickelt. Diese beiden Spulen können entweder in Serie oder aber parallel geschaltet werden.
Die Fig. 5 zeigt die serienmäßige Montage der in der Fig. 4 dargestellten Spulen 41 und 42. Die Verbindung 43 wird so hergestellt, daß sich die Induktionsströme der einzelnen Spulen in der gleichen Richtung drehen und daher Längsfelder gleicher Richtung erzeugen. Die Klemmen 44 und sind jeweils an die Pole einer Wechselstromquelle angeschlossen.
Im Hinblick auf die Elektrik ist der in der Fig. 8 dargestellte Induktor gleichwertig mit einem Induktor klassischer Art, welcher die doppelte Anzahl von Windungen jeder elementaren Spule 41 oder 42 aufweist.
Die Fig. 6 zeigt eine parallele Abzweigung der beiden in der Fig. 4 dargestellten Spulen. In diesem Fall wird eine Verbindung zwischen den mittleren Abschnitten und den äußeren Abschnitten der Spulen hergestellt, wobei die Anschlußklemmen 51 und 52 an die Wechselstromquelle angeschlossen sind.
Der von der Gleichstromquelle gelieferte Strom wird in zwei Ströme unterteilt, welche jeweils eine der Spulen durchströmen. Um einen maximalen Wirkungsgrad zu erreichen, ist es zweckmäßig, die Felder auszugleichen, welche von den beide Spulen in der Phase und in der Amplitude erzeugt werden. Im Falle von Spulen, welche mit Hilfe von leitenden Bändern hergestellt werden, ist es relativ leicht, die Gleichheit der von den beiden Spulen erzeugten Felder zu erreichen. Soweit dies notwendig sein sollte, das heißt, in Fällen, in denen die Ströme der beiden Spulen deutlich unterschiedlich sind, kann man auf die Struktur einer Spule dadurch einwirken, daß man die Anzahl der Windungen oder deren Länge verändert.
Nach einer weiteren Variante kann man in jeder der Spulen 41 und 42 Vorrichtungen für die Korrektur der Stromzufuhr vornehmen, wie zum Beispiel Impedanzen.
Man wird erkennen, daß es die vorliegende Erfindung erlaubt, die nachteiligen Wirkungen der Querkomponente einer bekannten Induktionsheizung zu unterdrücken. Die verschiedenen Ausführungsarten der vorliegenden Erfindung sind leicht in die Tat umzusetzen und ermöglichen es, eine Induktionsheizung herzustellen, welche für alle Arten von Beschichtungsbehandlungen eingesetzt werden kann, das heißt, entweder für metallische oder aber für organische Beschichtungsprozesse.

Claims

1. Induktionsanordnung (3, 4) für die Erwärmung durch Induktion von vorbeilaufenden Metallbändern (1, 13) zum Zwecke einer Wärmebehandlung oder Beschichtung, bestehend aus einer Spule in Form einer abgeflachten Helix, die Windungen (11 - 13, 16, 17) enthält, welche mit Hilfe einer Schrägverbindung (14, 18, 19) untereinander verbunden sind, die an der kurzen Seite der Spule angeordnet ist und das vorbeilaufenden Metallband (1, 13) umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß de Spule aus Windungen besteht, welche eine doppelte verschachtetlte Helix bilden, und dadurch, daß Mittel für die Unterdrückung der Querkomponente des Magnetfeldes vorgesehen sind, das von der Spule erzeugt wird.

2. Induktionsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Spule bildenden beiden Helices in einander entgegengesetzter Richtung gewickelt sind, und die Mittel für die Unterdrückung der Querkomponente des von der Spule erzeugten Magnetfeldes aus Schrägverbindungen (18, 19) der Windungen (16, 17) bestehen, und daß sich die Schrägverbindung (18, 19) einer der Helices mit den Schrägverbindungen (18, 19) der anderen Helix kreuzt.

3. Induktionsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Windungen der Spule gleich 4N + 1 ist, wobei N eine ganze positive Zahl darstellt.