DE69225236T2

DE69225236T2 - Induktionsheizgerät

Info

Publication number: DE69225236T2
Application number: DE69225236T
Authority: DE
Inventors: William Jackson
Original assignee: EA Technology Ltd
Current assignee: EA Technology Ltd
Priority date: 1991-12-03
Filing date: 1992-11-30
Publication date: 1998-08-13
Anticipated expiration: 2012-12-01
Also published as: EP0615677B1; GB9125650D0; JPH07501647A; WO1993011650A1; EP0615677A1; GB2262420A; GB2262420B; US5510600A; EP0817532A3; DE69225236D1; AU3088992A; EP0817532A2

Description

Diese Erfindung betrifft Induktionsheizvorrichtungen, insbesondere zum Heizen länglicher Metallwerkstücke von gleichmäßiger Breite.
Die GB-A-1546367 offenbart eine derartige Vorrichtung, bei welcher sich Magnetpolteile quer zur Länge des Werkstücks erstrecken, wobei die zugeordneten Windungen von einer Wechselstromversorgung erregt werden. Eine bei Induktionsheizvorrichtungen auftretende Schwierigkeit ist es, ein gleichmäßiges Temperaturprofil über die Breite des geheizten Werkstücks zu erzielen. Beim Stand der Technik waren Bemühungen zur Erzielung eines derartigen gleichmäßigen Temperaturprofils mit Versuchen verbunden, die pro Ein heitsbreite über das Werkstück erzeugte Flußdichte zu kontrollieren. Bei der GB-A-1546367 ist der Fluß pro Einheitsbreite durch geeignete Formgebung, geeigneten Aufbau oder geeignete Anordnung der Polteile, oder durch die Verwendung von Anhängseln kontrolliert, die an diesen Polteilen angebracht sind.
Eine alternative Form von vorgeschlagenen Induktionsheizvorrichtungen ist in der GB-A-712066 beschrieben. Hierbei erstrecken sich die Magnetpolteile derart longitudinal längs der Länge des Werkstücks, daß Ströme in den Hauptoberflächen des Werkstücks induziert werden, die eher longitudinal als transversal über die Breite fließen. Diese Anordnung kann dabei helfen, Wärmeverwindungen zu vermeiden, die durch transversal fließende Stromschleifen verursacht werden, die durch longitudinale Ströme an den Werkstückrändern vervollständigt werden. Allerdings bringen longitudinal sich erstreckende Polteile sich über die Breite des Werkstücks abwechselnde Magnetpole mit sich, was wiederum eine periodische Verteilung von Wirbelsträmen über die Breite mit sich bringt. Offensichtlich kann eine derartige periodische räumliche Verteilung des Wirbelstroms zu einer entsprechenden Variation der Heizwirkung über die Werkstückbreite führen.
Die GB-A-7 12066 schlägt vor, daß dies kein Problem sein muß, vorausgesetzt der Abstand zwischen benachbarten Magnetpolen über die Werkstückbreite ist ausreichend klein, z.B. 1 bis 2 cm. Jedoch ist die magnetische Effizienz einer derartigen Anordnung aufgrund dieser kleinen Magnetpolabstände sehr gering. Diese Beschreibung aus dem Stand der Technik schlägt auch eine Anordnung vor, bei der "es nicht einmal notwendig ist, besonders kleine Polteilungen zu verwenden", wobei die Breite des Werkstücks gleich im wesentlichen genau eine gerade Anzahl von Magnetpolteilungen ist. Dann ist ausgeführt, daß ein ganz gleichmäßiges Heizen über die Breite des Streifens erzielt werden kann, indem die Wicklungen des Induktors erregt werden, um sowohl eine Sinus- als auch eine Kosinus-Magnetfeldverteilung über die Breite des Werkstücks zu erhalten. Dies wird erreicht entweder durch Erregen der Windungen mit zwei verschiedenen Frequenzen oder mit der gleichen Frequenz - jedoch mit einer Phasenverschiebung um 90º.
Aus den folgenden Gründen ist davon auszugehen, daß die in der GB-A- 712066 offenbarten Konzepte noch nie zu einer praktikablen Vorrichtung geführt haben. Die in den Beispielen offenbarten einfachen Wicklungsanordnungen steuern nicht adäquat die Erzeugung von Wirbelströmen im Werkstück, welche die erforderlichen Sinus- und Kosinusprofile über die Werkstückbreite aufweisen. In dieser Beschreibung aus dem Stand der Technik wird die Wirkung der Ränder des Werkstücks nicht berücksichtigt, die Diskontinuitäten schaffen, welche die Magnetfeldverteilung beeinflussen. Überaus grundlegend ist es, daß es in der Praxis selten erforderlich ist, eine präzise gleichmäßige Wärmeaufnahme über die Breite des Werkstücks zu erzeugen. Im besonderen, falls das Werkstück eine beträchtliche Dicke aufweist, kann der Wärmeverlust von den Rändern derart erhöht sein, daß es wünschenswert sein kann, die Wärmeaufnahme an den Rändern geringfügig zu erhöhen. Außerdem wird eine Induktionsheizvorrichtung üblicherweise zum Heizen eines kontinuierlichen Streifens eingesetzt, und es besteht die Schwierigkeit, eine gleichmäßige Wärmeaufnahme über die Breite eines Streifens aufrechtzuerhalten, während er in die Heizvorrichtung eintritt und während er dieselbe verläßt. Diese ungleichmäßige Heizung an den Enden der Vorrichtung kann durch einen angemessenen Grad von Ungleichmäßigkeit der Wärmeaufnahme kompensiert werden, wenn das Werkstück längs der Länge der Vorrichtung wandert.
Wie es hierbei später offensichtlicher wird, kann die in der GB-A-712066 offenbarte Anordnung nicht verwendet werden, um eine gewünschte Ungleichmäßigkeit der Wärmeaufnahme über die Breite des Werkstücks zu erzeugen, selbst wenn Randeffekte ignoriert werden.
Gemäß Anspruch 1 wird eine Induktionsheizvorrichtung zum Heizen eines länglichen Metallwerkstücks von vorgegebener Breite w bereitgestellt, umfassend ein Mittel zum Erzeugen zeitlich veränderlicher Magnetfelder mit Größen mit räumlichen Profilen über die Breite w des Werkstücks, welche jeweils zeitlich gemittelten Längswirbelströmen im Werkstück entsprechen, welche Verteilungen über die Breite des Werkstücks aufweisen, die im wesentlichen
J(x) cosφ(x) und K J(x) sinφ(x)
sind, wobei x der Abstand über die Breite des Werkstücks von der Mittellinie aus ist,
wobei J(x) proportional zur Größe der in dem Werkstück in einem Abstand x von der Mittellinie induzierten Stromdichte ist, die erforderlich ist, um ein gewünschtes Profil P(x) über die Breite w der in dem Werkstück erzeugten Wärmeenergie zu erzeugen,
wobei κ das Verhältnis der Zeit, für welche das der Sinus-Wirbelstromverteilung entsprechende Feld erzeugt wird, relativ zu der Zeit ist, für welche das der Kosinus-Wirbelstromverteilung entsprechende Feld erzeugt wird, und wobei φ(x) eine Funktion von x ist, die derart gewählt ist, daß im wesentlichen
dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfelderzeugungsmittel dazu ausgelegt ist, die Felder mit den entsprechenden Wirbelstromverteilungen zu erzeugen, wenn J ungleichmäßig ist.
Wenn die den Kosinus- und Sinus-Wirbelstromverteilungen entsprechenden Felder simultan erzeugt werden, so ist κ = 1 und J(x) ist gleich der Größe der induzierten Stromdichte, die zur Erzeugung des Heizprofils P(x) erforderlich ist. Wenn die Felder abwechselnd erzeugt werden, so ist J(x) gleich 1/ (κ + 1) mal der Größe.
Die Integragleichung in der obigen Darlegung drückt jatsächlich das Erfordernis aus, daß das Integral der Stromdichte über die Breite des Werkstücks für die Kosinus-Komponente sowie die Sinuskomponente null ist. Die Amplitude J(x) der räumlichen Verteilungen des Kosinus-Wirbelstroms wird als eine Funktion von x gewählt, um das gewünschte Profil P(x) von in dem Werkstück erzeugter Heizenergie zu erzeugen (P (= proportional) J²). Wie es hierbei später besser verstanden wird, legt die Wahl eines nichtgleichmäßigen J der Wahl der Funktion φ(x) Bedingungen auf, so daß die Integragleichung noch erfüllt werden kann.
In der Praxis ist es klar, daß für jedes Magnetfeldprofil über die Breite des Werkstücks das Integral über die Breite von longitudinal fließenden Wirbelströmen null sein muß. Allerdings ist es ohne eine sorgfältige Wahl der Funktion φ unmöglich, Wirbelstromverteilungen in der Form J cosφ und κ J sinφ zu erzeugen, wie es erforderlich ist.
Bei der vorliegenden Erfindung ist das Magnetfelderzeugungsmittel angeordnet, um die Erzeugung geeigneter Felder zu ermöglichen, um die erforderlichen Wirbelstromverteilungen zu erzeugen, selbst wenn J nichtgleichmäßig ist, d.h. mit x variiert.
Für ein besseres Verständnis der Prinzipien der vorliegenden Erfindung wird auf die Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen verwiesen.
Die longitudinalen Wirbelstromverteilungen gemäß der Sinuskomponente und Kosinuskomponente können mittels Magnetfeldern erzielt werden, die auf verschiedene Weisen erzeugt sind. In einer Ausführungsform erzeugt das Magnetfelderzeugungsmittel die jeweiligen Felder simultan mit unterschiedlichen Erregungsfrequenzen. Dann können zwei statische Feldverteilungen mit entsprechenden Kosinus- und Sinus- Wirbelstromverteilungen wie erforderlich erzeugt werden.
Statt dessen kann das Magnetfelderzeugungsmittel die jeweiligen Magnetfelder simultan mit der gleichen Erregungsfrequenz - jedoch mit Phasenverschiebung um 90º - erzeugen. Diese Anordnung hat die Wirkung, daß eine sinusförmige Wellenform erzeugt wird, die über die Breite des Werkstücks wandert.
In einer anderen Anordnung kann das Magnetfelderzeugungsmittel die jeweiligen Felder zeitlich aufeinanderfolgend erzeugen. Dann ist die Möglichkeit einer Wechselwirkung zwischen den zwei Feldkomponenten vermieden. Sofern die aufeinanderfolgenden Feld- und die entsprechenden Wirbelstromverteilungen sich zeitlich ausreichend schnell abwechseln, ist die zeitlich gemittelte Heizwirkung im Werkstück im wesentlichen gleichmäßig oder hat zumindest das gewünschte Profil P. Es ist verständlich, daß diese Anordnung mit aufeinanderfolgender oder abwechselnder Felderzeugung einschließen kann, daß die zwei Komponentenfelder für jeweilige verschiedene Zeitperioden mit dem Verhältnis κ erzeugt werden, woraufhin die Größe jedes Komponentenfelds dementsprechend geändert wird, um ein Verhältnis κ vorzusehen. Somit kann das die Kosinus-Stromverteilung erzeugende Feld eine kleinere Größe haben, jedoch für eine längere Zeitperiode relativ zu dem die Sinus-Stromverteilung erzeugenden Feld erzeugt werden.
Mit den oben beschriebenen Anordnungen zum Erzeugen der Komponenten- Magnetfelder kann das Magnetfelderzeugungsmittel die jeweiligen Magnetfelder über den gleichen Bereich eines Werkstücks erzeugen.
Alternativ kann das Magnetfelderzeugungsmittel das jeweilige Magnetfeld simultan mit der gleichen Erregungsfrequenz und Phase erzeugen, jedoch über derart im Abstand voneinander befindliche Bereiche eines Werkstücks, daß die Felder nicht wechselwirken.
Dann kann das mittlere Heizprofil P in dem Werkstück noch erzeugt werden, und zwar mit einer ausreichenden thermischen Leitung im Körper des Werkstücks, oder indem das Werkstück derart wandert, daß jeder Teil des Werkstücks derart von einem Bereich zu dem anderen wandert, daß beide Magnetfeldkomponenten aufeinanderfolgend erfahren werden.
In einer Ausführungsform zum Heizen eines Werkstücks von ausreichender Dicke, so daß Magnetfelder in entgegengesetzten Breitseiten nicht wechselwirken, werden die beiden jeweiligen Felder über eine Breitseite des Werkstücks erzeugt, und das Magnetfelderzeugungsmittel ist angeordnet, um dementsprechend ferner die jeweiligen Felder über die andere Breitseite des Werkstücks an der gleichen Stelle längs der Länge des Werkstücks zu erzeugen, wobei die entsprechenden weiteren Felder simultan mit den jeweiligen Feldern über der einen Seite erzeugt werden, um entsprechende Wirbelstromverteilungen über die Breite des Werkstücks zu erzeugen, die zeitlich gegenphasig zu den in der einen Seite erzeugten Wirbelströmen sind. Bei dieser Anordnung fließen Wirbelströme an einer bestimmten Stelle x über die Breite des Werkstücks in einer Richtung auf einer Seite des Werkstücks und in der entgegengesetzten Richtung (mit der gleichen Größe) in der anderen Seite. Dann können Heizverwindungen im Werkstück an jedem Ende der Heizvorrichtung reduziert werden, da Wirbelströme durch die Dicke eines Werkstücks zwischen den zwei Breitseiten fließen können.
Bei einem bevorzugten Beispiel, bei welchem die zwei Magnetfeldkomponenten simultan an verschiedenen Stellen auf dem Werkstück erzeugt werden, können sich diese Stellen longitudinal mit Abstand voneinander längs des Werkstücks befinden. Alternativ können diese Bereiche auf entgegengesetzten Seiten eines Werkstücks von ausreichender Dicke, so daß die Felder nicht wechselwirken, vorgesehen sein. Der erste, oben erwähnte Fall ist insbesondere zweckmäßig, wenn die Vorrichtung Transportmittel umfaßt, um ein Werkstück der Länge nach an dem Magnetfelderzeugungsmittel vorbeizubewegen.
Vorzugsweise umfaßt das Magnetfelderzeugungsmittel Leiter für elektrischen Strom, die longitudinal relativ zu dem Werkstück ausgerichtet sind und in einer Parallelanordnung über die Werkstückbreite angeordnet sind, und Mittel zum selektiven Verbinden der Leiter mit einer Quelle zeitlich variierenden Stroms, wodurch der Strom in den Leitern derart gewählt wird, um die Magnetfelder zu erzeugen. Die Mittel zum selektiven Verbinden können angeordnet sein, um die Leiter in gewählter Weise seriell zu verbinden. Gewünschtenfalls sind die Mittel zum selektiven Verbinden angeordnet, um entsprechende Enden von gewählten Paaren der Leiter zusammenzuverbinden, um jeweilige einzelne Spulenwindungen zu bilden. Auf diese Weise kann die Spulenteilung, d.h. der Abstand zwischen den Hin- und Rückleitern jeder einzelnen Windung eingestellt und gewählt werden.
Es ist auch bevorzugt, daß die Mittel zum selektiven Verbinden Einstelmittel zum Einstellen der relativen Ströme umfassen, die vorgesehen sind, um in den Leitern zu fließen. Diese Einrichtung hilft dabei; die durch die Leiter erzeugten Magnetfelder geeignet zu profilieren, um die oben dargelegten Erfordernisse bezüglich des Heizprofils für einen Bereich von Werkstückbreiten, Materialien etc. zu erfüllen.
Die Mehrzahl von Quellen zeitlich variierenden Stroms kann Quellen mit unterschiedlicher Größe des Stroms umfassen. Ferner kann die Mehrzahl von Quellen Quellen mit unterschiedlicher Frequenz umfassen. Speziell zum Erzeugen von wandernden Wellenfeldern und Stromverteilungen kann die Mehrzahl von Quellen Quellen mit der gleichen Frequenz - jedoch mit Phasenverschiebung um 90º - umfassen.
Beispiele, welche die vorliegende Erfindung veranschaulichen, werden nun detaillierter und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
Figur 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Teils einer Induktionsheizvorrichtung ist, welche Merkmale der vorliegenden Erfindung verwirklicht;
Figur 2(a) eine diagrammartige Stirnansicht der Induktionsheizvorrichung ist, die eine Magnetfeldwellenform erzeugt, die über die Breite des Induktors wandert;
Figur 2(b) die Magnetfeldwellenform, die durch die Vorrichtung von Figur 2(a) erzeugt wird, graphisch veranschaulicht;
die Figuren 3(a) bis 3(d) zusammen mit den Figuren 4(a) bis 4(d) Merkmale der Erfindung veranschaulichen, wobei stationäre Magnetfeldprofile erzeugt werden;
die Figuren 5(a) und 5(b) die Strom- und Leistungsverteilungen über die Breite eines Werkstücks veranschaulichen, die durch sinusförmige Magnetfeldverteilungen erzeugt werden, die in den Anordnungen der Figuren 3 und 4 erzeugt werden;
die Figuren 6(a) bis 6(e) ein Beispiel der Anordnung der Figuren 3 und 4 veranschaulichen, wobei separate Hauptwindungen für die komplementären Magnetfeldprofile auf dem gleichen Magnetkern verschachtelt sind;
Figur 7 eine Anordnung mit verteilter Energieversorgung zum Erregen der Windungen des Beispiels von Figur 6 veranschaulicht;
die Figuren 8 und 9 graphische Darstellungen von Stromdichteprofilen über ein Werkstück für den Fall sind, in dem die Erzeugung einer nicht-gleichmäßigen Heizenergieaufnahme gewünscht ist;
die Figuren 10(a) bis 10(e) eine weitere Windungsanordnung veranschaulichen, welche eine abwechselnde Auswahl von Sinus- und Kosinus-Magnetfeldprofilen ermöglicht;
die Figuren 11(a) bis 11(c) veranschaulichen, wie die Windungsanordnung von Figur 10 dazu verwendet werden kann, um die Magnetfeldprofile einzustellen, um Polteilungen mit verschiedenen Breiten vorzusehen;
Figur 12 eine graphische Darstellung von Testerergebnissen für die Vorrichtung bereitstellt, welche Merkmale der Erfindung verwirklicht;
Figur 13 Endeffekte und ihre Korrektur veranschaulicht;
die Figuren 14, 15 und 16 detaillierter Anordnungen zur Randkorrektur veranschaulichen; und
die Figuren 17 und 18 Schalt- und Steueranordnungen für Leiter zum Erzeugen der gewünschten Magnetfeldprofile veranschaulichen.
Um die vorliegende Erfindung voll zu verstehen, ist es zweckmäßig, zuerst Beispiele von Induktionsheizvorrichtungen zu beschreiben, die selbst nicht alle der wichtigen Merkmale der vorliegenden Erfindung enthalten, aber dazu dienen, zu veranschaulichen, wie die Erfindung in die Praxis umgesetzt werden kann.
Dementsprechend wird auf Figur 1 Bezug genommen. Hier ist eine Induktionsheizvorrichtung umfassend obere und untere Kernelemente 1 und 2 von oberen bzw. unteren Induktoren veranschaulicht. Die induktoren erstrecken sich bei dieser Ausführungsform in im wesentlichen parallelen Ebenen und sind im Abstand voneinander angeordnet, um zwischen ihnen einen Zwischenraum 4 zu begrenzen, durch welchen ein zu heizender Streifen 5 aus Metall durchgeführt wird. Die Induktoren umfassen (in Figur 1 nicht gezeigte) elektrische Windungen, die in Schlitzen 3 angeordnet sein können, die in den gegenüberliegenden Flachseiten der Kerne 1 und 2 ausgebildet sind. Wie es bei Induktionsheizvorrichtungen dieser allgemeinen Art bekannt ist, werden die elektrischen Windungen erregt, um zeitlich variierende Magnetfelder zu erzeugen, die in dem Metallstreifen 5 Wirbelströme induzieren, was eine Widerstandsheizung davon zur Folge hat. Wie es auch normal bei Vorrichtungen dieser allgemeinen Art ist, hat der geheizte Streifen üblicherweise eine gleichmäßige Breite und kann während dem longitudinalen Wandern durch die Heizvorrichtung, zum Beispiel in der Richtung des Pfeils 6, geheizt werden. Bei anderen Anordnungen, zum Beispiel zur Plattenheizung, kann eine ganze Länge einer Platte in Vorrichtungen dieser allgemeinen Art enthalten sein, während diese stationär zwischen Induktoren von ausreichender Länge ist.
Es ist zu bemerken, daß die Windungen auf den Kernen 1 und 2 angeordnet sind, um zeitlich variierende Magnetfelder mit einer Größe bereitzustellen, die im allgemeinen konstant über die Länge des Streifens 5 ist, jedoch ein räumliches Profil über die Breite des Streifens besitzt, um im Effekt eine Folge von entgegengesetzten Magnetpolen bereitzustellen, die über die Breite verteilt sind.
Figur 2 zeigt zu Veranschaulichungszwecken eine Anordnung, bei welcher bewirkt wird, daß das räumliche Profil des Magnetfelds transversal über die Breite des zu heizenden Streifens wandert. Bei dieser Anordnung ist das räumliche Profil im allgemeinen sinusförmig. Somit sind in Figur 2(a) der obere und der untere Kern mit Mehrphasenwindungen 7 bzw. 8 versehen gezeigt, die von einer elektrischen Mehrphasenversorgung erregt werden, um eine Magnetwellenform zu erzeugen, die in der Richtung des Pfeils 9 über die Breite eines Streifens wandert. Der Aufbau der Wicklungen 7 und 8 und ihr Anschluß an eine Mehrphasenversorgung kann von solchen Techniken Gebrauch machen, die in der Technik von elektrischen Rotationsmaschinen bekannt sind.
Figur 2(b) veranschaulicht die räumliche Magnetwellenform, die durch die Wicklungen 7 und 8 in einem zeitlichen Moment erzeugt wird. Dies ist veranschaulicht als eine im wesentlichen sinusförmige Wellenform der magnetischen Feldintensität oder Flußdichte, die momentan entgegengesetzte Magnetpole an dem in der Figur gezeigten Maximum und Minimum liefert. Diese Wellenform wandert in der Richtung des Pfeils über die Breite w des Streifens.
Bei der veranschaulichten Anordnung sind die Windungen 7 und 8 angeordnet und erregt, um einen Abstand (oder eine Teilung) λ über die Breite des Streifens zwischen benachbarten Maxima und Minima in der momentanen Feldverteilungswellenform zu liefern. Diese Teilung λ wird gewählt, um die Gleichung
w = 2 nλ
zu erfüllen, wobei w die Breite des geheizten Streifens 5 ist und n eine ganze Zahl ist. Bei einer derartigen Anordnung läßt sich ersehen, daß das Vorsehen einer sinusförmigen Verteilung des Magnetfelds über den Streifen und eine entsprechende sinusförmige Verteilung von longitudinalen Wirbelströmen im Streifen konsistent damit ist, daß der gesamte im Streifen induzierte Wirbestrom, der in einer Richtung längs der Länge fließt, genau gleich dem gesamten induzierten Wirbelstrom in der entgegengesetzten Richtung ist. Falls andererseits die Teilung λ gewählt wird, um die obige Gleichung nicht zu erfüllen, dann schafft das Erfordernis, daß der in einer Richtung induzierte Strom der gleiche wie der in der anderen Richtung induzierte Strom ist, eine Verzerrung der Stromdichte über den Streifen. Dies resultiert wiederum in einer Verzerrung der Verteilung von Heizenergie über die Breite des Streifens.
Es ist an dieser Stelle verständlich, daß eine Wahl von λ mit w = 2nλ die Erzeugung einer gleichmäßigen Heizenergie über die Breite des Streifens erleichtert, da es möglich ist, eine sinusförmige Verteilung der Wirbelstromdichte mit gleichmäßiger Amplitude über die Streifenbreite aufrechtzuerhalten. Bei der oben beschriebenen Anordnung wird dann eine gleichmäßige Heizung erzielt, wobei diese Wellenform der Wirbelstromverteilung über den Streifen wandert. Es ist zu bemerken, daß eine Wanderwellen-Wirbelstromverteilung wie beschrieben festen Kosinuswellen- und Sinuswellen-Stromverteilungen entspricht, welche die gleiche Erregungsfrequenz - jedoch mit Phasenverschiebung um 90º - aufweisen.
Bei der oben beschriebenen Anordnung wandert die sinusförmige Wellenform der Wirbelstromverteilung über die Breite des Streifens, so daß die Heizwirkung gleichmäßig ist. Falls die Wellenform andererseits stationär über die Breite des Streifens ist, so besitzt die Heizenergieaufnahme in den Streifen dann auch eine entsprechende räumliche Verteilung über die Streifenbreite, und zwar gleich dem Quadrat der Wellenform der Wirbelstromverteilung. Später beschriebene Anordnungen zeigen, wie dieser Effekt zu kompensieren ist.
In der Praxis wird das Magnetfeld an irgendeiner Position über die Breite des Streifens 5 nicht nur durch die erregenden Ströme in den Windungen 7 und 8 bewirkt, sondern auch durch die Anwesenheit des Streifens 5 selbst. Somit kann das Magnetfeld in der unmittlebaren Nachbarschaft der Seitenränder des Streifens verzerrt werden, und solche Verzerrungen können ihrerseits die Verteilung von Wirbeströmen und der Heizenergie im Streifen beeinflussen. Wenn dies ein Problem darstellt, können dementsprechend Randkorrekturmittel an jedem Seitenrand vorgesehen sein, die dazu bestimmt sind, dieser unerwünschten Verzerrung des Magnetfeldprofils entgegenzuwirken, so daß das gewünschte Profil über die volle Breite des Streifens aufrecht erhalten wird. Beispiele dieser Randkorrekturmittel sind in Figur 2(a) bei 10 und 11 veranschaulicht und umfassen Ferritkerne 12 und 13, die sich längs der Ränder des Streifens 5 über die volle Länge des oberen und unteren Induktors erstrecken. Erregerwindungen 14 und 15 sind in Längsrichtung um diese Kerne 12 und 13 gewunden, um - wenn erregt - Magnetfelder in den Kernen 12 und 13 zu erzeugen, die sich vertikal zwischen den beiden Hauptinduktoren erstrecken.
In der Praxis sind die Erregungsversorgungen für die Windungen 14 und 15 der Randkorrekturspulen 10 und 11 phaseneingestellt in Beziehung zu der Versorgung für die Hauptwindungen 7 und 8, um Randeffekte während dem Zyklus der wandernden magnetischen Wellenform geeignet zu kompensieren. Eine detailliertere Diskussion von Techniken zur Erzielung dieser Verzerrungskorrektur wird hierbei später folgen, und es ist einsichtig, daß derartige Techniken für die in Figur 2 gezeigte Anordnung anwendbar sind.
Es wird nun auf die Figuren 3, 4 und 5 Bezug genommen. Diese Figuren veranschaulichen Anordnungen, bei welchen stationäre Magnetfeldprofile über die Breite des zu heizenden Streifens erzeugt werden. Diese Figuren veranschaulichen im besonderen, wie eine Kombination von komplementären Sinus- und Kosinus-Profilen die Herstellung eines gewünschten Heizenergieprofils (in dem beschriebenen Beispiel ein gleichmäßiges Profil) ermöglicht wird, selbst wenn die Profile selbst stationär relativ zum Streifen sind.
Figur 3(a) ist eine Teilansicht und ein Querschnitt - betrachtet durch die Länge der Vorrichtung - und zeigt die oberen und unteren Kerne 1 und 2 des Hauptinduktors, wobei gegenüberliegende Flächen mit Schlitzen 3 versehen sind. Windungen 20 sind in den Schlitzen 3 angeordnet gezeigt. Diese Anordnung ist geeignet für Kerne 1 und 2, die aus laminiertem Weicheisen hergestellt sind.
Wie es ersichtlich ist, kann ein längliches, zu heizendes Werkstück oder ein zu heizender Streifen 5 in dem Raum 4 zwischen den oberen und unteren Induktoren passieren. Die Schlitze 3 erstrecken sich in der Bewegungsrichtung (z) des Werkstücks 5, und Ströme fließen in den Windungen 20 in diesr Richtung.
Alle Windungen werden von einer Einphasenwechselversorgung erregt, und die Windungen 20 sind angeordnet, oder die Versorgung zu den Windungen ist gesteuert derart, daß die Windungen ein zeitlich variierendes Magnetfeld liefern, welches eine Amplitude aufweist, die über die Breite w des Werkstücks variiert, und zwar mit dem in Figur 3(b) veranschaulichten, stationären periodischen räumlichen Profil. Wie es ersichtlich ist, bringt diese Verteilung mit sich, daß es zwei Punkte oder Pole 21 und 22 von maximaler Magnetfeldamplitude gibt, die über die Breite des Streifens 5 in einem Abstand λ beabstandet angeordnet sind. Es ist ersichtlich, daß der magnetische "Pol" 22 gegenphasig zu dem "Pol" 21 insofern ist, daß er in jedem zeitlichen Moment eine entgegengesetzte Magnetfeldpolarität zu der des Pols 21 besitzt.
Figur 3(c) veranschaulicht die Stromverteilung in Ampere pro Quadratmeter in dem Metallstreifen 5 unter dem Einfluß des durch die Windungen 20 erzeugten Magnetfelds. Diese Verteilung setzt voraus, daß es keine Verzerrungen des Magnetfelds an den Rändern des Streifens 5 gibt, oder andernfalls, daß derartige Verzerrungen korrigiert werden. Dieses Feld setzt auch voraus, daß der Abstand λ der Magnetpole 21 und 22 die Gleichung
w = 2nλ
erfüllt, wobei n eine ganze Zahl ist. Wie es oben im Zusammenhang mit der Ausführungsform mit wanderndem Magnetfeld beschrieben ist, besteht dann keine Notwendigkeit einer Verzerrung der Wirbelstromverteilung an den Rändern des Streifens.
Wie es in Figur 3(c) ersichtlich ist, besitzt die Stromverteilung eine im wesentlichen sinusförmige Variation. Die räumliche Verteilung kann durch J&sub0; cos (πx/λ) gegeben sein, wobei J&sub0; die in dem Werkstück 5 durch das Feld der Windungen 20 induzierte Spitzenstromdichte ist, und dies ist ferner modifiziert zu J&sub0; cos (πx/λ) cos (ωt), um die sinusförmige Variation der Stromdichte mit der Zeit zu berücksichtigen, wobei ω die Winkelfrequenz dieser Versorgung ist. Die induzierte Leistung in Watt pro Kubikmeter ist proportional zum Quadrat des Stroms und ist folglich J&sub0;² p cos² (π/λ) cos² (ωt), wie es in Figur 3(d) veranschaulicht ist, wobei der spezifische Widerstand des Werkstücks 5 ist.
Es ist aus den Figuren 3(b), (c) und (d) ersichtlich, daß mit dem spezifizierten Zusammenhang zwischen Werkstückbreite w und Magnetpolteilung λ, und mit einer sinusförmigen räumlichen Variation im Magnetfeld B dann alle induzierten Stromflüsse selbstkonsistent sind und es keine Strombündelung an den Rändern des Werkstücks 5 gibt. Die sinusförmige räumliche Variation im Feld wird richtig über die Breite des Werkstücks durch feldmodifizierende Randkorrekturrnittel an den Seitenrändern des Werkstücks aufrecht erhalten, wie es hierbei detaillierter später beschrieben wird. Folglich ist das momentane Wärmemuster - unter Vernachlässigung des Wärmetransfers im Werkstück 5 - wie in Figur 3(d) gezeigt, wobei genau die Hälfte der erforderlichen Energie im Werkstück 5 induziert wurde. Dies würde ein Temperaturprofil in den geheizten Zonen erzeugen, welches über das Werkstück 5 sinusförmig variiert. Dieses Muster ist im wesentlichen unverändert, sei es, daß das Werkstück stationär ist oder sich in der z- Richtung bewegt.
Figur 4(a) veranschaulicht eine Vorrichtung, die ähnlich zu der von Figur 3(a) ist, wobei jedoch die Windungen 20 seitwärts relativ zum Werkstück 5 um einen Abstand bewegt sind, der gleich der Hälfte einer Magnetpolteilung (d.h. λ/2) ist. Es ist natürlich einzusehen, daß keine physikalische Bewegung notwendig ist. Alles was erforderlich ist, um den gleichen Effekt elektrisch zu erzeugen, ist das Vorsehen eines zweiten Satzes von Windungen, die mit dem ersten Satz derart verschachtelt sind, daß die erzeugten elektromagnetischen Pole in den angegebenen Positionen sind. (Eine derartige Konfiguration ist in Figur 6 gezeigt).
Figur 4(b) veranschaulicht die neue Stelle der Magnetpole, wie sie durch das Werkstück 5 gesehen wird, aus der ersichtlich ist, daß, während ein Pol vollständig innerhalb der Breite des Werkstücks 5 ist, der andere Pol in einen "Halbpol" aufgeteilt wird, der an jedem Seitenrand des Werkstücks erscheint.
Figur 4(c) zeigt die Stromverteilung in Am&supmin;² im Werkstück 5 unter dem Pol und den Halbpolen der Vorrichtung von Figur 4(a), und in diesem Fall ist die Amplitude durch J&sub0; sin (π/λ) cos (ωt) gegeben. Wieder wird die sinusförmige Verteilung des Felds über das Werkstück 5 durch eine Feldsteuerung an jedem Seitenrand des Werkstücks sichergestellt, wie es später beschrieben wird. Die induzierte Leistung in Wm&supmin;³ ist wie vorher proportional zum Quadrat des Stroms und ist folglich
J&sub0;² sin² (πx/λ) cos² (ωt),
wie es in Figur 4(d) veranschaulicht ist.
Es ist somit einsichtig, daß die Anordnung von Figur 4 die komplementäre Hälfte des im Werkstück 5 zu induzierenden Gesamtenergiebedarfs liefern kann. Wie vorher besitzen die geheizten Zonen sinusförmig über das Werkstück variierende Temperaturprofile. Allerdings ist in diesem Fall die geheizte Hälfte der Bereich, der durch die Anordnung gemäß Figur 3 nicht geheizt wird. Die gesamte Wärmeaufnahme an irgendeinem Punkt x, die aus der komplementären Beschaffenheit der zwei räumlichen Heizverteilungen hervorgeht, die durch die verschiedenen Windungskonfigurationen geliefert werden, ist deshalb:
was somit unabhängig von x ist.
Um den Nutzen dieses Ergebnisses zu erhalten, ist es wesentlich, daß die Kosinus- und Sinus-Stromverteilungen erzeugenden Felder nicht miteinander reagieren. Figur 5(a) veranschaulicht die Stromverteilung (die mit (sin+cos) bezeichnete Kurve) über die Breite des Werkstücks, falls sowohl die Kosinusals auch die Sinus-Windungen simultan erregt werden. Figur 5(b) veranschaulicht durch die ebenfalls mit (sin+cos) bezeichnete Kurve die entsprechende Leistungsverteilung, die deutlich sehr ungleichmäßig über die Breite ist.
Deshalb ist in einer Anordnung mit der oben erwähnten zweiten Wicklung, die mit dem ersten Satz verschachtelt ist, das Werkstück im gleichen Bereich kurzen ( (=näherungsweise) 10 ms) Leistungsstößen von jeder Wicklung für identische Zeitperioden ausgesetzt. Dies führt deshalb dazu, daß das ganze Werkstück mit einer über seine Breite gleichmäßig verteilten Wärmeaufnahme versehen wird. Mit den zwei Sätzen von Wicklungen auf einem Kern wie beschrieben, ist es nicht zulässig, die Kosinus- und Sinuswindungen zur gleichen Zeit mit einer gemeinsamen Frequenz und Phase zu erregen. Es ist dann notwendig, die Windungen sequentiell mit einer einzigen Energiequelle zu verbinden oder eine separate Energiequelle für jede Windung zu verwenden, die selbst an- und ausgeschaltet werden kann. Jede Windung wird für die gleiche Zeitdauer erregt und diese Zeit, und die Periode, in der keine Windung erregt wird, ist - unter anderem - abhängig von dem Wärmetransfer im geheizten Werkstück, dem gewünschten Grad an Temperaturgleichmäßigkeit und - wenn ein kontinuierlich sich bewegendes Werkstück geheizt wird - von der Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstücks.
Eine alternative Methode zur Schaffung einer gleichmäßigen Heizung ist es, zwei Heizinduktoren hintereinander vorzusehen, wobei einer gewickelt und konfiguriert ist, um ein den Kosinusstrom erzeugendes Feld zu liefern, und der andere gewickelt und konfiguriert ist, um ein den Sinusstrom erzeugendes Feld zu liefern. In diesem Fall können beide Induktoren kontinuierlich erregt werden.
Falls die zwei Sätze von Windungen - die Sinuswindungen und die Kosinuswindungen - mit verschiedenen Frequenzen erregt werden, dann können beide simultan erregt werden, selbst wenn sie auf dem gleichen Kern gewickelt sind. Man muß dann darauf achten, die relativen Stärken der durch die zwei Wicklungen erzeugten Felder einzustellen, um sicherzustellen, daß die durch die zwei Felder erzeugten Wärmemengen immer noch räumlich komplementär sind.
Die in der GB-A-1 546367 beschriebene Methode der Transversalfluß- Induktionsheizung wird häufig - wenngleich nicht ausschließlich - bei Frequenzen unter 1 kHz verwendet, bei denen die Verwendung von geschlitzten und laminierten Eisenkernstrukturen für die Induktoren machbar ist. Die Vorrichtung dieser Erfindung kann jedoch bei höheren Frequenzen (3- 20 kHz) verwendet werden, bei denen Ferrite und exotischere magnetische Materialien für die Induktorkerne verwendet werden können.
Eine Form eines Verbundinduktors, bei welchem die Kosinus-Wicklung und die Sinus-Wicklung an dem gleichen Ferritkern verschachtelt sind, ist in Figur 6(a) veranschaulicht, welche schematisch das Layout der Windungen für ein typisches Modul mit einer Breite von 2 Magnetpolen eines gesamten Induktors angibt. Die rechteckigen Kästchen 23 stellen die Kosinus-Wicklung dar, und die runden Kästchen 24 stellen die Sinus-Wicklung dar, welche an oberen und unteren Ferritkernen 25 und 26 vorgesehen sind.
Die Luftspalt-MMK-Diagramme (Luftspalt-MMF-Diagramme) für beide Wicklungen sind in den Figuren 6(b) bzw. 6(c) zusammen mit den räumlichen Variationen der Stromdichte Jz gezeigt, die jede im Werkstück 5 induzieren würde. Die komplementäre Beschaffenheit der resultierenden Heizung ist offensichtlich.
Um die sinusförmige Verteilung der Luftspalt-MMK zu verbessern, ist eine Anordnung derart wünschenswert, daß die mittigsten Spulen jeder Polarwicklung weniger Strom führen als die anderen.
Die elektrischen Verbindungen, die notwendig sind, um sicherzustellen, daß Spulen "c" und "f" der Kosinus-Wicklung 23 beispielsweise nur halb so viel Strom führen wie der Rest, sind in alternativen Weisen in den Figuren 6(d) und 6(e) dargestellt. Der Rest der Kosinus-Wicklung und der Sinus-Wicklung ist aus identischen Schaltungsmodulen hergestellt, die in geeigneter Weise über die oberen und unteren Induktorkerne räumlich verteilt sind.
Wie es aus der Planung von elektrischen Maschinen wohlbekannt ist, können die Spulen in einem Polarmodul alle seriell, alle parallel oder alle von verschiedenen Quellen versorgt vorgesehen sein. Es ist lediglich eine Frage der Gewährleistung, daß eine geeignete Verteilung von Ampere-Leitern im Luftspalt hergestellt wird.
Es gibt viele Wege, um eine gegenseitige Wechselwirkung zwischen den Kosinus- und den Sinus-Windungen zu vermeiden. Der einfachste davon bedeutet lediglich ein sequentielles Verbinden jeder Wicklung mit einer einzigen Energieversorgung. Der betreffende Schalter wäre für die meisten praktischen Zwecke ein Thyristorschalter. Wenn die Energieversorgung ein statischer Umrichter ist, ist es zweckmäßig, den Schalter in die Umrichtungsschaltungsanordnung aufzunehmen, welche zwei wechselweise ausschließliche Ausgangssignale erzeugt.
Die Anwendbarkeit der beschriebenen Induktionsheizvorrichtungen ist nicht auf relativ dünne Werkstücke begrenzt, wie es bei früheren Transversalflußmethoden der Fall ist, und Nennleistungen von 20 MW oder mehr sind im Falle einer Verwendung zur Plattenheizung zu erwarten. Unter solchen Umständen wie diesen ist es offensichtlich ein selbständiger Vorteil, sowohl die Induktoren als auch die Energieversorgung in einer modularen Art und Weise aufzubauen. Ein Beispiel eines Konzepts mit verteilter Energieversorgung ist schematisch in Figur 7 gezeigt und sollte mit der vorher im Zusammenhang mit Figur 6 beschriebenen Vorrichtung in Verbindung gebracht werden. Anstatt die Windungen in einer Reihen-Parallel-Anordnung (vgl. Figur 6(e)) gemeinsam mit einer einzigen Umrichterenergieversorgung zu verbinden, ist nun eine Mehrzahl von Umrichtern (I&sub1;-I&sub9;, Ia-Id) vorgesehen, die jede Wicklungsspule separat versorgen. Alle Umrichter arbeiten unter der Steuerung einer entfernten Hauptsteuereinrichtung, die die Zündungen der speziellen Inverter zu irgendeiner Zeit festlegt und Synchronisationen zwischen den zündenden Umrichtern gewährleistet.
Die obige Diskussion betrifft Anordnungen, bei welchen die Amplitude der periodischen Feld- und Stromverteilungsprofile über die Breite eines Streifens gleichmäßig ist, und zwar im Hinblick auf die Erzielung einer gleichmäßigen Heizverteilung. Diese Anordnungen sind nützlich bei der Erklärung der Grundprinzipien, auf welchen die Weiterentwicklungen basieren, welche Beispiele der vorliegenden Erfindung verwirklichen. In der Praxis ist es jedoch selten wünschenswert oder nützlich, eine präzise gleichmäßige Heizwirkung über die Breite des Streifens zu erzeugen. Erforderlich ist es, eine in hohem Maße vorhersehbare und kontrollierte ungleichmäßige Heizwirkung über die Streifen breite zu erzeugen. Dies kann dann gewisse Effekte kompensieren, um sicherzustellen, daß das Gesamttemperaturprofil des Streifens wie erforderlich genau kontrolliert wird, um eine gleichmäßige oder eine benötigte ungleichmäßige thermische Behandlung zu gewährleisten. Die Abschlußschleifen von Wirbelströmen an jedem Ende der Induktionsvorrichtung erzeugen beispielsweise wie vorher erwähnt wesentliche Verzerrungen der Heizwirkung, wenn der Streifen in die Vorrichtung eintrifft und wenn er sie verläßt. Durch geeignetes Abstellen auf die Wärmeenergieaufnahme über die Breite des Streifens längs der Länge der Heizvorrichtung können diese Ende ffekte genau kompensiert werden.
Das Problem, an welches die Beispiele der nun zu beschreibenden, vorliegenden Erfindung herantreten, ist es, daß es ungeeignet ist, Magnetfeldprofile und Wirbelstromverteilungen entsprechend der oben erwähnten Gleichung w = 2nλ einzusetzen, wenn eine ungleichmäßige Heizung benötigt wird.
Was die Figur 8 betrifft, sind hier die theoretischen Verteilungen von Wirbelströmen im Werkstück mit räumlichen Profilen gezeigt, die dem Erfordernis w = 2λ gerecht werden. Allerdings ist in dieser Veranschaulichung das gewünschte Heizprofil P eine Funktion von x, dem Abstand über die Breite des Werkstücks von der Mittellinie aus. P(x) ist veranschaulicht als symmetrisch um die Mittellinie, wobei jedoch eine zu den Rändern des Werkstücks hin erhöhte Wärmeenergie benötigt wird. Eine entsprechende Linie ist für J(x) veranschaulicht, der zeitlich gemittelten, im Werkstück induzierten Gesamtwirbelstromdichte, wobei man sich daran erinnere, daß P J² gilt.
Das Problem ergibt sich, wenn das durch die durchgehende Linie veranschaulichte Kosinus-Wirbelstromprofil betrachtet wird. Es ist ersichtlich, daß das Integral der Stromdichte über die Breite des Werkstücks für die Kosinus-Verteilung nicht länger gleich null ist. Dementsprechend ist die in Figur 8 veranschaulichte Kosinus-Verteilung tatsächlich nicht erreichbar. Bei einer Magnetfeldverteilung, die zur Erzeugung einer Kosinus-Stromverteilung der veranschaulichten Form beabsichtigt ist, kann in der Praxis die erzielte, tatsächliche Stromverteilung ähnlicher der bei 50 gezeigten gestrichelten Kurve sein. Es ist nicht nur die Maximalstromdichte am Rand des Werkstücks geringer als die gewünschte, vielmehr ist auch die Stromdichte über dem mittleren Bereich des Werkstücks erhöht. Es ist auch bedeutsam, daß die Nullkreuzungsstelle für die Stromdichte- Wellenforrn derart nach rechts verschoben ist, daß sie nicht länger an der gleichen Stelle über die Breite des Werkstücks ist wie das Maximum der angenommen komplementären Sinusstromverteilungs-Wellenform. Dementsprechend bilden die zwei tatsächlich erzielten Stromverteilungen nicht länger den Sinus und Kosinus der gleichen Funktion und sind daher tatsächlich nicht länger komplementär, um das gewünschte J² (x) für die Wärmeenergieaufnahme zu erzeugen.
Figur 9 veranschaulicht, wie die Wirbelstromwellenformen im Werkstück passend gemacht werden können, um ein ungleichmäßiges Heizenergieprofil P zu liefern. Betrachtet man zunächst die Kosinus-Wellenforrn 51, so ist ersichtlich, daß die räumliche Wellenlänge dieser Wellenform geringfügig vergrößert ist, so daß der Kreuzungspunkt 52 für eine induzierte Stromdichte von null in der Zeichnung von der Stelle (x = w/4) auf halbem Weg zwischen der Mittellinie und dem Seitenrand des Werkstücks nun geringfügig nach rechts verschoben ist. Somit ist der Abstand oder die Teilung λ zwischen benachbarten Maxima und Minima der Wellenform nun größer als w/2. Der Betrag, um den λ w/2 übersteigt, ist derart gewählt, daß das Integral der Stromdichte zwischen dem Kreuzungspunkt 52 und dem benachbarten Rand des Werkstücks gleich dem Integral der Stromdichte zwischen dem Kreuzungspunkt 52 und der Mittellinie des Werkstücks ist. Somit ist die Teilung λ der Wellenforrn gewählt, um die Bedingung zu erfüllen, daß das Integral der Stromdichte geradewegs durch das Werkstück immer noch null ist, obgleich die Amplitude der Kosinus-Wellenforrn nun als eine symmetrische Funktion von x variiert und tatsächlich von der Mittellinie des Werkstücks zu den Rändern hin ansteigt.
Wenn der geeignete Wert für λ für die Kosinus-Wellenforrn gewählt ist, dann ist es relativ unkompliziert, die komplementäre Sinuswellenform mit dem gleichen Wert λ zu bilden und eine geeignete Amplitude entsprechend J(x) zu haben.
Die zwei Wellenformen, welche die komplementären Stromdichten repräsentieren, können dargestellt werden als
J(x) cosφ(x), und
J(x) sinφ(x).
In diesem Beispiel ist die Funktion φ(x) von der Form πx/λ, wobei λ mit einem Wert größer als w/2 gewählt ist, wie es in der Figur veranschaulicht ist. Die Wahl des Wertes für λ bei dem vorliegenden Beispiel, und allgemeiner der Funktion φ(x) wird getroffen, um das Erfordernis zu erfüllen, daß das Integral der Stromdichte geradewegs durch die Breite des Werkstücks gleich null ist. Dies läßt sich ausdrücken durch die Gleichung
Offensichtlich ist die aus den zwei oben erwähnten Kosinus- und Sinus- Stromdichtewellenformen resultierende Wärmeenergieaufnahme gegeben als
Somit ist P(x) = J²(x), wie erforderlich.
Es ist somit ein wichtiges Merkmal in einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, daß das Magnetfelderzeugungsmittel der Induktionsheizvorrichtung zum Erzeugen von Feldern ausgelegt ist, die entsprechende Kosinus- und Sinus-Wirbelstromverteilungen erzeugen, selbst wenn es erwünscht ist, daß J (oder die mittlere, im Werkstück entwickelte Heizenergie) ungleichmäßig über die Breite des Werkstücks ist. Um dies zu erreichen, muß - wie oben erklärt - die Funktion φ(x) sorgfältig gewählt werden. Für ein einfaches, ungleichmäßiges J (oder P), welches symmetrisch um die Mittellinie des Werkstücks ist, kann es befriedigend sein, für φ eine lineare Funktion von x vorzusehen, so daß die Wellenform der räumlichen Stromverteilung eine konstante Teilung oder Halbwellenlänge besitzt, die hier λ genannt ist. Um allerdings eine gewünschte Nichtlinearität von J oder P vorzusehen, wird w nicht gleich 2nλ sein, wobei n eine positive ganze Zahl ist. Falls w = 2nλ, dann ist es möglich, nur einen konstanten Wert für J oder P über die Breite des Werkstücks zu erzeugen, wobei angenommen ist, daß das Magnetfeld nicht durch Randeffekte verzerrt wird.
Um ein ungleichmäßiges J zu erzeugen, muß ferner das Magnetfelderzeugungsmittel in der Lage sein, ein Magnetfeldprofil über die Breite des Werkstücks zu erzeugen, welches eine räumliche Wellenform besitzt, die in der Amplitude variiert.
Es werden nun einige Beispiele von Spulenwicklungen und Schaltanordnungen für das Magnetfelderzeugungsmittel beschrieben, welche die Erzeugung dieser für ein ungleichmäßiges J erforderlichen Felder ermöglichen.
Es wird zunächst wieder auf Figur 7 Bezug genommen. Die veranschaulichte Anordnung kann modifiziert werden, um zu ermöglichen, daß die Ausgangsspannung/der Ausgangsstrom jedes Umrichters zusammen mit der Auswahl und Anzahl von damit verbundenen Spulen von der Hauptsteuereinrichtung separat gesteuert wird. Die Schaltanordnungen, die zum Verbinden der Umrichter mit ausgewählten Spulen benötigt wird, sind in der Figur nicht gezeigt. Es ist jedoch einsichtig, daß eine Anordnung dieser Art es ermöglicht, daß die Anzahl von erzeugten Amperewindungen irgendwo über die Breite des Induktors derart vollständig gesteuert werden kann, daß Magnetfeldprofile erzeugt werden können, um die wie oben beschriebenen, benötigten Wirbelstromverteilungen zu schaffen, um ein ungleichmäßiges J zu erzeugen.
In der Praxis kann die Prozedur zum Bestimmen der Verteilung von Amperewindungen über die Breite des Induktors wie folgt vorgesehen sein. Zunächst wird das ideale Heizaufnahmeprofil für das Werkstück bestimmt. Dies kann abhängen von der Gestalt des Werkstücks, Abschätzungen des Verlusts von Wärme von dem Werkstück, den Verzerrungen der Wärmeaufnahme, während das Werkstück in die Induktionsheizvorrichtung eintritt und dieselbe verläßt, als auch von anderen Faktoren. Es ist möglich, aus diesem Heizaufnahmeprofil (P(x)) das ideale mittlere Stromdichteprofil zu berechnen. Falls die Leitfähigkeit des Werkstücks als gleichmäßig über die Breite des Werkstücks angenommen wird, dann ist das Stromdichteprofil J(x) proportional zur Quadratwurzel von P(x).
Als nächstes werden die komplementären Kosinus- und Sinus- Stromdichteprofile bestimmt, indem die Funktion φ(x) gewählt wird, was die komplementären Profile J(x) cosφ(x) und J(x) sinφ(x) liefert, welche jeweils das Erfordernis erfüllen, daß es keinen Nettostrom gibt, der längs der Länge des Werkstücks fließt.
Für eine einfache symmetrische Funktion J kann φ eine lineare Funktion von x sein, zum Beispiel φ πx/λ + α, wobei α eine Konstante ist.
Die Gleichung 1 wird dann zu
Da J(x) symmetrisch ist, ist
Die beiden Gleichungen 2 und 3 werden dann zu
Dies bedeutet, daß für symmetrische Funktionen von J das α gewählt werden kann, um weitere Überlegungen umzusetzen oder null sein kann. Die Gleichung 4 kann dann unter Vorgabe irgendeiner bestimmten einfachen symmetrischen Funktion J nach λ aufgelöst werden.
Eine graphische Veranschaulichung einer Lösung ist in Figur 9 angegeben, wobei λ näherungsweise 0,55 w sein mag. Es kann mehrere Lösungen für λ geben, und zwar im allgemeinen von der Form
λ = w/2n ± δn,
wobei δn verschieden für jede ganze Zahl n ist.
Nachdem die Funktion φ bestimmt ist, können die idealen Wirbelstromdichteverteilungen für die zwei komplementären Felder aus J(x) cosφ(x) und J(x) sinφ(x) berechnet werden.
Es ist dann erforderlich, das resultierende Magnetfeld zu berechnen, welches bestehen muß, um jede dieser räumlichen Verteilungen der Stromdichte zu induzieren. Dieses berechnete resultierende Feld ist den in den Windungen des Induktors der Induktionsheizvorrichtung fließenden Strömen und den im Werkstück selbst induzierten Strömen zuzuschreiben. Die Ströme im Werkstück wurden bereits berechnet, und somit kann auch das durch diese Ströme erzeugte Magnetfeld berechnet werden. Es ist dann möglich, dieses letztere, magnetisierende Feld von dem zuvor berechneten resultierenden magnetisierenden Feld zu subtrahieren und zu der Verteilung des magnetisierenden Felds zu gelangen, die durch den induktor erzeugt werden muß. Daher ist es möglich, die Verteilung von Strömen oder Amperewindungen zu berechnen, die an jeder Stelle über die Breite des Induktors geschaffen werden müssen, um das berechnete Induktorfeld zu erzeugen.
Das Magnetfelderzeugungsmittel wird dann gesteuert, um diese Feder zu erzeugen, und zwar entweder simultan mit verschiedenen Frequenzen oder mit einer Phasenverschiebung von 90º, oder zeitlich abwechselnd.
Wenn die Felder zeitlich abwechselnd erzeugt werden, dann muß die Dauer von jedem der Felder nicht identisch sein, sondern kann ein Verhältnis κ = ts/tc aufweisen, wobei ts die Dauer des Sinusfeldes und tc die Dauer des Kosinusfeldes ist. Die zeitlich gemittelten Amplituden der Sinus- und Kosinus- Wirbelstromverteilungen sollten J(x) für die Kosinus-Verteilung und κJ(x) für die Sinusverteilung sein. Diese Werte implizieren momentane Amplituden, wenn die jeweiligen Verteilungen von (κ + 1)J(x) für die Kosinus-Verteilung und ((κ + 1) κ) J(x) für die Sinus-Verteilung vorliegen. Die durch jede dieser Verteilungen dissipierten Heizleistungen entsprechen
Die diesen entsprechenden zeitlich gemittelten Leistungen sind
Somit ist die Summe (κ + 1) J²(x).
Dementsprechend ist J(x) das1/ (K + 1)-fache der Größe der induzierten Stromdichte, die erforderlich ist, um das gewünschte Heizprofil P(x) zu erzeugen.
In solchen Fällen, in denen die Wiederholungsperiode tp für jedes der Felder nicht gleich ts + tc ist (d.h. die Felder werden für einen Teil der Zeit simultan erzeugt, oder es gibt anderenfalls ein Intervall, in dem kein Feld erzeugt wird), zeigen die obigen Berechnungen, daß J(x) das (tc/tp)-fache der Größe der induzierten Stromdichte ist, die erforderlich ist, um das gewünschte Heizprofil P(x) zu erzeugen.
Um die gewünschten Magnetfeldprofile von der gleichen Induktoranordnung in der Heizvorrichtung zu erzeugen, kann es wichtig sein, daß man die effektive Teilung (oder den Abstand zwischen benachbarten Maxima und Minima des Magnetfelds) verändern kann, um verschiedenen Funktionen φ, und im besonderen verschiedenen Werten für λ zu genügen. Eine Anordnung für die Erreichung von diesem unter Verwendung herkömmlicher doppellagenkontinuierlicher Spulenwicklungen wird nun beschrieben. Derartige Doppellagenwicklungsanordnungen sind von 3-Phasenmotor-Konstruktionen her vertraut.
Ein typischers 2-Pol-Modul einer Doppellagen-Linearwicklung ist schematisch in den Figuren 10(b) und 10(a) gezeigt. Alle Spulen haben die gleiche Teilung von 5 "Schlitzen" (oder "Stationen" bei einer Anordnung ohne Schlitze). Somit besitzen der Beginn der Spule 6 und das Ende der Spule 1 die gleiche x- mäßige Position an - angenommen - dem oberen Induktor. Die Bedingungen an dem unteren Induktor wären identisch oder mit genau entgegengesetzter Polarität - abhängig von der Philosophie des Betriebs. Jede Spule kann durch eine Reihe von Thyristorschaltern mit einer Einphasen-AC-Versorgung mit Mittenabgriff verbunden sein. Wenn die Spulen 1-6 mit einer Busleitung verbunden sind und die Spulen 7-12 mit der anderen, dann ruft die 2-Pol- Modularwickung die in Figur 10(c) gezeigte, räumliche MMK-Wellenform 27 hervor. Falls die Spulen 1-3 und 7-9 wie in den Figuren 10(d) und 10(e) gezeigt auf die Gegen-Busleitung geschaltet sind, dann wird die MMK-Welle 28 erzeugt.
Durch geeignetes Synchronisieren dieser Schaltstrategie ist es möglich, das sequentielle Synthetisieren der SINUS- und KOSINUS-Verteilungen aus den gleichen Basisspulen 12 zu erhalten. Mit dem in Figur 10 veranschaulichten Beispiel-Schaltsystem können die Wicklungen dafür sorgen, daß ein Feld mit einer Magnetpolteilung von - angenommen - 6 cm erzeugt wird.
Figur 11 zeigt, daß die gleichen wie in Figur 10 gezeigten zwölf Spulen mit einem anderen Schaltsystem "neu verbunden" werden können, um eine Wicklung mit einer Magnetpolteilung von 5 cm zu liefern. Durch Variieren der an die aufeinanderfolgenden Spulen angelegten Spannung ist es möglich, Polteilungen mit einer Zwischengröße zu synthetisieren.
Ein typischer Satz von Testergebnissen ist in Figur 12 gezeigt, um zu zeigen, wie die Heizintensität in einer die Erfindung verwirklichenden Vorrichtung räumlich variieren kann. Das Werkstück war in diesem Fall ein Streifen aus rostfreiem Stahl von 1,5 mm.
Aus den Profilen von Figur 12 ist es ersichtlich, daß es einen "Endeffekt" in der z-Richtung gibt, in der das Werkstück aus den Induktoren herauskommt. Dieser taucht dort auf, wo sich die Wirbelstrompfade natürlich in einer Weise in sich schließen, um eher den Energieverlust zu minimieren als die sorgfältig erzeugten thermischen Profile zu bewahren. Eine derartige Verteilung ist in Figur 13 gezeigt und beeinflußt offensichtlich die lokalen thermischen Profile. Dies ist im besonderen bei - angenommen - einem Punkt P in Figur 12 bemerkbar. Um diesen Effekt zu verringern, können zusätzliche Spannungen im Werkstück außerhalb des Induktors derart induziert werden, daß die natürlichen Pfade des Stromfusses modifiziert werden, um eine akzeptabel gleichmäßige Heizung zu erzeugen. Eine schematische Darstellung davon ist in Figur 13 veranschaulicht.
Falls das Werkstück ausreichend dick ist, ist es möglich, diese Endeffekte an der Quelle zu verringern, indem einfach das Magnetfeld an dem unteren Induktor relativ zu dem oberen Induktor umgekehrt wird. Diese Umkehrung von gegenüberstehenden Polen führt dazu, daß die Wirbelströme auf der Oberseite das Werkstück hinunterfließen und auf der Unterseite zurückkehren. Im Gegensatz zu kontinuierlichen Streifenwerkstücken ist dieses Schema im besonderen für Werkstücke endlicher Länge geeignet.
Es wurde oben erwähnt, daß das Sinus- und Kosinus-Magnetfeld simultan mit der gleichen Frequenz erregt werden können, wenn angenommen ist, daß sie Ströme in verschiedenen Bereichen des Werkstücks induzieren. Bei einem vorher beschriebenen Beispiel werden die Felder an verschiedenen Bereichen längs der Länge des Werkstücks derart angelegt, daß die gesamte, auf das Werkstück aufgebrachte Heizleistung beim Wandern durch die Vorrichtung summiert wird, um das gewünschte Profil über die Breite zu schaffen.
Im Fall eines Werkstücks mit ausreichender Dicke ist es auch möglich, die den Sinus- und Kosinus-Strom erzeugenden Magnetfelder simultan an entgegengesetzte Seiten des Werkstücks anzulegen. Der beschränkende Faktor ist, daß die durch den oberen und unteren Induktor erzeugten Felder nicht weiter als zur Hälfte durch die Dicke des Werkstücks eindringen. Mit dieser Anordnung werden die Sinus- und die Kosinus-Heizverteilung in der oberen bzw. der unteren Oberfläche des Werkstücks erzeugt, wobei mit dem Wärmetransfer im Werkstück das gewünschte Gesamtheizprofil über die Breite des Werkstücks resultieren kann.
Es wurde vorher oben erklärt, daß es nützlich sein kann, Randeffekte an den Seiten rändern des geheizten Werkstücks zu korrigieren, sofern das Werkstück nicht beispielsweise elektrisch dünner rostfreier Stahl ist. Ohne jegliche Korrektur kann das Magnetfeldprofil am Randbereich verzerrt werden, was wiederum zu einer unkorrigierten Verzerrung der beabsichtigten, im Werkstück fließenden Stromprofile führen kann. Eine Philosophie der Rand korrektur ist es, eine Anordnung zu erzielen, durch die das Werkstück endlicher Breite über seine gesamte Breite durch genau die gleiche Flußverteilung verbunden ist, wie sie ein vergleichbares Stück Material vom Inneren eines ähnlichen Werkstücks unendlicher Breite verbinden würde.
Um zu verstehen, wie die Randkorrektur erreicht werden kann, ist es am einfachsten, die trivialen Fälle einer Randkorrektur eines einen Kosinus-Strom erzeugenden Feldes und eines einen Sinusstrom erzeugenden Feldes zu betrachten, wobei φ = 2πnx/w (d.h. w = 2nλ). Dann ist das kosinuserzeugende Feld derart, daß ein Stromprofil über die Breite erzeugt wird, welches ein Strommaximum an den Rändern des Werkstücks aufweist. Im Vergleich hat ein einen Sinusstrom erzeugendes Feld dann einen Strom von null an den Werkstückrändern.
Figur 14 veranschaulicht eine ideale Lösung für ein derartiges, triviales Kosinus-Stromfeld. An einem Rand in der Ebene F des Werkstücks 5, welches durch obere und untere Wicklungen 30 und 31 an einem oberen Kern 32 bzw. einem unteren Kern 33 geheizt wird, ist ein Ferritblock 34 so nahe wie möglich an dem Rand F angeordnet und überbrückt den Zwischenraum zwischen dem oberen und dem unteren Kern 32 und 33. Da der Ferritblock 34 eine zum Unendlichen tendierende magnetische Permeabilität besitzt, treten die magnetischen Flußlinien des durch die Wicklungen erzeugten Felds normal aus der Fläche des Ferritblocks 34 längs der Linie der Ebene F aus. Dies entspricht der Randbedingung des ideal unendlich breiten kosinusartigen Feldprofils an dieser Stelle (d.h., des Felds, welches auf halbem Weg zwischen Ebenen I und K innerhalb der Breite des Werkstücks auftritt).
Im Vergleich veranschaulicht Figur 15 die Randkorrektur in dem Fall des trivialen, einen Sinusstrom erzeugenden Felds. Hier, in dem idealen Fall der sinusartigen Feldverteilung übe die Breite des Werkstücks, sind die Flußlinien am Rand nun in der Ebene G genau normal zu der Ebene des Werkstücks. Um eine äquivalente Feldgestaltung bei der Anwesenheit des Randes an der Ebene G zu erzeugen, sind Windungen um den Ferritblock 34 vorgesehen, die im wesentlichen parallel zu der Ebene des Werkstücks 5 sind, um wie in der Zeichnung veranschaulicht zusätzliche Felder zu erzeugen. Zu diesem Zweck ist es notwendig, den Ferritblock 34 um einen kleinen Weg von dem Rand des Werkstücks weg zu bewegen, um die Windungen unterzubringen. Allerdings ist es dann möglich, die Wicklung 35 um den Ferritblock 34 zu verteilen und für Erregungsströme darin zu sorgen, welche ein Magnetfeld ganz entlang der Ebene G erzeugen, welche denen entsprechen, die an dieser Ebene auftreten würden, falls der Streifen und der Induktor von unendlicher Breite wären (d.h. das Feld, welches an der Ebene K innerhalb der Breite des Werkstücks auftritt).
In dem Fall von verschachtelten oder geschalteten Windungen, welche nacheinander Sinus- und Kosinusfelder erzeugen, wird die Korrekturwicklung 35 synchron an- und ausgeschaltet, um eine geeignete Korrektur zu liefern.
Weil der Ferritblock 34 geringfügig von dem Rand des Werkstücks weg bewegt ist, um die Wicklung 35 unterzubringen, wird ein kleiner Fehler in der Korrektur der Kosinus-Stromverteilung erzeugt. Figur 16 veranschaulicht, wie dies seinerseits durch zusätzliche Spulen 36 korrigiert werden kann, die in dem Luftspalt auf einer Seite des Rands des Werkstücks angeordnet sind. Eine geeignete Erregung dieser Spulen kann während der Erzeugung von Kosinusfeldern durch die Hauptwicklungen das gewünschte Feldprofil mit Flußlinien wiederherstellen, die genau orthogonal zur Ebene F am Rand des Werkstücks sind.
Wieder werden die zusätzlichen Spulen 36 während der Korrektur der Sinusfelder ausgeschaltet.
Es ist einsichtig, daß eine entsprechende Korrektur am entgegengesetzten Seitenrand des Werkstücks durchgeführt wird. Auch in dem Fall, in dem Seitenränder an Zwischenpositionen in der Wellenform des durch die Hauptwicklungen erzeugten Magnetfeldprofils angeordnet sind, können entsprechende Einrichtungen und Spulen gestaltet werden, um sicherzustellen, daß die Randbedingung des Magnetfelds über die Ebene, welche den Rand des Werkstücks enthält, aufrecht erhalten ist. Ferner ist einsichtig, daß im Falle von Wanderwellenfeldern wie oben beschrieben ein seitlich variierendes Korrekturfeld an den Seitenrändern vorgesehen werden kann, um sicherzustellen, daß die Randbedingungen während des Zyklus des wandernden Felds aufrecht erhalten werden.
Um die derart größtmögliche Flexibilität bei den Induktoren zu schaffen, daß sie einen weiten Bereich von Feldprofilen, wie es für ein ungleichmäßiges J erforderlich ist, synthetisieren können, ist es zweckmäßig, die Induktoren mit einer Anordnung von elektrischen Leitern auszubilden, die sich in einer Ebene parallel zu dem Werkstück erstrecken. Schaltanordnungen werden benötigt, um zu ermöglichen, daß irgendeiner der Leiter auf die eine oder andere Art über die Wechselstromversorgung verbunden ist. Ferner sollte eine Einstellung der Anzahl von Amperewindungen vorgesehen sein, die durch die Leiter pro Einheitsbreite (x) über das Werkstück geschaffen werden. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem unmittelbar benachbarte Leiter parallel verbunden werden, um Amperewindungen lokal zu erhöhen, und indem die Anzahl von über die Versorgung angeschlossenen Leitern verringert wird, wenn es erforderlich ist, die lokalen Amperewindungen zu verringern. Es ist natürlich wünschenswert, wenn ein Leiter an einer Stelle über die Breite des Werkstücks seriell mit einem Leiter an einer anderen Stelle verbunden werden kann, um den Rückstrom zu dem gleichen Ende des Induktors zurückzuführen. Alle verfügbaren Leiter können dann geeignet miteinander verbunden werden, wobei unmittelbar benachbarte Leiter entgegengesetzte Ströme an Stellen führen, an denen es erforderlich ist, niedrigere Pegel oder ein magnetisches Feld von null zu erzeugen.
Alternativ oder zusätzlich zu den obigen Anordnungen kann vorgesehen werden, daß der Pegel des längs individueller Leiter fließenden Stroms eingestellt wird, und zwar wieder im Hinblick auf das Synthetisieren des gewünschten Magnetfeldprofils.
Eine schematische Darstellung einer verständlichen Schalt- und Steueranordnung für individuelle Leiter ist in Figur 17 veranschaulicht. Hier kann eine einzige Wechselstromquelle 50 mittels Thyristorschaltern 51 und 52 abwechselnd zwischen einer gemeinsamen Busleitung 53 und einer von Sinus- und Kosinus-Busleitungen 54 und 55 verbunden werden. Die Thyristoren 51 und 52 werden angesteuert, um die Erzeugung der den Kosinus- und Sinus- Wirbelstromverteilungen entsprechenden Magnetfelder zu wechseln.
Der Rest von Figur 17 veranschaulicht die Schaltanordnung für individuelle Leiter 56 eines Induktors zum Erzeugen der Magnetfelder zum Bilden der Sinus-Verteilung von Wirbelströmen im Werkstück. Somit kann jeder Leiter 56 zwischen der Sinusbusleitung 54 und der gemeinsamen Busleitung 53 mittels einer Schaltanordnung 57 verbunden werden. Betrachtet man den rechten Leiter 56 und die Schaltanordnung 57, die in Figur 17 veranschaulicht sind, so ermöglichen die mit a und e gekennzeichneten Kontakte des Schalters 57, daß irgendein Ende des Leiters 56 mit der gemeinsamen Busleitung 53 verbunden wird. Kontakte b und f ermöglichen der Sinus-Versorgungsbusleitung 54 mit irgendeinem Ende des Leiters 56 verbunden zu werden. Anschlüsse c und g ermöglichen, daß irgendein Ende des Leiters 56 über eine einstellbare Induktivität 58 mit der Sinus-Versorgungsbusleitung 54 verbunden wird, wodurch der im Leiter 56 erzeugte Strom eingestellt werden kann. Ein Anschluß d erlaubt es, daß ein Ende des Leiters 56 mit einem gegenüberliegenden Ende eines benachbarten Leiters 56 verbunden wird. Ein ähnlicher Kontakt kann zum miteinander Verbinden von benachbarten Enden benachbarter Leiter vorgesehen sein.
Die veranschaulichten Schaltanordnungen können eine volle Flexibilität beim Synthetisieren der gewünschten Magnetfeldverteilung über die Breite des Induktors und des entsprechenden Werkstücks schaffen. Es ist verständlich, daß ein entsprechender Satz von Schaltern und separaten Leitern zur Verbindung mit der cos-Versorgungsbusleitung 55 erforderlich wäre, um die Kosinus-Feldverteilung zu erzeugen.
Eine einfachere Schalt- und Steueranordnung für Leiter eines Induktors ist in Figur 18 veranschaulicht. Hier ist angenommen, daß die Spulen 60 eine ausreichend hohe Impedanz aufweisen, so daß jegliche Verbindungen in Reihe miteinander unnötig sind. Bei der veranschaulichten Anordnung kann jeder Leiter 60 durch Thyristorschalter 61, 62, 63 und 64 in jeder Polarität zwischen Versorgungsbusleitungen 65 und 66 einer gemeinsamen AC- Versorgung 67 verbunden sein. In jedem Fall kann der zu dem Leiter 60 gelieferte Strom eingestellt werden, und zwar entweder mittels eines variablen Transformators 68, wie es auf der linken Seite von Figur 18 veranschaulicht ist, oder mittels einer seriell verbundenen variablen Induktivität 69, wie es auf der rechten Seite in der Figur veranschaulicht ist.
Durch diese Anordnung können die Polarität und Amplitude des AC-Stroms in jedem der Induktoren unabhängig im wesentlichen unmittelbar gesteuert werden, und, was wichtig ist, während die Induktoren unter Last stehen. Das Sinusprofil und das Kosinusprofil können von den gleichen Leitern 60 mittels dieses Systems erzeugt werden, indem einfach geeignete Schaltmuster ausgewählt werden.
Zusammenfassend ermöglichen die beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, daß geeignete Kosinus- und Sinus- Wirbelstromverteilungen in einem Werkstück erzeugt werden, um eine gewünschte, ungleichmäßige Gesamtwirbelstrom-Dichteverteilung über die Werkstückbreite zu liefern. Bei den beschriebenen Anordnungen wird dies erreicht, indem sichergestellt wird, daß angemessene Schalt- und/oder Stromsteuervorkehrungen derart getroffen sind, daß die durch die Induktoren gelieferten Amperewindungen geeignet über die Breite des Werkstücks profiliert werden können, und zwar entsprechend den Design-Kriterien und der Philosophie, die beschrieben sind.
Bei den oben beschriebenen einfachen Beispielen wurden symmetrische ungleichmäßige Heizprofile betrachtet, die aus linearen Funktionen φ synthetisiert werden können. Im allgemeinen können jedoch komplexere und im besonderen unsymmetrische Heizprofile auch synthetisiert werden, und zwar durch geeignete Berechnung und Auswahl von Funktionen φ. In diesen Fällen können die Funktionen φ nichtlineare Funktionen von x sein. Die einzige Einschränkung für die Gestalt des Heizprofils, das erzeugt werden kann, ist der Grad, zu welchem die benötigten Magnetfeldprofile in der Praxis synthetisiert werden können. Es kann beispielsweise unpraktikabel sein, Magnetfeldprofile mit scharfen räumlichen Übergängen oder Diskontinuitäten zu erzeugen. Dennoch können die beschriebenen Anordnungen mit entsprechenden Modifikationen dazu verwendet werden, gewünschte ungleichmäßige Wärmeaufnahmeprofile für Werkstücke bereitzustellen. Dies kann beispielsweise höchst wünschenswert sein, wenn profilierte Werkstücke mit ungleichmäßiger Dicke über ihre Breite geheizt werden und/oder Material mit einer variablen elektrischen Leitfähigkeit über die Breite aufgrund - angenommen - wesentlichen thermischen Gradienten darin behandelt wird.

Claims

1. Induktionsheizvorrichtung zum Heizen eines länglichen Metallwerkstücks (5) von vorbestimmter Breite (w), umfassend ein Mittel (1, 2, 3: 23, 24, 25, 26) zum Erzeugen zeitlich varuerender Magnetfelder, welche Größen mit räumlichen Profilen über die Breite (w) des Werkstücks (5) aufweisen, welche jeweils zeitlich gemittelten Längswirbelstromverteilungen im Werkstück (5) entsprechen, welche Verteilungen über die Breite des Werkstücks (5) aufweisen, die im wesentlichen

J(x) cosφ(x) und κ J(x) sinφ(x)

sind, wobei x der Abstand über die Breite des Werkstücks von der Mittellinie aus ist,

wobei J(x) proportional zur Größe einer in einem Abstand x von der Mittellinie induzierten Stromdichte ist, die erforderlich ist, um ein gewünschtes Profil P(x) über die Breite w von in dem Werkstück erzeugter Heizenergie zu erzeugen,

wobei κ das Verhältnis der Zeit, für welche das der Sinus- Wirbelstromverteilung entsprechende Feld erzeugt wird, relativ zu der Zeit ist, für welche das der Kosinus-Wirbelstromverteilung entsprechende Feld erzeugt wird,

und wobei φ(x) eine Funktion von x ist, die derart gewählt ist, daß im wesentlichen

gilt; dadurch gekennzeichnet,

daß das Magnetfelderzeugungsmittel dazu ausgelegt ist, die Felder mit den entsprechenden Wirbelstromverteilungen zu erzeugen, wenn J ungleichmäßig ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Magnetfelderzeugungsmittel die jeweiligen Felder simultan mit verschiedenen Erregungsfrequenzen erzeugt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Magnetfelderzeugungsmittel die jeweiligen Felder simultan mit der gleichen Erregungsfrequenz - jedoch mit Phasenverschiebung um 90º - erzeugt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Magnetfelderzeugungsmittel die jeweiligen Felder zeitlich nacheinander erzeugt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die jeweiligen Felder abwechselnd erzeugt werden.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das Magnetfelderzeugungsmittel die jeweiligen Magnetfelder über den gleichen Bereich eines Werkstücks erzeugt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Magnetfelderzeugungsmittel die jeweiligen Magnetfelder simultan mit der gleichen Erregungsfrequenz und in Phase - jedoch über voneinander beabstandete Bereiche eines Werkstücks - derart erzeugt, daß die Felder nicht wechselwirken.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 6 zum Heizen eines Werkstücks von dazu ausreichender Dicke, daß Magnetfelder in entgegengesetzten Breitseiten nicht wechselwirken, wobei die beiden jeweiligen Felder über eine Breitseite des Werkstücks erzeugt werden und das Magnetfelderzeugungsmittel dazu ausgelegt ist, ferner die jeweiligen Felder über die andere Breitseite des Werkstücks an der gleichen Stelle längs der Länge des Werkstücks entsprechend zu erzeugen, wobei die entsprechenden weiteren Felder simultan mit den jeweiligen Feldern über die eine Seite derart erzeugt werden, daß entsprechende Wirbelstromverteilungen über die Breite des Werkstücks vorliegen, die zeitlich gegenphasig zu den in der einen Seite erzeugten Wirbelströmen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Bereiche in Längsrichtung längs des Werkstücks voneinander beabstandet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei sich die Bereiche auf entgegengesetzten Seiten eines Werkstücks befinden, welches eine ausreichende Dicke dazu besitzt, daß die Felder nicht wechseiwirken.

11. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche und umfassend Transportmittel zum Bewegen eines Werkstücks in Längsrichtung an dem Magnetfelderzeugungsmittel vorbei.

12. Vorrichtung nach einem vorangegangenen Anspruch, wobei das Magnetfelderzeugungsmittel umfaßt: Leiter (7, 8: 20: 24) für elektrischen Strom, die longitudinal relativ zu dem Werkstück ausgerichtet sind und in einer Parallelanordnung über die Werkstückbreite angeordnet sind, und Mittel (57, 58; 61-64) zum selektiven Verbinden der Leiter mit einer Quelle zeitlich variierenden Stroms, wodurch der Strom in den Leitern gewählt wird, um die jeweiligen Magnetfelder zu erzeugen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Mittel (57, 58) zum selektiven Verbinden ausgelegt sind, um ausgewählte der Leiter seriell zu verbinden.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Mittel zum selektiven Verbinden (57, 58) ausgelegt sind, um entsprechende Enden von ausgewählten Paaren der Leiter zur Bildung jeweiliger einzelner Spulenwindungen miteinander zu verbinden.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Mittel zum selektiven Verbinden Einstelmittel (68, 69) zum Einstellen der relativen Ströme umfaßt, die zum Fließen in den Leitern vorgesehen sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei das Magnetfelderzeugungsmittel eine Mehrzahl von Quellen zeitlich variierenden Stroms umfaßt und die Mittel zum selektiven Verbinden dazu ausgelegt sind, um die Leiter selektiv mit den Quellen zu verbinden.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Mehrzahl von Quellen (Fig. 7) Quellen von unterschiedlicher Größe des Stroms umfaßt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Mehrzahl von Quellen Quellen von unterschiedlicher Frequenz umfaßt.

19. Induktionsheizvorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Mehrzahl von Quellen Quellen der gleichen Frequenz - jedoch mit einer Phasenverschiebung von 90º - umfaßt.