DE69730686T2

DE69730686T2 - Induktionsspule und diese verwendender kernloser Induktionsofen

Info

Publication number: DE69730686T2
Application number: DE69730686T
Authority: DE
Inventors: Oleg S. Maple Glen Fishman; John H. Mt. Laurel Mortimer; Vitaly A. Moorestown Peysakhovich; Satyen A. Voorhees Prabhu; Laurence A. Huntingdon Valley Krupnick
Original assignee: Inductotherm Corp
Current assignee: Inductotherm Corp
Priority date: 1997-02-10
Filing date: 1997-07-02
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2017-07-03
Also published as: EP0858246B1; EP0858246A2; ATE276639T1; US5987054A; DE69730686D1; EP0858246A3

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Induktionsheiz- und Schmelzvorrichtungen, wie zum Erwärmen und Schmelzen von Metallen, und betrifft insbesondere kernlose Induktionsöfen mit einer verbesserten Ausführung von Spule und magnetischem Schluss bzw. Shunt.
Hintergrund der Erfindung
Induktionsheizvorrichtungen, wie Induktionsöfen oder -pfannen zum Erhitzen oder Schmelzen von Metallen arbeiten nach dem Prinzip eines Induzierens von Wirbelströmen in einem zu erwärmenden Gegenstand (manchmal als Last bezeichnet). Die Wirbelströme bewirken, dass die Last als ihre eigene Wärmequelle dient. Leistung wird in der Last durch resistive Erwärmung verursacht durch die Wirbelströme erzeugt, gemäß dem wohlbekannten P = I²R-Erwärmungsprinzip. So, wie hier benutzt, wird "Erwärmung" breit verwendet, um nicht nur die Erhöhung der Temperatur eines Materials ohne ein Bewirken einer Zustandsänderung des Materials einzuschließen, sondern auch das Schmelzen, bei dem die Temperatur eines Materials ausreichend stark erhöht wird, um eine Zustandsänderung zu bewirken.
In einem typischen Induktionsofen ist zu erwärmendes Metall in einem Tiegel enthalten, und eine allgemein schraubenförmige Induktionsspule umgibt den Tiegel. Die Induktionsspule ist wassergekühlt. Der Tiegel ist gewöhnlich aus einem keramischen Feuerfestmaterial hergestellt. Die Wirbelströme werden in der Last induziert, indem man einen Hochfrequenzwechselstrom durch die Induktionsspule leitet, um ein zeitlich veränderliches magnetisches Feld oder Induktionsfeld zu erzeugen. In Abhängigkeit von der Stärke und Frequenz des Wechselstroms in der Induktionsspule, sowie von anderen Auslegungsbetrachtungen, kann das Induktionsfeld zum Schmelzen, Erwärmen und/oder Umrühren einer Menge von geschmolzenem Metall im Tiegel verwendet werden. Das Induktionsfeld kann auch zur Wärmebehandlung von Werkstücken und für andere Verfahren verwendet werden.
In praktisch sämtlichen kernlosen Induktionsöfen ist die Induktionsspule aus mehreren Windungen von dickwandigem Kupferrohrmaterial konstruiert, das in die Form einer Wendel gebracht worden ist. Elektrischer Wechselstrom wird durch die Spule geleitet, über Endrohre, die mit der obersten und untersten Windung der Spule verbunden sind. In den Spulenwindungen erzeugte Wärme wird durch Wasser abgeführt, das durch das Kupferrohrmaterial gepumpt wird. Häufig werden dieselben Endrohre verwendet, um die Spule sowohl mit einer Kühlwasserversorgung und einer Quelle von elektrischem Strom zu verbinden. In der Praxis sind die Endrohre gewöhnlich nahe beieinander an einem Stirnende der Spule angeordnet.
Die Spule ist vorzugsweise aus einem durchgehenden Stück Kupferrohrmaterial hergestellt, oder Rohrmaterialabschnitten, die zu einem durchgehenden Stück zusammen geschweißt oder gelötet sind. Ein Nachteil dieses Konstruktionsverfahrens besteht darin, dass sie keine große Ringzugfestigkeit besitzt. Ein anderer besteht darin, dass es notwendig ist, große Bestände an Kupferrohrmaterial zur Herstellung von Spulen vorzuhalten, und Maschinen zu haben, um das Kupferrohrmaterial (das häufig von großem Durchmesser ist) zu einer schraubenförmigen Gestalt zu wickeln. Das Zusammenschweißen oder das Zusammenlöten von Kupferrohrmaterialstücken, um eine ausreichend große Spule herzustellen, bieten ohne weiteres ersichtliche eigene Nachteile.
Die Steigung der schraubenförmigen Wicklung, speziell wenn in Hochleistungsöfen Rohrmaterial mit großem Durchmesser verwendet wird, bewirkt Komplikationen beim Montieren der Spule im Ofen, der eine ebene Ober- und Unterseite aufweist.
Bei konventionellen schraubenförmig gewickelten Induktionsspulen fließt der Strom von der untersten Windung zur obersten Windung (oder umgekehrt) und kehrt über das Endrohr vertikal nach unten (oder nach oben) zur untersten (oder obersten) Windung zurück. Während das Magnetfeld H_c der Spulenwicklungen im Inneren des Ofens in Richtung der Achse der Spule konzentriert ist, wird das Magnetfeld H_t des Stroms im Endrohr im Bereich um das Rohr herum in der Ebene der Spulenwindungen gestreut. Dieses magnetische Streufeld induziert Wirbelströme in umgebenden Metallobjekten, was bewirkt, dass sie erwärmt werden.
Die US-A-3 704 336 beschreibt eine Induktionsspule, umfassend zwei Spulenabschnitte, die versetzte Spulenwindungen bilden, welche in einer zur Längsachse der Spule im Wesentlichen senkrechten Ebene liegen. Jeder Spulenabschnitt wird von einer einzigen durchgehenden Spule gebildet. Die Verbindung zwischen benachbarten Spulenwindungen wird von einem Bogen in dem Material, aus dem die Spule gewickelt ist, gebildet.
Die US-A-3 704 336 beschreibt auch eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung im Abstand angeordneten Jochen, die innerhalb einer ringförmigen Kammer in einer Anlagebeziehung mit sowohl den Spulen und einer zylindrischen Wand angeordnet sind. Jedes Joch umfasst eine Mehrzahl von Lamellen, wobei sich jede Lamelle über die ganze Länge von sämtlichen der stromführenden und Kühlspulen erstreckt. Kühlspulenabschnitte sind am oberen und unteren Ende des Ofens erforderlich, um das erzeugte Magnetfeld in diesen Bereichen einzuschließen.
Die DE-42 10 347 beschreibt ein magnetisches Joch, umfassend ein Lamellenpaket, das von einem einteiligen Stützkörper in Form eines "C" oder eines "U" zusammengeklemmt wird. Eine Mehrzahl der magnetischen Joche ist in Umfangsrichtung im Abstand um einen Tiegel herum angeordnet und wird von einem oberen Rahmen und einem unteren Rahmen gehalten. Die Rahmen dienen nur als Halterung und liefern keinen magnetischen Pfad. Die Anordnung in der DE-42 10 347 würde die Verwendung von oberen und unteren Kühlspulen erforderlich machen, wie in der US-A-3 704 336 beschrieben, oder das vom Stromfluss in der Magnetspule erzeugte Feld würde sich bei einem ineffizient arbeitenden Ofen über das Innere des Tiegels hinaus erstrecken. Zudem könnte auch das äußere Feld den Betrieb von elektrischen Einrichtungen außerhalb des Tiegels negativ beeinflussen.
Die US-A-1 936 309, auf welcher der Oberbegriff von Anspruch 1 basiert, beschreibt eine Induktionsspule, umfassend eine Reihe von kreisförmigen Ringen, wobei jeder Ring in einer ebenen Fläche ausgebildet und angebracht ist, an einer Stelle unterbrochen ist, und durch einen kurzen Verbinder mit dem benachbarten Ring verbunden ist. Der Verbinder wird zugeschnitten und angeschweißt, so dass er passt. Alternativ wird ein durchgehendes Spulenrohr verwendet und durch Biegen des Rohrs versetzt. Bei jedem Verbindungsverfahren zwischen benachbarten Ringen bleibt zwischen den zwei Abschlussenden jedes Rings ein Zwischenraum frei.
Die FR-A-361 627 beschreibt eine Induktionsspule, die eine Reihe von offenen kreisförmigen Ringen umfasst. Jeder Ring wird durch verzahnte Abschlussenden geschlossen gehalten, die durch elektrisch isolierendes Material getrennt sind. Bei einem Beispiel wird ein U-förmiger Bügel verwendet, um die Abschlussenden unter Zugspannung zusammenzuhalten. Die anderen Beispiele verwenden ebenfalls eine Zugspannung, um die verzahnten Abschlussenden zusammenzuhalten. Jeder Ring muss um den Behälter herum einzeln verbunden werden, da der Außendurchmesser des Behälters die Struktur zur Aufrechterhaltung der unter Zugspannung stehenden Verbindung liefert. Die Enden von benachbarten Ringen sind mit einem elektrischen Verbinder verbunden. Es findet sich keine Erörterung einer Verwendung einer hohlen Spule mit Mitteln, um das Hindurchströmen von Kühlwasser durch Spulenwindungen und zugehörige Verbinder zu ermöglichen.
Die EP-A-0 079 266 beschreibt eine Mehrwindungs-Induktionsspule, die aus ringförmigen offenen und einander überlagerten Windungen gebildet ist, welche aus einem röhrenförmigen Leiter von rechteckigem Querschnitt hergestellt sind. Die entgegengesetzten Enden jeder Windung sind jeweils mit denjenigen von benachbarten Windungen durch Rohrstücke verbunden, die vorzugsweise in einer Richtung parallel zur vertikalen Achse ausgerichtet sind. Diese Rohrstücke sind als Einheit mit den angrenzenden Spulenwindungen ausgebildet und machen eine "Treppen"-Anordnung erforderlich, bei der jedes Verbindungsstück in Umfangsrichtung gegenüber dem nächsten versetzt ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Aspekt der Erfindung ist eine Induktionsspule zur induktiven Erwärmung von elektrisch leitenden Materialien. Die Induktionsspule umfasst eine Mehrzahl von einzelnen Spulenwindungen, wobei jede Windung in einer zu einer Längsachse der Spule im Wesentlichen senkrechten Ebene liegt und einen zu einem Ring geformten elektrischen Leiter umfasst. Der Leiter weist einen ersten und einen zweiten Anschluss auf, um die Windung mit einem elektrischen Stromkreis zu verbinden. Der erste und der zweite Anschluss sind an einer zuvor gewählten Umfangsposition auf dem Ring zueinander benachbart und sind körperlich und elektrisch voneinander getrennt. Der erste Anschluss von einer Windung ist benachbart zum zweiten Anschluss einer benachbarten Windung angeordnet und elektrisch mit diesem verbunden. Der erste Anschluss einer ausgewählten Windung von der Mehrzahl von Windungen bildet einen ersten Spulenanschluss, und der zweite Anschluss einer anderen ausgewählten von der Mehrzahl von Windungen bildet einen zweiten Spulenanschluss.
Ein anderer Aspekt der Erfindung ist ein Induktionsofen, umfassend einen Feuerfestbehälter zur Aufnahme einer Menge von zu erwärmendem elektrisch leitendem Material, eine den Behälter allgemein umgebende Induktionsspule zur induktiven Erwärmung von elektrisch leitendem Material im Behälter, sowie eine Mehrzahl von magnetischen Schluss- bzw. Shunt-Anordnungen, die um den Umfang der Induktionsspule herum angeordnet sind, um den von der Induktionsspule erzeugten magnetischen Fluss zu dem zu erwärmenden Material im Behälter zu lenken. Die Induktionsspule umfasst eine Mehrzahl von einzelnen Spulenwindungen, wobei jede Windung in einer zu einer Längsachse der Spule im Wesentlichen senkrechten Ebene liegt und einen zu einem Ring geformten elektrischen Leiter umfasst. Der Leiter weist einen ersten und einen zweiten Anschluss auf, um die Windung mit einem elektrischen Stromkreis zu verbinden. Der erste und der zweite Anschluss sind an einer zuvor gewählten Umfangsposition auf dem Ring zueinander benachbart und sind körperlich und elektrisch voneinander getrennt. Der erste Anschluss von einer Windung ist benachbart zum zweiten Anschluss einer benachbarten Windung angeordnet und elektrisch mit diesem verbunden. Der erste Anschluss einer ausgewählten Windung von der Mehrzahl von Windungen bildet einen ersten Spulenanschluss, und der zweite Anschluss einer anderen ausgewählten von der Mehrzahl von Windungen bildet einen zweiten Spulenanschluss.
Noch ein anderer Aspekt der Erfindung liegt in den magnetischen Jochen, die zusammen mit dem Induktionsofen gemäß der Erfindung verwendet werden. Der Ofen enthält eine Mehrzahl von magnetischen Jochen, die an axial entgegengesetzten Stirnenden der Induktionsspule angeordnet sind, sowie eine Mehrzahl von magnetischen Schlüssen bzw. Shunts, die um den Umfang der Induktionsspule herum angeordnet sind. Jeder magnetische Schluss bzw. Shunt umfasst eine Mehrzahl von in einem Stapel angeordneten Lamellen. Jede Lamelle weist Seitenränder auf, die der Induktionsspule gegenüberliegen und entlang eines Teils des Umfangs eines Kreises mit einem Durchmesser liegen, der im Wesentlichen gleich dem Außendurchmesser der Induktionsspulenwindungen ist, und jede Lamelle weist Stirnenden auf, die zu entsprechenden axial entgegengesetzten Strinenden der Induktionsspule benachbart sind. Mindestens eine Klammer ist vorgesehen, um die Lamellen im Stapel festzuhalten. Ein gegossener Aluminiumkühlkörper umgibt den Stapel mit Ausnahme der Seitenränder und Stirnenden der Lamellen.
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen ersichtlich.
Beschreibung der Zeichnungen
Zum Zweck einer Veranschaulichung der Erfindung ist in den Zeichnungen eine Form dargestellt, die augenblicklich bevorzugt wird; es versteht sich jedoch, dass diese Erfindung nicht auf die genauen dargestellten Anordnungen und Hilfsmittel begrenzt ist.
1 veranschaulicht eine konventionelle schraubenförmig gewickelte Induktionsspule für einen kernlosen Induktionsofen gemäß dem Stand der Technik.
2 veranschaulicht eine Induktionsspule gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine teilweise geschnittene Ansicht eines kernlosen Induktionsofens, der eine Induktionsspule gemäß der vorliegenden Erfindung einschließt.
4 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Teils eines kernlosen Induktionsofens, der eine Induktionsspule gemäß der vorliegenden Erfindung einschließt, wobei sie zeigt, wie einzelne Spulenwindungen miteinander verbunden sind.
5 ist eine teilweise weggebrochene Oberseitenansicht des in 3 dargestellten kernlosen Induktionsofens.
6 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linien 6-6 in 3 und zeigt eine magnetische Schluss- bzw. Shunt-Anordnung zur Lenkung von magnetischem Fluss, der von der Induktionsspule erzeugt wird.
7 ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Teils einer Induktionsspule gemäß der vorliegenden Erfindung, die zeigt, wie Kühlmittel aus einer Spulenwindung in eine andere fließt.
8 ist eine isometrische Ansicht von einer der in 7 dargestellten magnetischen Schluss- bzw. Shunt-Anordnungen.
9 ist eine Schnittansicht der magnetischen Schluss- bzw. Shunt-Anordnung aus 8 entlang der Linien 9-9 in 8.
Beschreibung der Erfindung
Nunmehr Bezug nehmend auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente anzeigen, ist in 1 ein Induktionsofen 10 mit einer konventionellen schraubenförmig gewickelten Induktionsspule 12 dargestellt, wie auf dem Fachgebiet bekannt. Die Induktionsspule 12, wie in 1 dargestellt, ist eine konventionelle Spule mit zwei Abschnitten, die einen oberen Abschnitt 12a und einen unteren Abschnitt 12b umfasst, welche entgegengesetzt gewickelt sind, jedoch könnte die Induktionsspule 12 gleichfalls aus einem einzigen Abschnitt bestehen. Wie oben erörtert, ist die Induktionsspule 12 aus dickwandigem Kupferrohrmaterial konstruiert, das schraubenförmig zu einer Mehrzahl von Windungen 14 gewickelt ist. Eine elektrische Wechselstromquelle ist mit jedem Abschnitt der Induktionsspule mit Hilfe von Endrohren 16 verbunden, die mit der obersten und der untersten Windung der Spule verbunden sind. Die Abschnitte der Spule, die mit Wechselstrom gespeist werden, werden häufig als "aktive Wicklungen" bezeichnet. Die Spulenwindungen 14 sind elektrisch voneinander isoliert, und sind auch von den Endrohren 16 isoliert. Wärme, die durch das Fließen von Wechselstrom in den aktiven Wicklungen erzeugt wird, wird von Wasser abgeführt, das durch das Kupferrohrmaterial gepumpt wird. Häufig werden Endrohre 16 verwendet, um die aktiven Wicklungen sowohl mit der Wechselstromquelle und einer Kühlwasserquelle zu verbinden.
Obwohl er zur Verdeutlichung aus 1 weggelassen ist, wird der Fachmann verstehen, dass ein Feuerfestbehälter oder -tiegel im Inneren der schraubenförmig gewickelten Induktionsspule 12 angebracht ist. Der Tiegel enthält Metall, das mittels der Induktionsspule 12 induktiv erwärmt werden soll. Ebenfalls zur Verdeutlichung weggelassen ist der Ofenmantel, der die Spule 12, den Tiegel und die anderen Ofenelemente umgibt und trägt. Typischerweise ist der Ofenmantel aus Metall, und der Ofen kann auch andere metallische Bauteile enthalten.
Die Induktionsspule 12 erzeugt ein elektromagnetisches Feld H_c, das in 1 durch die unterbrochenen Linien dargestellt ist. Gewöhnlich ist um den äußeren Umfang der Induktionsspule 12 herum eine magnetische Anordnung angebracht, die kreisförmige Joche und vertikale Schlüsse bzw. Shunts (zur Verdeutlichung aus 1 weggelassen) umfasst. Die vertikalen Schlüsse bzw. Shunts sind aus dünnen Lamellen von elektromagnetischem Stahl hergestellt, ähnlich wie eine Transformatorspule. Die Lamellen werden von einer oder mehreren "U"-förmigen oder "C"-förmigen, aus einem nichtmagnetischen Material, wie nichtrostendem Stahl, Aluminium oder Kupferlegierungen hergestellten Klammern zu einem massiven Stapel zusammengeklemmt. Die Oberflächen der Lamellenstapel, welche der Induktionsspule 12 gegenüberliegen, sind typischerweise gekrümmt, so dass sie der Kontur des äußeren Umfangs der Spule 12 folgen. Dies geschieht dadurch, dass man die Lamellen in einem Stapel so abstützt, dass die Oberflächen der Lamellen, die der Induktionsspule 12 gegenüberliegen, parallel zum äußeren Umfang der Spule 12 sind und dieselbe Krümmung wie dieser aufweisen. Diejenigen Seiten der Schlüsse bzw. Shunts, die der Spule nicht gegenüberliegen, werden von nicht-magnetischen Kupfer- oder Aluminium-Seitenplatten vor magnetischem Streufluss geschützt. Die Seitenplatten können wassergekühlt sein, um überschüssige Wärme abzuführen.
Häufig erstreckt sich die magnetische Anordnung axial oberhalb und unterhalb vom oberen und unteren Ende der Induktionsspule 12, um magnetischen Fluss einzufangen, der sich um die Enden der Spule 12 herum krümmt, und diesen Fluss ins Innere der Spule zu lenken, um den Kopplungswirkungsgrad der Spule mit einem von der Spule 12 induktiv erwärmten Objekt zu verbessern. In solchen Fällen können oberhalb und unterhalb von den aktiven Windungen zusätzliche Windungen 18 gewickelt sein. Die zusätzlichen Windungen 18 sind nicht an den Wechselstrom angeschlossen, werden jedoch benutzt, um den feuerfesten Tiegel in dem Bereich abzustützen, wo sich die magnetischen Joche oberhalb und unterhalb von den aktiven Wicklungen erstrecken. Diese zusätzlichen Windungen werden häufig als "Kühlwindungen" bezeichnet.
Wie oben angemerkt, bewirkt die Steigung der schraubenförmig gewickelten Induktionsspule 12 Komplikationen beim Montieren der Spule 12 im Ofen, der eine ebene Ober- und Unterseite aufweist. Um die Neigung der Spulenwindungen 14 infolge der Steigung zu kompensieren, sind typischerweise metallische Stützrippen 20 an der obersten und untersten Windung jedes Spulenabschnitts 12a und 12b angeschweißt. Wenn die Induktionsspule 12 aus zwei entgegengesetzt gewickelten Abschnitten 12a und 12b besteht, wie in 1 dargestellt, sind auch in der Mitte des Ofens, zwischen den beiden Spulenabschnitten, Rippen 20 erforderlich. Da die Rippen 20 metallisch sind und mit den Spulenwindungen verschweißt sind, werden sie Strom leiten und daher Wärme erzeugen. Um diese Wärme abzuführen, müssen die Rippen 20 wassergekühlt sein.
Wie ebenfalls oben angemerkt, fließt bei der schraubenförmig gewickelten Induktionsspule 12 in den vertikalen Teilen der Endrohre 16 Strom, und dieser Strom erzeugt um die Endrohre herum ein Magnetfeld H_t. Während das von den aktiven Wicklungen der Induktionsspule 12 erzeugte Magnetfeld H_c im Inneren des Ofens 10 entlang der axialen Richtung der Spule 12 konzentriert ist, breitet sich das Magnetfeld H_t um die Endrohre 16 herum in der Ebene der Windungen 14 in dem Bereich um die Rohre herum nach außen aus. Das Magnetfeld H_t induziert Wirbelströme in umgebenden Metallobjekten, wie dem Ofenmantel, was bewirkt, dass sie erwärmt werden.
Noch weiter induziert das Magnetfeld H_t, das die Kühlwindungen 18 an jedem Ende der Induktionsspule 12 kreuzt, Wirbelströme in den Kühlwindungen, was zusätzliche Verluste verursacht, die zu einem geringeren Ofenwirkungsgrad beitragen.
Diese Probleme können durch die Induktionsspule der vorliegenden Erfindung beseitigt werden. Ein Ofen 22, der eine Induktionsspule 24 gemäß der vorliegenden Erfindung einschließt, ist in 2 dargestellt. Wie bei dem in 1 dargestellten Ofen 10 sind zum Zweck der Verdeutlichung einige der nicht wesentlichen Details des Ofens 22 aus 2 weggelassen. Jedoch wird der Fachmann keine Schwierigkeiten haben, die Erfindung trotz dieser Weglassungen zu verstehen.
Der Ofen 22 umfasst eine Induktionsspule 24 und einen im Inneren der Induktionsspule 24 angeordneten Feuerfestbehälter oder Tiegel 26. Der Tiegel enthält Metall, das mittels der Induktionsspule 24 induktiv erwärmt werden soll. Zur Verdeutlichung weggelassen ist der Ofenmantel, der die Spule 24 umgibt und hält, der Tiegel 26, sowie die anderen Ofenelemente. Die Induktionsspule 24 ist als Spule mit einem einzigen Abschnitt dargestellt, obwohl es innerhalb des Umfangs der Erfindung liegt, dass die Induktionsspule 24 zwei oder mehr Abschnitte umfasst. Wie bei der konventionellen Induktionsspule 12 weist die Induktionsspule 24 eine Mehrzahl von einzelnen Windungen 28 auf, und elektrische Anschlüsse und Kühlwasseranschlüsse werden über Endrohre 30 zur Spule 12 hergestellt. Die Endrohre 30 sind im Wesentlichen von derselben Konstruktion wie die auf dem Fachgebiet bekannten Endrohre 16 und verbinden, wie im Stand der Technik, entgegengesetzte Enden der Induktionsspule 24 mit einer elektrischen Stromquelle und einer Kühlwasserquelle.
Die Induktionsspule 24 unterscheidet sich von der konventionellen Induktionsspule 12 am meisten im Hinblick darauf, wie die einzelnen Windungen 28 gebildet werden. Statt dass sie aus einem durchgehenden Stück Kupferrohrmaterial gewickelt ist, besteht die Induktionsspule 24 aus einer Mehrzahl von zu einem flachen Annulus oder Ring geformten diskreten einzelnen Windungen 28 aus Kupferrohrmaterial, die miteinander verbunden sind, um eine komplette Spule 24 zu bilden. Eine einzelne Windung 28 ist in 6 in Oberseitenansicht dargestellt. Die Windung 28 ist kreisförmig und weist jeglichen gewünschten Innendurchmesser, Außendurchmesser, Rohrmaterialdurchmesser und jegliche gewünschte Rohrmaterialwandstärke auf. Diese Abmessungen können vom Spulenkonstrukteur in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung der Spule 24 festgelegt werden und weichen nicht grundlegend von den Auslegungsbetrachtungen für konventionelle Induktionsspulen ab.
Wie man in 2 sieht, ist jede Windung 28 flach oder eben, so dass die einzelnen Windungen 28, wenn sie miteinander verbunden sind, um eine vollständige Spule 24 herzustellen, eine Spule in der Gestalt eines geraden kreisförmigen Zylinders statt einer Wendel bilden. Jede Windung weist zwei Enden 32 und 34 auf, die sich überlappen und an einer Überlappungsverbindung an einer ausgewählten Umfangsposition auf dem Ring miteinander verbunden sind, wie man am besten in den 6 und 7 sieht. Jedes Ende 32 und 34 ist durch eine Platte 36 verschlossen, so dass, wenn sich die Enden 32 und 34 überlappen, die Platten 36 eine Verbindung zwischen dem Inneren der Rohre an den Enden 32 und 34 über die Überlappungsverbindung hinweg verhindern. Die Platten 36 dienen auch dazu, die Enden 32 und 34 mit geeigneten Befestigungselementen, wie einer Mutter- und Schraubenanordnung 38 oder anderen Befestigungselementen, mechanisch miteinander zu verbinden. Eine dünne elektrisch isolierende Schicht 40 ist zwischen den Enden 32 und 34 angeordnet, so dass die Enden 32 und 34 sowohl elektrisch als auch körperlich voneinander getrennt oder isoliert sind. Wenn die Enden 32 und 34 mit einer elektrischen Stromquelle verbunden werden, wird somit Strom von einem Ende der Windung zum anderen fließen. Man kann sehen, dass diese Konstruktion eine Windung liefert, die flach ist und die ein mechanisch geschlossener aber elektrisch offener Kreis ist.
Jede Windung 28 weist zwei Strömungsöffnungen 42 und 44 auf, mit deren Hilfe ein Kühlmittel, wie Kühlwasser, zugeführt werden kann. Wie durch die Pfeile in 7 dargestellt, trifft das Kühlmittel, das durch die Öffnung 42 in das Rohr eintritt, aus dem die Windung besteht, auf die Platte 36, die das Ende 32 verschließt, und wird bei Betrachtung in der Figur nach rechts gelenkt. Das Kühlmittel zirkuliert durch die Windung, bis es die Platte erreicht, die das Ende 34 verschließt. Wenn das Kühlmittel auf die Platte 36 trifft, die das Ende 34 verschließt, wird es aus dem Rohr, aus dem die Windung 28 besteht, durch die Öffnung 44 heraus gelenkt. Somit vollzieht das Kühlmittel einen Umlauf durch die Windung, bevor es austritt.
Zwei oder mehr Windungen 28 können an ihren Strömungsöffnungen 42 und 44 durch Verbinder 46 miteinander verbunden sein. Jeder Verbinder 46 umfasst ein kurzes Rohrstück 48, das einen Mittelteil 50 in Form einer Sechskantmutter aufweist, so dass der Verbinder mit einem Schlüssel gedreht werden kann. (Obwohl angenommen wird, dass der Verbinder 46, so wie er beschrieben und dargestellt ist, ein einteiliger Verbinder ist, ist er nicht darauf beschränkt und kann aus mehr als einem Teil bestehen.) Die Außendurchmesserteile des Rohrs 48, die sich in axialer Richtung aus dem Mittelteil 50 erstrecken, sind mit einem Gewinde versehen, um mit entsprechenden Gewinden in den Strömungsöffnungen 42 und 44 in der Windung 28 in Eingriff zu treten. Die Gewinde auf den Außendurchmesserteilen des Rohrs 48 weisen jedoch entgegengesetzte Drehrichtungen auf, d. h. eines ist rechtsgängig und das andere ist linksgängig, so dass, wenn zwei Windungen mittels des Verbinders 46 miteinander verbunden werden sollen, eine Drehung des Verbinders im Uhrzeigersinn den Verbinder 46 in beide Windungen gleichzeitig einschraubt, und eine Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn den Verbinder 46 gleichzeitig aus beiden Windungen herausschraubt (oder umgekehrt).
Das Rohr 48, das hohl ist, ermöglicht es, dass Kühlmittel von der Auslass-Strömungsöffnung 46 einer Windung 28 zur Einlass-Strömungsöffnung 42 der benachbarten Windung 28 fließt. Somit liefert der Verbinder 46 eine mechanische Verbindung und eine Fluidströmungsverbindung zwischen benachbarten Windungen. Der Verbinder 46 ist leitend, so dass er auch eine elektrische Verbindung zwischen benachbarten Windungen liefert.
Wenn die gewünschte Anzahl von Windungen verbunden sind, um eine Spule 24 zu bilden, werden an den an entgegengesetzten Strinenden der Spule angeordneten Windungen 28 elektrische Verbindungen und Kühlmittelverbindungen hergestellt. Zum Beispiel können, wie in den 2 und 4 dargestellt, Endrohre 52 unter Verwendung von Verbindern 46 mit der obersten und der untersten Windung der Spule verbunden werden. Die Endrohre würden ansonsten dieselben sein, wie die auf dem Fachgebiet bekannten Endrohre 16. Da jede Windung 28 der Spule 24 flach ist, liegt die resultierende Spule in der Gestalt eines geraden kreisförmigen Zylinders vor. Dies macht es sehr einfach, die Spule mechanisch abzustützen, wie in 3 dargestellt.
Wie in 3 dargestellt, werden die Windungen 28 von isolierenden Abstandhaltern 54 zwischen benachbarten Windungen abgestützt. Abwechselnde Paare von Windungen werden durch Gurte 56 zusammengehalten. Vorzugsweise umfassen die Gurte 56 mehrere Umwicklungen von KEVLAR-Band oder anderem Isolierband, das eine hohe Zugfestigkeit besitzt. Wie für den Fachmann ersichtlich wird, können jedoch andere Wege zum Abstützen und Montieren der Windungen verwendet werden, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen.
Wie in 2 dargestellt, erstreckt sich das Magnetfeld H_c der geraden Spule 24 ein Stück weit außerhalb der Spule. Das Feld außerhalb der Spule kann problematisch sein und externe Einrichtungen stören und führt allermindestens zu Unzulänglichkeiten des Ofens. Um dieses Problem zu lösen, wird ein magnetisches System verwendet, das magnetische Joche und Schlüsse bzw. Shunts umfasst. Das magnetische System liefert einen Rückführpfad mit niedrigem Blindwiderstand für das magnetische Feld außerhalb der Spule. Das magnetische System umfasst zusammengesetzte Joche 58, die am oberen und unteren Stirnende der Spule 24 angebracht sind, sowie eine Mehrzahl von vertikalen Schlüssen bzw. Shunts 60, welche die Joche 58 magnetisch verbinden.
Wie man am besten in 3 sieht, umfassen die kreisförmigen Joche 58 eine Mehrzahl von rechteckigen Packungen 62 von Transformatoreisenlamellen 64. Die Anzahl von Packungen ist gleich der Anzahl von vertikalen Schlüssen bzw. Shunts 60. Die Joche 58 werden gefertigt, indem man die Lamellenpackungen 62 in eine kreisförmige Form legt. Falls gewünscht, können auch Kupferkühlrohre (nicht dargestellt) in die Form gelegt werden. Die Kupferkühlrohre, sofern sie verwendet würden, würden passende Enden zum Verbinden der Rohre mit einer Kühlmittelquelle aufweisen. Nachdem die Lamellenpackungen 62 und Kühlrohre, falls gewünscht, in die Form gelegt worden sind, wird die Form mit geschmolzenem Aluminium gefüllt. Sobald sich das Aluminium verfestigt, wird das kreisförmige Joch aus der Form entnommen.
Die vertikalen Schlüsse bzw. Shunts 60, die man am besten in den 8 und 9 sieht, umfassen wie die Joche 58 Packungen 66 von Eisenlamellen 68. Die Lamellen 68 weisen eine Länge auf, die gleich der axialen Länge der Induktionsspule 24 ist. Die Schlüsse bzw. Shunts 60 werden gefertigt, indem man die Lamellen 68 zusammenklemmt, um Packungen 66 zu bilden. Während die Lamellen zusammengeklemmt werden, werden sie so angeordnet, dass diejenigen Ränder 70 der Lamellen, die der Induktionsspule 24 gegenüberliegen werden, einer Krümmung folgen, die im Wesentlichen gleich dem Außendurchmesser der Spule ist. Um dieses Anordnen zu erleichtern, werden die Lamellen in eine speziell gestaltete Form 72 gelegt, die Seitenwände 74 und eine gekrümmte Führungsplatte 76 aufweist, welche benutzt wird, um die Lamellen 70 abzustützen und die gewünschte Krümmung bereit zu stellen. Die Breiten der Lamellen 68 an den Stirnenden der Packung 66 können, falls notwendig, beschnitten werden, um die inneren Ränder 70 der Krümmung der Führungsplatte 76 entsprechen zu lassen. Sobald sich die Lamellen 68 an Ort und Stelle befinden, werden sie von Klammern 78 an ihrem Platz festgehalten. Falls gewünscht, werden Kupferkühlrohre 80 entlang der Länge der Schlüsse bzw. Shunts 60 angeordnet und werden durch Öffnungen in den Klammern 78 eingeführt. Die Enden der Kühlrohre 80 sind mit Abschlüssen versehen, mittels derer sie mit einer Kühlmittelquelle verbunden werden können. Sobald alle Lamellen, Klammern und Kühlrohre an Ort und Stelle sind, wird die Form 70 mit geschmolzenem Aluminium gefüllt. Sobald sich das Aluminium 82 verfestigt, ist der Schluss bzw. Shunt 60 komplett.
Obwohl dies in den Figuren nicht dargestellt ist, sind die Stirnenden der Form 70 so angeordnet, dass das geschmolzene Aluminium nur die lateralen Seiten der Lamellenpackung 66 und diejenige Seite 84 bedeckt, die von der Induktionsspule 24 abgewandt ist. Die Stirnenden 86 und 88 und diejenige Seite, die der Induktionsspule gegenüberliegt, bleiben frei.
Wie man am besten in 3 sieht, werden die Joche 58 an beiden Stirnenden der Induktionsspule 24 angebracht und dann durch Zuganker 86 miteinander verbunden. Die Zuganker 86 sind in regelmäßigen Abständen um den Umfang der Joche 58 herum angeordnet, wie man in 6 sehen kann. Die Zuganker 86 verbinden die beiden Joche 58 und drücken die Spulenwindungen 28 zwischen den Jochen 58 zusammen, um die Windungsbewegung und Spulenvibration im Gebrauch zu minimieren. Sobald die Spulenwindungen 28 richtig zusammengedrückt sind, werden die Schlüsse bzw. Shunts 60 um den Umfang der Spule 24 herum angebracht, wobei die Führungsplatte 76 der Spule gegenüberliegt. Die Schlüsse bzw. Shunts 60 werden so angebracht, dass die Lamellenpackungen 66 der Schlüsse 60 bzw. Shunts mit den Lamellenpackungen 62 der kreisförmigen Joche 58 ausgerichtet sind. Die Schlüsse bzw. Shunts 60 werden an ihrem Platz von einem System von horizontalen Stangen 88 gehalten, durch welche Druckstangen 90 eingeführt werden. Ein Ende der Druckstangen 90 drückt gegen den aus gegossenem Aluminium bestehenden Teil 82 der Schlüsse bzw. Shunts 60. Ein Festziehen der Druckstangen 90 hält die Schlüsse bzw. Shunts 60 an ihrem Platz fest und drückt die Induktionsspule 24 in radialer Richtung zusammen.
Die gesamte Induktionsspule 24 und die magnetische Joch- und Schluss- bzw. Shunt-Anordnung können entweder in einem Stahlmantel oder einem Stahlrahmen-Ofenkörper montiert werden.
Aus der vorangehenden Beschreibung wird ersichtlich, dass die Induktionsspule der vorliegenden Erfindung und der unter Verwendung der Spule konstruierte Induktionsofen mehrere Vorteile liefern. Die Spule liegt nahezu exakt in Form eines geraden kreisförmigen Zylinders vor. Dies vereinfacht das Montieren der Spule im Ofenkörper. Jede Spulenwindung kann getrennt hergestellt werden, was die Notwendigkeit der Bevorratung von Rohrausgangsmaterial und der Handhabung einer schweren einteiligen Spule bis zur endgültigen Montage beseitigt. Der elektrische Strom durchfließt die Spule von Windung zu Windung über die Verbinder 46, die sich sämtlich in einer Linie entlang des Spulenumfangs befinden, statt dass sie entlang der Wicklung verteilt sind. Der elektrische Strom in den Endrohren fließt in der entgegengesetzten Richtung zum elektrischen Strom in den Verbindern, was magnetische Streufelder infolge des Fließens von Strom in den Endrohren minimiert. Da die einzelnen Windungen getrennt gefertigt werden, können sie in verschiedenen Größen hergestellt und wie gewünscht miteinander verbunden werden, wenn eine Spule konstruiert wird. Somit können die obersten und untersten Windungen unterschiedliche Abmessungen (wie Querschnitt) aufweisen, um Verluste zu minimieren. Außerdem sind keine Kühlwindungen notwendig. Da das magnetische System aus Aluminium geformt ist, wird in den Lamellen der Joche und Schlüsse bzw. Shunts erzeugte Wärme zur Wärmeabfuhr sehr wirkungsvoll zu den Kühlrohren geleitet. Die Spule und die magnetische Anordnung ist in sich geschlossen und ist unabhängig von der Konstruktion des Ofenkörpers.
Andere Vorteile und Vorzüge der Erfindung werden sich für den Fachmann von selbst ergeben.
Die vorliegende Erfindung kann in anderen spezifischen Formen verkörpert sein, ohne von den wesentlichen Merkmalen derselben abzuweichen, und dementsprechend sollte, was die Angabe des Umfangs der Erfindung angeht, auf die beigefügten Ansprüche statt auf die vorangehende Beschreibung Bezug genommen werden.

Claims

Induktionsspule (24) zur induktiven Erwärmung von elektrisch leitenden Materialien, wobei die Induktionsspule (24) eine Mehrzahl von einzelnen Ringen (28) umfasst, wobei jeder von der Mehrzahl von einzelnen Ringen (28) im Wesentlichen kreisförmig ist und als elektrischer Leiter dient, wobei jeder von der Mehrzahl von einzelnen Ringen (28) einen ersten Anschluss (42, 36) und einen zweiten Anschluss (44, 36) an einer zuvor gewählten Umfangsposition auf dem Ring aufweist, wobei der erste und zweite Anschluss (36) durch ein Isolierelement (40) getrennt sind, das den ersten Anschluss (36) und den zweiten Anschluss (36) stofflich und elektrisch voneinander isoliert, wodurch eine elektrische Unterbrechung um den Ring (28) herum gebildet wird, wobei der erste Anschluss (42) von einem von der Mehrzahl von einzelnen Ringen zum zweiten Anschluss (44) von einem benachbarten von der Mehrzahl von einzelnen Ringen benachbart und durch einen Verbinder (46) elektrisch damit verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Anschluss (36) und der zweite Anschluss (36) von jedem von der Mehrzahl von einzelnen Ringen (28) in Umfangsrichtung überlappen und zusammengepresst (38) sind.
Induktionsspule nach Anspruch 1, bei der die Mehrzahl von einzelnen Ringen (28) aus einem hohlen Rohrmaterial geformt sind und der Verbinder (46) ein hohler Verbinder (48) ist, wodurch in einem im hohlen Rohrmaterial (28) und in jedem hohlen Verbinder (48) gebildeten Raum ein durchgehender Kühlmittelpfad bereitgestellt wird.
Induktionsspule nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, umfassend einen ersten elektrischen Verbinder und einen zweiten elektrischen Verbinder (52), wobei der erste elektrische Verbinder in der Nähe des Anfangs von dem ersten von der Mehrzahl von einzelnen Ringen (28) angeordnet ist und der zweite elektrische Verbinder (52) in der Nähe des Endes von dem letzten von der Mehrzahl von einzelnen Ringen (52) angeordnet ist, wodurch der Induktionsspule Strom aus einer mit dem ersten und zweiten elektrischen Verbinder verbundenen Stromversorgung geliefert wird.
Induktionsspule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend ein erstes Endrohr (52) und ein zweites Endrohr (52), wobei das erste und zweite Endrohr senkrecht zu der Ebene jedes einzelnen Rings (28) ausgerichtet und mit einem Anfang von dem ersten von der Mehrzahl von einzelnen Ringen bzw. einem Ende von dem letzten von der Mehrzahl von einzelnen Ringen verbunden sind, wobei jedes von dem ersten und zweiten Endrohr (52) ungefähr die halbe Länge der Induktionsspule besitzt, wodurch der Induktionsspule Kühlmittel aus einer mit dem ersten und zweiten Endrohr (52) verbundenen Kühlmittelquelle geliefert wird.
Induktionsspule nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend einen ersten kombinierten Strom- und Kühlmittelverbinder und einen zweiten kombinierten Strom- und Kühlmittelverbinder, wobei der erste kombinierte Strom- und Kühlmittelverbinder in der Nähe des Anfangs von dem ersten von der Mehrzahl von einzelnen Ringen angeordnet ist und der zweite kombinierte Strom- und Kühlmittelverbinder in der Nähe des Endes von dem letzten von der Mehrzahl von einzelnen Ringen angeordnet ist.
Induktionsspule nach Anspruch 5, rückbezogen auf Anspruch 4, rückbezogen auf Anspruch 3, bei der das erste und zweite Endrohr (52) der Spule sowohl die Kühlmittelversorgung und die Stromversorgung zuführen.
Induktionsofen (22), umfassend einen Feuerfestbehälter (26) zur Aufnahme einer Menge von elektrisch leitendem Material, das erwärmt werden soll, eine Induktionsspule (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Induktionsspule (24) allgemein den Feuerfestbehälter (26) umgibt, sowie eine magnetische Anordnung (58, 60), die um die Induktionsspule herum angeordnet ist, um ein von der Induktionsspule (24) erzeugtes Magnetfeld (H_c) in das Material zu lenken, das im Behälter (26) erwärmt werden soll.
Induktionsofen nach Anspruch 7, bei dem die magnetische Anordnung eine Mehrzahl von magnetischen Schlüssen (60) umfasst, die in Umfangsrichtung um die Induktionsspule (24) herum angeordnet sind, und ein Paar von zusammengesetzten magnetischen Jochen (58), die an axial entgegengesetzten Enden der Induktionsspule (24) angeordnet sind, wobei die Mehrzahl von magnetischen Schlüssen (60) das Paar von zusammengesetzten magnetischen Jochen (58) magnetisch verbindet.
Induktionsofen nach Anspruch 8, bei dem jeder von der Mehrzahl von magnetischen Schlüssen (60) umfasst: eine Mehrzahl von in einem Stapel angeordneten Lamellen (68), wobei jede von der Mehrzahl von Lamellen (68) Seitenränder aufweist, die der Induktionsspule (24) gegenüberliegen und entlang eines Teils des Umfangs eines Kreises liegen, der einem Durchmesser aufweist, der im Wesentlichen gleich dem Außendurchmesser der Mehrzahl von einzelnen Ringen (28) ist, wobei jede von der Mehrzahl von Lamellen Stirnenden aufweist, die zu entsprechenden axial entgegengesetzten Stirnenden der Induktionsspule benachbart sind, mindestens eine Klammer (78) zum Halten der Lamellen (68) im Stapel, sowie einen den Stapel mit Ausnahme der Seitenränder und der Stirnenden der Lamellen umgebenden Kühlkörper (82).
Induktionsofen nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, bei dem jedes von dem Paar von zusammengesetzten magnetischen Jochen (58) eine Mehrzahl von Packungen (62) umfasst, wobei jede von der Mehrzahl von Packungen eine Mehrzahl von Lamellen (64) umfasst, wobei die Innenfläche von jeder von der Mehrzahl von Packungen benachbart zur Stirnfläche von einem benachbarten von der Mehrzahl von magnetischen Schlüssen (60) angeordnet ist, wobei die Innenfläche und die Außenfläche von jeder von der Mehrzahl von Packungen (62) im Wesentlichen von Rändern der Lamellen gebildet werden, die senkrecht zur Längsachse sind, wobei die Stirnflächen von jeder von der Mehrzahl von Packungen (62) im Wesentlichen von den Rändern der Mehrzahl von Lamellen (64) gebildet werden, die parallel zur Innen- und Außenfläche des benachbarten von der Mehrzahl von magnetischen Schlüssen (58) sind, und die Seitenfläche von jeder von der Mehrzahl von Packungen (62) zwischen der Innen- und Außenfläche in ein wärmeleitendes Material eingebettet ist.