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Induktor zum räumlich begrenzten, induktiven Erhitzen von Werkstückteilen
Die Erfindung bezieht sich auf einen sog. Fokusinduktor, d. h. ein Gerät, welches
an den Sekundärkreis eines mit Wechselst@om vorzugsweise hoher Frequenz, gespeisten
Transformators angeschlossen ist und zum induktiven Erhitzen von Werkstücken dient.
Ein solcher Fokusinduktor besteht en@weder aus einer das Werkstück umgebenden einzigen
Windung oder einem sich über dass Werkstück erstreckenden geradlinigen Leiter und
entsprechendem Rückleiter. Der Fokusinduktor induziert Wirbelströme, die das Werkstück
erhitzen. Die Erhitzung kann auch noch durch die Hysteresiswirkung in dem Werkstück
gesteigeruwerden.
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Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung der Wirkung des Fokusinduktors,
d. h. eine Verbesserung seines elektrischen Wirkungsgrades und damit eine Erhöhung
des Stromflusses und eine Steigerung der Erhitzung des Werkstückes. Es macht vielfach
Schwie rigkeiten, z. B. die Schleifkanten von Scheren, die Lauffläche von Schienen
und von anderen größeren Werkstücken oder Bleche induktiv mit ausreichender Gleichmäßigkeit
und mit gutem Wirkungsgrad zu erhitzen und dieses Erhitzen wirtschaftlich durchzuführen.
Es wurden bisher solche Teile auch meist durch ein kombiniertes Widerstands- und
induktives Verfahren erhitzt. In manchen Fällen ist es aber nicht erwünscht, die
elektrische Heizvorrichtung in Berührung mit solchen Werkstücken zu bringen, um
die erforderlichen großen elektrischen Ströme zuzuführen. In diesem Falle wurde
dann das rein induktive Erhitzen benutzt, wobei. aber die elektrische K¢pplung zwischen
dem Werkstück und dem Induktor derart ungünstig
war, daß unwirtschaftlich
hohe Ströme zum Speisen des Induktors erforderlich waren. Wurde die elektrische
Kopplung besser gestaltet, so hatte dies zur Folge, daß auch solche Teile miterhitzt
wurden, die eigentlich nicht miterhitzt werden sollten und in einiger Entfernung
von den zu erhitzenden Flächen lagen.
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Es ist auch eine Induktionsheizvorrichtung bekannt, bei der ein Rückflußl@iter
vorgesehen ist, der mit dem Hauptl@iter eine Schleife bildet.
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Die Erfindung bezweckt eine wesentliche Steigerung der Heizwirkung,
die sich proportional dem Quadrat der Stromstärke ändert, insbesondere eine solche
Gestaltung des Induktors, daß das magnetische Feld in einem Teil eines ferromagnetischen
Werkstückes konzentriert wird, wodurch der induktiven Erhitzung eine Hyster@sis@rhitzunghinzugefügt
wird.
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Die Erfindung betrifft einen Induktor zum räumlich begrenzten. induktiven
Erhitzen von Werkstückteilen mittels hochfrequenten Wechselstromes und ist dadurch
gekennzeichnet. daß bei fester Kopplung aller Induktorteile mit dem teilweise zu
erhitzenden Werkstück der als Hauptheizleiter dienende Induktorteil dem zu erhitzenden
W erkstückteil unmittelbar benachbart ist, während der den Stromkreis schließende
Induktort@il (Rückflußleiter von dem zu erhitzenden Werkstückteil weiter entfernt
verläuft.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung besteht der Hauptheizleiter und/oder
der Rückflußleiter aus mehreren parallel geschalteten Einzelleitern, die beim Hauptheizleiter
eng nebeneinander beim Rückflußleiter in größerem Abstand voneinander liegen.
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Durch die Lage der Rückflußleiter zu dem Hauptheizleiter kann die
Erbitzungszone im Werkstück beliebig beeinflußt werden. Gemäß einer weiteren Ausbildung
der Erfindung fließen die Ströme im Hauptheizleiter und Rückflußleiter in entgegengesetzten
Richtungen, so daß die magnetischen Felder beider Leiter die gleiche Richtung besitzen
und zum größten Teil den zu erhitzenden Werkstückteil durchsetzen.
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Die Erfindung hat den Vorteil, daß die Heizwirkung jeder beliebigen
Erhitzungsaufgabe genau angepaßt werden kann, daß der Strom somit so verteilt werden
kann, daß sowohl ein Höchstwert als auch ein Mindestwert der Heizung an jeder beliebigen
Stelle des Werkstückes beliebig erzielt werden kann, ohne daß die gesamte elektrische
Kopplung der Einrichtung verschlechtert wird, d. h mit dem Bestmöglichsten Wirkungsgrad
der gesamten Einrichtung.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin. daß zuverlässig
vermieden werden kann, daß den den zu erhitzenden Werkstückteilen benachbarten T
eilen, die kühl bleiben sollen. unbeabsichtigt und unerwünscht Wärme zugeführt wird.
Es ergibt sich dadurch die Möglichkeit. die zu erhitzenden Werkstückteile genau
zu begrenzen. Auch hierdurch wird eine überflüssige Wärmeerzeugung vermieden, also
der Wirkungsgrad der Einrichtung gesteigert.
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Die Erfindung ist von besonderem Vorteil für das induktive Oberflächenhärten.
da es bei diesem meist sehr darauf ankommt. die zu erhitzende Oberfläche des Werkstückes
genau zu begrenzen und das Erhitzen der benachbarten Oberflächen nach Möglichkeit
zu vermeiden.
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Die Zeichnung veranschaulicht die Erfindung in mehreren Ausführungsbeispielen.
Die Abb. @ bis 6 zeigen schematisch die Magnetfelder und Stromrichtungen in einfachen
und mehrfachen Leitern.
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Abb. 7 zeigt einen Leiter mit einem konzentrisch zu ihm angeordneten
weiteren Leiter, der von einem Strom umgekehrter Richtung durchflossen wird.
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Abb. S zeigt zwei exzentrisch zueinander angeordnete Leiter sowie
das dabei @ntstelh@nd@ magnetische Feld.
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Abb. 9 bis @2 zeigen die gegenseitige Induktionswirkung
von schmalen und breiten Leitern mit ihren einfachen oder mehrfachen Rückfußleitern.
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Abb. @3 bis @5 zeigen die Anwendung der Erfindung auf verschiedene
Werkstücke, wobei Abb. @3 das Erhitzen einer Scherenschneidkante, Abb. I4 eines
Stangenrandes, Abb. @5 eines Schienenkopfes zeigt. Diese Abbildung zeigt zugleich
die Hysteresiswirkung und die den Hauptinduktor umgebenden Rückflußleiter.
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Abb. @6 zeigt das Erhitzen eines Schienenkopfes in einem Schnitt @G-@6
aus Abb. @7. Abb. 17 ist ein Längsschnitt 17-17 durch Schienenkopf und Induktor
aus Abb. 18.
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Abb. 1 2 ist eine Draufsicht mit Teilschnitt durch Schieilenkopf und
Induktor aus Abb. 16, i wobei in den Abb. 16 bis 18 und 13 bis 15 die zu erhitzenden
Werkstückteile gestrichelt veranschaulicht Sind.
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Abb. 1 9 utid 2o zeigen schematisch zwei Beispiele der Induktorschaltung.
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Die Abb. i bis 15 zeigen elektrische Leiteiverschiedener. Gestalten,
Anordnungen und Längen. -Nach Abb.1 fließt der Strom momentan in die Papierebene
hinein, während das magnetische Feld den Stromleiter im Sinne des Uhrzeigers umgibt.
In
Abb. 2 sind die Richtungen des Stromes und des magnetischen Feldes umgekehrt.
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In Abb. 3 hat der Stromleiter eine beträchtliche Breite.
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In Abb.3 umgibt das magnetische Feld den Leiter als Ganzes, und zwar
in dem gleichen Richtungssinne.
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In Abb. 4 dagegen sind zwei Leiter dargestellt, deren Stromrichtungen
entgegengesetzt verlaufen. Die beiden dabei erzeugten. die Leiter umgebenden Magnetfelder
sind entgegengesetzt gerichtet und verstärken sich zwischen den beiden Leitern,
so daß das Feld an dieser Stelle konzentriert wird. Die Ströme besitzen verschiedene
Polaritäten, ballen sich aber in den benachbarten Rändern der beiden Leiter zusammen,
wobei bis zu einem erheblichen Grade die Streuwirkung, d. h. die einander abstoßende
Wirkung gleichgerichteter Ströme, die bei dem Leiter nach Abb. 3 entsteht, überwunden
wird.
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Die Abb. 5 und 6 zeigen magnetische Felder, wie sie von ein- oder
mehrwindigen Induktoren erzeugt werden.
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Bei konzentrischen Leitern gemäß Abb.7, die von gleichen Strömen verschiedener
Polaritäten durchflossen werden, ist das magnetische Feld außerhalb des äußeren
Leiters gleich Null,. während zwischen den beiden Leitern ein starkes Feld entsteht.
Es fießt somit in dem inneren Leiter der Strom in die Papierfläche hinein, während
das erzeugte magnetische Feld eine Richtung im Sinne des Uhrzeigers besitzt. Das
innerhalb des äußeren Leiters entstehende Feld hat denselben Sinn in bezog auf den
inneren Leiter. Da die induktive Wirkung eines Teils des Stromes eines Segmentes
t des inneren Leiters auf einen äußeren Leiter C in einer Entfernung von r + s gleich
und entgegengesetzt ist der induktiven Wirkung eines entsprechenden Segmentes i
des äußeren Leiters mit einer Entfernung s, so entsteht überhaupt kein magnetisches
Feld außerhalb des äußeren Leiters, das in dem Leiter C einen Strom induzieren könnte.
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In ähnlicher Weise ist bei @szentrisçih@r Anordnung des inneren Leiters
der Abb. 7 zum äußeren Leiter, wie in Abb. 8 veranschaulicht, das gesamte magnetische
Feld zwischen den beiden Leitern das gleiche, jedoch mit dem Unterschied, daß es
an den Stellen stärker zusammengeballt ist, wo der Abstand zwischen den beiden Leiternt
kleiner ist. Bei Entfer-nung eines Teils der Wandung des äußeren Leiters
und Ausfüllung der dadurch entstandenen Lücke durch ein Werkstück derart, daß es
dicht an die Ränder des übriggebliebenen Teils des äußeren Leiters herankommt und
zugleich sich dicht neben dem inneren Leiter befindet, entsteht die gleiche Zusammenbailang
des magnetischen Feldes und nur ein geringes und kaum beachtenswertes äußeres magnetisches
Feld.
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In den Abb. 9 bis @2. sollen die induktiven Wirkungen untersucht werden.
Die Abbildungen zeigen Querschnitte von Platten, die unterhalb von mit Wechselstrom
gespeisten Leitern angeordnet sind. Bei jedem Beispiel ist ein Hauptinduktor und
ein oder mehrere Rückflußleiter vorgesehen, die zusammen von einem Strom durchflossen
werden, der dem Strom des Hauptinduktors gleich ist.
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In Abb. 9 ist nur ein Rückflußleiter vorgesehen; es fließt somit in
dem Rückflußleiter der gleiche Strom wie im Hauptinduktor, so daß die in der Platte
induzierten Ströme unter dem Hauptinduktor und dem Rückflußleiter gleich sind.
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In Abb. @ o ist der Hauptinduktor breiter bemess@n, und es sind zwei
Rückfltißleiter vorgesehen, die vorn Hauptinduktor so weit entfernt sind, daß eine
nur geringe Neigung des Stromes des Hauptinduktors entsteht, sich infolge der induktiven
Wirkung der Rückflußleiter an den den Rückflußleitern zugekehrten Kanten zusammenzudrängen.
Der Strom im Hauptinduktor ist bestrebt, mehr oder weniger gleichmäßig.in seinem
gesamten Querschnitt zu fließen infolge der anziehenden Wirkung des in der Platte
unterhalb des Hauptinduktors induzierten Stromes.
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Bei der Annahme. daß der Hauptinduktor etwa die gleiche Fläche deckt
wie jeder der Rückflußleiter, was in Wirklichkeit nlicht der Fall ist, da der Hauptinduktor
ja breiter ist, würde der durch den Hauptinduktor induzierte Strom doppelt so groß
als der durch jeden Rückflußleiter induzierte Strom. Die Heizwirkung des durch jeden
Rückflußleiter induzierten Stromes in der Platte beträgt daher nur 1/4 der Heizung,
die vom 'Hauptinduktor erzielt wird, da die Heizwirkung vom Quadrat des induzierten,
Stromes abhängt.
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Wird der Strom in der beschriebenen Weise unterteilt, so ist klar,
daß trotz der größeren Breite des Hauptinduktors in bezog auf die Rückflußleitcr
die Fläche der Platte unterhalb des Hauptinduktors wesentlich stärker erhitzt wird
als unterhalb der Rückllul3-leiter. Trotzdem ist infolge des geringen Abstandes
zwischen den Rückflußleitern und dem Werkstück die elektrische Kopplung der Einrichtung
im großen und ganzen gut. In diesem Sinne kann die Verteilung des Rückflußstromes
weitergetrieben werden.
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In Abb. f z sind wieder Rückflußleiter vor. gesehen, deren jeder die
Kopplung zwischen Induktor und dem Werkstück steigert, aber nur 1/s des den Hauptinduktör
durchfließenden Stromes fuhrt. Infolgedessen beträgt die Heizwirkung des durch jeden
Rücktlul31eiter
in der Platte induzierten Stromes lediglich einen
geringen Prozentsatz der durch den Hauptinduktor bewirkten Heizwirkung.
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Abb. I T zeigt einen extremen Fall bei dem der Hauptinduktor sehr
breit ist, während die beiden Rückflußleiter sehr nahe am Hauptinduktor angeordnet
sind. Der vom Hauptinduktor in der Platte induzierte Strom wird praktisch in zwei
Teile unterteilt, die sich unter den Rändern des Hauptinduktors ausbilden und von
denen jeder im wesentlichen dem Strom gleich ist, der durch jeden der beiden Rückflußleiter
in der Platte induziert wird. Infolgedessen entstehen unterhalb des mittleren Teils
des Hauptinduktors und zwischen dem Hauptinduktor und den beiden Rückflußleitern
im Werkstück nicht erhitzte Zonen. Es muß daher in schwierigen Fällen die Frage
der Kopplung, der einzuhaltenden Abstände und der Unterteilung des Induktors sehr
sorgfältig untersucht werden.
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Die Unterteilung oder Verteilung der Induktoren und der Leiter kann
aber auch auf andere Weise erfolgen, und zwar in Abhängigkeit von der gestellten
Aufgabe. Abb. @3 zeigt im Querschnitt eine Einrichtung zum Erhitzen der Schneidkante
einer Scherenbacke. Der Hauptinduktor 5 umfaßt winklig die Schneidkante 6 des Scherenblockes
7. Rückflußleiter 8 verbessern die elektrische Kopplung des Hauptinduktors mit dem
Werkstück, unterteilen die Rückflußströme, um eine Erhitzung anderer Teile des Scherenblockes
zu verhüten, und verringern die Induktivität des gesamten Induktionskreises.
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Abb. r 9 zeigt ein Schaltungsschema zu einem selchen Induktionskreis.
Ein Hochfrequenzgenerator 9 speist einen Fokusinduktor ro über einen Transformator
r r. Kondensatoren @2 dienen zur Verbesserung des Leistungsfaktors. Der Fokusinduktor
besteht aus einem Hauptinduktor @3 und mehreren Rückflußleitern @4.
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In dem Schaltungsschema nach Abb. 20 besteht der Hauptinduktor @3'
aus mehreren nebeneinander angeordneten parallelen Leitern. Der Transformator i
a transformiert den Strom auf niedrigere Spannung und höhere Strornstärke.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. @4 soll der Rand I5 einer Stange
I6 erhitzt werden. Der Hauptinduktor I7 liegt ummittelbar über dem Rand I5, während
Rückflußleiter I8 zu beiden Seiten der Stange I6 so angeordnet sind, daß die Heizwirkung
des durch die beiden Rückflußleiter fließenden Stromes auf ein Mindestmaß herabgesetzt
ist.
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Das Erhitzen eines Schienenkopfes unterscläeidet sich wenig von demn
Erhitzen der Schneidkante des Scherenblockes 7 oder des Randes I5 der Stange I6.
Die Abb. r 5 zeigt jedoch, wie z. B. beim Erhitzen des Schienenkopfes die Induktoren
gestaltet und angeordnet sind, um das magnetische Feld an einer bestimmten Stelle
des Werkstückes zusammenzuballen und die induktive Erhitzung durch eine Hysteresiswirkung
zu unterstützen. Es soll die Kopffläche 20 der Schiene I9 erhitzt werden, beispielsweise
um sie nachher durch Abschrecken zu härten. Ein Hauptinduktor 2 r wird unmittelbar
über und entlang des Sch@enenkopfes nahe seiner Fläche angeordnet. Ein Rückflußleit@r
22 umgibt den Hauptinduktor, wobei seine Ränder an den Rändern des Schienenkopfes
unterhalb desselben liegen. Der Spalt zwischen den Rändern des Rückflußleiters und
des Schienenkopfes ist sehr klein gewählt. Die Induktionswirkung und die Stromverteilung
sind ähnlich wie nach Abb. ro und r r. Der Hauptinduktor 2 r ist verhältnismäßig
breit, so daß die Anordnung etwa derjenigen nach Abb. r r entspricht. Der Rückflußleiter
2 2 hat eine sehr geringe Induktionswirkung an seinen Rändern, wodurch die besondere
Breite des Hauptinduktors kompensiert wird. Der Strom im Rückflußleiter fließt auf
der ganzen Breite, wobei an den äußersten Rändern neben der Schiene eine gewisse
Zusammenballung entsteht.
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Wenn diese Rückflußleiterränder etwas höher an der Schiene liegen
würden als in Abb: I5, so könnten sie die Heizwirkung von den Kanten des Schienenkopfes
in Richtung auf den mittleren Teil der Schiene mehr unter den mittleren Teil des
Hauptinduktors zurückdrängen. Liegen die Rückflußleiterränder jedoch, wie in Abb.
I5, verhältnismäßig tief, so erstreckt sich die erhitzte Fläche des Schienenkopfes
bis an seine Seitenfliehen heran. Die Induktionswirkung des Stromes an den Rändern
des Rückflußleiters ist sehr gering und kann deshalb den unteren Teil der Schienenkopfseite
nicht erhitzen.
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Eine Gestaltung des Rückflußleiters 22 ge- , mäß Abb. 15 ergibt
eine zusätzliche Wirkung, wie sie in Abb.8 veranschaulicht ist. Das magnetische
Feld das Hauptinduktors verläuft gleichsinnig mit dem inneren Feld des Rückflußleiters,
so daß ein starkes magnetisches Feld enisteht, welches an und oberhalb der Oberfläche
des Schienenkopfes zusammengeballt wird. Da der Schienenkopf meist magnetisch ist,
so geht das Feld durch die zu erhitzende Fläche hindurch, so daß durch die Hysteresiswitkung
eine zusätzliche Erhitzung entsteht. Das äußere Feld des Rückflußleiters 22 kann
vernachlässigt werden. In Wirklichkeit besteht ein solches Feld, das von der Größe
des Luftspaltes R zwischen den I,ändern des Rückflußleiters und dem Schienenkopf
abhängt. Ist dieser Luftspalt groß,
so können gewisse Kraftlinien
den längeren Weg um den Rückflußleiter herum nehmen.
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Der Rückflußleiter braucht jedoch nicht unbedingt den Hauptinduktor
und das Werkstück vollständig zu umgeben, urmg ein Zusammenballung des inneren magnetischen
Feldes zu erzielen. Es können auch zwei getrennte Leiter etwa von der Breite L-R
oder mit einer größeren oder geringeren Breite genügen, wenn der magnetische Widerstand
des Kraftlinienweges zwischen L-L kleiner ist als der des doppelten Wege L-R, wenn
man den Luftspalt bei R berücksichtigt, da das Feld auch eher um den Hauptinduktor
heru entstehen wird als um die beiden getrennten Rückflußleiter. Der magnetische
Widerstand des Weges L-L kann durch die Verwendung eines Transformatoreisenkernes
T verringert werden. Durch solche Eisenkerne kann die Behandlung bestimmter .Teile
des Werkstükkes wirksam besinflußt werden.
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Nach den Abb. I6 bis I8 soll nur der oberste Teil 23 des Schienenkopfer
24 auf eine zum Härten erforderliche Abschrecktemperatur erhitzt werden. Hierzu
dient die bereits erwähnte Schaltung nach Abb. I9. Der Hauptinduktor 25 entspricht
dem Hauptinduktor I3 in Abb. I9 und liegt oberhalb und nahe des zu erhitzenden Teils
23. Der Strom fließt vom Transformator 26 durchs denHauptinduktor und dann aufwärts
und auswärts zum Schienenkopf durch eine Abschlußplatte 27 in den Rückflußleiter
oder mantel28 und von diesein zurück zur Stromquelle. Der Schienenkopf wird an der
Stelle 23 durch die kombinierte Wirkung der Induktion und der Hysteresis erhitzt,
wie bei Abb. I5 beschrieben. Der Rückflußleiter oder -mantel 28 -liegt nicht parallel
zu der Schienenfläche. Die Ränder des Rückflußleiters liegen unterhalb des Schienenkopfes
an seinen Seiten. Es ergibt sich also auch hier die gleiche Wirkung wies nach Abb.
I5. Da der Hauptinduktor nahe am Schieneankopf liegt, wird die Heizung etwa in der
Mixte des Schienenkopfes konzentriert. Durch Tieferleg der Seitenränder des Rückflußleiters
kann die zu erhitzende Fläche verbreitert werden.
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Bei den beschriebenen Beispielen ist keine Wassrkühlung für den Induktor
und/oder die Rückflußleiter erwähnt worden. Eine solche Kühlung bann aber natürlich
vorgesehen sein. Es sind auch verschiedene andere Anwendungen der Erfindung möglich,
wobei dann der Hauptinduktor und die Rückflußleiter in Größe und Lage der jeweig
geatellten Erhitzungsaufgabe im Sinne der Erfandung angepaßt sein müssen.