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Transformator zum induktiven Erhitzen von Metallen Die Erfindung bezieht
sich auf einen Transformator zum induktiven Erhitzen von Metallteilen, bei denen
das Erhitzen mittels einer von hochfrequenten Strömen gespeisten, den zu erhitzenden
Körper dicht umschließenden Wicklung, die als Induktorschleife bezeichnet wird,
erfolgt. Solche Einrichtungen kommen zur Anwendung, wenn das Erhitzen innerhalb
sehr kurzer Zeiten erfolgen soll.
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Der Transformator ist bei diesen Einrichtungen über einen Kondensator
an eine Hochfrequenzstromquelle angeschlossen. Die Primärseite des Transformators
besteht dabei meist aus einer einlagigen zylindrischen Spule aus einem kupfernen
Rohr mit einer Kühleinrichtung. Das Rohr hat meist einen rechteckigen Querschnitt,
um eine möglichst große Anzahl von Windungen in einem kleinen Raum unterzubringen.
Die Sekundärseite des Transformators besteht meist aus einer einzigen elektrischen
Windung, die mit der Primärseite möglichst gut gekoppelt ist und entweder innerhalb
oder außerhalb der primärseitigen Spule liegt. Die Induktorschleife selbst hat wie
die Sekundärwindung auch meist eine einzige Windung öder Schleife, kann aber auch
mehrere Windungen oder Schleifen enthalten. Meist besteht die Induktorschleife
aus
einem ringförmigen Hohlkörper kräftiger Bauart und geringer Größe, der aufgeschnitten
ist und sich um das Werktück dicht herumlegt. Diese Induktorschleife ist mit der
Sekundärseite des Transformators in Reihe geschaltet und kann einen hohen hochfrequenten
Strom aufnehmen. Infolge der hohen Frequenz des Stromes braucht in dem System kein
Eisenkern vorgesehen zu sein. \ötigenfalls kann aber auch ein Eisenkern entweder
in dem Transformator oder in der Iiiduktorschleife oder in beiden vorgesehen sein.
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Mittels einer solchen Einrichtung können schnelle und hohe Erhitzungen
durchgeführt «-erden, wobei allerdings der Wirkungsgrad im Vergleich mit anderen
Erhitzungsverfahren verhältnismäßig niedrig ist. Wenn man für eine gewöhnliche Einrichtung
zur Induktionserhitzung einen elektrischen Wirkungsgrad von 5o bis 7011/o annehmen
kann, so ist der Wirkungsgrad bei Benutzung einer Induktorschleife in der Größenordnung
von 15 bis ;011/o; bei schlechter elektrischer Kopplung kann der Wirkungsgrad sogar
bis auf 5 "/o heruntergehen. Nun ist der Wirkungsgrad zwar von Bedeutung, aber nicht
von entscheidender Bedeutung. In verschiedenen Fällen kann auch bei dem geringsten
Wirkungsgrad die Anwendung der Induktorschleife wirtschaftlich sein, z. B. in den
Fällen, wo ein anderes Erhitzungsv erfahren überhaupt nicht anwendbar ist.
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Die Kopplung zwischen der das Werkstück umfassenden Induktorschleife
und dem Werkstück selbst ist schlecht, wenn beispielsweise das Werkstück verhältnismäßig
klein ist oder eine unregelmäßige Gestalt besitzt. In solchen Fällen sinkt der Wirkungsgrad
der gesamten Einrichtung stark ab. Dieses Absinken erfolgt dadurch, daß bei einer
Einrichtung der üblichen Bauart die das Werkstück umfassende Induktorschleife weniger
als ein Glied wirkt. welches Leistung an das Werkstück abgibt, sondern als eine
Kurzschlußleitung für die Sekundärseite des Transformators. Ist nun die Kopplung
zwischen der Primär- und der Sekundärwindung verhältnismäßig schlecht, so sinkt
die Spannung im Sekundärteil stark ab.
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Die Erfindung bezweckt nun die Erzielung eines besseren Spannungsverhältnisses
unter Last zwischen dem Primär- und Sekundärteil. Zu diesem Zweck wird bei einem
Transformator zum induktiven Erhitzen von 1Zetallen, bestehend aus einer mehrere
mit hoch- I frequentem Wechselstrom gespeiste Wicklungen enthaltenden Primärspule
und einem Sekundärteil, der in Reihe mit einer das Werkstück umfassenden Induktorschleife
liegt, gemäß der Erfindung der Sekundärteil aus mehreren in dein von der Primärspule
erzeug-
ten Feld liegenden Sektoren gebildet, die elektrisch parallel geschaltet
und mit der Induktorschleife verbunden sind. Zweckmäßig wird dabei die Impedanz
des Sekundärteiles annähernd gleich der Impedanz der Last, d. 1i. der Induktorschleife
mit Werkstück. gemacht. Es ist zwar bereits bekannt, die Impedanz eines Verbrauchers
annähernd gleich der des Stromerzeugers zu machen, aber nur in Anwendung auf eine
Schweißmaschine.
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\ach einer weiteren vorteilhaften Einzelheit der Erfindung besteht
der Sekundärteil aus einer einzigen, in mehrere Sektoren unterteilten Windung. Hierbei
ist die Anzahl der Sektoren des Sekundärteiles unigekehrt proportional zur Dicke
des Werkstückes. Es kann schließlich der Sekundärteil senkrecht zu seiner Achse
in mehrere parallel geschaltete Windungen zerlegt sein. Weitere vorteilhafte Einzelheiten
der Erfindung sind im nachfolgenden beschrieben.
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Die Erfindung hat denn \-orteil. daß der Widerstand und also auch
die Impedanz des Sekundärteiles verringert «-erden. ohne den gesamten Strom in der
Induktorschleife zu verringern. Infolge der geringeren Impedanz im Sekundärteil
wird der Strom im Gegenteil größer, so daß sowohl eine bessere Regelung des Erhitzungsvorganges
als auch ein höherer gesamter elektrischer Wirkungsgrad erzielt wird. Bei einer
Unterteilung der Sekundärwindung in z. B. ir Teile wird durch jeden Umfangsteil
ein Strom von der Gröle i : ja induziert. Sind alle Umfangsteile parallel
geschaltet, so liefern sie zusammen den gleiclieii Strom wie eine vollständige Sekundärwindung.
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Läßt man den Widerstand der Rückführungen der einzelnen Umfangsteile
außer acht, so hat der Widerstand sämtlicher /c Um-
fangsteile bei ihrer Parallelschaltung
nur die Größe 1 .112 des Widerstandes einer vollständigen Windung. Es wird infolgedessen
durch die Erfindung, auch unter Berücksichtigung der Widerstände der Rückführung
der einzelnen Umfangsteile, die gesamte Impedanz durch die Unterteilung wesentlich
herabgesetzt gegenüber der Impedanz bei Benutzung einer vollständigen Windung.
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Die -Anzahl der Umfangsteile hängt ini wesentlichen von der Gestalt
und Art des Werkstückes ab. Ist der Durchmesser des Werkstückes klein, so erhält
man einen besseren Wirkungsgrad bei einer großen Anzahl der Umfangsteile, und umgekehrt.
Der beste Wirkungsgrad ergibt sich. wenn die Impedanz der induzierenden Induktor
schleife einschließlich der Last gleich ist der Reaktaniz des Sekundärteiles des
Transformators. Praktische
Versuche bestätigten dies, wobei es
sich zeigte, daß beim Unterteilen der Sekundärwindung in mehrere Umfangsteile eine
Verbesserung des Wirkungsgrades bis zu 30'/o erzielt wurde.
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Die Zeichnung veranschaulicht einige Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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Abb. i und 2 zeigen schematisch die bekannte Induktorschaltung mit
außerhalb bzw. innerhalb der Primärspule untergebrachtem Sekundärteil des Transformators;
Abb. 3 zeigt schaubildlich die erfindungsgemäße Induktoreinrichtung mit schematisch
angedeuteter Schaltung; Abb. q., 5 und 6 zeigen schematisch die Schaltungen der
erfindungsgemäßen Einrichtung mit verschiedener Anzahl der Umfangsteile der Sekundärwindung,
wobei in Abb. 5 auch noch die Benutzung eines Eisenkernes angedeutet ist.
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Bei der normalen Schaltung des Fokusinduktors nach Abb. i ist i eine
Hochfrequenzstromquelle, 2 die von ihr gespeiste Primärseite des Transformators,
3 ein Kondensator der Primärseite. Die Sekundärwindung q. umgibt die Primärwindung
:2 und besitzt eine Induktorschleife 5, die in dem Werkstück Wirbelströme zwecks
Erhitzung erzeugt.
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Nach der Abb.2 ist die Sekundärwindung 6 mit der induzierenden Schleife
5 innerhalb der Primärspule :2 angeordnet: Es ist eine Frage der Zweckmäßigkeit
und der örtlichen Verhältnisse sowie der Gestalt des Werkstückes und seiner Größe,
ob die Einrichtung nach Abb. i oder nach Abb. 2 im einzelnen Fall zu verwenden ist.
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In der den Erfindungsgegenstand veranschaulichenden Abb. 3 ist i wiederum
die Hochfrequenzstromquelle, 7 die die Primärseite des Transformators darstellende
mehrwindige Spule, 3 der zu ihrer Kompensierung dienende Kondensator. Die Spule
7 ist, wie veranschaulicht, als einlagige Spule ausgebildet. Die Kühleinrichtung
für die Spule ist der Einfachheit halber nicht dargestellt worden. Es kann eine
hohle, rechteckige und wasserdurchflossene Spule sein. Zwischen den einzelnen Lagen
der Spule können isolierende Schichten vorgesehen sein, ebenfalls zwischen der Pririzärspule
7 und dem Sekundärteil 8 des Transformators. Dieser Sekundärteil ist in dem veranschaulichten
Beispiel aus drei Teileng, io und i i zusammengesetzt, die zusammen eine vollständige
elektrische Windung bilden und gegeneinander parallel geschaltet sind. Hierzu sind
die Rückleitungen i2, 13 und 1q. der Umfangsteile 9, 1o und ii mit .einem
axial vorgesehenen Bolzen 15 verbunden, während die anderen Enden 16,
17
und 18 der Umfangsteile mit Stangen i9, 2o (nicht veranschaulicht) und
21 verbunden sind, die an ein gemeinsames Stück 22 angeschlossen sind, welches ein
Anschlußstück 23 trägt. Außerdem ist der Sekundärteil durch Schlitze 24 in seiner
axialen Länge unterteilt, um die Wirbelstromverluste zu verringern. Zwischen den
Enden der Umfangsteile 12 und 16, 13 und 17 sowie 14 und 18 als auch zwischen
den Bolzen 15 und den Stangen i9, 2o, 21 können Isolierungen vorgesehen sein,
die der Einfachheit halber nicht veranschaulicht sind.
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Die das Werkstück umfassende Induktorschleife 25 ist durch Schrauben
26 mit einem Ende an dem Bolzen 15 und mit dem anderen Ende an dem Anschlußstück
23 befestigt.
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In den Abb. q., 5, 6 befindet sich der Sekundärteil innerhalb des
Primärteiles des Transformators.
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In Abb. q. besteht die Sekundärwindung 27 aus zwei parallel geschalteten
Umfangsteilen, in Abb. 5 aus drei (28) und in Abb. 6 aus vier (29). Die Umfangsteile
sind an einem Ende fest miteinander verbunden, während die anderen Enden parallel
so zusammengeschaltet sind, wie es für Abb. 3 beschrieben wurde.
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In Abb. 5 sind Eisenkerne 30 für den Sekundärteil 28 des Transformators
vorgesehen. Die Anzahl der Umfangsteile der Sekundärwindung ist nicht beschränkt
und richtet sich, wie bereits gesagt, nach der Art und Größe des Werkstückes und
den sonstigen örtlichen Verhältnissen, wobei die Anzahl etwa umgekehrt proportional
der Dicke des Werkstückes gewählt werden kann.