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Vorrichtung zum elektroinduktiven 0ber#lächenerhitzen von Hohlkörpern
Die Erfindung betrifft eine .Vorrichtung zum elektroinduktiven, Oberflächenerhitzen
von Hohlkörpern vorzugsweise zu dem Zweck, die erhitzten Flächen durch anschließendes
Abschrecken zu härten.
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Es ist bekannt, das Oberflächenerhitzen von Werkstücken dadurch vorzunehmen,
daß um: das Werkstück herum eine Induktionsspule gelegt wird, :die ein- oder mehrwindig
sein kann und unmittelbar oder unter Zwischenschaltung eines Transformators mit
einer Stromquelle verblinden ist. Zum Erhitzen von Hohlkörpern ist ferner vorgeschlagen
worden, eine entsprechende Zylinderspule in den Innenraum des Hohlkörpers einzuführen,
um auf diese Weise die erforderlichen Induktionsströme zu erzeugen. Vorrichtungen
dieser Art haben jedoch den Nachteil, daß ihr Wirkungsgrad, insbesondere der elektrische
Wirkungsgrad, schlecht ist, was im wesentlichen auf eine im Verhältnis zur,Wirkleistung
verhältnismäßig hohe Blindleistung zurückzuführen ist. Nach nicht vorbekannten Vorschlägen
ist daher der Versuch gemacht worden,
die Spulen so anzuordnen,
daß die induzierten Ströme axial in den Wandungen des Hohlkörpers fließen, wodurch
gewisse elektrische und thermische Vorteile erzielt wurden. Zum Erhitzen der gesamten
Oberflächen des Werkstücks muß hierbei jedoch das Werkstück in Umlauf versetzt werden,
was unter Umständen gewisse mechanische Schwierigkeiten mit sich bringt. Aus konstruktiven
Gründen ist es daher erwünscht, eine Spule zu verwenden, die in an sich bekannter
Weise zylindrisch ausgebildet ist, wodurch im Werkstück Ströme induziert werden,
die sich auf dem Umfang schließen,-so däß ein Umlauf des Werkstücks während der
Erhitzung nicht erforderlich ist und eine Bewegung in Achsrichtung nur dann, wenn
das Werkstück länger ist als die Spulenhöhe. Gleichzeitig soll aber mit einer derartigen
Vorrichtung sowohl die Innen- als auch die Außenwandung auf vorbestimmte Temperaturen
erwärmt werden können, wobei der den bekannten Anordnungen anhaftende schlechte
Wirkungsgrad wesentlich erhöht ist.
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Erfindungsgemäß wird dies durch eine Vorrichtung erreicht, bei -welcher
zwei miteinander kombinierte; synchron gespeiste Induktionsspulen in Reihen- oder
Parallelschaltung vorgesehen sind, von denen eine im inneren Hohlraum des Werkstücks
angeordnet ist, während die andere den Hohlkörper von außen - umfaßt, und bei welcher
zur Steuerung der Aufheizung über den Werkstückquerschnitt das resultierende %Iagnetfeld
durch Veränderung der Stärke und Richtung der Einzelmagnetfelder beeinflußt wird.
Entsprechend der Aufgabenstellung, das Werkstück außen, innen oder außen und innen
auf eine vorbestimmte Temperatur zu erhitzen, werden die Spulen gegensinnig, gleichsinnig
oder aber in einer bestimmten Phasenlage zueinander erregt.
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Im nachfolgenden wird eine Vorrichtung gemäß der Erfindung an Hand
eines Ausführungsbeispiels in ihrer Wirkungsweise näher erläutert.
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In Abb. i ist schematisch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung, angewendet
auf die Härtung des rohrförmigen Körpers i, dargestellt. Der Körper ist teilweise
geschnitten, um die Lage der Spulen zu zeigen. Außen um den Körper herum ist eine
mehrwindige Spule 2 mit Einzelwindungen 3 gelegt. Die Einzelwindungen dieser Spule
können untereinander parallel oder in Reihe geschaltet sein. Auf gleicher Höhe befindet
sich in der Innenbohrung6 des Werkstücks eine zweite Spule .I, die ebenfalls aus
mehreren reihen- oder parallelgeschalteten Windungen 5 besteht. Wenn, wie im Fall
der Abb. i, der Körper eine große Längserstreckung aufweist, so muß, um ein gleichmäßiges
Erhitzen und Härten der Oberflächen auf der gesamten Länge zü erzielen. das Werkstück
relativ zur Spule, beispielsweise in Richtung des Pfeils ;, bewegt werden. Ein Umlauf
des Werkstücks dagegen ist nicht erforderlich.
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Die beiden Spulen sind elektrisch aufeinander abzustimmen, wobei die
Speisung von der gleichen Stromquelle aus erfolgen kann, und zwar soll die Speisung
synchron erfolgen. Durch Zuschaltung geeigneter Kapazitäten oder Induktivitä ten
oder durch Verwendung beider Mittel kann erreicht werden, daß die Ströme in beiden
Spulen eine gewisse Phasenverschiebung aufweisen, was zur Erzielung eines bestimmten
Temperaturverlaufs von I,,-orteil sein kann. Die Abstimmung der beiden Spulen aufeinander,
insbesondere die Abstimmung des Amperewindungsverhältnisses, kann auf verschiedene
Weise sichergestellt werden, so beispielsweise durch das Einschalten von Widerständen
in die Zuleitungen oder, wie dies in Ahb. i dargestellt ist, durch Anwendung verschiedener
Windungszahlen oder Abmessungen bei den einzelnen Spulen.
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Sehr wesentlich ist es, in welcher Richtung die Speisung der beiden
Induktoren erfolgt. je nachdem, ob die Spulen gleichsinnig oder gegensinnig gespeist
werden, ist es unter gleichzeitiger Anwendung der soeben geschilderten Abstimmung
der Spulen aufeinander möglich. entweder nur die Außenwandung des Hohlkörpers oder
nur die Innenwandung der Bohrung zu erhitzen bzw. zu härten. Auch das Erhitzen bzw.
Härten beider Wandungen gleichzeitig ist möglich.
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Die auftretenden Verhältnisse sind in den Abb.2 und 3 schematisch
dargestellt. Der Ring i nach Abb. 2 ist in eine Vorrichtung gemäß der Erfindung,
_ bestehend aus zwei kombinierten Spulen; eingesetzt. Die Außenfläche wird umfaßt
von einer mehrwindigen Spule 2 mit `Vindungen 3, die aus ',#Tollkupferkörpern oder
aus wassergekühlten Kupferrohren bestehen können. In der Bohrung des Ringes ist
der Induktor. vorgesehen, der ebenfalls aus mehreren Windungen 5 besteht. Wird die
äußere Spule 2 mit einem Strom gespeist, dessen Richtung durch die Pfeilspitzen.6
und die Pfeilenden_7_ gekennzeichnet ist, so bildet sich um die Spule ein magnetisches
Feld 8- aus, welches bei g auch die Innenbohrung durchsetzt. Wird der Inneninduktor
4 gegensinnig gespeist, wie dies durch die Pfeilspitzen io und Pfeilenden ii angedeutet
ist, so bildet sich ein magnetisches Feld i2, und dieses magnetische Feld wirkt
im Innenraum des Ringes bzw. des Induktors.; dem Feld 9 des Außeninduktors entgegen.
Das magnetische Feld 8 des Außeninduktors dagegen wird durch das magnetische Feld
12 verstärkt. Es ist ersichtlich, daß hierdurch der
im Werkstück
, induzierte Strom nach den Außenwandungen hin stärker wirken wird als an den Innenwandungen
der Bohrung. Das Werkstück wird mithin vornehmlich auf den Außenflächen aufgeheizt,
während an den Wandungen der Bohrung eine nennenswerte Erwärmung nicht eintritt.
Der Wirkungsgrad einer solchen Einrichtung ist deshalb besonders groß, weil, wie
aus der Abb. 2 ersichtlich, das magnetische Feld im Innenraum der Bohrung bzw. im
Innenraum des Induktors geschwächt oder bei entsprechender Abstimmung der Spulen
aufeinander aufgehoben wird.
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Die Abb. 3 zeigt die gleiche Anordnung wie Abb.2, jedoch ist, wie
aus den Strompfeilen6, 7 und io, ii ersichtlich, die Stromrichtung in beiden Spulen
in jeder Phase des Wechselstromes gleichgerichtet. Der äußere Induktor 2 bildet
wiederum die magnetischen Felder 8 und 9, während der Inneninduktor 4 das magnetische
Feld 12 ausbildet, wobei die Felder i2 und 8 entgegengesetzt gerichtet und die Felder
12 und 9 gleichgerichtet sind: Das Gesamtfeld im Innern des Inneninduktors wird
mithin verstärkt, während das Feld zu den äußeren Teilen des Werkstücks geschwächt
wird. Dies hat zur Folge, daß die im Werkstück induzierten Ströme nach dei Innenwandung
der Bohrung abgedrängt werden. Es tritt mithin eine starke Rufheizung der Innenwandungen
auf.
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Die beiden beschriebenen Fälle stellen gewissermaßen die Extremfälle
dar, zwischen denen Übergangsformen möglich sind. Durch Abgleichung des Amperewindungsverhältnisses
der beiden Spulen und durch Verschiebung der Phasenlage der Primärheizströme in
den Spulen zueinander kann auch eine zusätzliche Rufheizung derjenigen Wb.ndung--erzielt
werden, die bei den sonst gewählten Stromrichtungen und magnetischen Verhältnissen
an sich die geringereAufheizung zeigen würde. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung
bietet daher die Möglichkeit, den verschiedensten in der Praxis vorkommenden Forderungen
auf Innen- und Außenhärtung zylindrischer Hohlkörper gerecht zu werden, wobei z.
B. auch die Lösung der Aufgabe keine besondere Schwierigkeit bietet, nach welcher
an der Außenfläche eine besonders tiefe Einhärtung, an der Wandung der Bohrung dagegen
nur eine geringe Einhärtung erfolgen soll.
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Die Anwendung der Vorrichtung ist selbstverständlich nicht beschränkt
auf rein zylindrische Körper, vielmehr können auch bei entsprechender Formgebung
des Spulenumfanges Körper mit ovalem Querschnitt, rechteckigem Querschnitt mit abgerundeten
Ecken u. dgl. behandelt werden.