EP0462011B1 - Induktionsheizspule - Google Patents

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EP0462011B1
EP0462011B1 EP91401572A EP91401572A EP0462011B1 EP 0462011 B1 EP0462011 B1 EP 0462011B1 EP 91401572 A EP91401572 A EP 91401572A EP 91401572 A EP91401572 A EP 91401572A EP 0462011 B1 EP0462011 B1 EP 0462011B1
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EP
European Patent Office
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conductor
tube
strands
coil
transposition
Prior art date
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EP91401572A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP0462011A1 (de
Inventor
Jean Hellegouarc'h
Gérard Prost
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Rotelec SA
Original Assignee
Rotelec SA
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Filing date
Publication date
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Publication of EP0462011A1 publication Critical patent/EP0462011A1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/10—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications
    • H05B6/101—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications for local heating of metal pieces
    • H05B6/103—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications for local heating of metal pieces multiple metal pieces successively being moved close to the inductor
    • H05B6/104—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications for local heating of metal pieces multiple metal pieces successively being moved close to the inductor metal pieces being elongated like wires or bands
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/36—Coil arrangements
    • H05B6/42—Cooling of coils
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F2038/003—High frequency transformer for microwave oven

Definitions

  • the present invention relates generally to electromagnetic induction heating. It applies in particular, although not exclusively, to the heating of the edges of flat metallurgical products having to undergo hot deformation. Such products are in particular steel products which must be heated or reheated before being flattened and / or expanded by passing between the rollers of a rolling mill.
  • the presence of the capacitive assembly makes it possible to run the coil through a current of much greater intensity than that of the current supplied by the electric generator. The latter then provides only an active power actually consumed by the device, a "reactive power", for example 10 times greater, being supplied by the capacitive assembly.
  • the product to be heated often runs at high speed and may have irregularities which make it necessary to plan a long passage interval.
  • the temperature of this product is often such that a thermally insulating layer must be provided on either side of this passage interval to protect the coil and the adjoining electrotechnical structure.
  • the air gap of the magnetic circuit must be large, which results in the presence of a strong magnetic flux in the region of the coil. This leakage flux is partially useless for heating the product to be heated, but it induces currents in the conductors of the coil and therefore significant parasitic heating affecting these conductors.
  • Patent document US-A-4,176,237 further describes an induction furnace for liquid metal.
  • This oven is provided with an inductive heating coil comprising conductors connected in parallel between two electrical terminals of this coil, each said conductor comprising a cooling tube, the transport of current in this conductor being distributed between strands applied in thermal contact. against the walls of this tube, the length of this conductor comprising zones of strong deformation in which it undergoes particularly intense deformations carrying out transpositions of conductors and strands to limit the formation of stray current loops.
  • the present invention aims in particular to allow a simple manufacturing of a heating coil which is compact and which limits the energy losses of an induction heating device.
  • the transport of current in each conductor of the coil is distributed between strands which remain applied in thermal contact against a cooling tube of this conductor even in transposition or twisting zones where this conductor has undergone particularly intense deformations , this conductor having at least a twist of a half-turn between the electrical terminals of the coil.
  • FIG. 1 represents a view of a strand heating device including two coils according to the present invention.
  • Figure 2 shows an electrical diagram of this device.
  • FIG. 3 represents an overall view in elevation of a coil of FIG. 1.
  • FIG. 4 represents a bottom view of the coil of FIG. 3.
  • Figure 5 shows a partially cutaway perspective view of a lower part of the same coil.
  • FIG. 6 represents a developed view of a bar of this same coil in this same lower part.
  • Figure 7 shows a cross-sectional view of a conductor of this bar.
  • a shoreline heating device is used in a steel installation upstream of a rolling mill.
  • a flat product consisting of a thick steel sheet 1 circulates on transport rollers 2 in a direction perpendicular to the plane of the sheet and represented by the end of an arrow V.
  • This magnetic circuit is articulated around an axis 9 to allow, using a device 10, to temporarily increase the opening of the air gap 3 when the sheet 1 has a protruding defect which could strike and damage one end of the magnetic circuit.
  • the coils 7 and 8 are connected in series with each other and in parallel with a capacitive assembly 11 between the terminals of a generator 12.
  • the latter supplies an alternating voltage at a working frequency of 250 Hz.
  • the resonant circuit formed by the coils 7 and 8 and the capacitive assembly 11 is tuned to this frequency.
  • each tube T has a external surface of which at least part constitutes a thermal contact surface 28 extending over the length of this tube. It is made of a material having sufficient electrical resistivity, taking into account its transverse dimensions, to limit the currents induced in this material at the working frequency.
  • a plurality of the current transport strands B1 ... B12 extend over the length of the tube T. They are made of an electrically conductive material having an electrical resistivity lower than that of the material of this tube. Each of them has transverse dimensions smaller than those of this tube and chosen, taking into account this lower resistivity, so as to limit the currents induced in this strand at the working frequency. In addition, it rotates at least half a turn around this tube between the two electrical terminals so as to transpose the strands within the conductor.
  • Each of the strands such as B1 has a substantially flattened rectangular section and has two main faces 44, 46 which extend along a width of this strand which is parallel to the width of the tube T.
  • This strand also has two lateral faces 48, 50 which extend along a thickness of this strand which is parallel to the thickness of this tube and which is smaller than the width of this strand.
  • Only some of the strands constitute two so-called first layers of strands B1 to B3 and B7 to B9 which are applied respectively to the two main faces 28, 36 of the tube T.
  • Others of these strands constitute two second layers of strands B4 to B6 and B10 to B12 superimposed on these first two layers so as to make an indirect thermal contact between these two main faces of the tube and these two second layers through these first two layers, respectively.
  • Each of these first and second layers has the same number of strands between two and five inclusive. This number is preferably equal to three, in accordance with Figures 3 to 6.
  • Each group of conductors constitutes a bar 52 in which several conductors C1 to C5 succeed one another in an axial direction parallel to said coil axis A.
  • the coil 7 extends along said axial direction between two circular end zones each surrounding the coil axis A.
  • One of these zones comprises said electrical terminals 25, 26 and constitutes a high zone ZA.
  • the other constitutes a low zone ZB.
  • Two directions of movement are possible in said axial direction: a descending direction going from this high zone towards this low zone and a rising direction opposite to this descending direction.
  • the bar 52 starts from a first electrical terminal 20 by turning in a direct direction 54 around the coil axis A and going down. It thus forms an external winding 56 having a first diameter.
  • a first conductor C1 is placed in this winding at the bottom of this bar.
  • a second conductor C2 is placed above this first conductor, and so on until a last conductor C5 placed at the top of this bar above a penultimate conductor C4.
  • This bar rotates and descends within this winding until the first conductor C1 reaches said lower zone ZB of the coil.
  • This first conductor then has a transposition deformation which is carried out in the transposition zone ZT1 of this conductor and which causes it to join an internal winding 58 formed by the same bar 52.
  • This winding has a second diameter smaller than said first diameter and the bar 52 rises within it while rotating around the coil axis A in said direct direction.
  • the second conductor C2 located in the external winding reaches in turn the lower zone of the coil. It then has the same transposition deformation in a transposition zone ZT2 which is specific to it and which is angularly offset in said direct direction from the transposition zone of the first conductor. This deformation causes this second conductor to join the internal winding 58 while passing below the first conductor C1, and so on until the last conductor C5 reaches the low zone ZB of the coil.
  • This last conductor then has the same transposition deformation in a transposition zone ZT5 offset angularly in the same direction from a transposition zone ZT4 of the penultimate conductor C4. This transposition deformation causes the C5 conductor to join the internal winding while passing below this penultimate conductor.
  • first conductor C1 is placed in the internal winding 58 at the top of the bar 52, the second conductor C2 below this first conductor and so on until the last conductor C5 which is placed at the bottom of this closed off. The latter turns and rises within this winding to the second electrical terminal 22 in the upper zone ZA of the coil.
  • the number of conductors of a bar is five and the thicknesses of the tube and of the strands of each of these conductors are oriented in the axial direction.
  • the twist zones ZV1 to ZV5 are placed next to the transposition zones ZT1 to ZT5 so as to form regular angular successions around the axis A.

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Claims (11)

  1. Induktive Heizspule mit parallel zwischen zwei elektrischen Klemmen (20, 22) dieser Spule (7) angeschlossenen Leitern (C1), die je ein Kühlrohr (T) besitzen, wobei der Stromtransport in diesem Leiter zwischen Adern (B1 bis B12) verteilt ist, die in Wärmekontakt an Wänden dieses Rohrs anliegen, wobei dieser Leiters Längszonen erheblicher Verformung aufweist, in denen der Leiter besonders deutliche Verformungen zur Bildung von Leiter- und Adernversetzungen erfährt, um die Bildung von störenden Stromschleifen zu begrenzen, dadurch gekennzeichnet, daß die relativen Positionen dieser Adern bezüglich der Wände des Rohrs und zueinander im Querschnitt dieses Leiters im wesentlichen über die ganze Länge dieses Leiters invariabel sind, selbst in den Zonen erheblicher Verformung (ZT1, ZV1), wobei eine Versetzung zwischen diesen Adern in Form einer Verdrillung um mindestens eine halbe Umdrehung dieses Leiters in einer der Zonen erheblicher Verformung realisiert wird, die eine Verdrillungszone dieses Leiters bildet.
  2. Induktive Heizspule nach Anspruch 1, insbesondere für das Erwärmen von Rändern von durchlaufenden flächen Hüttenprodukten, die heiß verformt werden sollen, wobei die Spule aufweist:
    - zwei elektrische Klemmen (20, 22), um einen Wechselstrom einzuspeisen,
    - eine aus verschiedenen, parallel zwischen den beiden elektrischen Klemmen verbundenen Leitern bestehende Leitergruppe, die eine Wicklung um eine Spulenachse (A) bildet, wobei eine Versetzung der Leiter innerhalb dieser Gruppe mit Hilfe von Versetzungsverformungen dieser Leiter in Zonen erheblicher Verformung gebildet wird, die Umsetzungszonen dieser Leiter bilden,
    - ein Kühlrohr (T), das in jeden Leiter integriert ist und von dem mindestens ein Teil der Außenoberfläche eine Wärmekontaktoberfläche (28) bildet, die sich über die Länge des Rohrs erstreckt, wobei dieses Rohr Querabmessungen besitzt und aus einem Material mit einem bestimmten spezifischen elektrischen Widerstand besteht,
    - mehrere Stromtransportadern (B1 bis B12), die sich über die Länge des Rohres erstrecken und aus einem elektrischen Leitmaterial mit einem geringeren spezifischen Widerstand als das Material des Rohrs gebildet werden, wobei jede dieser Adern kleinere Querabmessungen als die Querabmessungen des Rohres besitzt und mindestens eine halbe Umdrehung um dieses Rohr zwischen den beiden elektrischen Klemmen vollführt, sodaß sich eine Versetzung dieser Adern innerhalb dieses Leiters ergibt, wobei mindestens manche dieser Adern einer ersten Aderschicht (B1, B2, B3) angehören und gegen die Wärmekontaktoberfläche (28) des Rohrs anliegen, sodaß sich ein Wärmekontakt ohne elektrischen Kontakt ergibt,
    - elektrische Isolationsmittel (30), um die Adern zwischen den elektrischen Klemmen zumindest gegeneinander zu isolieren,
    - Verbindungsmittel (30, 32) um die Adern in der Nähe der Wärmekontaktflächen zu halten,
    - und hydraulische Anschlüsse (24, 26), um ein Kühlfluid im Kühlrohr fließen zu lassen,
    - dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsmittel (30, 32) mechanisch ausreichen widerstandsfähig sind, um die relativen Positionen der Adern (B1 bis B12) und des Rohrs (T) in den Zonen starker Verformung (ZT1, ZV1) im wesentlichen beizubehalten.
  3. Spule nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Leiter (C1) ein inneres Harz (30) enthält, das zumindest teilweise die elektrischen Isolationsmittel (30) und die Verbindungsmittel (30, 32) bildet.
  4. Spule nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsmittel (30, 32) weiter ein elektrisch isolierendes und mechanisch widerstandsfähiges Band (32) aufweist, das eine durch das Rohr (T), die Adern (B1 bis B12) und das innere Harz (30) gebildete Einheit umgibt.
  5. Spule nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (T) einen im wesentlichen rechteckig abgeflachten Querschnitt besitzt und zwei sich in Richtung der Breite des Rohrs erstreckende Hauptseiten (28, 36) und zwei sich entlang einer Dicke des Rohrs, die kleiner als dessen Breite ist, erstrekkende kleine Seiten (38, 40) aufweist, wobei jede der Hauptseiten eine Wärmekontaktfläche bildet, und daß mindestens zwei Adern (B1, B2) der ersten Schicht (B1 bis B3) in Wärmekontakt an jeder der beiden Hauptseiten des Rohres anliegen und gegeneinander in Breitenrichtung des Rohres versetzt sind.
  6. Spule nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Adern (B1) einen im wesentlichen rechteckigen, flachen Querschnitt besitzt und zwei sich in Richtung der Breite dieser Ader, die parallel zur Breite des Rohres (T) verläuft, erstreckende Hauptseiten (44, 46) und zwei sich in Richtung einer Dicke dieser Ader, die parallel zur Dicke des Rohrs verläuft und kleiner als die Breite der Ader ist, erstreckende kleine Seiten (48, 50) enthält, wobei nur manche Adern zwei erste Adernschichten (B1 bis B3, B7 bis B9) bilden, die an die beiden Hauptseiten (28, 36) des Rohrs (T) angelegt sind, während andere dieser Adern zweite Adernschichten (B4 bis B6, B10 bis B12) bilden, die über diesen beiden ersten Schichten liegen, so daß sich ein indirekter Wärmekontakt zwischen diesen beiden Hauptseiten des Rohrs und den beiden zweiten Schichten über die jeweiligen ersten Schichten hinweg ergibt.
  7. Spule nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede der ersten und zweiten Schichten eine gleiche Anzahl Adern von zwischen zwei und fünf, vorzugsweise drei Adern enthält.
  8. Spule nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Leitergruppe einen Stab (52) bildet, in dem mehrere Leiter (C1 bis C5) in einer axialen Richtung parallel zur Achse der Spule (A) aufeinanderfolgen,
    - wobei die Spule (7) sich in dieser Axialrichtung zwischen zwei kreisförmigen Endzonen erstreckt, die je die Achse der Spule umgeben, wobei eine dieser Zonen die elektrischen Klemmen (25, 26) enthält und eine hohe Zone (ZA) bildet, während die andere Zone eine tiefe Zone bildet (ZB), wobei zwei Richtungen mit der axialen Richtung fluchten und eine absteigende Richtung von der hohen Zone zur tiefen Zone bzw. eine entgegengesetzte aufsteigende Richtung bilden, wobei der Stab (52) von einer ersten elektrischen Klemme (20) ausgeht, in direkter Richtung (54) um die Achse (A) der Spule dreht und dabei abwärts steigt, sodaß sich eine äußere Wicklung (56) mit einem ersten Durchmesser ergibt, wobei ein erster Leiter (C1) in dieser Wicklung am unteren Ende des Stabs liegt, ein zweiter Leiter (C2) über dem ersten Leiter liegt usw. bis zum letzten Leiter (C5), der oben in diesem Stab oberhalb des vorletzten Leiters (C4) liegt, wobei dieser Stab dreht und innerhalb dieser Wicklung abwärts verläuft, bis der erste Leiter (C1) die tiefe Zone (ZB) der Spule erreicht und dann eine Versetzungsverformung in einer Versetzungszone (ZT1) dieses Leiters bildet, so daß er eine innere Wicklung (58) erreicht, die von dem Stab gebildet wird und einen zweiten Durchmesser kleiner als der erste Durchmesser besitzt, wobei dieser Stab in dieser inneren Wicklung unter Drehung um die Spulenachse in direkter Richtung nach oben steigt, wobei der zweite Leiter (C2) in der äußeren Wicklung diese tiefe Zone der Spule erreicht und dort eine Versetzungsverformung in einer Versetzungszone (ZT2) dieses Leiters erfährt, die winkelmäßig in direkter Richtung ausgehend von der Versetzungszone des ersten Leiters versetzt ist, wobei diese Versetzungsverformung diesen zweiten Leiter in die innere Wicklung (58) bringt, indem er über dem ersten Leiter (C1) verläuft, usw. bis der letzte Leiter (C5) die tiefe Zone der Spule erreicht und dort eine Versetzungsverformung in einer Versetzungszone (ZT5) erfährt, die winkelmäßig in direkter Richtung gegenüber der Versetzungszone (ZT4) des vorletzten Leiters (C4) versetzt ist, wobei diese Versetzungsverformung diesen letzteren Leiter in die innere Wicklung bringt, indem er über dem vorletzten Leiter verläuft, sodaß der erste Leiter (C1) in der inneren Wicklung (58) am oberen Ende des Stabes (52) liegt, der zweite Leiter (C2) unterhalb des ersten Leiters usw., bis zum letzten Leiter (C5), der am unteren Ende dieses Stabs liegt, wobei der Stab dreht und innerhalb dieser Wicklung bis zur zweiten elektrischen Klemme (22) in der oberen Zone (ZA) der Spule ansteigt.
  9. Spule nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrillungszone (ZV1) des Leiters (C1) der Versetzungszone (ZT1) dieses Leiters benachbart ist.
  10. Spule nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (T) einen im wesentlichen rechteckigen flachen Querschnitt und zwei Hauptseiten (28, 36), die sich entlang einer Breite des Rohrs erstrecken, und zwei kleine Seiten (38, 40) besitzt, die sich entlang einer Dicke des Rohrs, die kleiner als die Breite ist erstrecken, wobei jede der Hauptseiten eine Wärmekontaktfläche bildet, und daß mindestens zwei Adern (B1, B2) der ersten Schicht (B1 bis B3) in Wärmekontakt an jede der beiden Hauptseiten des Rohrs angelegt sind und gegeneinander um die Breite des Rohrs versetzt sind.
  11. Verfahren zur Herstellung einer induktiven Heizspule, wobei dieses Verfahren folgende Schritte aufweist:
    - Herstellung eines Kühlrohrs (T) mit einer Außenoberfläche, von der mindestens ein Teil eine Wärmekontaktfläche (28) bildet, die sich über die Länge des Rohrs erstreckt, wobei das Rohr Querabmessungen besitzt und aus einem Material eines bestimmten spezifischen elektrischen Widerstands besteht,
    - Herstellung von Stromtransportadern (B1 bis B12), die kleinere Querabmessungen als die des Rohrs besitzen und aus einem Material mit einem kleineren spezifischen elektrischen Widerstand als das Rohr bestehen,
    - und die Verbindung dieser Adern mit dem Rohr mit Hilfe von Verbindungsmitteln (30, 32), die einen kontinuierlichen Wärmekontakt zwischen diesem Rohr und diesen Adern ohne elektrischen Kontakt der Adern untereinander oder mit dem Rohr gewährleisten, wodurch sich ein Leiter (C1) ergibt,
    - Herstellung einer Gruppe von Leitern (52) aus mehreren derartigen Leitern (C1, C5),
    - Aufwickeln der Leiter in Spulenform mittels einer relativ geringen Wickelverformung dieser Leiter,
    - Versetzung der Leiter innerhalb der Gruppe und der Adern innerhalb jedes Leiters, wobei diese Versetzung die Wickeloperation begleitet und mit Hilfe von örtlich relativ starken Verformungen der Leiter erfolgt,
    - Anbringen der elektrischen Klemmen (20, 22) an den Enden der Leitergruppe,
    - und Anbringen von hydraulischen Anschlüssen (24, 26) an den Enden der Kühlrohre, dadurch gekennzeichnet, daß die Versetzung der Adern (B1 bis B12) innerhalb des Leiters durch Verdrillung dieses Leiters (C1) um seine Achse (42) im Umfang von mindestens eine halbe Umdrehung erfolgt, wobei die Verbindungsmittel mechanisch ausreichend widerstandsfähig gewählt werden, um die Kontinuität des Wärmekontakts auch dort beizubehalten, wo der Leiter die relativ kräftigen Verformungen erfährt.
EP91401572A 1990-06-15 1991-06-13 Induktionsheizspule Expired - Lifetime EP0462011B1 (de)

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