EP0765592B1 - Verlustarme induktionsspule zum erwärmen und/oder schmelzen von metallischem gut - Google Patents

Verlustarme induktionsspule zum erwärmen und/oder schmelzen von metallischem gut Download PDF

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EP0765592B1
EP0765592B1 EP95917895A EP95917895A EP0765592B1 EP 0765592 B1 EP0765592 B1 EP 0765592B1 EP 95917895 A EP95917895 A EP 95917895A EP 95917895 A EP95917895 A EP 95917895A EP 0765592 B1 EP0765592 B1 EP 0765592B1
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hollow
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    • 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
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    • H05B6/22—Furnaces without an endless core
    • H05B6/24—Crucible furnaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B14/00—Crucible or pot furnaces
    • F27B14/06—Crucible or pot furnaces heated electrically, e.g. induction crucible furnaces with or without any other source of heat
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    • H—ELECTRICITY
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    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/36—Coil arrangements
    • H05B6/42—Cooling of coils

Definitions

  • the invention relates to a low-loss induction coil for Heating and / or melting of metallic material, with from strand-shaped hollow bodies formed, leading a coolant Coils.
  • Induction coils of the type mentioned above which consist of copper waveguides. Through this waveguide the induction current is conducted while a fluid coolant, e.g. Water flowing through the inside of the waveguide. Induction coils designed in this way in the end regions there is an increased loss of energy because it increases there occurring magnetic cross fields in the copper waveguide Induce eddy currents.
  • a fluid coolant e.g. Water flowing through the inside of the waveguide.
  • induction coils have compared to the induction coils from waveguides the disadvantage that their manufacture and also those necessary to ensure adequate cooling Measures are more complex and more expensive.
  • the individual conductors or strands must be in spite of the surrounding electrically insulating means, e.g. Lacquer or Insulation hose, in good thermal contact with the Coolant.
  • the present invention has for its object an induction coil of the type mentioned at the outset, which is effective and inexpensive losses over the entire coil length reduced.
  • this object is achieved in that in the Windings in at least one of the end areas of the induction coil a current-carrying element in the form of at least a strand made of isolated single conductors provided is and that the remaining turns as a waveguide trained and each electrically to the current-carrying element are connected.
  • the coil according to the invention can be designed such that the strand-like hollow body receiving the strand (s) a non-magnetic, poorly conductive material.
  • the induction coil according to the invention can also be designed in this way be that the strand-shaped receiving the strand (s) Hollow bodies are made of V2A stainless steel.
  • V2A stainless steel also has for the application concerned here its thermal and chemical resistance low electrical conductivity. This will the occurrence of eddy currents in which the fluid coolant leading strand-shaped hollow body avoided.
  • the induction coil according to the invention can do so be carried out that the waveguide and the single conductor the strand (s) are made of copper.
  • the induction coil according to the invention can also be designed in this way be that every strand of a thermal and against the coolant-resistant insulation is surrounded.
  • the induction coil according to the invention can also be designed in this way be that within a strand a coolant Cooling channel is provided.
  • the induction coil according to the invention can do so be designed so that several strands form a strand bundle, that of a thermally and coolant resistant Isolation is surrounded.
  • the induction coil according to the invention can also be designed in this way be that within a bundle of strands the coolant leading cooling channel is provided.
  • the induction coil according to the invention can be designed in this way be that the cross section of the strand-shaped hollow body is rectangular.
  • the induction coil according to the invention can do so be formed that on the adjacent to the waveguide End of each strand-shaped hollow body receiving the strand (s) on the outside of the coil with the strand (s) electrically connected power connector is attached.
  • the rectangular profile of the strand-shaped hollow body causes a higher position stability compared to round profiles of the individual turns lying on top of each other. Furthermore is given the width and height of the hollow body for given dimensions in the case of a rectangular profile, the volume of what is enclosed with it Space, which also means the coolant throughput is maximized. In addition, distracting free spaces between trained waveguides practically turned off will.
  • Fig. 1 shows schematically an induction furnace with a Crucible 1 for receiving a metallic, not shown here Good and with an induction coil 2, whose magnetic field Eddy currents are generated in the metallic material, which warm this good.
  • the turns of the induction coil 2 are made of strands Hollow bodies 3.4 formed with a rectangular profile.
  • the area of the induction coil 2 is the hollow body Current-carrying waveguide 3 made of copper.
  • the end region of the induction coil 2 consists of the hollow body 4 on the other hand made of V2A stainless steel, and the induction current is within this hollow body 4 by strands 6 made of copper headed.
  • At the transition between waveguide 3 and hollow body 4 are means for electrical connection 7 of the strand 6 to the waveguide 3 only shown schematically.
  • the cooling rings 5 do not carry induction current, but only conduct a fluid coolant.
  • FIG. 2 shows an enlarged cross section of a hollow body 4 with a strand 6 running through it.
  • the hollow body 4 has a compared to the copper low electrical conductivity, which is why in its walls no significant eddy currents due to alternating magnetic fields be induced.
  • the strand 6 consists of a Large number of isolated individual conductors, so that no extensive eddy currents are induced here either can.
  • the strand 6 is surrounded by a hose 8 which the strand 6 holds together against mechanical loads and also against possible effects of the fluid coolant protects.
  • a cooling channel 9 is provided.
  • Fig. 4 illustrates how the electrical connection of the Strand 6 can be performed on the waveguide 3.
  • a connection piece 10 is provided, via the a tube 11 made of glass fabric is put over.
  • the other The end of the tube 11 is a tube 11 that seals the tube, electrically conductive plug 12, e.g. made of copper, used, the one with the wire at one end electrically 6 is connected and at its other end outside the Hose 11 has a power connector 13.
  • electrically conductive plug 12 e.g. made of copper
  • the plug 12 also has a coolant channel 14 which allow the coolant to escape or be passed on can.

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Description

Die Erfindung betrifft eine verlustarme Induktionsspule zum Erwärmen und/oder Schmelzen von metallischem Gut, mit aus strangförmigen Hohlkörpern gebildeten, ein Kühlmittel führenden Windungen.
Es sind Induktionsspulen der oben genannten Art bekannt, die aus Kupferhohlleitern bestehen. Durch diese Hohlleiter wird der Induktionsstrom geführt, während ein fluides Kühlmittel, z.B. Wasser, das Innere der Hohlleiter durchströmt. In den Endbereichen derartig gestalteter Induktionsspulen kommt es zu erhöhten Energieverlusten, da die dort verstärkt auftretenden magnetischen Querfelder im Kupferhohlleiter Wirbelströme induzieren.
Aus der EP 0 240 099 A2 ist es bekannt, den Induktionsstrom ausschließlich durch mehrere parallel zueinander verlaufende, gegeneinander isolierte, zu Litzen zusammengefaßte Einzelleiter zu führen. Dabei ist der Querschnitt der Einzelleiter so dimensioniert, daß keine wesentlichen Wirbelströme in den Endbereichen derartiger Induktionsspulen auftreten können.
Diese Induktionsspulen haben gegenüber den Induktionsspulen aus Hohlleitern den Nachteil, daß ihre Herstellung und auch die für die Gewährleistung einer ausreichenden Kühlung erforderlichen Maßnahmen aufwendiger und kostspieliger sind. Die Einzelleiter bzw. Litzen müssen trotz der sie umgebenden elektrisch isolierenden Mittel , z.B. Lack oder Isolationsschlauch, in einem guten thermischen Kontakt zum Kühlmittel stehen.
Ein weiterer Nachteil des Stromtransportes durch Litzen, d.h. durch eine Vielzahl von Einzelleitern, ergibt sich aus der dadurch bedingten räumlichen Verteilung der Stromdichte. Da jeder Einzelleiter Strom führt, ist die Stromdichte in etwa gleichmäßig über dem Litzenquerschnitt verteilt und damit der mittlere Abstand zwischen Induktionsstrom und dem zu erwärmenden metallischen Gut in etwa durch die Litzenmitte bestimmt. Bei Hohl leitern dagegen konzentriert sich die Stromdichte auf den der Innenfläche der Induktionsspule zugewandten Teil des Hohl leiterquerschnittes. Bei gleichem Spuleninnenradius ist also bei einer Litzenspule der mittlere Abstand zwischen Induktionsstrom und dem zu erwärmenden metallischen Gut höher, womit hier gleichzeitig die durch diesen Abstand verursachten Verluste größer sind.
Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, eine Induktionsspule der eingangs erwähnten Art bereitzustellen, die wirksam und kostengünstig die Verluste über die gesamte Spulenlänge reduziert.
Bei einer Induktionsspule der eingangs erwähnten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in den Windungen in zumindest einem der Endbereiche der Induktionsspule ein stromführendes Element in Form von mindestens einer aus isolierten Einzel leitern bestehenden Litze vorgesehen ist und daß die restlichen Windungen als Hohlleiter ausgebildet und jeweils an das stromführende Element elektrisch angeschlossen sind.
Bei einer solchen Spule kommen die Vorteile der hier miteinander kombinierten Spulenbauweisen zur Geltung:
In den Endbereichen wird der Strom durch Litzen geführt, wodurch Verluste aufgrund von Querfeldern weitgehend vermieden werden. Desweiteren hat sich empirisch gezeigt, daß bei der Verwendung von Litzenleitungen der aktive Bereich der Spule länger ist als bei der Verwendung von Hohlleitern. Der Grund hierfür ist vermutlich eine geringere Durchlässigkeit der Litzenwindungen für Querfelder, da hier die Stromdichte gleichmäßig über dem Litzenquerschnitt verteilt ist. Bei Hohlleitern kann sich dagegen die Stromdichte auf Teilbereiche des Querschnittes konzentrieren, wodurch andere Bereiche nahezu stromfrei bleiben und so Lücken für den Durchtritt von Querfeldern bieten.
Im Mittelbereich der Spule, wo das induzierte Magnetfeld keinen wesentlichen Betrag in radialer Richtung hat, wird mit den Hohl leitern die einfache und kostengünstige Bauvariante eingesetzt. Außerdem wird durch die Verwendung von Hohl leitern der mittlere Abstand der Stromdichte zu dem zu erwärmenden Gut minimiert, womit auch die abstandsbedingten Verluste minimiert werden.
Die erfindungsgemäße Spule kann so ausgebildet sein, daß die die Litze(n) aufnehmenden strangförmigen Hohlkörper aus einem unmagnetischen, schlecht leitenden Material bestehen.
Die erfindungsgemäße Induktionsspule kann auch so ausgeführt sein, daß die die Litze(n) aufnehmenden strangförmigen Hohlkörper aus V2A-Edelstahl bestehen.
V2A-Edelstahl hat für die hier betroffene Anwendung neben seiner thermischen und chemischen Beständigkeit den Vorteil einer geringen elektrischen Leitfähigkeit. Hierdurch wird das Auftreten von Wirbelströmen in dem das fluide Kühlmittel führenden strangförmigen Hohlkörper vermieden.
Desweiteren kann die erfindungsgemäße Induktionsspule so ausgeführt sein, daß die Hohlleiter und die Einzelleiter der Litze(n) aus Kupfer hergestellt sind.
Die erfindungsgemäße Induktionsspule kann auch so ausgeführt sein, daß jede Litze von einer thermisch und gegen das Kühlmittel beständigen Isolation umgeben ist.
Hierdurch werden die Einzelleiter der Litze zusammengehalten und außerdem gegen mechanische Belastungen sowie gegen eine möglicherweise schädliche Einwirkung des Kühlmittels geschützt.
Die erfindungsgemäße Induktionsspule kann auch so ausgelegt sein, daß innerhalb einer Litze ein ein Kühlmittel führender Kühl kanal vorgesehen ist.
Hierdurch kann auch bei hohen Stromstärken eine ausreichende Wärmeabfuhr gewährleistet werden.
Desweiteren kann die erfindungsgemäße Induktionsspule so ausgebildet sein, daß mehrere Litzen ein Litzenbündel bilden, das von einer thermisch und gegen das Kühlmittel beständigen Isolation umgeben ist.
Die erfindungsgemäße Induktionsspule kann auch so ausgebildet sein, daß innerhalb eines Litzenbündels ein das Kühlmittel führender Kühl kanal vorgesehen ist.
Außerdem kann die erfindungsgemäße Induktionsspule so ausgebildet sein, daß der Querschnitt der strangförmigen Hohlkörper rechteckig ist.
Schließlich kann die erfindungsgemäße Induktionsspule so ausgebildet sein, daß an dem am Hohlleiter angrenzenden Ende jedes die Litze(n) aufnehmenden strangförmigen Hohlkörpers an der Spulenaußenseite eine mit der (den) Litze(n) elektrisch verbundene Stromanschlußklemme angebracht ist.
Das rechteckige Profil der strangförmigen Hohlkörper bewirkt gegenüber runden Profilen eine höhere Lagestabilität der einzelnen aufeinanderliegenden Windungen. Desweiteren ist bei gegebenen Abmessungen von Breite und Höhe des Hohlkörpers beim rechteckigen Profil das Volumen des damit umschlossenen Raumes maximal, womit auch der Kühlmitteldurchsatz maximiert wird. Zudem können störende Freiräume zwischen so ausgebildeten Hohl leitern praktisch ausgeschaltet werden.
Bei den als elektrische Hohlleiter ausgebildeten Windungen wird durch das rechteckige Profil der radiale Abstand zwischen Stromleiter und dem metallischen Gut gleichmäßig gering gehalten, während bei einem runden Hohlleiter dieser Abstand periodisch verändert wird. Die sich beim Rechteckprofil ergebende Gleichmäßigkeit dieses Abstands ist von Vorteil, da, wie oben schon ausgeführt, in dem aus einem Hohlleiter bestehenden Teil einer Induktionsspule die Induktionsstromdichte im Bereich der Spuleninnenseite maximal ist. Somit verläuft über die Länge der Hohlleiterspule betrachtet im Mittel der Induktionsstrom bei rechteckigem Profil näher am metallischen Gut, womit Verluste verringert werden.
Im folgenden werden einige Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Induktionsspule anhand von Zeichnungen beschrieben.
Es zeigt
Fig. 1:
in schematischer Darstellung einen Induktionsofen mit erfindungsgemäß ausgebildeter Induktionsspule im Axialschnitt,
Fig. 2:
in schematischer Darstellung den Querschnitt eines strangförmigen Hohlkörpers in einem der axialen Endbereiche der Spule mit einer Litze als stromführendes Element,
Fig. 3:
eine Darstellung gem. Fig. 2 mit einem in der Litze vorgesehenen Kühl kanal und
Fig. 4:
in schematischer Darstellung den Stromanschluß einer Litze zur Kopplung mit einem elektrischen Hohlleiter.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Induktionsofen mit einem Tiegel 1 zur Aufnahme eines hier nicht dargestellten metallischen Gutes und mit einer Induktionsspule 2, deren Magnetfeld im metallischen Gut Wirbelströme erzeugt, welche dieses Gut erwärmen.
Die Windungen der Induktionsspule 2 sind aus strangförmigen Hohlkörpern 3,4 mit rechteckigem Profil gebildet. Im mittleren Bereich der Induktionsspule 2 sind die Hohlkörper den Strom führende Hohlleiter 3 aus Kupfer. Im oberen und unteren Endbereich der Induktionsspule 2 bestehen die Hohlkörper 4 dagegen aus V2A-Edelstahl, und der Induktionsstrom wird innerhalb dieser Hohlkörper 4 durch Litzen 6 aus Kupfer geleitet. Am übergang zwischen Hohlleiter 3 und Hohlkörper 4 sind Mittel zum elektrischen Anschluß 7 der Litze 6 an den Hohlleiter 3 nur schematisch dargestellt.
Oberhalb und unterhalb der Induktionsspule 2 sind zur Erhöhung der Wärmeabfuhr Kühl ringe 5 angebracht. Die Kühl ringe 5 führen keinen Induktionsstrom, sondern leiten lediglich ein fluides Kühlmittel.
Fig. 2 zeigt vergrößert den Querschnitt eines Hohlkörpers 4 mit einer darin verlaufenden Litze 6. Aus V2A-Edelstahl bestehend hat der Hohlkörper 4 eine im Vergleich zum Kupfer niedrige elektrische Leitfähigkeit, weshalb in seinen Wänden keine wesentlichen Wirbelströme durch magnetische Wechselfelder induziert werden. Die Litze 6 besteht aus einer Vielzahl von gegeneinander isolierten Einzelleitern, so daß auch hier keine ausgedehnten Wirbelströme induziert werden können. Die Litze 6 ist von einem Schlauch 8 umgeben, der die Litze 6 zusammenhält, gegen mechanische Belastungen und außerdem gegen mögliche Einwirkungen des fluiden Kühlmittels schützt.
Um die Abfuhr der durch den Strom erzeugten Wärme zu verbessern, ist bei der Ausführungsform gem. Fig. 3 innerhalb der Litze 6 ein Kühl kanal 9 vorgesehen.
Fig. 4 veranschaulicht, wie der elektrische Anschluß der Litze 6 an den Hohlleiter 3 ausgeführt sein kann. Dazu ist am Hohlkörper 4 ein Anschlußstutzen 10 vorgesehen, über den ein Schlauch 11 aus Glasgewebe gestülpt ist. In das andere Ende des Schlauches 11 ist ein den Schlauch 11 abdichtender, elektrisch leitender Stopfen 12, z.B aus Kupfer, eingesetzt, der an seinem einen Ende elektrisch mit der Litze 6 verbunden ist und an seinem anderen Ende außerhalb des Schlauches 11 eine Stromanschlußklemme 13 aufweist. Hieran kann der in dieser Figur nicht dargestellte Hohlleiter 3 elektrisch angeschlossen werden.
Der Stopfen 12 besitzt außerdem einen Kühlmittelkanal 14 der den Austritt bzw. die Weiterleitung des Kühlmittels erlauben kann.
Zur Kühlung der Induktionsspule kommt ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel in Betracht.
Bezugszeichenliste
1.
Tiegel
2.
Induktionsspule
3.
Hohlleiter
4.
Hohlkörper
5.
Kühlwindung
6.
Litze
7.
Mittel zum elektrischen Anschluß der Litze
8.
Isolierungsschlauch
9.
Kühl kanal
10.
Anschlußstutzen
11.
Glasgewebeschlauch
12.
Stopfen
13.
Stromanschlußklemme
14.
Kühlmittelkanal des Stopfens

Claims (10)

  1. Verlustarme Induktionsspule (2) zum Erwärmen und/oder Schmelzen von metallischem Gut, mit aus strangförmigen Hohlkörpern (3,4) gebildeten, ein Kühlmittel führenden Windungen, dadurch gekennzeichnet, daß in den Windungen in zumindest einem der Endbereiche der Induktionsspule (2) ein stromführendes Element (6) in Form von mindestens einer aus isolierten Einzelleitern bestehenden Litze (6) vorgesehen ist und daß die restlichen Windungen als Hohlleiter (3) ausgebildet und jeweils an das stromführende Element (6) elektrisch angeschlossen sind.
  2. Induktionsspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Litze(n) (6) aufnehmenden strangförmigen Hohlkörper (4) aus einem unmagnetischen, schlecht leitenden Material bestehen.
  3. Induktionsspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Litze(n) (6) aufnehmenden strangförmigen Hohlkörper (4) aus V2A-Edelstahl bestehen.
  4. Induktionsspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlleiter (3) und die Einzelleiter der Litze(n) (6) aus Kupfer hergestellt sind.
  5. Induktionsspule nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Litze (6) von einer thermisch und gegen das Kühlmittel beständigen Isolation (8) umgeben ist.
  6. Induktionsspule nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb einer Litze (6) ein ein Kühlmittel führender Kühl kanal (9) vorgesehen ist.
  7. Induktionsspule nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Litzen (6) ein Litzenbündel bilden, das von einer thermisch und gegen das Kühlmittel beständigen Isolation umgeben ist.
  8. Induktionsspule nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines Litzenbündels ein das Kühlmittel führender Kühl kanal (9) vorgesehen ist.
  9. Induktionsspule nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der strangförmigen Hohlkörper (3,4) rechteckig ist.
  10. Induktionsspule nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem am Hohlleiter (3) angrenzenden Ende jedes die Litze(n) (6) aufnehmenden strangförmigen Hohlkörpers (4) an der Spulenaußenseite eine mit der (den) Litze(n) (6) elektrisch verbundene Stromanschlußklemme (13) angebracht ist.
EP95917895A 1994-06-13 1995-05-11 Verlustarme induktionsspule zum erwärmen und/oder schmelzen von metallischem gut Expired - Lifetime EP0765592B1 (de)

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