EP2040512A2

EP2040512A2 - Vorrichtung und Verfahren zum induktiven Erwärmen eines elektrisch leitenden Werkstücks

Info

Publication number: EP2040512A2
Application number: EP08010441A
Authority: EP
Inventors: Patrick Ziegler
Original assignee: Soudronic AG
Current assignee: Soudronic AG
Priority date: 2007-09-21
Filing date: 2008-06-09
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2028-06-09
Also published as: US20090078697A1; EP2040512B1; TW200926903A; ATE477701T1; US9055616B2; ES2347723T3; TWI454184B; EP2040512A3; DE502008001112D1; PT2040512E

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum induktiven Erwärmen eines elektrisch leitenden Werkstücks (2), das in der Form einer geschlossenen Schleife ausgebildet ist, mit einem U-förmigen Magnetkern (3) mit zwei Schenkeln (4), wobei auf zumindest einem Schenkel (4) des U-förmigen Magnetkerns (3) eine elektrisch leitende Spule (5) angeordnet an eine Wechselstromquelle anschliessbar ist, und einem Magnetjoch (6), das beabstandet von zumindest einem freistehenden Ende des Schenkels (4) des U-förmigen Magnetkerns (3) angeordnet ist, sodass ein geschlossener Magnetkreis mit zumindest einem Luftspalt (7) gebildet ist, wobei die Höhe des Luftspalts (7), derart gewählt ist, dass das elektrisch leitende Werkstück (2) berührungslos durch den Luftspalt (7) durchführbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum induktiven Erwärmen eines elektrisch leitenden Werkstücks (2), das in der Form einer geschlossenen Schleife ausgebildet ist, mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung, bei dem ein Werkstück (2) berührungslos in einen Luftspalt (7) eingebracht wird, sodass das Werkstück (2) den Luftspalt (7) umgibt und eine von dem Werkstück (2) eingeschlossene Öffnung (10) zumindest teilweise im Luftspalt (7) liegt und die Spulen (5) der Vorrichtung (1) mit einem Wechselstrom versorgt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum induktiven Erwärmen eines elektrisch leitenden Werkstücks, das in der Form einer geschlossenen Schleife ausgebildet ist, gemäss Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche. Unter einem Werkstück, das in der Form einer geschlossenen Schleife ausgebildet ist, wird jedes Werkstück verstanden, das eine Öffnung einschliesst, beispielsweise ein ringförmiges Werkstück oder ein ellipsenförmiges, quadratisches oder rechteckiges Werkstück, das eine Öffnung einschliesst, die ebenfalls ellipsenförmig, quadratisch oder rechteckförmig sein kann. Das Werkstück kann insbesondere ein Deckelrohling mit einer eingeschlossenen Öffnung sein, wie er zur Herstellung eines Deckels mit einer Folie zum Aufreissen bzw. Abziehen verwendet wird.
Aus der Patentanmeldung WO 2006/042426 A1 sind ein Verfahren und eine Einrichtung zur Herstellung von Deckeln mit einer Folie bekannt. Die bekannte Einrichtung weist eine Fördervorrichtung und mehrere Bearbeitungsstationen und eine Prüfstation auf. Die Fördervorrichtung befördert Deckelrohlinge zu den einzelnen Bearbeitungsstationen bzw. zu der Prüfstation. In einer ersten Bearbeitungsstation wird ein Deckelrohling mit einer eingeschlossenen Öffnung erzeugt, indem durch eine Stanzbearbeitung eine Öffnung in eine Scheibe gestanzt wird. Der innere Rand des Deckelrohlings wird in der nächsten Bearbeitungsstation nach unten gezogen. In der folgenden Bearbeitungsstation wird eine mit einer Lasche versehene Folie über die eingeschlossene Öffnung des Deckelrohlings platziert und durch Heissversiegelung befestigt. Die Folie ist hierzu an ihrer Unterseite mit einer Kunststoffschicht versehen und wird aus einer breiten Folienbahn ausgestanzt. Sie wird dann über der eingeschlossenen Öffnung, die auch als Mittelausnehmung bezeichnet wird, platziert und unter Hitzeeinwirkung am Rand der eingeschlossenen Öffnung angepresst, sodass die Folie mit dem Deckelrohling durch Aufschmelzen und nachfolgendes Abkühlen der Kunststoffschicht dicht verbunden wird. Es kann eine zusätzliche Bearbeitungsstation zum Abkühlen vorgesehen sein. Dann wird die Folie in einer weiteren Bearbeitungsstation mit einer Prägung versehen und der nun unterhalb der Folie befindliche innere Rand des Deckelrohlings wird umgebördelt. Schliesslich werden die nun fertigen Deckel in einer Prüfstation einer Prüfung unterzogen, die eine Dichteprüfung für die auf dem Deckel aufgebrachte Folie umfasst.
Wie in der Patentanmeldung WO 2006/053457 A2 beschrieben kann die Folie mit dem Deckelring versiegelt bzw. verklebt werden, indem in einem ersten Schritt die Verklebung bzw. Versiegelung teilweise ausgeführt und in einem zweiten Schritt vervollständigt wird, wobei durch diesen zweiten Schritt die Verbindung zwischen Folie und Deckelrohling insgesamt verstärkt wird. Die Verklebung Versiegelung erfolgt durch Wärmeeinwirkung. Die teilweise Verklebung und Versiegelung wird dadurch erzeugt, dass die Verklebung bzw. Versiegelung nur in vorbestimmten Teilbereichen erfolgt und/oder durch fehlende Wärmeeinwirkung nicht vollständig ausgebildet wird. Die Temperatur beim Verkleben bzw. Versiegeln beträgt beim ersten Schritt und/oder beim zweiten Schritt vorzugsweise ca. 200°C.
Basierend auf dem Prinzip der Induktionsheizung ist es bekannt, in einem elektrisch leitenden Werkstück Wärme mittels eines Induktors zu erzeugen, der typischerweise einen U-förmigen Magnetkern mit zwei Schenkeln umfasst, wobei um jeden Schenkel eine elektrisch leitende Spule gewickelt ist, an die eine elektrische Stromquelle angeschlossen ist. Die mit den Spulen umwickelten Schenkel des U-förmigen Magnetkerns stellen die Pole dar. Der Induktor bildet dabei einen offenen Magnetkreis. Zur Erwärmung eines Werkstücks werden die Pole nahe an die Oberfläche des zu erwärmenden Werkstücks gehalten. Bei eingespeistem Wechselstrom entsteht ein magnetisches Wechselfeld, unter dessen Einfluss an der Oberfläche des Werkstücks hochfrequente Wirbelströme erzeugt werden, sodass Wärme in Form von Wirbelstromverlusten entsteht (so genannter Skineffekt). Dies wird beispielsweise zur Erwärmung einer Dosenwand eingesetzt (vgl. die Patentschrift US 5,690,851 A ). Entsprechende Induktoren sind beispielsweise auch aus den Patentschriften US 5,101,086 A und in US 7,022,951 B1 bekannt. Je dünnwandiger ein Werkstück ist, desto grösser muss die Frequenz der Wechselstromquelle und somit des erzeugten magnetischen Wechselfeldes sein, damit den im Werkstück erzeugten Wirbelströmen ein genügend grosser elektrischer Widerstand entgegengesetzt wird, sodass durch Wirbelstromverluste genügend Wärme erzeugt werden kann.
Aus der Patentschrift US 4,740,663 A ist eine Induktionsheizungseinheit bekannt, mittels derer elektrische Energie in den metallischen Umfang eines Metallfolienträgers eines Deckels für einen Behälter induziert werden kann, sodass der Deckel erwärmt und mit dem Behälter hitzeverbunden wird. Die Induktionsheizungseinheit weist einen Magnetkern mit zwei gegenüberliegend angeordneten U-förmigen Abschnitten auf, wobei innerhalb eines Abschnitts eine Spule angeordnet ist. Mittels der sich gegenüberliegenden Schenkel einer Seite des Magnetkerns wird der Deckel eingeklemmt, während sich zwischen den sich gegenüberliegenden Schenkeln der anderen Seite ein Luftspalt befindet. Es liegt ein geschlossener Magnetkreis vor, wobei jeweils zwei sich gegenüberliegende Schenkel einen Pol bilden. In dem zwischen den Schenkeln einer Seite liegenden Deckel wird durch Wirbelströme und Ummagnetisierungsverluste eine partielle Erwärmung hervorgerufen. Der Deckel, der die beiden Schenkel des einen Pols bzw. der einen Seite des Magnetkerns miteinander verbindet, schliesst sozusagen das magnetische Feld zwischen den beiden Polen des Magnetkreises kurz.
Die bekannten Vorrichtungen zum induktiven Erwärmen, die auch als Induktoren bezeichnet werden, werden mit hochfrequenter Energie versorgt und typischerweise ist für jedes Werkstück einer bestimmten Dimension ein eigener Induktor mit geeigneten Abmassen erforderlich. Auch unterschiedliche Materialien machen oftmals einen andersartigen Induktor erforderlich, wie dies beispielsweise bei Werkstücken aus Aluminium gegenüber Werkstücken aus einer Stahllegierung der Fall ist, da dieses Material die Ankoppelung besonders stark beeinflusst. Soll der Induktor bei einer Einrichtung mit einer Fördervorrichtung eingesetzt werden, so kann es bei den bekannten Induktoren vorkommen, dass die typischerweise metallischen Führungen mit einem nahe am Werkstück angeordneten Induktor in Wirkverbindung treten und ebenfalls erhitzt werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum induktiven Erwärmen zu schaffen, mit denen elektrisch leitende Werkstücke, die in der Form einer geschlossenen Schleife ausgebildet sind, unterschiedlicher Materialien und unterschiedlicher Dimensionen bzw. Grössen gleichmässig erwärmt werden können.
Unter einem Werkstück, das in der Form einer geschlossenen Schleife ausgebildet ist, wird ein Werkstück verstanden, das eine eingeschlossene Öffnung aufweist, d.h. eine Öffnung, die von einem Rand vollständig umgeben ist, wie beispielsweise ringförmige Werksstücke oder ellipsenförmige, quadratische oder rechteckige Werkstücke, die eine eingeschlossene Öffnung, die beispielsweise kreisförmig, ellipsenförmig, quadratisch oder rechteckig ausgebildet ist, aufweisen. Derartige Werkstücke werden beispielsweise als Deckelrohlinge zur Herstellung von Deckeln, die mit einer Folie, insbesondere einer Aufreissfolie bzw. einer Abziehfolie, versehen sind, d.h. mit einer Folie, die eine Lasche zum Aufreissen bzw. Abziehen aufweist, wobei die Folie wie eingangs beschrieben auf den Deckelrohling durch Versiegelung bzw. Verklebung aufgebracht werden kann.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum induktiven Erwärmen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren zum induktiven Erwärmen mit dem Merkmal des Anspruchs 10 gelöst. Die erfindungsgemässe Vorrichtung zum induktiven Erwärmen kann auch als Induktor bezeichnet werden.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zum induktiven Erwärmen umfasst einen U-förmigen Magnetkern mit zwei Schenkeln, wobei auf zumindest einem Schenkel des U-förmigen Magnetkerns wenigstens eine elektrisch leitende Spule angeordnet ist, die an eine Wechselstromquelle anschliessbar ist und die insbesondere den Schenkel umschliesst. Die erfindungsgemässe Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Magnetjoch vorgesehen ist, das beabstandet von zumindest einem freistehenden Ende eines Schenkels des U-förmigen Magnetkerns angeordnet ist, sodass ein geschlossener Magnetkreis mit zumindest einem Luftspalt gebildet ist. Die Höhe zumindest eines Luftspalts, vorzugsweise beider Luftspalte, ist derart gewählt, dass ein elektrisch leitendes Werkstück berührungslos durch den Luftspalt durchführbar ist. Unter einem U-förmigen Magnetkern wird auch ein C-förmiger Magnetkern verstanden. Bei dem Magnetkern kann es sich insbesondere um einen Ferritkern handeln.
Gemäss bevorzugter Ausgestaltung der erfindungsgemässen Vorrichtung ist auf jedem Schenkel des U-förmigen Magnetkerns zumindest eine elektrisch leitende Spule angeordnet, wobei die Spulen gegenläufig gewickelt und an eine Wechselstromquelle anschliessbar sind. Ferner ist das Magnetjoch beabstandet von den freistehenden Enden beider Schenkel des U-förmigen Magnetkerns angeordnet, sodass ein geschlossener Magnetkreis mit zwei Luftspalten gebildet ist.
Die Fläche bzw. Querschnittsfläche zumindest des Schenkels, dem der zumindest eine Luftspalt zugeordnet ist, durch den das elektrisch leitende Werkstück durchführbar ist, ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie in die durch das elektrisch leitende Werkstück eingeschlossene Öffnung passt. Auf diese Weise wird erreicht, dass das Werkstück derart in dem Luftspalt positioniert werden kann, dass es auf allen Seiten über den Luftspalt hinausragt, d.h. den Luftspalt umgibt. Das Werkstück befindet sich somit bei der induktiven Erwärmung also ausserhalb des Luftspalts und somit ausserhalb einer Zone hoher magnetischer Feldstärke.
Das erfindungsgemässe Verfahren kennzeichnet sich dadurch aus, dass bei einer erfindungsgemässen Vorrichtung ein elektrisch leitendes Werkstück in Form einer geschlossenen Schleife berührungslos in den Luftspalt eingebracht wird, sodass das Werkstück den Luftspalt umgibt und eine von dem Werkstück eingeschlossene Öffnung zumindest teilweise im Luftspalt liegt und dass die Spulen der erfindungsgemässen Vorrichtung mit einem Wechselstrom versorgt werden, d.h. an eine Wechselstromquelle angeschlossen werden. Die Aufzählung der Schritte des erfindungsgemässen Verfahren soll hierbei keine chronologische Reihenfolge darstellen, sodass die Spulen vorzugsweise auch schon bevor das Werkzeug in den Luftspalt eingebracht wird, mit einem Wechselstrom versorgt werden.
In einem Produktionsbetrieb wird die erfindungsgemässe Vorrichtung vorzugsweise im Dauerbetrieb betrieben, sodass die Spulen der erfindungsgemässen Vorrichtung permanent mit Wechselstrom versorgt werden. Auf diese Weise können eine schwierige Ansteuerung und eine Einschwingverzögerung der erfindungsgemässen Vorrichtung vermieden werden. Das Werkstück bzw. dessen Kanten werden beim Einbringen in den Luftspalt dann zumindest partiell dem in dem Luftspalt herrschenden Wechselfeld ausgesetzt, was jedoch bei entsprechen kleinen Taktzeiten vernachlässigbar ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren und die erfindungsgemässen Vorrichtung können besonders vorteilhaft zum Erwärmen von flachen Werkstücken eingesetzt werden, wobei unter einem flachen Werkstück auch ein dünnes Werkstück verstanden wird. Die erfindungsgemässe Vorrichtung und das erfindungsgemässe Verfahren sind vorteilhafterweise für die Durchdringung eines auch in einem weiten Abstand den Luftspalt umschliessenden Werkstücks geeignet.
Die Wechselstromquelle kann auch als Generator bezeichnet werden. Es wird vorzugsweise eine niederfrequente und somit preisgünstige Wechselstromquelle verwendet. Ferner hat der Einsatz einer niedrigen Frequenz den Vorteil, dass die Spulenverluste kleiner sind und lange Zuleitungen verwendet werden können. Dass als Arbeitsfrequenz eine niedrige Frequenz eingesetzt werden kann, wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass das erfindungsgemässe Verfahren und die erfindungsgemässe Vorrichtung im Wesentlichen nicht auf dem Skineffekt basieren.
Dass die erfindungsgemässe Vorrichtung vorzugsweise mit relativ niedriger Frequenz betrieben wird, die vorzugsweise zwischen 18 und 40 Kilohertz liegt, ermöglicht es, die Vorrichtung ohne Einsatz eines Transformators auch in grösserer Entfernung von der Wechselstromquelle zu positionieren und zu betreiben, beispielsweise in einer Entfernung von 20 Metern.
Wird an die Spulen eine Wechselstromquelle angeschlossen, so kommt es zu einer Änderung der magnetischen Feldstärke des Magnetkreises, der durch den U-förmigen Magnetkern, das Magnetjoch und die Spulen gebildet ist, was eine Änderung der Flussdichte zur Folge hat. Durch diese Änderung der Flussdichte wird in dem Werkstück eine Induktionsspannung gemäss dem folgenden Induktionsgesetz induziert, die im Wesentlichen unabhängig von den Dimensionen des Werkstücks, insbesondere von dem Durchmesser eines ringförmigen Werkstücks, ist: $U_{ind} = \frac{ⅆ Φ_{magn}}{ⅆ t} = - \frac{ⅆ}{ⅆ t} \int_{A} \overline{B} \cdot \overline{df}$

wobei U_ind die Induktionsspannung, Φ _magn der Magnetfluss, t die Zeit, B die Flussdichte, A die vom Magnetfeld durchdrungene und von dem Werkstück eingeschlossene Fläche als Konstante und f die Fläche als Variable sind. Von dem Magnetfluss Φ _magn wird angenommen, dass er sich mit der Zeit t ändert. Bei der angegebenen Gleichung ist die Wicklungszahl bzw. Windungszahl der Spulen bereits in dem Magnetfluss berücksichtigt bzw. (mit-)enthalten.
Der elektrische Widerstand, der auch als Impedanz bzw. Wechselstromwiderstand bezeichnet werden kann, des elektrisch leitenden Werkstücks in Form einer Schleife ist grösser als Null, sodass eine Induktionsspannung induziert wird. Bei einem ringförmigen Werkstück wird der elektrische Widerstand auch als Ringimpedanz bezeichnet. Der elektrische Widerstand hat einen elektrischen Strom in dem Werkstück zur Folge, der zu einer gleichmässigen bzw. homogenen Erwärmung bzw. Erhitzung des Werkstücks führt. Vorteilhafterweise erfolgt bei der erfindungsgemässen Vorrichtung und bei dem erfindungsgemässen Verfahren die Wärmeerzeugung in dem Werkstück im Wesentlichen nicht durch Skineffekte an einer Oberfläche des Werkstücks oder durch Ummagnetisierungsverluste.
Mittels der erfindungsgemässen Vorrichtung und des erfindungsgemässen Verfahrens können Werkstücke unterschiedlicher Dimensionen bzw. Grösse, die den Luftspalt umgeben, gleichmässig und im Wesentlichen unabhängig vom Abstand zwischen der Vorrichtung bzw. dessen Luftspalt und dem Werkstück erwärmt werden, wenn das Werkstück den Luftspalt umgibt. Es kann die gleiche erfindungsgemässe Vorrichtung für Werkstücke unterschiedlicher Dimensionen eingesetzt werden. Die Geometrie der erfindungsgemässen Vorrichtung bzw. des von der erfindungsgemässen Vorrichtung erzeugten magnetischen Wechselfeldes muss nicht an das Werkstück angepasst werden, solange das Werkstück deren Luftspalt umschliesst.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann beispielsweise zum Erwärmen eines Deckelrohlings mit einer eingeschlossenen Öffnung, insbesondere bei bzw. in einer Anlage zur Herstellung von mit einer Folie versehenen Deckeln verwendet werden. Eine solche Anlage weist typischerweise eine Fördervorrichtung/Transportsystem bzw. ein Führungssystem zur Beförderung und Führung von Deckelrohlingen und verschiedene Bearbeitungsstationen zur Bearbeitung der Deckelrohlinge auf (siehe WO 2006/042426 A1 wie eingangs beschrieben) und ist als Durchlaufsystem ausgestaltet.
Entsprechend kann das erfindungsgemässe Verfahren zum Erwärmen eines Deckelrohlings, der eine eingeschlossene Öffnung aufweist, eingesetzt werden, insbesondere bei bzw. in einer Anlage zur Herstellung von Deckeln mit Folien. Da die erfindungsgemässe Vorrichtung im Wesentlichen unabhängig von der Werkstückform und -grösse - abgesehen von der Grösse und den Dimensionen der eingeschlossenen Öffnung - ausgebildet werden kann, kann die erfindungsgemässe Vorrichtung derart ausgebildet werden, dass sie bauraumtechnisch nicht mit der Fördervorrichtung und/oder den Bearbeitungsstationen einer Anlage zur Herstellung von mit Folien versehenden Deckeln in Konflikt kommt. Da durch die erfindungsgemässe Vorrichtung ein geschlossener Magnetkreis mit zwei Luftspalten gebildet wird, was eine im wesentlichen geschlossene Führung des magnetischen Feldes zur Folge hat, werden Störemissionen minimiert und die Fördervorrichtung wird nur einem sehr schwachen magnetischen Feld ausgesetzt, sodass eine Erwärmung der Fördervorrichtung praktisch vermieden bzw. vernachlässigt werden kann.
Bei der Herstellung von Deckeln mit einer Folie wird ein Deckelrohling vor einer Versiegelung bzw. Verklebung mit einer Folie vorteilhafterweise mittels der erfindungsgemässen Vorrichtung und dem erfindungsgemässen Verfahren im Rahmen einer Vorwärmung erwärmt. Nach der Vorwärmung erfolgt dann das Aufbringen einer Folie auf das Werkstück, sodass die eingeschlossene Öffnung des Werkstücks durch die Folie verschlossen wird, durch Versiegelung bzw. Verklebung, wobei vorzugsweise ein Vorversiegelungs-/Vorverklebungsschritt und auf den Vorversiegelungs-/Vorverklebungsschritt ein Hauptversiegelungs-/Hauptverklebungsschritt folgen (vgl. WO 2006/053457 A2 ). Bei der Vorwärmung mittels induktiver Erwärmung können beispielsweise ringförmige oder rechteckige Werkstücke mit eingeschlossener Öffnung aus einer Stahllegierung oder Aluminium in einer Anlage zur Herstellung von Deckeln mit Folien, die eine Fördervorrichtung aufweist, in wenigen hundert Millisekunden berührungslos um ca. 80°C gleichmässig erwärmt werden. Die Versiegelung/Verklebung, sowohl die Vorsiegelung/-verklebung als auch die Hauptsiegelung/-verklebung erfolgen dann vorzugsweise bei ca. 200°C. Durch die induktive Vorwärmung kann die Qualität der nachfolgenden Siegelung/Klebung erhöht werden und je nach Material der Folie kann die Produktionsrate gesteigert werden, da die zusätzlich Vorwärmung eine effizientere Energiezufuhr zur Folge hat.
Es ist empfehlenswert bei einer derartigen Anlage zur Herstellung von Deckeln mit Folien, in bzw. bei der die erfindungsgemässe Vorrichtung und das erfindungsgemässe Verfahren eingesetzt werden sollen, die Umgebung des Werkstücks, insbesondere eine Fördervorrichtung zu isolieren, beispielsweise indem die Förderbänder aus Kunststoff ausgebildet sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und den insbesondere anhand der Zeichnungen nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:

Figur 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemässen Vorrichtung mit einem Werkstück und
Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch die in Figur 1 dargestellte erfindungsgemässe Vorrichtung und das Werkstück an der Position des Werkstücks.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen strukturell bzw. funktionell gleiche bzw. gleichwirkende Komponenten.
Die Figuren 1 und 2 zeigen eine erfindungsgemässe Vorrichtung 1, in die ein elektrisch leitendes, beispielhaft ringförmiges Werkstück 2 eingebracht ist. Selbstverständlich kann das Werkstück 2 auch eine andere Form, beispielsweise eine rechteckige Form mit einer eingeschlossenen Öffnung haben.
Die Vorrichtung 1 umfasst einen U-förmigen Magnetkern 3. Unter einem U-förmigen Magnetkern 3 wird auch ein C-förmiger Magnetkern verstanden. Der Magnetkern 3 kann als Material N87 umfassen. Vorzugsweise besteht der Magnetkern 3 aus dem Material N87. Auf die Schenkel 4 des Magnetkerns 3 ist jeweils eine Spule 5 aufgebracht, wobei die Spulen 5 gegenläufig gewickelt sind. Dies wird in der Figur 1 durch die Kreuzsymbole und die Punktsymbole in den Spulen 5 deutlich, wobei das Punktsymbol bei einem durch eine Spule 5 fliessenden Strom einen aus der Betrachtungsebene heraus, auf den Betrachter zufliessenden Strom und das Kreuzsymbol einen in die Betrachtungsebene hineinfliessenden Strom symbolisiert.
Jede Spule 5 wird vorzugsweise durch eine Hochfrequenzlitze mit einer vorgegebenen Einzellitzenanordnung gebildet, die mindestens 500 Einzellitzen, besonders bevorzugt 1000 Einzellitzen, umfasst. Jede Spule 5 hat vorzugsweise 14 Windungen bzw. Wicklungen.
Die Vorrichtung 1 weist ferner ein Magnetjoch 6 auf (nicht dargestellt in Figur 2), das unter Bildung von Luftspalten 7 in einem Abstand von den nicht näher bezeichneten, freistehenden Enden der Schenkel 4 des U-förmigen Magnetkerns 3 angeordnet ist. Die Höhe der Luftspalte 7 ist so gewählt, dass das Werkstück 2 durch einen Luftspalt 7 durchführbar und somit in vertikaler Richtung zwischen Magnetkern 3 und Magnetjoch 6 positionierbar ist. Die Luftspalte 7 weisen vorzugsweise eine Höhe von 6,5 Millimetern auf. Die erfindungsgemässe Vorrichtung 1 bildet somit einen geschlossenen Magnetkreis mit zwei Luftspalten 7.
Das Magnetjoch 6 ist bevorzugt I-förmig ausgebildet. Es kann jedoch auch U-förmig ausgebildet sein, wobei hierunter auch eine C-förmige Ausgestaltung verstanden wird. Bei einer nicht dargestellten, U-förmigen Ausgestaltung weisen die freistehenden Enden der Schenkel des Magnetjochs 6 in Richtung auf die freistehenden Enden der Schenkel 4 des Magnetkerns 3, wobei die Schenkel des Magnetjochs 6 beabstandet unter Bildung der Luftspalte 7 gegenüber von den freistehenden Enden der Schenkel 4 des Magnetkerns 3 angeordnet sind. Insbesondere wenn nur ein Luftspalt 7 vorgesehen ist, kann das Magnetjoch 7 auch L-förmig ausgebildet sein.
Der Magnetkern 3 und die Spulen 5 sind vorzugsweise mit einer elektrisch isolierenden Vergussmasse vergossen, um den Magnetkern 3 mit den Spulen 5 mechanisch und chemisch zu schützen. Die eingesetzte Vergussmasse ist insbesondere wärmeleitend, wobei sie vorzugsweise eine minimale Wärmeleitfähigkeit von 0,6 W/(m·K) hat.
Um die Leistungsfähigkeit zu erhöhen, kann der Magnetkern 3 mit einer Kühlung, insbesondere mit einer Wasserkühlung versehen sein (nicht dargestellt).
Werden die Spulen 5 an eine nicht dargestellte Wechselstromquelle bzw. einen Generator angeschlossen, so entsteht in der erfindungsgemässen Vorrichtung 1 ein magnetisches Wechselfeld 8. Jeder der Schenkel 4, um die eine Spule 5 gewickelt ist, stellt einen Pol eines Magnetkreises dar, wobei die Polarität des jeweiligen Pols in Abhängigkeit von der Polarität des Wechselstroms wechselt. In der Figur 1 sind für das magnetische Wechselfeld beispielhafte Feldlinien 8 angegeben. In und nahe bei den Luftspalten 7 entstehen Bereiche hoher magnetischer Feldintensität 9.
Das Werkstück 2 wird durch einen Luftspalt 7 durchgeführt bzw. transportiert und so positioniert, dass seine eingeschlossene Öffnung 10 zumindest teilweise in dem Luftspalt 7 liegt und das Werkstück 2 selbst den Luftspalt 7 umgibt, d.h. ausserhalb des Luftspalts 7 liegt. Dabei liegt ein Bereich 11 des Werkstücks ausserhalb der Vorrichtung 1, während ein weiterer Bereich 12 in horizontaler Richtung zwischen den beiden durch die mit den Spulen 5 umwickelten Schenkel 4 gebildeten Polen und in vertikaler Richtung in den Luftspalten 7 zwischen dem Magnetkern 3 und dem Magnetjoch 6 liegt. Der weitere Bereich 12 liegt also in einem Gebiet niedriger Feldstärke zwischen den beiden Polen des Magnetkerns 3. Das Werkstück 2 umgibt somit das im Magnetkern 3 und im Magnetjoch 6 geführte Wechselfeld und durch das Wechselfeld wird in dem Werkstück 2 wie eingangs beschrieben eine Spannung induziert, die im Wesentlichen unabhängig ist von den Dimensionen der eingeschlossenen Öffnung 10 des Werkstücks 2.
Damit die Feldstärke zwischen den Polen des Magnetkerns 3 möglichst gering ist und ausserhalb der Luftspalte 7 höchstens geringe Störemissionen auftreten, sind die Luftspalte 7 mit einer möglichst geringen Höhe, insbesondere mit einer Höhe von 6,5 Millimetern, ausgeführt. Entsprechend ist die erfindungsgemässe Vorrichtung besonders für flache Werkstücke 2, d.h. für Werkstücke 2 mit einer geringen vertikalen Ausdehnung geeignet. Als ein flaches Werkstück 2 wird auch ein dünnes Werkstück angesehen.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung 1 und das Werkstück 2 entsprechen grundsätzlich einem Transformator mit einem sehr grossen Luftspalt, wobei die Vorrichtung 1 die Primärwicklung und das Werkstück 2 eine kurzgeschlossene Sekundärwicklung des Transformators darstellen.
Die Wechselstromquelle bzw. der Generator zur Versorgung der Spulen 5 generiert vorzugsweise einen Strom mit einer niedrigen Frequenz, insbesondere mit einer Frequenz im Bereich von 18 bis 40 Kilohertz, wobei die Wechselstromquelle bzw. der Generator einen geschalteten Schwingkreis aufweisen können. Der von der Wechselstromquelle bzw. dem Generator erzeugte Strom hat bevorzugt einen quadratischen Mittelwert (Effektivwert) von ungefähr 10 bis 25 Ampere). Ist in die Vorrichtung 1 kein Werkstück 2 eingebracht, sodass sie im Leerlauf betrieben wird, so hat dies ein Absinken der Resonanzfrequenz der Vorrichtung 1 zur Folge, die vorzugsweise an eine kapazitive Wechselstromquelle angeschlossen ist, und das System aus Vorrichtung 1 und nicht dargestellter Wechselstromquelle wird automatisch entlastet.
Gemäss weiterer, nicht dargestellter Ausgestaltung der erfindungsgemässen Vorrichtung kann neben dem ersten U-förmigen Magnetkern 3 ein weiterer, zweiter U-förmiger Magnetkern vorgesehen sein, wobei die den Schenkeln 4 des ersten U-förmigen Magnetkerns 3 zugeordneten Spulen 5 nun auch den Schenkeln des weiteren, zweiten U-förmigen Magnetkerns zugeordnet sind. Die Spulen 5 umgeben bei dieser Ausgestaltung also die Schenkel beider U-förmiger Magnetkerne. Der weitere, zweite U-förmige Magnetkern hat vorzugsweise dieselben Dimensionen wie der erste U-förmige Magnetkern, der bei der im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 beschriebenen Ausgestaltung 1 der erfindungsgemässen Vorrichtung vorgesehen ist. Dem weiteren, zweiten U-förmigen Magnetkern ist ebenfalls ein Magnetjoch, das I-förmig oder U-förmig ausgestaltet sein kann, zugeordnet, wobei dieses zweite Magnetjoch neben dem ersten Magnetjoch 6 der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausgestaltung 1 der erfindungsgemässen Vorrichtung angeordnet ist, sodass sich Luftspalte mit einem grösseren Querschnitt ergeben als bei der erfindungsgemässen Vorrichtung 1 mit nur einem Magnetkern 3 und nur einem Magnetjoch 6. Selbstverständlich kann das erste Magnetjoch 6 auch so breit ausgebildet sein, dass es über beide Magnetkerne passt bzw. mit beiden Magnetkernen die Luftspalte bildet.
Mit dieser, nicht dargestellten Ausgestaltung der erfindungsgemässen Vorrichtung können Werkstücke mit sehr grossem Durchmesser und/oder Werkstücke, die aus einem Material mit kleinem spezifischen Widerstand bestehen oder solches Material umfassen, erwärmt werden. Auch hier wird davon ausgegangen, dass die Werkstücke eine eingeschlossene Öffnung haben, die zumindest teilweise in einem bei dieser Ausgestaltung erweiterten Luftspalt liegt und das Werkstück den Luftspalt umgibt. Die verfügbare Heizleistung ist bei dieser Ausgestaltung durch die zwei Magnetkerne, die nebeneinander plaziert sind und von denselben zwei Spulen umwickelt sind, gegenüber der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausgestaltung 1 der erfindungsgemässen Vorrichtung erhöht. Die notwendige Windungszahl bzw. Wicklungszahl der Spulen kann dabei um den Faktor √2 reduziert werden, sodass sich anstelle von 14 Windungen/Wicklungen bei der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausgestaltung 1 der erfindungsgemässen Vorrichtung eine Windungszahl/Wicklungszahl von 9 bzw. 10 je Spule ergibt. Durch die Verringerung der erforderlichen Windungszahl/Wicklungszahl werden in vorteilhafter Weise Kupferverluste reduziert (die Spulen umfassen typischerweise Kupfer als Material) und die Belastung des Magnetkerns durch Sättigungseffekte kann stark verringert werden, sodass die erfindungsgemässe Vorrichtung geringere Wärmeverluste aufweist. Wegen der geringeren Verluste in den Magnetkernen kann mit einer höheren Feldstärke des magnetischen Wechselfeldes gearbeitet werden.

Claims

Vorrichtung zum induktiven Erwärmen eines elektrisch leitenden Werkstücks (2), das in der Form einer geschlossenen Schleife ausgebildet ist, mit einem U-förmigen Magnetkern (3) mit zwei Schenkeln (4), wobei auf zumindest einem Schenkel (4) des U-förmigen Magnetkerns (3) wenigstens eine elektrisch leitende Spule (5) angeordnet und an eine Wechselstromquelle anschliessbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Magnetjoch (6) vorgesehen ist, das von zumindest einem freistehenden Ende eines Schenkel (4) des U-förmigen Magnetkerns (3) beabstandet angeordnet ist, sodass ein geschlossener Magnetkreis mit zumindest einem Luftspalt (7) gebildet ist, wobei die Höhe des Luftspalts (7), derart gewählt ist, dass das elektrisch leitende Werkstück (2) berührungslos durch den Luftspalt (7) durchführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf jedem Schenkel (4) des U-förmigen Magnetkerns (3) zumindest eine elektrisch leitende Spule (5) angeordnet ist, wobei die Spulen (5) gegenläufig gewickelt und an eine Wechselstromquelle anschliessbar sind, und dass das Magnetjoch (6) von den freistehenden Enden beider Schenkel (4) des U-förmigen Magnetkerns beabstandet angeordnet ist, sodass ein geschlossener Magnetkreis mit zwei Luftspalten (7) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche zumindest des Schenkels (4), dem der zumindest eine Luftspalt (7) zugeordnet ist, durch den das elektrisch leitende Werkstück (2) durchführbar ist, derart ausgebildet ist, dass sie in die durch das elektrisch leitende Werkstück (2) eingeschlossene Öffnung (10) passt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetjoch (6) I-förmig oder U-förmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Spule (5) aus wenigstens einer Litze gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der U-förmige Magnetkern (3) und die wenigstens eine Spule (5) mit einer elektrisch isolierenden, insbesondere wärmeleitenden, Vergussmasse vergossen sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der U-förmige Magnetkern (3) mit einer Kühlung, insbesondere einer Wasserkühlung, versehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem U-förmigen Magnetkern (3) ein weiterer U-förmiger Magnetkern vorgesehen ist, wobei die wenigstens eine zumindest einem Schenkel (4) des U-förmigen Magnetkerns (3) zugeordnete Spule auch einem Schenkel des weiteren U-förmigen Magnetkerns zugeordnet ist.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Erwärmen eines Deckelrohlings mit einer eingeschlossenen Öffnung, insbesondere bei einer Anlage zur Herstellung von Deckeln mit einer Folie.
Verfahren zum induktiven Erwärmen eines elektrisch leitenden Werkstücks (2), das in der Form einer geschlossenen Schleife ausgebildet ist, mit einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- Berührungsloses Einbringen des Werkstücks (2) in einen Luftspalt (7), sodass das Werkstück (2) den Luftspalt (7) umgibt und eine von dem Werkstück (2) eingeschlossene Öffnung (10) zumindest teilweise im Luftspalt (7) liegt und

- Versorgen der Spulen (5) der Vorrichtung (1) mit einem Wechselstrom.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Erwärmen eines Deckelrohlings mit einer eingeschlossenen Öffnung eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckelrohling vor einer Versiegelung bzw. Verklebung mit einer Folie erwärmt wird.