EP2181563A1 - Induktionsheizverfahren - Google Patents

Induktionsheizverfahren

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Publication number
EP2181563A1
EP2181563A1 EP08784690A EP08784690A EP2181563A1 EP 2181563 A1 EP2181563 A1 EP 2181563A1 EP 08784690 A EP08784690 A EP 08784690A EP 08784690 A EP08784690 A EP 08784690A EP 2181563 A1 EP2181563 A1 EP 2181563A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
winding
billets
iron core
billet
relative
Prior art date
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Granted
Application number
EP08784690A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2181563B1 (de
Inventor
Carsten BÜHRER
Christoph FÜLBIER
Ingolf Hahn
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zenergy Power GmbH
Original Assignee
Zenergy Power GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2181563A1 publication Critical patent/EP2181563A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2181563B1 publication Critical patent/EP2181563B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • 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
    • H05B6/14—Tools, e.g. nozzles, rollers, calenders
    • H05B6/145—Heated rollers

Definitions

  • the invention relates to a method for inductive heating of a billet of an electrically conductive material by relative movement, in particular generating a rotation between the billet and a magnetic field generated by at least one DC-powered superconducting winding on an iron core.
  • a constant speed cyclic billet clamped in a rotary chuck may be rotated about its cylinder axis in a magnetic field generated by the superconducting winding by means of a constant current.
  • a largely constant current is induced in the billet.
  • the billet is usually not optimally cylindrical and / or not exactly clamped so that it is not rotated about its cylinder axis.
  • the magnetic flux through the billet also changes in terms of amount, so that in accordance with a magnitude not constant induction flow is induced in the billet.
  • rod-shaped billets e.g. With rectangular or oval cross-section, by rotation of the billets generates a constantly alternating induction current, which causes a correspondingly alternating re-induction voltage and thus corresponding reverse induction losses.
  • US 3 842 243 proposes to heat an electrically conductive billet in an alternating magnetic field.
  • an AC-powered conductor in a U-shaped yoke.
  • the section can be driven into magnetic saturation. Therefore, the magnetic flux of the alternating field is no longer complete Billet led, and this is locally heated less in the corresponding area.
  • the object of the invention is to reduce the back-induction losses in the superconducting winding when carrying out the method mentioned in the introduction.
  • At least one billet is moved relative to a magnetic field. It does not matter whether the magnetic field is rotated around the billet or vice versa.
  • a direct current is generated and maintained in the superconducting winding at a value that produces a magnetic flux density in the iron core at least in the region of the winding at which the relative permeability of the material of the iron core is smaller than in de-energized state of the winding is.
  • the relative permeability decreases, the back induction and thus the loss in the superconducting winding decreases.
  • the effect of the iron core on the magnetic field of the winding is maintained. As a result, the re-induction is reduced.
  • the position of the billets relative to one another can be regulated so that Subtractively superposing the return inductive stresses generated by the alternating induction currents of the billets.
  • the magnetic flux through the billet is approximately proportional to the projection surface of the billet on a plane perpendicular to the field lines.
  • Billets with square cross-section rotated at the same angular velocity in each case about their longitudinal axes and aligned with these longitudinal axes at least approximately orthogonal to the field lines of the magnetic field generated by the current-carrying winding, wherein the position of the billets to each other is controlled so that the two billets against each other rotated by 45 ° about their parallel longitudinal axes, because then the magnetic flux through the one of the two billets increases to the same extent as it decreases by the other billet. If the river has reached its maximum through one billet, it then decreases again, whereby the flow through the other billet increases to the same extent. takes.
  • the summed magnetic flux through the billets is ideally constant.
  • the relative movement of the billets relative to each other can be controlled so that the reinduction stresses generated by the time varying induction currents of the billets subtract super subtractively (Claim 2).
  • this solution is also concerned with rotating the billets in a magnetic field in such a way that their summed projection area is at least largely constant.
  • the time-related change in the magnetic flux through the billets, summed up due to changing rotational speeds of the individual billets relative to the magnetic field can be minimized.
  • two preferably identical, for example, cylindrical billets rotated around their respective longitudinal axis can be rotated in opposite directions and preferably with the same angular speed in terms of absolute value (claim 3).
  • the process can also be carried out with the simultaneous heating of different billets. If the cross sections of the billets have symmetries, these can be exploited in a targeted manner.
  • a first of the cylindrical billets of the above example with a square-shaped bar and replace the second cylindrical billet with a regular octahedral cross-section billet.
  • the first billet is filmed with double the angular speed, like the second and in opposite directions.
  • the billets are preferably aligned against each other prior to the start of the rotation so that the magnetic flux either increases initially or decreases initially with the start of the rotational movement through both billets.
  • the projection surfaces of the two billets on a plane perpendicular to the magnetic flux are both maximum or both minimum. If the two billets are rotated in the same direction (with the ratio of the angular velocities unchanged), the billets must be aligned before starting so that the magnetic flux through one of the billets initially decreases with the start of the turning path and initially increases due to the other.
  • the projection area of a billet is preferably maximum and the projection area of the other billet is minimal. In both cases, the ma- Gnetische flow through the two billets in opposite directions, so that the individual billets attributable rinsek ⁇
  • tion voltages have different signs and superposing subtractive.
  • a band-shaped high-temperature superconductor can be used.
  • HTSC high-temperature superconductor
  • cuprate superconductors are referred to, ie rare earth copper oxides, such as YBa 2 Cu 3 O 7 - X.
  • the value of the direct current can be kept at least substantially constant by a regulated current source connected to the winding. Due to the low re-induction, this constant current source can have a smaller control range and thus be less expensive than when carrying out the method according to the prior art.
  • the device in particular for carrying out any of the above-described methods, has a superconducting winding on an iron core, a DC source for generating a DC current in the winding, at least one chuck for a billet of an electrically conductive material and a rotary drive for generating a relative movement between the coil and the clamping device.
  • the value of the DC current generated in the winding by the DC power source is set so that the relative permeability of the iron core is reduced at least in the region of the winding relative to the currentless state of the winding (claim 8).
  • the clamping devices can optionally or alternatively be driven in opposite directions and preferably with approximately the same angular velocity in terms of absolute value (claim 9).
  • the clamping devices may have correspondingly controlled drive motors.
  • at least two jigs can be driven by a common motor.
  • a gearbox with drives running in opposite directions and with the same angular velocity in absolute terms transmits the engine power to the clamping devices.
  • the device may have means for determining the respective back induction voltages caused by the time varying induction currents in the billets.
  • the rotary drives of the jigs are controlled so that subtractively superposing the respectively induced by the billets remindindutationshoven (claim 10).
  • the position of the billets relative to one another and / or the relative movement of the billets to one another can be regulated by the controller.
  • the iron core used can be a rod in the simplest case. At both ends of the rod, a billet can be moved, in particular rotated, relative to the magnetic field emerging from the rod. The magnetic inference takes place through the free space.
  • An at least approximately C-shaped yoke has an air gap between two Pole shoes of the otherwise annular cross-sectionally closed yoke in which the billet can be rotated.
  • Such an iron core allows good guidance of the magnetic flux through a billet to be heated. Compared to the rod, the magnetic inference through the iron core also takes place.
  • the iron core is an approximately E-shaped yoke, each with an air gap between the middle leg and the respective end leg to accommodate each a billet.
  • the winding is preferably arranged on the middle leg.
  • Such an iron core makes it possible to heat two billets simultaneously with only one winding and also to guide the magnetic return flow through the iron core. For this purpose, in each of the air gaps per a billet is moved relative to the magnetic field, preferably rotated in the air gap.
  • the iron core consists at least partially of layered sheets. This reduces possible eddy currents in the iron core.
  • the eddy-current power dissipation which heats the iron sinks, and the measures for cooling the iron core can be smaller.
  • the possible heat input from the iron core to the superconducting winding is reduced.
  • the sheets are at least partially layered approximately orthogonal to the plane in which the current induced in the billet flows for the most part. This allows a good guidance of the magnetic field with low eddy current losses.
  • the cross section in the region of the winding is preferably chosen to be smaller than outside the winding. This further reduces the reinduction.
  • FIG. 2a shows a magnet system of an induction heater with a rod-shaped iron core
  • FIG. 2b is a side view of the magnet system of Fig. 2a
  • 3a shows a magnet system with a C-shaped yoke as iron core
  • FIG. 4a shows a magnet system with an E-shaped yoke as iron core
  • Fig. 5 shows an example of the reverse induction voltage as a function of the winding current.
  • the induction heater in FIG. 1 is for heating a billet 10 by rotating the billet 10 in a magnetic field generated by a magnet system 50.
  • the billet 10 is clamped between a right and a left pressure element 2a and 2b of a clamping device and by a motor 1 rotatably driven.
  • a gear 3 connects the motor shaft with the shaft of the movable in the direction of the two-sided arrows jig 2a.
  • the magnet system 50 can comprise a DC-powered superconducting winding 60 on a rod-shaped iron core 55.2.
  • the rod-shaped iron core 55.2 carries the magnetic field (not shown) generated by the DC-powered winding 60, which exits the two end faces 56.2, 57.2 of the iron core 55.2 as if from a lens and enters the billets 10 located there via an air gap.
  • the magnetic field not shown
  • the billets 10 are moved in the magnetic field, eg rotated, the magnetic flux changes relative to the billet 10 and an induction current is induced in the billet 10.
  • the back induction can be reduced by feeding the winding 60 with a direct current which preferably lowers the relative permeability to shortly before the saturation region. If the magnetic field generated by the induction current is then superposed additively with the magnetic field generated by the winding 60, the additional field strength is superimposed.
  • the magnet system 50 may consist essentially of a C-shaped iron core 55.3 with a preferably HTSC winding 60 (FIGS. 3a and 3b).
  • the winding 60 is fed by a regulated DC power source 80.
  • the iron core carries the magnetic field thus generated, which is symbolized by the black arrows (only Fig. 3b).
  • the magnetic inference does not take place through the free space but through the leg 57.3 (FIG. 3b).
  • At least one billet 10 to be heated is located between the two legs 56.3, 57.3 of the iron core 55.
  • the billet 10 to be heated is generally not exactly cylindrical and is usually not rotated exactly around its cylinder axis. Accordingly, the surface of the billet 10 penetrated by the magnetic flux and thus the back induction varies, as a result of which the current through the superconducting winding also varies.
  • the back induction is reduced by appropriate selection of the value of the DC current with which the winding 60 is fed.
  • the sectional area of the iron core 55.3 at right angles to the magnetic field symbolized by the black arrows is reduced in the area of the winding 60 in comparison to the corresponding areas of the legs 56.3, 57.3.
  • the iron core 55.4 as shown in Fig. 4a and Fig. 4b, also be E-shaped.
  • the iron core 55.4 is comprised of layered sheets 58 stacked orthogonal to the plane in which the current induced in the pellets 10 flows.
  • a further increase in the current causes only a comparatively small reduction in the reinduction voltage U ir ⁇ j.
  • increasing the current I wl from about 80 A to about 100 A merely reduces the reinduction voltage by about 20 V.
  • the optimum operating range for the induction heater is between about 60 A ( ⁇ 180,000 ampere turns) and about 80 A ( ⁇ 240,000 ampere turns), especially at about 70 A ( ⁇ 210,000 ampere turns), because then the relative permeability of the iron core has a value only allows a relatively low re-induction, but at the same time still sufficient so that the iron core leads the magnetic field generated by the superconducting winding to the billet.

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Description

Induktionsheizverfahren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum induktiven Erwärmen eines Billets aus einem elektrisch leitenden Werkstoff durch Relativbewegung, insbesondere Erzeugen einer Drehung zwischen dem Billet und einem Magnetfeld, das mittels min- destens einer gleichstromgespeisten supraleitenden Wicklung auf einem Eisenkern erzeugt wird.
Ein solches Verfahren zeigt die DE 10 2005 061 670.4. Zur Durchführung des Verfahrens kann beispielsweise ein in einer drehangetriebenen Einspannvorrichtung eingespanntes zy- linderförmiges Billet mit konstanter Drehzahl um seine Zylinderachse in einem Magnetfeld, das mittels eines konstanten Stroms durch die supraleitende Wicklung erzeugt wird, gedreht werden. Dadurch wird in dem Billet ein weitgehend konstanter Strom induziert. In der Realität ist das Billet jedoch in der Regel nicht optimal zylindrisch und/oder nicht exakt eingespannt, so dass es nicht um seine Zylinderachse gedreht wird. Dadurch verändert sich der magnetische Fluss durch das Billet auch betragsmäßig, so dass entsprechend ein betragsmäßig nicht konstanter Induktionsström in dem Billet induziert wird. Der Induktionsstrom Iind(t) alterniert mit der Drehfrequenz f, d.h. Iind( t) =Iind( t+f"1) . Durch den zeitlich nicht konstanten Induktionsstrom in dem Billet wird ein sich zeitlich entsprechend veränderndes Magnetfeld erzeugt, welches die supraleitende Wicklung durch- dringt und dort eine Spannung induziert. Dieser Effekt wird als Rückinduktion und die entsprechende Spannung als Rückinduktionsspannung bezeichnet. Aufgrund dieser sich zeitlich verändernden Rückinduktionsspannung fließt durch die supraleitende Wicklung kein zeitlich konstanter sondern ein zeitlich variabler Strom, der zu unerwünschten Verlusten, sogenannten Rückinduktionsverlusten in der supralei- tenden Wicklung führt.
Ebenso wird bei der Erwärmung nicht zylindrischer, stabför- miger Billets, z.B. mit rechteckigem oder ovalem Querschnitt, durch Drehung der Billets ein ständig alternierender Induktionsstrom erzeugt, der eine entsprechend alter- nierende Rückinduktionsspannung und damit entsprechende Rückinduktionsverluste bewirkt.
Zeitlich variierende Rückinduktionsspannungen und damit Rückinduktionsverluste treten unabhängig von der Form des Billets insbesondere beim Beginn und am Ende der Indukti- onserwärmung auf, wenn das Billet in Rotation versetzt bzw. angehalten wird. Grundsätzlich treten die Rückinduktionsverluste bei jeder Änderung der Drehgeschwindigkeit auf.
Diese Rückinduktionsverluste müssen durch eine entsprechend leistungsfähige ^Stromquelle ausgeglichen werden und erhöhen die für die supraleitende Wicklung notwendige Kühlleistung.
Die US 3 842 243 schlägt vor, ein elektrisch leitendes Billet in einem magnetischen Wechselfeld zu erwärmen. Zur Führung des magnetischen Flusses durch das Billet sitzt ein wechselstromgespeister Leiter in einem U-förmigen Joch. Durch eine gleichstromgespeiste Zusatzspule, die auf einem Abschnitt des Jochs sitzt, kann der Abschnitt in die magnetische Sättigung getrieben werden. Deshalb wird der magnetische Fluss des Wechselfeldes nicht mehr vollständig zum Billet geführt, und dieses wird in dem entsprechenden Bereich lokal weniger erwärmt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die Rückindukti- onsverluste in der supraleitenden Wicklung bei Durchführung des einleitend genannten Verfahrens zu verringern.
Verfahrensmäßig ist diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 7 angegeben. Vorrichtungen insbesondere zur Durchführung der Verfahren sind Gegenstand des Anspruches 8. Weiterbildungen der Vorrichtungen sind in den Ansprüchen 9 bis 15 angegeben.
Bei allen Verfahren wird wenigstens ein Billet relativ zu einem Magnetfeld bewegt. Es kommt dabei nicht darauf an, ob das Magnetfeld um das Billet gedreht wird oder umgekehrt. Gemäß dem Verfahren nach dem Anspruch 1 wird in der supraleitenden Wicklung ein Gleichstrom mit einem Wert erzeugt und aufrecht erhalten, der in dem Eisenkern zumindest im Bereich der Wicklung eine magnetische Flussdichte erzeugt, bei der die relative Permeabilität des Werkstoffes des Ei- senkerns kleiner als im stromlosen Zustand der Wicklung ist. Weil sich die relative Permeabilität reduziert, vermindert sich die Rückinduktion und damit der Verlust in der supraleitenden Wicklung. Gleichzeitig bleibt die das Magnetfeld der Wicklung führende Wirkung des Eisenkerns er- halten. Im Ergebnis wird die Rückinduktion verringert.
Werden zwei oder mehr Billets gleichzeitig in einem von der supraleitenden Wicklung erzeugten Magnetfeld gedreht, kann nach einer alternativen oder optionalen Lösung des Problems die Lage der Billets zueinander so geregelt werden, dass die von den alternierenden Induktionsströmen der Billets erzeugten Rückinduktionsspannungen subtraktiv superponie- ren. Vereinfacht dargestellt, ist unter der Annahme eines im Bereich eines Billets homogenen Magnetfeldes der magne- tische Fluss durch das Billet etwa proportional zur Projektionsfläche des Billets auf eine Ebene senkrecht zu den Feldlinien. Bei Erwärmung eines nicht zylindrischen Billets in dem Magnetfeld verändert sich die Projektionsfläche mit jeder Winkeländerung. Der Kern dieser Lösung besteht darin, die Lage zweier oder mehrerer Billets zueinander so zu regeln, dass sich die summierte Projektionsfläche aller Billets bei deren Bewegung im Magnetfeld nicht oder nur möglichst wenig ändert. Entsprechend ändert sich dann auch der summierte magnetische Fluss durch die Billets nicht oder nur minimal, was zu einer minimierten Rückinduktionsspannung in der Wicklung führt. Man kann auch sagen, dass die den einzelnen Billets zuzuordnenden, d.h. durch deren jeweilige Änderungen des magnetischen Flusses verursachten Rückinduktionsspannungen subtraktiv superponieren.
Dazu können beispielsweise zwei identische quaderförmige
Billets mit quadratischem Querschnitt, mit gleicher Winkelgeschwindigkeit jeweils um ihre Längsachsen gedreht und mit diesen Längsachsen zumindest etwa orthogonal zu den Feldlinien des von der stromdurchflossenen Wicklung erzeugten Ma- gnetfelds ausgerichtet werden, wobei die Lage der Billets zueinander so geregelt wird, dass die beiden Billets gegeneinander um 45° um ihre parallelen Längsachsen verdreht sind, denn dann nimmt der magnetische Fluß durch das eine der beiden Billets in dem selben Maße zu, wie er durch das andere Billet abnimmt. Hat der Fluss durch das eine Billet sein Maximum erreicht, nimmt er anschließend wieder ab, wobei der Fluss durch das andere Billet im gleichen Maße zu- nimmt. Der summierte magnetische Fluss durch die Billets ist im Idealfall konstant. Dann löschen sich die den einzelnen Billets zuzuordnenden Rückinduktionsspannungen durch subtraktives Superponieren zumindest teilweise aus . Der gleiche Effekt, wenn auch nicht so ausgeprägt, wird erreicht, wenn z.B. zwei quaderförmige Billets mit nicht kongruenten Querschnittsflächen gleichzeitig erwärmt werden. Dies gilt insbesondere für quaderförmige Billets mit ausgeprägtem Rechteckquerschnitt.
Nach einer weiteren alternativen oder optionalen Lösung kann bei gleichzeitigem induktiven Erwärmen von zwei oder mehr Billets durch Drehen in einem von einer gleichstromgespeisten supraleitenden Wicklung erzeugten Magnetfeld die Relativbewegung der Billets zueinander so geregelt werden, dass die von den zeitlich veränderlichen Induktionsströmen der Billets erzeugten Rückinduktionsspannungen subtraktiv superponieren (Anspruch 2) . Auch bei dieser Lösung geht es wie bei den in den beiden vorstehenden Absätzen beschriebenen Verfahren darum, die Billets in einem Magnet- feld so zu drehen, dass deren summierte Projektionsfläche zumindest weitgehend konstant ist. Darüberhinaus kann durch die Regelung der Bewegung der Billets relativ zueinander alternativ oder optional die sich aufgrund ändernder Rotationsgeschwindigkeiten der einzelnen Billets relativ zu dem Magnetfeld summierte zeitliche Änderung des magnetischen Flusses durch die Billets minimiert werden. Beispielsweise können zwei vorzugsweise identische, z.B. zylindrische um ihre jeweilige Längsachse gedrehte Billets gegensinnig und vorzugsweise mit betragsmäßig gleicher Win- kelgeschwindigkeit gedreht werden (Anspruch 3). Dadurch haben die den einzelnen Billets zuzuordnenden Rückinduktionen beim Start und am Ende der Erwärmung, d.h. beim Anfahren bzw. beim Stoppen der Drehbwegung, verschiedene Vorzeichen, so dass im Idealfall beim Starten und beim Stoppen eine Auslöschung der effektiven Rückinduktionsspannung in der Wicklung durch subtraktives Superponieren der den einzelnen Billets zuzuordnenden Rückinduktionsspannungen erfolgt.
Natürlich lässt sich das Verfahren auch beim gleichzeitigen Erwärmen unterschiedlicher Billets durchführen. Sofern die Querschnitte der Billets Symmetrien besitzen, lassen sich diese gezielt ausnutzen. Beispielsweise kann man ein erstes der zylindrischen Billets aus obigem Beispiel gegen ein stabförmiges mit quadratischem Querschnitt ersetzen und das zweite zylindrische Billet durch ein stabförmiges Billet mit regelmäßigem oktaedrischem Querschnitt ersetzen. Nun wird das erste Billet mit betragsmäßig doppelter Win- kelgeschwindigkeit wie das zweite und gegensinnig zu diesem gedreht. Unabhängig von der Form sind die Billets vor dem Start der Drehung vorzugsweise so gegeneinander auszurichten, daß der magnetische Fluß mit Start der Drehbewegung durch beide Billets entweder zunächst zunimmt oder zunächst abnimmt. Vorzugsweise sind beim Start der Drehbewegung die Projektionsflächen der beiden Billets auf eine Ebene senkrecht zum magnetischen Fluss beide maximal oder beide minimal. Werden die beiden Billets gleichsinnig gedreht (bei betragsmäßig unverändertem Verhältnis der Winkelgeschwin- digkeiten zueinander) , sind die Billets vor dem Start so auszurichten, dass mit dem Start der Drehbwegung der magnetische Fluß durch eines der Billets zunächst abnimmt und durch das andere zunächst zunimmt. In diesem Fall ist beim Start der Drehbewegung die Projektionsfläche eines Billets vorzugsweise maximal und die Projektionsfläche des anderen Billets minimal. In beiden Fällen verändert sich der ma- gnetische Fluß durch die beiden Billets gegenläufig, so dass die den einzelnen Billets zuzuordnenen Rückinduk¬
tionsspannungen unterschiedliche Vorzeichen haben und sub- traktiv superponieren.
Als supraleitende Wicklung kann beispielsweise ein bandförmiger Hochtemperatursupraleiter (HTSL) verwendet werden. Als HTSL werden z.B. Kuprat-Supraleiter bezeichnet, d.h. Seltenerd Kupfer-Oxide, wie z.B. YBa2Cu3O7-X.
Der Wert des Gleichstroms kann durch eine an die Wicklung angeschlossene, geregelte Stromquelle zumindest im Wesentlichen konstant gehalten werden. Aufgrund der geringen Rückinduktion kann diese Konstantstromquelle einen geringeren Regelungsbereich haben und damit kostengünstiger als bei Durchführung des Verfahrens nach dem Stand der Technik sein.
Die Vorrichtung insbesondere zur Durchführung eines der vorstehend beschriebenen Verfahren hat eine supraleitende Wicklung auf einem Eisenkern, eine Gleichstromquelle zum Erzeugen eines Gleichstroms in der Wicklung, mindestens eine Einspannvorrichtung für ein Billet aus einem elektrisch leitenden Material und einen Drehantrieb zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Wicklung und der Einspannvorrichtung. In einer Ausführungsform ist der Wert des in der Wicklung durch die Gleichstromquelle erzeugten Gleichstroms so eingestellt, dass die relative Permeabilität des Eisenkerns zumindest im Bereich der Wicklung gegenüber dem stromlosen Zustand der Wicklung reduziert ist (Anspruch 8) . Hat die Vorrichtung mindestens eine weitere drehangetriebene Einspannvorrichtung, so können die Einspannvorrichtungen optional oder alternativ gegensinnig und vorzugsweise mit betragsmäßig etwa gleicher Winkelgeschwindigkeit angetrie- ben sein (Anspruch 9) . Beispielsweise können die Einspannvorrichtungen über entsprechend geregelte Antriebsmotoren verfügen. Alternativ können auch mindestens zwei Einspannvorrichtungen mit einem gemeinsamen Motor angetrieben werden. Ein Getriebe mit gegensinnig und mit betragsmäßig gleicher Winkelgeschwindigkeit laufenden Abtrieben überträgt die Motorleistung auf die Einspannvorrichtungen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung Mittel zum Bestimmen der von den zeitlich variierenden Induktionsströmen in den Billets jeweils hervorgerufenen Rückinduktionss- pannungen haben. Durch eine Steuerung, welche die zuvor bestimmten Rückinduktionsspannungen auswertet, werden die Drehantriebe der Einspannvorrichtungen so gesteuert, dass die jeweils von den Billets hervorgerufenen Rückinduktionsspannungen subtraktiv superponieren (Anspruch 10) . Bei- spielsweise kann die Lage der Billets zueinander und/oder die Relativbewegung der Billets zueinander durch die Steuerung geregelt werden.
Der verwendete Eisenkern kann im einfachsten Fall ein Stab sein. An beiden Enden des Stabes kann ein Billet relativ zu dem aus dem Stab austretenden Magnetfeld bewegt, insbesondere gedreht werden. Der magnetische Rückschluss erfolgt durch den freien Raum.
Besser kann der verwendete Eisenkern ein zumindest näherungsweise C-förmiges Joch sein. Ein zumindest näherungs- weise C-förmiges Joch hat einen Luftspalt zwischen zwei Polschuhen des ansonsten im Querschnitt ringförmig geschlossenen Jochs in dem das Billet gedreht werden kann. Ein solcher Eisenkern ermöglicht eine gute Führung des magnetischen Flusses durch ein zu erwärmendes Billet. Im Ver- gleich zum Stab erfolgt auch der magnetische Rückschluss durch den Eisenkern.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der Eisenkern ein etwa E-förmiges Joch mit je einem Luftspalt zwischen dem Mittelschenkel und dem jeweiligen Endschenkel zur Auf- nähme je eines Billets. Die Wicklung ist vorzugsweise auf dem Mittelschenkel angeordnet. Ein solcher Eisenkern ermöglicht mit nur einer Wicklung gleichzeitig zwei Billets zu erwärmen und auch den magnetischen Rückfluss durch den Eisenkern zu führen. Dazu wird in jedem der Luftspalte je ein Billet relativ zum Magnetfeld bewegt, vorzugsweise in dem Luftspalt gedreht.
Vorzugsweise besteht der Eisenkern zumindest teilweise aus geschichteten Blechen. Dadurch werden mögliche Wirbelströme in dem Eisenkern reduziert. Entsprechend sinkt die den Ei- senkern erwärmende Wirbelstromverlustleistung und die Maßnahmen zur Kühlung des Eisenkerns können geringer ausfallen. Gleichzeitig wird der mögliche Wärmeeintrag vom Eisenkern auf die supraleitende Wicklung reduziert.
Besonders bevorzugt sind die Bleche zumindest teilweise etwa orthogonal zu der Ebene geschichtet, in der der in dem Billet induzierte Strom zum überwiegenden Teil fließt. Dies ermöglicht eine gute Führung des Magnetfeldes bei geringen Wirbelstromverlusten. Vorzugsweise wird der Querschnitt im Bereich der Wicklung kleiner als außerhalb der Wicklung gewählt. Dadurch wird die Rückinduktion nochmals verringert.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung weiter erläutert. Es zeigt jeweils schematisch vereinfacht und beispielhaft:
Fig. 1 die Ansicht eines Induktionsheizers,
Fig. 2a ein Magnetsystem eines Induktionsheizers mit einem stabförmigen Eisenkern,
Fig. 2b eine Seitenansicht des Magnetsystems aus Fig. 2a,
Fig. 3a ein Magnetsystem mit einem C-förmigen Joch als Eisenkern,
Fig. 3b das Magnetsystem aus Fig. 3a in der Frontansicht,
Fig. 4a ein Magnetsystem mit einem E-förmigen Joch als Eisenkern,
Fig. 4b das Magnetsystem aus Fig. 4a in der Frontansicht und
Fig. 5 ein Beispiel der Rückinduktionsspannung als Funktion des Wicklungsstroms.
Der Induktionsheizer in Fig. 1 dient zum Erwärmen eines Billets 10 durch Drehen des Billets 10 in einem durch ein Magnetsystem 50 erzeugten Magnetfeld. Dazu ist das Billet 10 zwischen einem rechten und einem linken Andruckelement 2a bzw. 2b einer Einspannvorrichtung eingespannt und durch einen Motor 1 drehangetrieben. Ein Getriebe 3 verbindet die Motorwelle mit der Welle der in Richtung der beidseitigen Pfeile verschiebbaren Einspannvorrichtung 2a. Das Magnetsystem 50 kann, wie in Fig. 2a und 2b stark ver- einfacht gezeigt, eine gleichstromgespeiste supraleitende Wicklung 60 auf einem stabförmigen Eisenkern 55.2 umfassen. Zwischen der Wicklung 60 und dem Eisenkern 55.2 ist ein Isolationselement 61, z.B. ein vakuumierter Hohlraum, welches den Wärmeeintrag in die Wicklung 60 reduziert (nur Fig. 2b). Der stabförmige Eisenkern 55.2 führt das durch die gleichstromgespeiste Wicklung 60 erzeugte Magnetfeld (nicht dargestellt) , welches an den beiden Stirnflächen 56.2, 57.2 des Eisenkerns 55.2 wie aus einer Linse austritt und über einen Luftspalt in die dort befindlichen Billets 10 eintritt. Werden die Billets 10 in dem Magnetfeld bewegt, z.B. gedreht, so verändert sich der magnetische Fluss relativ zum Billet 10 und es wird ein Induktionsstrom in dem Billet 10 induziert. Der Induktionsstrom in den Billets 10 wiederum erzeugt ein weiteres Magnetfeld, welches mit dem von der Wicklung erzeugten Magnetfeld su- perponiert und eine Spannung in der Wicklung 60 rückinduziert. Um die supraleitende Wicklung 60 mit optimalem Wirkungsgrad zu betreiben, ist die zeitliche Variation des durch die Wicklung 60 fließenden Stromes vorzugsweise Null, d.h. 1m{t) = 0. Durch die zeitlich in der Regel nicht konstante rückinduzierte Spannung gilt jedoch 1wι{t) ≠ 0. Die Rückinduktion kann reduziert werden, in dem die Wicklung 60 mit einem Gleichstrom gespeist wird, der die relative Permeabilität vorzugsweise bis kurz vor den Sättigungsbereich senkt. Wenn dann das von dem Induktionsstrom erzeugte Magnetfeld mit dem von der Wicklung 60 erzeugten Magnetfeld additiv superponiert , wird die zusätzliche Feldstärke auf- grund der geringen relativen Permeabilität des Eisenkerns 55.2 nicht oder nur schlecht von dem Eisenkern 55.2 zu der Wicklung 60 geführt, sondern breitet sich im Wesentlichen „ungerührt" aus. Entsprechend kleiner ist die Änderung des magnetischen Flusses durch die Wicklung 60 und somit die' rückinduzierte Spannung.
In einer anderen Ausführungsform kann das Magnetsystem 50 im Wesentlichen aus einem C-förmigen Eisenkern 55.3 mit einer vorzugsweise HTSL-Wicklung 60 bestehen (Fig. 3a und 3b) .
Die Wicklung 60 wird von einer geregelten Gleichstromquelle 80 gespeist. Der Eisenkern führt das so erzeugte Magnetfeld, das durch die schwarzen Pfeile symbolisiert wird (nur Fig. 3b) . Anders als bei der Ausführungsform nach Fig. 2 erfolgt der magnetische Rückschluss nicht durch den freien Raum sondern durch den Schenkel 57.3 (Fig. 3b). Zwischen den beiden Schenkeln 56.3, 57.3 des Eisenkerns 55 befindet sich mindestens ein zu erwärmendes Billet 10. Anders als dargestellt, ist das zu erwärmende Billet 10 in der Regel nicht exakt zylindrisch und wird meist auch nicht exakt um seine Zylinderachse gedreht. Entsprechend variiert die vom magnetischen Fluss durchsetzte Fläche des Billets 10 und damit die Rückinduktion, wodurch auch der Strom durch die supraleitende Wicklung variiert. Wie schon zuvor beschrie- ben, wird die Rückinduktion durch entsprechende Wahl des Wertes des Gleichstroms, mit dem die Wicklung 60 gespeist wird, reduziert. Die Schnittfläche des Eisenkerns 55.3 rechtwinklig zu dem durch die schwarzen Pfeile symbolisierten Magnetfeld ist im Bereich der Wicklung 60 im Vergleich zu den entsprechenden Flächen der Schenkel 56.3, 57.3 reduziert. Zu erkennen ist die verringerte Dicke d*,* des Eisen- kerns im Bereich der Wicklung im Vergleich zur Dicke df der freien Schenkel. Dadurch wird die relative Permeabilität des Eisenkerns im Bereich der Wicklung nochmals reduziert. Alternativ kann der Eisenkern 55.4, wie in Fig. 4a und Fig. 4b gezeigt, auch E-förmig sein. Zwischen den freien Schenkeln 71 und 72 bzw. 72 und 73 ist je eine Tasche, in die ein Billet 10 eingebracht ist. Auf dem mittleren freien Schenkel 72 sitzt eine Spule mit einer HTSL-Wicklung 60, die von einer nur in Fig. 4b dargestellten geregelten Gleichstromquelle 80 gespeist wird. Im Wesentlichen besteht der Eisenkern 55.4 aus geschichteten Blechen 58, die orthogonal zu der Ebene geschichtet sind, in der der in den BiI- lets 10 induzierte Strom fließt.
Fig. 5 zeigt die berechnete Rückinduktionsspannung Uin(j in Volt als Funktion des Wicklungsstromes IW1 ausgehend von
120 kW Heizleistung durch Drehung eines Billets im Feld einer Wicklung auf einem Eisenkern, die 3000 Windungen hat, bei einer gleichmäßigen Änderung der Drehfrequenz des Billets relativ zur Wicklung innerhalb Is um 8Hz. Für kleine Ströme (z.B. IW1 « 50 A) hat die Rückinduktionsspannung ihr betragsmäßiges Maximum von etwa 220 V. Mit zunehmendem Strom IW1 nimmt die Rückinduktion zunächst betragsmäßig stark ab. Eine Erhöhung des Stroms IW1 um beispielsweise etwa 15 A auf IW1 « 65 A verringert die Rückinduktionsspan- nung Uind betragsmäßig um rund 100 V.
Oberhalb von etwa 80 A bewirkt eine weitere Erhöhung des Stroms nur eine vergleichsweise geringe Verringerung der Rückinduktionsspannung Uirκj- Beispielsweise bewirkt eine Erhöhung des Stroms Iwl von etwa 80 A auf etwa 100 A lediglich eine Verringerung der Rückinduktionsspannung um ca. 20 V. Der optimale Betriebsbereich für den Induktionsheizer liegt zwischen etwa 60 A (~ 180.000 Amperewindungen) und etwa 80 A (~ 240.000 Amperewindungen) insbesondere bei etwa 70 A (~ 210.000 Amperewindungen) , denn dann hat die relative Permeabilität des Eisenkerns einen Wert, der nur noch eine vergleichsweise geringe Rückinduktion zulässt, aber gleichzeitig noch ausreicht damit der Eisenkern das von der supraleitenden Wicklung erzeugte Magnetfeld zu dem Billet führt .

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zum induktiven Erwärmen eines Billets (10) aus einem elektrisch leitenden Werkstoff durch Drehen des Billets (10) relativ zu einem Magnetfeld, das mittels mindestens einer gleichstromgespeisten supraleitenden Wicklung (60) auf einem Eisenkern (55.2, 55.3, 55.4) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die
Wicklung (60) mit einem Gleichstrom gespeist wird, der einen Wert hat, der in dem Eisenkern (55.2, 55.3, 55.4) zumindest im Bereich der Wicklung (60) eine magnetische Flussdichte erzeugt, bei der die relative Permeabilität des Werkstoffs des Eisenkerns (55.2, 55.3, 55.4) kleiner als im stromlosen Zustand der Wicklung (60) ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mindestens zwei elektrisch leitenden Billets (10) durch Drehen der Billets (10) relativ zu dem Magnetfeld, das von mindestens einer gleichstromgespeisten supraleitenden Wicklung (60) auf einem Eisenkern (55.4) erzeugt wird, erwärmt werden, wobei in jedem Billet (10) ein zeitliche variierender Induktionsstrom erregt wird, der je eine Rückinduktionsspannung in der Wicklung (60) hervorruft, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Billets (10) relativ zueinander so geregelt wird, dass Rückinduktionsspannungen subtraktiv superponieren.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Billets (10) gegensinnig zueinander gedreht werden .
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Billets (10) relativ zueinander so geregelt wird, dass die Rückinduktionsspannungen sub- traktiv superponieren.
5. Verfahren nach Anspruch 2, Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Billets (10) mit betragsmäßig zumindest etwa gleicher Winkelgeschwindigkeit gedreht werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des Gleichstroms durch die Wicklung (60) auf einen im wesentlichen konstanten Wert geregelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 , dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Eisenkerns (55.2, 55.3, 55.4) im Bereich der Wicklung (60) kleiner als außerhalb der Wicklung (60) gewählt wird.
8. Vorrichtung zum induktiven Erwärmen mindestens eines Billets (10) aus einem elektrisch leitenden Material, mit mindestens einer supraleitenden Wicklung (60) auf einem Eisenkern (55.2, 55.3, 55.4), einer Gleichstromquelle (80) zum Erzeugen eines Gleichstromes in der Wicklung (60) und mindestens einer relativ zur Wicklung (60) drehangetriebenen Einspannvorrichtung für das Billet (10) , dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des in der Wicklung (60) durch die Gleichstromquelle (80) erzeugten Gleichstroms so eingestellt ist, daß die relative Permeabilität des Eisenkerns (55.2, 55.3, 55.4) zumindest im Bereich der Wicklung (60) gegenüber dem stromlosen Zustand der Wicklung (60) reduziert ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8 zum induktiven Erwärmen mindestens zweier Billets (10) aus einem elektrisch leitenden Material, mit mindestens zwei relativ zur Wicklung (60) drehangetriebenen Einspannvorrichtungen, in die jeweils eines der Billets (10) einspannbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspannvorrichtungen gegensinnig angetrieben sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9 zum induktiven Erwärmen mindestens zweier Billets (10) aus einem elek- trisch leitenden Material, mit mindestens zwei relativ zur Wicklung (60) drehangetriebenen Einspannvorrichtungen, in die jeweils eines der Billets (10) einspannbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel zum Bestimmen der von zeitlich variie- renden Induktionsströmen in den Billets (10) jeweils hervorgerufenen Rückinduktionsspannungen hat, und dass die Vorrichtung eine Steuerung hat, welche die Drehantriebe der Einspannvorrichtungen so ansteuert, daß die jeweils hervorgerufenen Rückinduktionsspannungen sub- traktiv superponieren.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspannvorrichtungen mit betragsmäßig zumindest etwa gleicher Winkelgeschwindigkeit angetrieben sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenkern (55.3) ein näherungsweise C-förmiges Joch ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12 , dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenkern (55.4) ein näherungsweise E-förmiges Joch mit je einem Luftspalt zur Aufnahme je eines Billets zwischen dem Mittelschenkel und dem jeweiligen Endschenkel ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenkern (55.4) zumindest teilweise aus geschichteten Blechen (58) besteht.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenkern (55.3) im Bereich der Wicklung (60) einen kleineren Querschnitt als außerhalb der Wicklung (60) hat.
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