EP2497333B1 - Vorrichtung zum induktiven aufheizen von werkstücken aus elektrisch leitfähigem material - Google Patents

Vorrichtung zum induktiven aufheizen von werkstücken aus elektrisch leitfähigem material Download PDF

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EP2497333B1
EP2497333B1 EP10771743.1A EP10771743A EP2497333B1 EP 2497333 B1 EP2497333 B1 EP 2497333B1 EP 10771743 A EP10771743 A EP 10771743A EP 2497333 B1 EP2497333 B1 EP 2497333B1
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EP
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coil
induction
winding segments
usable
windings
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EP10771743.1A
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EP2497333A1 (de
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Helmut K. Bauer
Martin U. Bauer
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/10—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications
    • H05B6/101—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications for local heating of metal pieces
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/36—Coil arrangements
    • H05B6/365—Coil arrangements using supplementary conductive or ferromagnetic pieces

Definitions

  • the invention relates to a device for inductive heating preferably over a moving distance moving workpieces of electrically conductive material having at least one acted upon by alternating current, a plurality of turns of coil wire having induction coil of the type specified in the preamble of claims 1 and 11.
  • a coil wire through which current flows is surrounded by an annular magnetic field.
  • the fields of the individual turns overlap to form a common magnetic field.
  • the course of the magnetic field can be described model by way of the visual aid of the field lines.
  • the field lines indicate the direction of force that would act on an external north pole.
  • the field lines emerge from the north pole, are directed in the outer space in the direction of the south pole, reenter the coil at the south pole and are closed via the interior of the coil.
  • the magnetic poles thereby depict the regions of the largest magnetic flux from which the magnetic field exits or enters into the outer space.
  • the number of field lines is a scaling question. A greater density of field lines occupies a larger magnetic field and vice versa.
  • the field lines in a coil extend transversely to the direction of current in the windings, essentially parallel to the surface defined by the adjacent windings.
  • For the inductive heating of an electrically conductive workpiece is by the excitation of the coil with a high-frequency alternating current magnetic alternating field generated.
  • a time-varying magnetic field in turn induces an electric field whose field lines close around the magnetic field lines.
  • This electric field induces voltages and thereby currents that occur in an electrically conductive workpiece in the form of eddy currents.
  • the eddy currents lead by the ohmic resistance to a heating of the workpiece.
  • these eddy currents again generate magnetic fields which lead to a frequency-dependent field displacement of the electromagnetic fields from the interior of the workpiece into the edge regions. This so-called skin effect ultimately leads to a concentration of the fields in a small boundary layer on the outer surface of the workpiece.
  • the coil windings often have a more or less complete return of magnetically conductive material. This inference serves to guide the flow and to shield certain areas from the magnetic fields.
  • the magnetic field concentrates on the magnetically conductive areas of the flux guide and bridges the air space in air gaps or in scattered areas.
  • induction device of the type specified above known ( US 2,052,010 . DE-297 00 645 U1 ), in which the windings of the induction coil have at least one group of selected winding sections, which are arranged parallel to one another by clamping a useful induction surface facing the workpiece to be heated and current flows through in the same direction and which are connected to one another via further winding sections.
  • the usable induction surface is to be understood as an area defined by the group of selected winding sections, in whose adjoining air space the magnetic field lines used for heating the workpiece run. This makes it possible with simple means to adapt the induction coil structurally to workpieces with a complicated design.
  • the present invention seeks to improve a device for inductive heating of workpieces of the type specified in that the efficiency increases in the range of usable induction area and unacceptable heatings are avoided in the outdoor area.
  • the solution according to the invention consists in that the winding sections are connected to form a spiral winding and enclose an open air space and that the group of selected winding sections is at least partially bounded on its outside of the usable induction surface with magnetically conductive flux guide means.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the induction coil has two groups of selected winding sections, whose usable induction surfaces face each other in mutual lateral distance and together define a gap-shaped air space for receiving the workpieces to be heated.
  • the selected turn sections and the other turn sections in an imaginary unfolded blank form a flat rectangular spiral with a central rectangular opening, the adjacent turn sections of each turn at the ends of the sides of the rectangle to form a common miter line by 90 ° are bent against each other.
  • the two groups of selected winding sections forming the usable induction surface are together with the miter lines and a part of the groups of the further turns sections around a bending line parallel to the selected turn sections and extending transversely to the further turn sections, from the imaginary cut plane.
  • the bending line expediently extends at a distance from the opening edge and parallel to it through the central opening.
  • a special feature of this design is also that the other turns sections on their side facing the inside of the gap can span additional usable, the induction surfaces to be heated facing the workpiece.
  • the gap inductor described above is preferably used for paint stripping or decoating of coated metallic workpieces in a continuous process.
  • the movement distance of the workpieces is expediently aligned parallel to the longer rectangular sides of the coil turns.
  • a further embodiment variant of the invention provides that the turns of the induction coil are helically wound on an outline rectangular coil frame having two transverse sides and two longitudinal sides such that the adjacent turns in the transverse direction of the coil frame are juxtaposed and extend in its longitudinal direction, that of the coil frame comprising at its ends by Spulpole limited coil core of magnetically conductive material and that the further Windungsabitese are limited at their side facing away from the coil core outside at least partially with magnetically conductive guide means.
  • the width of the coil frame corresponding to the transverse dimension of the usable induction surface is smaller than the length of the coil frame corresponding to the longitudinal dimension of the usable induction surface.
  • the induction coil has one or more winding layers at least within the usable induction area.
  • Such an induction coil forms a Flachinduktor whose winding poles are not assigned to the effective induction surface. Rather, the effective induction surface is formed by one of the broad side surfaces of the flat inductor, along which the workpiece to be heated is moved. The speed of movement of the workpiece is selected such that the heating process provided on the workpiece is completed when it leaves the area of action of the usable induction surface.
  • a particular field of application for a flat inductor is the sealing of overlapping and butt welds on metallic sheet metal bodies, in particular on cylindrical tin cans which are sealed on a jacket seam.
  • the sealing takes place there by the seams being inductively heated by passing the metallic sheet metal bodies past the usable induction surface and being coated with a melting-on coating agent.
  • the meltable coating agent can be arranged either on the outside or on the inside of the seam.
  • the devices shown in the drawing are intended for inductive heating of preferably along a moving distance moving workpieces made of electrically conductive material. They are also referred to below as the "inductor”.
  • the Fig. 1 shows a so-called gap inductor 10, the housing 12 has an upwardly open longitudinal gap 14 which is bounded by two side edges 16 and a bottom 18. Inside the housing 12 there is at least one adapted to the housing 12 induction coil 20,20 ', which is acted upon by an alternating current and generates a high-frequency magnetic alternating field B, the field lines 22 in Fig. 1 are shown partially.
  • the alternating magnetic field B can be used to induce induction currents in a workpiece positioned in the gap 14, which causes the workpiece to reach a predetermined temperature heat.
  • the exciting current which has a frequency in the order of 10 to 100 kHz, is generated by a generator, not shown in the drawing.
  • a generator not shown in the drawing.
  • a blower 26 can be seen, via which cooling air is sucked into the housing and routed through channels 28 provided therein for cooling the induction coil 20, 20 'and, in the heated state, is blown off again into the exterior space via housing openings 30.
  • the induction coils 20, 20 'intended for the gap inductor 10 are in the Fig. 2 to 5b shown.
  • Each induction coil 20,20 ' has a plurality of turns 32 of coil wire, which is preferably formed as Hochfrequenzlitze because of the high excitation frequency.
  • the windings 32 of the induction coils 20, 20 ' have two groups of selected turn sections 34, 34' arranged in the region of the side flanks 16 of the housing 12, which are arranged parallel next to each other while being tensioned in each case on a usable induction surface 36, 36 'facing the longitudinal gap 14 the same direction are flowed through and are connected via further winding sections 38,38 ', 40 in the manner of a spiral winding with each other and enclose an open air space 42.
  • a usable induction surface 36, 36 ' is to be understood as a surface spanned by a group of winding sections, in whose adjoining air space the magnetic field lines 22 used for heating the workpiece 24 run.
  • the usable induction surfaces 36, 36 'of the selected turn sections 34, 34' face each other at a mutual lateral distance and together define a gap-shaped air space 14 ', which comprises the longitudinal gap 14 in the housing 12 and is aligned parallel thereto.
  • the groups of selected turn sections 34, 34 'forming the two usable induction faces 36, 36' and part of the groups of the further turn sections 38, 38 ' are parallel to the turn sections 34, 34' and transverse to the other turn sections 38.38 'extending bending line 48 bent from the imaginary cut plane 50 by about 90 ° to one side.
  • the bending line 48 extends at a distance from the opening edge 46 through the central opening of the open air space 42 therethrough.
  • the further winding sections 40 delimit at the two ends of the induction coil 20, 20 'a bottom area parallel to the bottom 18 of the longitudinal gap 14 in the region of the imaginary cut plane 50.
  • FIG. 1 partially drawn field lines 22 of the alternating magnetic field B are generated by the usable induction surfaces 36,36 '.
  • a peculiarity of in Fig. 2 to 5b shown embodiments is that also the other turn sections 38,38 'and 40 on its side facing the inside of the gap additional, the usable heat to the workpiece 24 facing usable induction surfaces.
  • the field lines in accordance with the direction of current in the other winding sections 38,38 ', 40 in the sense of the Merkreg stated above.
  • the group of selected turns sections 34, 34 ' are limited on their outer side facing away from the usable induction surface 36, 36' with magnetically conductive flux guiding means 52 made of ferromagnetic material with electrically insulating properties.
  • a further improvement in this regard is achieved in that the other flux guide means 38, 38 'and 40 are also partially delimited on their outside remote from the air space 14' by magnetically conductive flux guiding means 54, 56.
  • the flux guiding means 52, 54, 56 are preferably made of a ferritic material or of ferromagnetic composite materials which are magnetically conductive and have electrically insulating properties. This ensures that they do not heat up under the influence of the alternating magnetic field by eddy current formation.
  • Fig. 4 shown embodiment differs from the exemplary embodiment Fig. 3 in that the gap inductor has two induction coils 20, 20 'arranged inside the housing 12, whose windings are electrically connected in series via the cable 60.
  • This arrangement has the advantage that, in the case of particularly long gap inductors, the winding work is simplified and that an additional optimization and adaptation of the winding to the workpiece to be heated is made possible.
  • a further embodiment of the Spaltinduktors is shown, which differs from the embodiment according to Fig. 3 characterized in that the winding density in the different winding sections 34,38 is different.
  • the windings 32 are densely packed, while in the groups of winding sections 38 and 40, the windings 32 are spaced apart.
  • the gap inductor according to Fig. 1 to 5b is preferably used for decoating or paint stripping of coated metallic workpieces in a continuous process.
  • the Fig. 6 to 9 show a modified embodiment of an intended for heating workpieces induction device, which is designed as Flachinduktor 110.
  • the flat inductor comprises a rectangularly elongated cuboid housing 112, in which an induction coil 120 is arranged.
  • the induction coil 120 has the geometry of an elongated flat rectangular coil. It generates a field of field 122 corresponding alternating field B in a workpiece receiving area, which is arranged in the air space 125 above the upper cover of the housing 142.
  • the windings 132 of the induction coil 120 are wound helically on an outline rectangular coil frame 116 with a short rectangular side 129 and a long rectangular side 130.
  • the adjacent windings 132 lie in the transverse direction of the coil frame 116 next to each other.
  • the group of upwardly facing selected turn portions 134 span a usable induction surface 136 facing the upper air space 125.
  • the selected Windungsabête 134 are connected to each other via the other winding sections 138 and 140 in the manner of a helical winding and enclose a limited at its ends by winding poles 114 spool core 142 of magnetically conductive material.
  • the plate-shaped coil frame 116 is mounted on the wall of the housing 112.
  • the housing 112 has a first plate 113 and a second plate 114 each made of temperature-resistant insulating material. Between the plates 113 and 114, a cooling channel 115 is formed, and is supplied via the fan 126 with cooling air, which is open via the air gap 117 to the outside.
  • the inductance coil is limited at its poles 144 to the housing wall with magnetically conductive electrically insulating flux guide means 152.
  • the flux guide means 152 forming a type of pole disk may consist of ferritic material or of ferromagnetic composite materials.
  • Further flux guidance means 154 can also be arranged on the internal broad side of the induction coil 120.
  • a special field of application for the flat inductor is the sealing of overlap and butt welds 123 on metallic sheet metal bodies 124 (FIG. Fig. 9 ), in particular on cylindrical tin cans, which are sealed at a jacket seam.
  • the inductive heating is effected there by the metallic sheet metal bodies with their seams coated with a melting coating material being moved past the usable induction surface 136 in the workpiece receiving area.
  • the invention relates to a device for inductive heating of preferably along a moving distance moving workpieces of electrically conductive material having at least one acted upon by alternating current, a plurality of turns of coil wire having induction coil 20,120.
  • the turns 32, 132 of the induction coil 20, 120 have at least one group of selected turn sections 34, 34 ', 134, which, under tensioning, can be used for a workpiece to be heated Induction surface 36, 36 '; 136 are arranged parallel next to one another and current flows through in the same direction, and which are connected to one another via further winding sections 38, 38', 40, 138, 140 in the manner of a spiral or helical winding and an open air space 42 or with magnetic enclosing coil core 142 equipped conductive flux guide.

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Induction Heating (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum induktiven Aufheizen von vorzugsweise entlang einer Bewegungsstrecke bewegten Werkstücken aus elektrisch leitfähigem Material mit mindestens einer mit Wechselstrom beaufschlagten, eine Vielzahl Windungen aus Spulendraht aufweisenden Induktionsspule der im Oberbegriff der Ansprüche 1 und 11 angegebenen Gattung.
  • Im Interesse eines besseren Verständnisses der nachstehenden Ausführungen ist zur Wirkungsweise einer Induktionsspule zunächst Folgendes auszuführen: Ein stromdurchflossener Spulendraht ist von einem ringförmigen Magnetfeld umgeben. Bei einer Spule mit einer Vielzahl von Windungen überlagern sich die Felder der einzelnen Windungen zu einem gemeinsamen Magnetfeld. Der Verlauf des Magnetfeldes kann modellhaft über die Anschauungshilfe der Feldlinien beschrieben werden. Die Feldlinien zeigen die Kraftrichtung an, die auf einen externen Nordpol wirken würde. Bei der stromdurchflossenen Spule treten die Feldlinien aus dem Nordpol aus, sind im Außenraum in Richtung Südpol gerichtet, treten am Südpol wieder in die Spule ein und sind über das Innere der Spule geschlossen. Die magnetischen Pole bilden dabei die Bereiche des größten magnetischen Flusses ab, aus denen das Magnetfeld in den Außenraum austritt oder in diesen eintritt. Die Anzahl der Feldlinien ist eine Skalierungsfrage. Eine größere Dichte der Feldlinien belegt ein größeres Magnetfeld und umgekehrt. Als Merkregel gilt, dass die Feldlinien in einer Spule im Wesentlichen parallel zu der durch die benachbarten Windungen aufgespannten Fläche quer zur Stromrichtung in den Windungen verlaufen.
  • Für die induktive Erwärmung eines elektrisch leitfähigen Werkstücks wird durch die Erregung der Spule mit einem hochfrequenten Wechselstrom ein magnetisches Wechselfeld generiert. Ein zeitlich sich änderndes Magnetfeld induziert wiederum ein elektrisches Feld, dessen Feldlinien sich um die magnetischen Feldlinien schließen. Dieses elektrische Feld induziert Spannungen und dadurch Ströme, die in einem elektrisch leitenden Werkstück in Form von Wirbelströmen auftreten. Die Wirbelströme führen durch den ohmschen Widerstand zu einer Erwärmung des Werkstücks. Gleichzeitig generieren diese Wirbelströme wiederum magnetische Felder, die zu einer frequenzabhängigen Feldverdrängung der elektromagnetischen Felder aus dem Inneren des Werkstücks heraus in die Randbereiche führen. Dieser sogenannte Skin-Effekt führt letztlich zu einer Konzentration der Felder in einer kleinen Randschicht auf der Außenoberfläche des Werkstücks.
  • In der technischen Anwendung weisen die Spulenwicklungen oft einen mehr oder weniger vollständigen Rückschluss aus magnetisch leitfähigem Material auf. Dieser Rückschluss dient der Flussführung sowie der Abschirmung bestimmter Bereiche von den magnetischen Feldern. Das Magnetfeld konzentriert sich auf die magnetisch leitfähigen Bereiche der Flussführung und überbrückt in Luftspalten oder in Streubereichen den Luftraum.
  • Es ist eine Induktionsvorrichtung der eingangs angegebenen Art bekannt ( US-2,052,010 , DE-297 00 645 U1 ), bei der die Windungen der Induktionsspule mindestens eine Gruppe von ausgewählten Windungsabschnitten aufweisen, die unter Aufspannung einer dem aufzuheizenden Werkstück zugewandten nutzbaren Induktionsfläche parallel nebeneinander angeordnet und in gleicher Richtung stromdurchflossen sind und die über weitere Windungsabschnitte miteinander verbunden sind. Unter der nutzbaren Induktionsfläche ist eine durch die Gruppe ausgewählter Windungsabschnitte aufgespannte Fläche zu verstehen, in deren angrenzendem Luftraum die für die Aufheizung des Werkstücks genutzten Magnetfeldlinien verlaufen. Damit ist es mit einfachen Mitteln möglich, die Induktionsspule baulich an Werkstücke mit komplizierter Bauform anzupassen.
  • Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum induktiven Aufheizen von Werkstücken der eingangs angegebenen Art dahingehend zu verbessern, dass der Wirkungsgrad im Bereich der nutzbaren Induktionsfläche erhöht und unzulässige Aufheizungen im Außenbereich vermieden werden.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe werden die in den Patentansprüchen 1 und 11 angegebenen Merkmalskombinationen vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Die erfindungsgemäße Lösung besteht gemäß einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung darin, dass die Windungsabschnitte unter Bildung einer Spiralwicklung miteinander verbunden sind und einen offenen Luftraum umschließen und dass die Gruppe von ausgewählten Windungsabschnitten an ihrer der nutzbaren Induktionsfläche abgewandten Außenseite zumindest teilweise mit magnetisch leitfähigen Flussführungsmitteln begrenzt ist.
  • Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Induktionsspule zwei Gruppen ausgewählter Windungsabschnitte aufweist, deren nutzbare Induktionsflächen in gegenseitigem seitlichem Abstand einander zugewandt sind und gemeinsam einen spaltförmigen Luftraum zur Aufnahme der aufzuheizenden Werkstücke begrenzen.
  • Von besonderem Vorteil ist es dabei, wenn die ausgewählten Windungsabschnitte und die weiteren Windungsabschnitte in einem gedachten aufgeklappten Zuschnitt eine ebene Rechteckspirale mit einer zentralen rechteckigen Öffnung bilden, deren einander benachbarte Windungsabschnitte einer jeden Windung an den Enden der Rechteckseiten unter Bildung einer gemeinsamen Gehrungslinie um jeweils 90° gegeneinander abgebogen sind. Im aufgerichteten Zustand sind die beiden die nutzbare Induktionsfläche bildenden Gruppen ausgewählter Windungsabschnitte zusammen mit den Gehrungslinien und einem Teil der Gruppen der weiteren Windungsabschnitte um eine zu den ausgewählten Windungsabschnitten parallele und quer zu den weiteren Windungsabschnitten verlaufende Biegelinie aus der gedachten Zuschnittebene abgebogen. Die Biegelinie verläuft dabei zweckmäßig im Abstand vom Öffnungsrand und parallel dazu durch die zentrale Öffnung. Eine Besonderheit dieser Konstruktion besteht außerdem darin, dass die weiteren Windungsabschnitte auf ihrer dem Spaltinneren zugewandten Seite zusätzliche, dem aufzuheizenden Werkstück zugewandte nutzbare Induktionsflächen aufspannen können.
  • Vorteilhafterweise sind jeweils zwei einander gegenüberliegende Rechteckseiten der ein Rechteck bildenden Windungsabschnitte länger als die beiden anderen Rechteckseiten. Weiter ist es in diesem Zusammenhang von Vorteil, wenn zwei einander gegenüberliegende Rechteckseiten bildende ausgewählte Windungsabschnitte zusammen mit den Gehrungslinien um im wesentlichen 90° nach einer Seite umgebogen sind und mit ihren einander zugewandten nutzbaren Induktionsflächen sowie den an den Gehrungslinien anschließenden weiteren Windungsabschnitten den spaltförmigen Luftraum begrenzen. Damit erhält man einen langgestreckten spaltförmigen Luftraum, durch den das Werkstück beim Aufheizvorgang hindurchbewegt werden kann. Um die Leistungsdichte an das aufzuheizende Werkstück anpassen zu können, ist es möglich, die Windungen innerhalb der nutzbaren Induktionsflächen zumindest partiell in unterschiedlichen Abständen voneinander anzuordnen. Eine weitere Verbesserung in dieser Hinsicht kann dadurch erzielt werden, dass die Induktionsspule innerhalb der nutzbaren Induktionsfläche eine oder mehrere Windungslagen aufweist.
  • Der vorstehend beschriebene Spaltinduktor wird bevorzugt zum Entlacken oder Decoaten von beschichteten metallischen Werkstücken im Durchlaufverfahren verwendet. Die Bewegungsstrecke der Werkstücke ist dabei zweckmäßig parallel zu den längeren Rechteckseiten der Spulenwindungen ausgerichtet.
  • Eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass die Windungen der Induktionsspule auf einen im Umriss rechteckigen Spulenrahmen mit zwei Querseiten und zwei Längsseiten schraubenförmig aufgewickelt sind, dass die einander benachbarten Windungen in Querrichtung des Spulenrahmens nebeneinander liegen und sich in dessen Längsrichtung erstrecken, dass der Spulenrahmen einen an seinen Enden durch Spulpole begrenzten Spulenkern aus magnetisch leitfähigem Material umfasst und dass die weiteren Windungsabschnitte an ihrer vom Spulenkern abgewandten Außenseite zumindest teilweise mit magnetisch leitfähigen Führungsmitteln begrenzt sind. Vorteilhafterweise ist die der Querabmessung der nutzbaren Induktionsfläche entsprechende Breite des Spulenrahmens kleiner als die der Längsabmessung der nutzbaren Induktionsfläche entsprechende Länge des Spulenrahmens. Auch in diesem Fall ist es von Vorteil, wenn die Induktionsspule zumindest innerhalb der nutzbaren Induktionsfläche eine oder mehrere Windungslagen aufweist. Eine derartige Induktionsspule bildet einen Flachinduktor, dessen Spulpole nicht der wirksamen Induktionsfläche zuzuordnen sind. Die wirksame Induktionsfläche wird vielmehr durch eine der Breitseitenflächen des Flachinduktors gebildet, über die das aufzuheizende Werkstück entlangbewegt wird. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstücks wird so gewählt, dass der am Werkstück vorgesehene Aufheizvorgang bei dessen Austritt aus dem Wirkungsbereich der nutzbaren Induktionsfläche abgeschlossen ist.
  • Ein besonderes Einsatzgebiet für einen Flachinduktor besteht in der Abdichtung von Überlappungs- und Stoßnähten an metallischen Blechkörpern, insbesondere an zylindrischen Blechdosen, die an einer Mantelnaht abgedichtet werden. Die Abdichtung erfolgt dort dadurch, dass die Nähte durch Vorbeibewegen der metallischen Blechkörper an der nutzbaren Induktionsfläche induktiv aufgeheizt und dazu mit einem aufschmelzenden Beschichtungsmittel überzogen werden. Das aufzuschmelzende Beschichtungsmittel kann entweder auf der Außenseite oder auf der Innenseite der Naht angeordnet sein.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen
    • Fig. 1
    eine schaubildliche Darstellung einer als Spaltinduktor ausgebildeten induktiven Aufheizvorrichtung;
    Fig. 2
    einen senkrechten Schnitt durch die Spaltspule nach Fig. 1;
    Fig. 3
    eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der Spulenwicklung für den Spaltinduktor nach Fig. 1 und 2;
    Fig. 4
    eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der Spulenwicklungen für den Spaltinduktor nach Fig. 1 und 2;
    Fig. 5a
    einen senkrechten Schnitt entsprechend Fig. 2;
    Fig. 5b
    eine Seitenansicht einer dritten Ausführungsform der Spulenwicklung für den Spaltinduktor nach Fig. 1 und 5a;
    Fig. 6
    eine schaubildliche Darstellung einer als Flachinduktor ausgebildeten Vorrichtung für die induktive Erwärmung metallischer Gegenstände;
    Fig. 7
    einen senkrechten Schnitt durch den Flachinduktor nach Fig. 6;
    Fig. 8
    eine Draufsicht auf die Spulenwicklung des Flachinduktors nach Fig. 6 und 7;
    Fig. 9
    einen senkrechten Längsschnitt durch den Flachinduktor nach Fig. 6 bis 8.
  • Die in der Zeichnung dargestellten Vorrichtungen sind zum induktiven Aufheizen von vorzugsweise entlang einer Bewegungsstrecke bewegten Werkstücken aus elektrisch leitfähigem Material bestimmt. Sie werden im Folgenden auch als "Induktor" bezeichnet.
  • Die Fig. 1 zeigt einen sogenannten Spaltinduktor 10, dessen Gehäuse 12 einen nach oben offenen Längsspalt 14 aufweist, der durch zwei Seitenflanken 16 und einen Boden 18 begrenzt ist. Im Inneren des Gehäuses 12 befindet sich mindestens eine an die Gehäuseform 12 angepasste Induktionsspule 20,20', die mit einem Wechselstrom beaufschlagt ist und die ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld B erzeugt, dessen Feldlinien 22 in Fig. 1 partiell dargestellt sind. Mit dem magnetischen Wechselfeld B lassen sich in einem im Spaltraum 14 positionierten Werkstück 24 Induktionsströme hervorrufen, die das Werkstück auf eine vorgegebene Temperatur erwärmen. Der Erregerstrom, der eine Frequenz in der Größenordnung zwischen 10 und 100 kHz aufweist, wird über einen in der Zeichnung nicht dargestellten Generator erzeugt. In Fig. 1 ist außerdem ein Gebläse 26 zu erkennen, über welches Kühlluft in das Gehäuse angesaugt und über dort vorgesehene Kanäle 28 zur Kühlung der Induktionsspule 20,20' geführt und im erwärmten Zustand über Gehäuseöffnungen 30 wieder in den Außenraum abgeblasen wird.
  • Die für den Spaltinduktor 10 bestimmten Induktionsspulen 20,20' sind in den Fig. 2 bis 5b dargestellt. Jede Induktionsspule 20,20' weist eine Vielzahl Windungen 32 aus Spulendraht auf, der wegen der hohen Erregerfrequenz bevorzugt als Hochfrequenzlitze ausgebildet ist. Die Windungen 32 der Induktionsspulen 20,20' weisen zwei im Bereich der Seitenflanken 16 des Gehäuses 12 angeordnete Gruppen von ausgewählten Windungsabschnitten 34,34' auf, die unter Aufspannung je einer dem Längsspalt 14 zugewandten nutzbaren Induktionsfläche 36,36' parallel nebeneinander angeordnet und in gleicher Richtung stromdurchflossen sind und die über weitere Windungsabschnitte 38,38',40 nach Art einer Spiralwicklung miteinander verbunden sind und einen offenen Luftraum 42 umschließen.
  • Unter einer nutzbaren Induktionsfläche 36,36' ist eine durch eine Gruppe Windungsabschnitte aufgespannte Fläche zu verstehen, in deren angrenzendem Luftraum die für die Aufheizung des Werkstücks 24 genutzten Magnetfeldlinien 22 verlaufen. Die nutzbaren Induktionsflächen 36,36' der ausgewählten Windungsabschnitte 34,34' sind in gegenseitigem seitlichen Abstand einander zugewandt und begrenzen gemeinsam einen spaltförmigen Luftraum 14', der den Längsspalt 14 im Gehäuse 12 umfasst und parallel zu diesem ausgerichtet ist. Wie eine Zusammenschau der Fig. 2 und 3 erkennen lässt, bilden die ausgewählten Windungsabschnitte 34,34' und die weiteren Windungsabschnitte 38,38',40 in einem gedachten aufgeklappten Zuschnitt eine ebene Rechteckspirale mit einer zentralen rechteckigen Öffnung 42, deren einander benachbarte Windungsabschnitte einer jeden Windung an den Enden der Rechteckseiten unter Bildung einer gemeinsamen Gehrungslinie 44 um jeweils 90° gegeneinander abgebogen sind. In ihrem aufgerichteten Zustand sind die die beiden nutzbaren Induktionsflächen 36,36' bildenden Gruppen ausgewählter Windungsabschnitte 34,34' und ein Teil der Gruppen der weiteren Windungsabschnitte 38,38' um eine zu den Windungsabschnitten 34,34' parallele und quer zu den weiteren Windungsabschnitten 38,38' verlaufende Biegelinie 48 aus der gedachten Zuschnittebene 50 um etwa 90° nach einer Seite abgebogen. Die Biegelinie 48 verläuft dabei im Abstand vom Öffnungsrand 46 durch die zentrale Öffnung des offenen Luftraums 42 hindurch. Die weiteren Windungsabschnitte 40 begrenzen an den beiden Enden der Induktionsspule 20,20' einen zum Boden 18 des Längsspalts 14 parallelen Bodenbereich im Bereich der gedachten Zuschnittebene 50.
  • Die in Fig. 1 partiell eingezeichneten Feldlinien 22 des magnetischen Wechselfelds B werden von den nutzbaren Induktionsflächen 36,36' erzeugt. Eine Besonderheit der in Fig. 2 bis 5b gezeigten Ausführungsbeispiele besteht darin, dass auch die weiteren Windungsabschnitte 38,38' und 40 auf ihrer dem Spaltinneren zugewandten Seite zusätzliche, dem aufzuheizenden Werkstück 24 zugewandte nutzbare Induktionsflächen aufspannen. In diesem Bereich sind die Feldlinien nach Maßgabe der Stromrichtung in den weiteren Windungsabschnitten 38,38',40 im Sinne der eingangs angegebenen Merkregel.
  • Zur Optimierung des Wirkungsgrads und zur Vermeidung unzulässiger Aufheizungen im Außenbereich ist die Gruppe von ausgewählten Windungsabschnitten 34,34' an ihrer mit der nutzbaren Induktionsfläche 36,36' abgewandten Außenseite mit magnetisch leitfähigen Flussführungsmitteln 52 aus ferromagnetischem Material mit elektrisch isolierenden Eigenschaften begrenzt.
  • Eine weitere Verbesserung in dieser Hinsicht wird dadurch erreicht, dass auch die weiteren Flussführungsmittel 38,38' sowie 40 an ihrer vom Luftraum 14' abgewandten Außenseite teilweise mit magnetisch leitfähigen Flussführungsmitteln 54,56 begrenzt sind. Die Flussführungsmittel 52,54,56 bestehen bevorzugt aus einem ferritischen Material oder aus ferromagnetischen Verbundwerkstoffen, die magnetisch leitfähig sind und elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist. Damit wird erreicht, dass sie sich unter der Einwirkung des magnetischen Wechselfelds nicht durch Wirbelstrombildung aufheizen.
  • Das in Fig. 4 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 dadurch, dass der Spaltinduktor zwei innerhalb des Gehäuses 12 angeordnete Induktionsspulen 20,20' aufweist, deren Wicklungen über das Kabel 60 elektrisch in Reihe geschaltet sind. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass bei besonders langen Spaltinduktoren die Wicklungsarbeit vereinfacht wird und dass eine zusätzliche Optimierung und Anpassung der Wicklung an das aufzuheizende Werkstück ermöglicht wird.
  • In Fig. 5b ist eine weitere Ausführungsvariante des Spaltinduktors gezeigt, der sich von der Ausführungsform nach Fig. 3 dadurch unterscheidet, dass die Wicklungsdichte in den verschiedenen Windungsabschnitten 34,38 unterschiedlich ist. In der Gruppe der gewählten Windungsabschnitte 34 sind die Windungen 32 dicht gepackt, während in den Gruppen der Windungsabschnitte 38 und 40 die Windungen 32 im Abstand voneinander angeordnet sind. Grundsätzlich ist es außerdem möglich, Windungen in verschiedenen Windungsabschnitten mehrlagig zu legen. Mit diesen Maßnahmen ist eine Variation der Flussdichte innerhalb des Spaltinduktors möglich, die eine zusätzliche Anpassung an die Heizungsanforderungen ermöglicht. Der Spaltinduktor gemäß Fig. 1 bis 5b wird bevorzugt zum Decoaten oder Entlacken von beschichteten, metallischen Werkstücken im Durchlaufverfahren verwendet.
  • Die Fig. 6 bis 9 zeigen ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer zum Aufheizen von Werkstücken bestimmten Induktionsvorrichtung, die als Flachinduktor 110 ausgebildet ist. Der Flachinduktor umfasst ein in seiner Grundform langgestrecktes quaderförmiges Gehäuse 112, in welchem eine Induktionsspule 120 angeordnet ist. Die Induktionsspule 120 hat die Geometrie einer langgestreckten flachen Rechteckspule. Sie erzeugt ein den Feldlinien 122 entsprechendes Wechselfeld B in einem Werkstückaufnahmebereich, der im Luftraum 125 oberhalb der oberen Abdeckung des Gehäuses 142 angeordnet ist. Die Windungen 132 der Induktionsspule 120 sind auf einen im Umriss rechteckigen Spulenrahmen 116 mit einer kurzen Rechteckseite 129 und einer langen Rechteckseite 130 schraubenartig aufgewickelt. Die einander benachbarten Windungen 132 liegen in Querrichtung des Spulenrahmens 116 nebeneinander. Die Gruppe der nach oben weisenden ausgewählten Windungsabschnitte 134 spannen eine dem oberen Luftraum 125 zugewandte nutzbare Induktionsfläche 136 auf. Die ausgewählten Windungsabschnitte 134 sind über die weiteren Windungsabschnitte 138 und 140 nach Art einer Schraubenwicklung miteinander verbunden und umschließen einen an seinen Enden durch Spulpole 114 begrenzten Spulenkern 142 aus magnetisch leitfähigem Material. Der plattenförmige Spulenrahmen 116 ist an die Wandung des Gehäuses 112 montiert. Als Deckelteil weist das Gehäuse 112 eine erste Platte 113 und eine zweite Platte 114 jeweils aus temperaturbeständigem Isolationsmaterial auf. Zwischen den Platten 113 und 114 ist ein Kühlkanal 115 ausgebildet, und über das Gebläse 126 mit Kühlluft beaufschlagt wird, der über den Luftspalt 117 zum Außenraum hin offen ist.
  • Zur Vermeidung unzulässiger Aufheizungen des Gehäuses ist die Induktiosspule an ihren Polen 144 zur Gehäusewandung hin mit magnetisch leitfähigen elektrisch isolierenden Flussführungsmitteln 152 begrenzt. Die eine Art Polscheibe bildenden Flussführungsmittel 152 können dabei aus ferritischem Material oder aus ferromagnetischen Verbundwerkstoffen bestehen. Weitere Flussführungsmittel 154 können auch an der internen Breitseite der Induktionsspule 120 angeordnet werden.
  • Ein besonderes Einsatzgebiet für den Flachinduktor besteht in der Abdichtung von Überlappungs- und Stoßnähten 123 an metallischen Blechkörpern 124 (Fig. 9), insbesondere an zylindrischen Blechdosen, die an einer Mantelnaht abgedichtet werden. Die induktive Aufheizung wird dort dadurch bewirkt, dass die metallischen Blechkörper mit ihren mit einem aufschmelzenden Beschichtungsmittel überzogenenen Nähten im Werkstückaufnahmebereich oberhalb der nutzbaren Induktionsfläche 136 vorbeibewegt werden.
  • Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten: Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum induktiven Aufheizen von vorzugsweise entlang einer Bewegungsstrecke bewegten Werkstücken aus elektrisch leitfähigem Material mit mindestens einer mit Wechselstrom beaufschlagten, eine Vielzahl Windungen aus Spulendraht aufweisenden Induktionsspule 20,120. Um eine optimale Anpassung an die geometrische Bauform der Werkstücke ermöglichen zu können, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, dass die Windungen 32,132 der Induktionsspule 20,120 mindestens eine Gruppe von ausgewählten Windungsabschnitten 34,34';134 aufweisen, die unter Aufspannung einer dem aufzuheizenden Werkstück zugewandten nutzbaren Induktionsfläche 36,36';136 parallel nebeneinander angeordnet und in gleicher Richtung stromdurchflossen sind, und die über weitere Windungsabschnitte 38,38',40;138,140 nach Art einer Spiral- oder Schraubenwicklung miteinander verbunden sind und einen offenen Luftraum 42 oder mit magnetisch leitfähigen Flussführungsmitteln bestückten Spulenkern 142 umschließen.
    • Bezugszeichenliste:
    • 10
    Spaltinduktor
    12, 112
    Gehäuse
    14
    Längsspalt, Spaltraum
    14'
    Luftraum
    16
    Seitenflanken
    18
    Boden
    20,20',120
    Induktionsspule
    22,122
    Feldlinien
    24,124
    Werkstück
    26,126
    Gebläse
    28
    Kanäle
    30
    Gehäuseöffnungen
    32,132
    Windungen
    34,34',38,38',40,
    Windungsabschnitte
    134,138,140 36,36',136
    Induktionsfläche
    42
    Luftraum, rechteckige Öffnung
    44
    Gehrungslinie
    46
    Öffnungsrand
    48
    Biegelinie
    50
    Zuschnittebene
    52,54,56,152,154
    Flussführungsmittel
    110
    Flachinduktor
    113,114
    Platten
    115
    Kühlkanal
    116
    Spulenrahmen
    117
    Luftspalt
    123
    Mantelnaht
    125
    Luftraum
    129,130
    Rechteckseiten
    142
    Spulenkern
    144
    Spulpole

Claims (16)

  1. Vorrichtung zum induktiven Aufheizen von Werkstücken (24) aus elektrisch leitfähigem Material mit mindestens einer mit Wechselstrom beaufschlagten, eine Vielzahl Windungen aus Spulendraht aufweisenden Induktionsspule (20), wobei die Windungen (32) der Induktionsspule (20) mindestens eine Gruppe von ausgewählten Windungsabschnitten (34,34') aufweisen, die unter Aufspannung einer dem aufzuheizenden Werkstück zugewandten nutzbaren Induktionsfläche (36,36') parallel nebeneinander angeordnet und in gleicher Richtung stromdurchflossen sind, und die über weitere Windungsabschnitte (38,38',40) unter Bildung einer Spiralwicklung miteinander verbunden sind und einen offenen Luftraum (42) umschließen, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppe von ausgewählten Windungsabschnitten (34,34') an ihrer der nutzbaren Induktionsfläche abgewandten Außenseite zumindest teilweise mit magnetisch leitfähigen Flussführungsrmitteln (52) begrenzt ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Windungsabschnitte (38,38',40) an ihrer vom Luftraum (42) abgewandten Außenseite zumindest teilweise mit magnetisch leitfähigen Flussführungsmitteln (54,56) begrenzt sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule zwei Gruppen ausgewählter Windungsabschnitte (34,34') aufweist, deren nutzbare Induktionsflächen (36,36') in gegenseitigem seitlichem Abstand einander zugewandt sind und gemeinsam einen spaltförmigen Luftraum (14') zur Aufnahme der aufzuheizenden Werkstücke (24) begrenzen.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgewählten Windungsabschnitte (34,34') und die weiteren Windungsabschnitte (38,38',40) in einem gedachten aufgeklappten Zuschnitt eine ebene Rechteckspirale mit einer zentralen rechteckigen Öffnung (42) bilden, und dass die einander benachbarten Windungsabschnitte einer jeden Windung (32) an den Enden der zugehörigen Rechteckseiten unter Bildung einer gemeinsamen Gehrungslinie (44) um jeweils 90° gegeneinander abgebogen sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden die nutzbaren Induktionsflächen (36,36') bildenden Gruppen ausgewählter Windungsabschnitte (34,34') in ihrem aufgerichteten Zustand zusammen mit den Gehrungslinien und einem Teil der Gruppen der weiteren Windungsabschnitte (38,38') um eine zu den ausgewählten Windungsabschnitten (34,34') parallele und quer zu den weiteren Windungsabschnitten (38,38') verlaufende Biegelinie (48) aus der gedachten Zuschnittebene (50) abgebogen sind.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegelinie (48) im Abstand vom Öffnungsrand durch die zentrale Öffnung (42) verläuft.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Windungsabschnitte (38,38') auf ihrer dem Spaltinneren (14') zugewandten Seite zusätzliche nutzbare Induktionsflächen aufspannen.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei einander gegenüberliegende Rechteckseiten (46) innerhalb der nutzbaren Induktionsfläche länger als die beiden anderen Rechteckseiten sind.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppen der ausgewählten Windungsabschnitte zusammen mit den Gehrungslinien (44) um im wesentlichen 90° nach einer Seite umgebogen sind und mit ihren einander zugewandten nutzbaren Induktionsflächen (36,36') sowie ein Teil der an den Gehrungslinien (44) anschließenden weiteren Windungsabschnitte (38,38') den spaltförmigen Luftraum (14') begrenzen.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen (32) innerhalb der nutzbaren Induktionsflächen (36,36') zumindest partiell unterschiedliche Abstände voneinander aufweisen.
  11. Vorrichtung zum induktiven Aufheizen von Werkstücken (124) aus elektrisch leitfähigem Material mit mindestens einer mit Wechselstrom beaufschlagten, eine Vielzahl Windungen aus Spulendraht aufweisenden Induktionsspule (120), wobei die Windungen (132) der Induktionsspule (120) mindestens eine Gruppe von ausgewählten Windungsabschnitten (134) aufweisen, die unter Aufspannung einer dem aufzuheizenden Werkstück zugewandten nutzbaren Induktionsfläche (136) parallel nebeneinander angeordnet und in gleicher Richtung stromdurchflossen sind und die über weitere Windungsabschnitte (138, 140) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen (132) der Induktionsspule (120) auf einen im Umriss rechteckigen Spulenrahmen (136) mit zwei Querseiten (129) und zwei Längsseiten (130) schraubenförmig aufgewickelt sind, dass die einander benachbarten Windungen (132) in Querrichtung des Spulenrahmens (116) nebeneinander liegen und sich in dessen Längsrichtung erstrecken, dass der Spulenrahmen (116) einen an seinen Enden durch Spulpole (144) begrenzten Spulenkern (142) aus magnetisch leitfähigem Material umfasst und dass die weiteren Windungsabschnitte (138, 140) an ihrer vom Spulenkern (142) abgewandten Außenseite zumindest teilweise mit magnetisch leitfähigen Flussführungsmitteln (154) begrenzt sind.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die der Querabmessung der nutzbaren Induktionsfläche (132) entsprechende Breite des Spulenrahmens (116) kleiner als die der Längsabmessung der nutzbaren Induktionsfläche entsprechende Länge des Spulenrahmens (116) ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule (20; 120) zumindest innerhalb der nutzbaren Induktionsflächen eine oder mehrere Windungslagen aufweist.
  14. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zum Decoaten oder Entlacken von beschichteten, metallischen Werkstücken (24) im Durchlaufverfahren.
  15. Verwendung der Vorrichtung nach einer der Ansprüche 1 bis 13 zur Abdichtung von Überlappungs- und Stoßnähten an metallischen Blechkörpern, wobei die Nähte (123) durch Vorbeibewegen der Blechkörper (124) an der nutzbaren Induktionsfläche (136) induktiv aufgeheizt und dabei mit einem aufschmelzenden Beschichtungsmittel überzogen werden.
  16. Verwendung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechkörper (124) als zylindrische Blechdosen ausgebildet sind, die an einer Mantelnaht (123) abgedichtet werden.
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