FI106520B - Sähkömagneettinen laite metallielementtien kuumentamista varten - Google Patents

Description

106520

V

Sähkömagneettinen laite metallielementtien kuumentamista varten

Keksintö koskee uutta menetelmää metallikappaleiden kuumentami- I seksi.

5 Tiedetään, että on olemassa vain muutamia perusmekanismeja, -jär jestelmiä tai menetelmiä lämmön synnyttämiseksi kappaleessa. Voidaan käyttää konvektiokuumennusta, joka voi käsittää suoran liekin, upotusta, säteilyä ja sähköistä resistanssia, jossa metallin kuumenemisen aiheuttaa sähkövirta, ja lämpöä voidaan synnyttää mekaanisilla jännityksillä tai kitkalla. Näihin menetelmiin 10 kuuluu myös induktiokuumennus, jossa kuumentumisen aiheuttaa magneettikenttien käyttö. Kuten induktiokuumennuksen alalla hyvin tiedetään, metallityö-kappale sijoitetaan käämiin, johon syötetään vaihtovirta, ja magneettikenttä yhdistää työkappaleen ja käämin, niin että metalliin syntyy indusoitunut virta. Tämä indusoitunut virta kuumentaa metallia johtuen resistiivisistä häviöistä, jotka ovat 15 samanlaisia kuin missä tahansa sähkövastuskuumentamisessa. Normaalisti myös käämi kuumenee, ja sitä täytyy jäähdyttää, jotta työkappaleen kuumennus saadaan mahdollisimman tehokkaaksi. Indusoituneen virran tiheys on suurin työkappaleen pinnalla ja pienenee, kun etäisyys pinnasta kasvaa. Tätä ilmiötä kutsutaan pintavaikutukseksi, ja se on tärkeä, koska suurin osa kokonaisenergi-20 asta indusoituu ja on käytettävissä kuumennukseen tämän syvyyden sisällä. Tyypilliset maksimipinnansyvyydet ovat pienitaajuisissa sovellutuksissa alueella 7,5 - 10 cm. Kaikissa induktiokuumennussovellutuksissa kuumentuminen alkaa pyörrevirroista johtuen pinnasta, ja johtuminen kuljettaa lämpöä työkappaleen sisään. Eräs toinen menetelmä metallikappaleiden kuumentamiseksi magneetti-25 kenttiä käyttäen on nimeltään poikittaisvuokuumennus. Tätä menetelmää käytetään yleisesti kuumennettaessa suhteellisen ohuita metallinauhoja, ja vuo saadaan siinä luovuttamaan lämpöä järjestämällä induktiokäämit niin, että magneettivuo kulkee työkappaleen läpi suorassa kulmassa siihen nähden sen sijaan että kulkisi pitkin työkappaletta niinkuin normaalissa induktiokuumennuksessa. 30 Työkappaleen läpi kulkeva magneettivuo indusoi voimaviivoja, jotka kiertävät ; _ nauhan tasossa, ja tämä synnyttää samalla pyörrevirtahäviöitä ja työkappaleen kuumenemisen.

Vielä eräs induktiokuumennusmenetelmä, jossa käytetään tasavirtaa, on kuvattu artikkelissa Glen R, Moore, Industrial Heating Magazine, May 1990, 35 sivu 24. Tässä uudessa kuumennusmenetelmässä käytetään tasavirtaa, ja virta kulkee työkappaleessa aksiaalisessa suunnassa johtuen siitä, että työkappaletta 2 106520 pyöritetään sen sijaan että pyöritettäisiin kenttää työkappaleen ympäri. Tällä menetelmällä selitetään myös pystyttävän kuumentamaan metallilevy, jolloin kyseessä on poikittaisvuokuumennuksen tasavirtamenetelmä. Tässä menetelmässä käytetään myös artikkelissa kuvatulla tavalla hyväksi pintavaikutusta ja 5 menetelmää, jolla määritetään tasavirtakentän tunkeuma.

Millään näistä kuumennusjärjestelmistä ei kuitenkaan saada aikaan työkappaleen tasaista kuumenemista ilman johtumisen avulla ulommasta osasta tapahtuvaa vaihtoa joko magneettikenttämenetelmässä tai suoraliekkimenetel-mässä tai vastaavissa muissa menetelmissä.

10 Tavoitteena on siksi tätä uutta magneettikenttämenetelmää käyttä mällä voittaa tekniikan tason haitat sekä parantaa työkappaleen kautta sen poikkileikkauksen tasaisesti tapahtuvan kuumennuksen tehokkuutta.

Keksinnön eräänä tarkoituksena on saada aikaan menetelmä metal-lityökappaleen kuumentamiseksi tasaisesti koko poikkileikkaukseltaan ja pituu-15 deltaan. Keksinnön eräänä toisena tarkoituksena on tällaisen kuumennuksen suorittaminen siten, että lämpöhäviöt käämeissä samoin kuin pintavaikutus kappaleessa ovat minimaaliset, sekä käyttämättä hyväksi johtumista. Keksinnön nämä ja muut tarkoitukset toteutetaan uudella magneettikenttäjärjestelmällä, joka sallii ja itse asiassa toteuttaa tällä uudella järjestelmällä kehitettyyn magneet-20 tikenttään sijoitetun minkä tahansa metallikappaleen tasaisen kuumennuksen. Magneettikenttä kehitetään magneettipiirillä, joka sisältää useita ohuita levyjä sekä myös ilmavälin, johon työkappaleet voidaan sijoittaa. Työkappale otetaan sitten mukaan, ja siitä tulee magneettipiirin osa. Järjestelmällä kehitetty magneettikenttä kulkee työkappaleen kuten piirin muunkin osan läpi. Tämä mag-25 neettinen järjestelmä toimii parhaiten 50 - 60 Hz taajuudella, mikä tarkoitta sitä, että järjestelmässä voidaan käyttää tavallista kaikkien kaupallisten asennusten pistorasioista saatavaa sähkötehoa.

Keksinnöllä voidaan kuumentaa tasaisesti myös ei-magneettisia metalleja, jotka sijoitetaan magneettipiirin ilmaväliin. On suoritettu erilaisia tes-30 tejä, jotka osoittavat, että sekä säännöllisten että epäsäännöllisten kappaleiden : . koko poikkileikkaus voidaan saattaa tasaisesti haluttuun lämpötilaan samalla kun nämä kappaleet kuumennetaan hyvin nopeasti.

Kuvio 1 on keksinnön uuden magneettijärjestelmän kuvaus.

Kuvio 2 on poikkileikkauskuva kuvion 1 kohdasta 2 -2 ja esittää lami-35 noitujen rakenteiden yksityiskohtia.

3 106520

Kuviosta 1 nähdään, että siinä on esitetty magneettipiirijäijestelmä 10. Tämä magneettipiiri 10 käsittää useita metalliliuskoja 11, jotka on muodostettu magneettipiirin laminoiduksi rakenteeksi. Magneettiset liuskat 11 ovat parhaana pidetyssä sovellutusmuodossa suuren permeabiliteetin omaavaa piite-5 rästä, joskin mitä tahansa suuren permeabiliteetin omaavaa materiaalia voidaan käyttää. Metalliliuskoissa 11 on niihin kiinnitettynä tai liimattuna eristys 12. Tämän eristyksen valmistaa normaalisti metalliliuskojen valmistaja, ja se voidaan toteuttaa millä tahansa hyvin tunnetulla menetelmällä. Mitä tahansa sähköisesti hyvin eristävää materiaalia voidaan käyttää. Metalliliuskojen 11 maksimipaksuus 10 on 1,0 mm, ja niiden minimipaksuus voi olla ohuimman mahdollisen levyn, jota voidaan valmistaa, paksuus. Mitä ohuempia suuren permeabiliteetin omaavan materiaalin levyt ovat, sitä paremmin järjestelmä toimii. Maksimitehokkuuden antava materiaali voisi olla paksuudeltaan 0,0001 mm, mutta sellaista ei kuitenkaan ole tällä hetkellä kaupallisesti saatavilla. Uudessa järjestelmässä magneet-15 tipiiri konstruoitiin metalliliuskojen 11 osalta 0,30 mm piiteräksestä. Nämä metal-liliuskat 11 muodostetaan haluttuun muotoon, tavallisesti suorakaiteen muotoon, kuten on esitetty kuviossa 1. Liuskat sijoitetaan sitten tyhjökammioon epoksin tai kasviliiman 13 kanssa, joka on niin ohut, että siitä tulee osa eristystä 12. Kammioon muodostetaan tyhjiö, ja kaikki vieras materiaali poistetaan. Epoksi tai 20 kasviliima sitoo sitten liuskat yhteen, kun tyhjiö poistetaan. Tämä on tällä hetkellä paras tunnettu menetelmä valmistaa tällainen magneettipiiri; tyydyttävä ratkaisu on kuitenkin käyttää metalliliuskoja, eristystä ja jonkin verran kasviliimaa ja/tai mekaanisia välineitä liuskojen sitomiseksi yhteen, jotta saadaan valmistetuksi laminaatti.

25 Kuten kuviosta 1 nähdään, järjestelmässä on kaksi sydänaluetta 15.

Tällainen sydänalue voi olla mitä tahansa kokoa, ja sen muoto voi olla neliö, suorakaide, ympyrä tai lieriö. Sydänalue voidaan valita sopivaksi kuumennettavan työkappaleen ulkopinnalle. Jos on kuumennettava suuri työkappale, tulee käyttää suurta sydänaluetta 15. Magneettikenttäjäijestelmä tai piiri toimii tehok-30 kaimmin, kun työkappale on lujasti kahden sydämen 15 välissä, niin että mag- neettiset voimaviivat voivat kulkea sydämestä suoraan työkappaleen läpi toi seen sydämeen. Sydänaluetta 15 voidaan liikuttaa, jotta väli voidaan muuttaa työkappaleelle sopivaksi. Käämin pituuden ja sen tiheyden tai korkeuden välillä on tietty suhde, joka tuottaa optimaalisen toiminnan. Kriittinen suhde on toistai-35 seksi voitu havaita ainoastaan empiirisesti. Kummallekin sydämelle 15 on lisäksi kierretty käämi 14. Tasaisen kuumennuksen kannalta tämän käämin muoto on 4 106520 kriittinen. Käämin kierrosten määrä ja sen mitat ovat kriittisiä, jotta saadaan estetyksi pintavaikutus ja häviöitä järjestelmässä tuottava induktiokuumeneminen. On havaittu myös, että kierrosten määrä ja sydämen korkeus suhteessa sydän-pintojen väliseen etäisyyteen ovat tärkeitä.

5 Kuten kuviossa 1 esitetään, sydänalueen 15 tarkoituksena on siirtää sydänjärjestelmässä 10 olevat magneettiset voimat laminaattialueelle 17, jolla on sydämestä eroava koko. Tämän laminaattialueen pinta-ala on yhtä kuin tulon AB neliöjuuri. A ja B ovat sydänalueen 15 pituus ja leveys. Tämä laminaattien pinta-alamuutos järjestelmässä tuottaa kasvaneen magneettisen siirron sy-10 dänalueiden välillä ja työkappaleen läpi. Tämä koon muuttaminen ei kuitenkaan ole välttämätöntä, ja koko sydänjärjestelmän laminoitu rakenne voisi olla kooltaan sama kuin sydänalue, vaikkakaan kuumennus ei silloin tapahtuisi yhtä tehokkaasti.

Viitenumerolla 16 on osoitettu vaihtovirtaliitäntä, joka on kytketty 15 käämeihin, ja käämit on kytketty langalla joko rinnan tai sarjaan viitenumeron 19 osoittamalla tavalla. Järjestelmän toimiessa vaihtovirta tuodaan liitäntään 16 vaihtovirtalähteestä, jota ei ole esitetty, ja sen taajuus on 60 Hz tai mikä tahansa taajuus, joka verkossa tietyllä alueella on. Kun tämä vaihtojännite tuodaan käämeille 14, sydänalueelle 15 muodostuu magneettivuo, joka kulkee näiden kah-20 den sydämen välillä piirin 10 kautta. Vuo on analoginen virran virtaamiselle langassa tai nesteen virtaamiselle putkessa. Magnetomotorinen voima on vuon kehittäjä, ja tässä erityisessä esimerkissä tasaisen sydämen tiheyden omaavassa sydämessä on mitattavissa oleva vuon tiheys, joka on tietty määrä vvebereitä neliömetriä kohti. Kun käämeihin 14 tuodaan vaihtovirta, se saa sydämissä ai-25 kaan magneettisen intensiteetin, joka vaihtelee positiivisten ja negatiivisten arvojen välillä. Tähän voidaan soveltaa magnetoitumiskäyrää, jota kutsutaan normaalisti hystereesisilmukaksi. Rautametalli voidaan magnetoida, ja se on järjestynyt pieniksi mikroskooppisiksi alueiksi, joita kutsutaan magneettisiksi al-keisalueiksi. Kussakin alkeisalueessa atomien elektronit pyörivät ytimen ympäri 30 ja pyörivät myös oman akselinsa ympäri. Hallitsevan liikkeen saa aikaan elekt-ronikierto, ja alkeisalueen kunkin atomin kokonaismomentti suuntautuu samaan suuntaan. Kun käämeihin tuodaan vaihtovirta ja työkappale sijoitetaan niiden väliin, työkappaleen alkeisalueiden rajoille tulee jännityksiä tämän ydinten kier-tymisen yms. seurauksena. Seurauksena on kitkasta johtuvaa tai mekaanista 35 lämmön kehittymistä työkappaleessa. Magneettiset alkeisalueet ovat normaalisti jakautuneet materiaalissa tasaisesti, ja koska vuo on tasainen koko poikkileik- 5 106520 kauksessa, lämpöä kehittyy työkappaleessa tasaisesti. Jotta tämä magneettikenttä kuumentaisi työkappaleen tasaisesti, on välttämätöntä, että magneettipiirin materiaalin permeabiliteetti on suurempi kuin kuumennettavan materiaalin. Halkaisijaltaan 12,5 sentin teräskappaleessa oli termoparit sijoitettuina kappa-5 leen keskiosaan ja sen pinnalle. Työkappaleen ollessa eristetty, jotta saataisiin minimoiduksi tehollinen lämmönhukka ympäristöön, se sijoitettiin magneettiseen piiriin ja työkappale saatiin koko poikkileikkaukseltaan nopeasti (noin 4 minuutissa) ja tasaisesti 500°C lämpötilaan. Kuumennusvaikutus voi jatkua, kunnes saavutetaan mikä tahansa haluttu lämpötila kuumennettavan metallin sulamisläm-10 pötilan alapuolella. Aika, joka vaaditaan minkä tahansa tietyn työkappaleen kuumentamiseen, on työkappaleen koon ja magneettikentän voimakkuuden funktio.

Magneettipiirin sydänosat eivät kuumene, koska materiaali on valittu siten, että hystereesisilmukan maksimikoko tälle materiaalille ei ylity, kun mag-15 neettikentän suuntaa vaihdellaan. Kun työkappaleella on pienempi hystereesi-silmukka, magneettiset voimat ylittävät tämän silmukan kunkin vaihtelujakson aikana ja aiheuttavat työkappaleen kuumenemisen.

Tämä sama magneettikenttäkuumennuslaite toimii myös ei-magneettisille materiaaleille niin kauan kuin näillä metalleilla on kiderakenteet, 20 jotka voidaan suunnata samanlaisella toiminnalla, kuin on magneettisten materiaalien alkeisalueiden toiminta. Kiderakenne yhdensuuntaistuu, kunnes rakenne on lähellä sulamispistettään. Samanlainen vaikutus alumiinin kiderakenteeseen nähdään, kun sitä suulakepuristetaan. Kiderakenteen pakotettu mekaaninen järkyttäminen kehittää lämpöä.

25 Erilaisia vaihtoehtoja parhaana pidetyn sovellutusmuodon muille piirteille juolahtaa varmasti alan ammattilaisen mieleen näiden vaihtoehtojen poikkeamatta kuitenkaan keksinnön hengestä ja pysyessä keksinnön puitteissa.

»

Claims (6)

6 106520

1. Laite metallin kuumentamiseksi käsittäen magneettipiirin (10), joka on avoin kahdesta toisiaan kohti olevasta päästä, joiden välissä on avoin tila, 5 tunnettu siitä, että magneettipiiri (10) käsittää useita yhdensuuntaisia ohuita levyjä (11), jotka ovat suuren magneettisen permeabiliteetin omaavaa johtavaa materiaalia, että levyt (11) ovat lähellä toisiaan ja toisistaan eristettyjä, 10 että siinä on useita sydänalueita (15) kunkin sanotuista sydänaiueista (15) ollessa lähellä jotakin sanotuista toisiaan kohti olevista päistä ja käsittäessä toisen joukon useita yhdensuuntaisia ohuita levyjä, jotka ovat suuren magneettisen permeabiliteetin omaavaa johtavaa materiaalia ja joilla on levyjen tasoon nähden suorassa kulmassa oleva pinta, jonka pinta-ala on sanotun piirin toista 15 päätä kohti olevan pään pinta-alaa suurempi, sekä että siinä on useita johtavista langoista muodostettuja käämejä (14) kunkin sanotuista käämeistä (14) ollessa kierretty jonkin sanotun lähellä sanottua kohti toista päätä olevaa päätä olevan sydänalueen (15) ympärille ja ollessa kytketty vaihtovirtaläh-20 teeseen (AC) magneettikentän kääntämiseksi sanotussa piirissä vastakkaiseksi vaihtovirtalähteen (AC) taajuudella.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite metallin kuumentamiseksi, tunnettu siitä, että kunkin sanotun levyn (11) paksuus on välillä 1,00 -0,0001 mm.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite metallin kuumentamiseksi, tunnettu siitä, että sanotun sydänalueiden (15) toisiaan kohti olevien päiden välissä olevan avoimen tilan välin suuruus on suurempi kuin kunkin sanotun sydänalueen (15) pinnan pienin dimensio.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite metallin kuumentamiseksi, 30 tunnettu siitä, että yhtä sanotuista sydänaiueista (15) voidaan liikuttaa suo- : . rassa kulmassa toiseen sydänalueeseen nähden sanottujen sydänalueiden (15) pintojen välissä olevan sanotun avoimen tilan välin suuruuden säätämiseksi.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite metallin kuumentamiseksi, tunnettu siitä, että sanotun piirin levyjen kunkin kohti toista päätä olevan 35 pään pinta-ala on yhtä suuri tai suurempi kuin sanottujen sydänalueiden (15) yhden pinnan pinta-alan neliöjuuri. 7 106520

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite metallin kuumentamiseksi, tunnettu siitä, että sanotuissa käämeissä on riippuvuus käämien kierros-määrän ja käämien leveyden ja pituuden välillä siten, että sydämen (15) induk-tiokuumeneminen minimoituu. « 106520 8