NO119619B - - Google Patents

Description

Elektrisk lavfrekvent induksjonsoppvarmningsanordning.

Denne oppfinnelse angår anordninger

for induksjonsoppvarming av arbeidsstykker av metall og omfatter en induktor som omgir et oppvarmingsrom som kan motta de arbeidsstykker som skal oppvarmes.

Anordningen forutsettes matet med flere vekselstrømmer som avviker fra hverandre i fase og som utledes fra en flerfaset strømkilde.

Mer spesielt angår oppfinnelsen for-bedringer ved induksjonsinnretninger av den type som omhandles i U.S. patent nr. 2 676 234 og i oppfinnerens eldre U.S. pa-tentkrav, som senere er bevilget under U.S. patent nr. 2 748 240.

I oppvarmningsinnretninger av nevnte type har induktoren stort sett vært utformet som tre separate spoler som ligger koaksialt etter hverandre og omslutter oppvarmningsrommet, idet hver spole be - står av en rekke skrueformede vindinger. I disse induktorer har det vist seg nødven-dig å anvende ringformede avstandsstykker av isolasjonsmateriale innført mellom endene av på hverandre følgende spoler på grunn av den forholdsvis store spen-ningsforskjell mellom disse. Kraftlinjetettheten i den magnetiske fluks i de partier av oppvarmningsrommet som omgis av disse avstandsstykker har vært vesent-lig mindre enn i de partier av rommet som er omgitt av vindinger. Denne mangel på ensartet fordeling av den magnetiske fluks i oppvarmningsrommet har tilsvarende virkning på oppvarmingen av metallstyk-ket som er ført inn i nevnte rom. Det opp-varmningsmønster som frembringes ved induksjonsvirkning, har ikke vært ensartet, og en utligning av temperaturen i arbeidsstykket har bare kunnet skje ved varmeledning fra den ene del av arbeidsstykket til den andre. Dette bevirker imidlertid at oppvarmningsprosessen går langsommere og at ytelsen av oppvarm-ningsinnretningen nedsettes.

En ytterligere grunn til nedsettelse av kraftlinjetettheten i den magnetiske fluks ved de nær hverandre liggende ender av to på hverandre følgende spoler, har vist seg å være den forholdsvis store faseforskjell mellom de magnetomotoriske krefter som frembringes i de respektive spoler, idet denne faseforskjell er 120° når spolene energiseres fra hver sin fase og med nor-mal trefasekobling fra et trefasenett. Denne store faseforskjell har resultert i en ubetydelig spredning av kraftlinjene ved eller nær de nærliggende ender av på hverandre følgende spoler, slik at kraftlinjetettheten i oppvarmningsrommet ved disse nærliggende ender har vært mindre enn for andre deler av induktoren.

Ved på i og for seg kjent måte minskes faseforskjellen mellom de elektriske strøm-mer og dermed mellom de magnetomotoriske krefter i de respektive spoler, har av-standsstykkene mellom de nær hverandre liggende spoleender kunnet elimineres, og like ens har den spredning av den magnetiske fluks som skyldes den store faseforskjell mellom spoleendene kunnet be-tydelig reduseres, og følgelig en jevnere kraftlinjetetthet og oppvarmning langs induktoren oppnås.

En ytterligere forbedring av disse forhold kan ifølge foreliggende oppfinnelse oppnås ved at det mellom to på hverandre følgende spoleseksjonér som energiseres av strømmer av forskjellig fase, er innskutt en spoleseksjon som energiseres av en strøm som er den vektorielle resultant av strømmene i dé to. spolésksjoner som den innskutte spoleséksjon ligger mellom.

En innretning som omfatter oppfinnelsen, kan da best utføres på den måte at primærviklingene på tre en-fase-transformatorer tilsluttes hver sin fase i et trefasenett, mens sekundærviklingene, under omkasting av den ene transformators ut-taksledere, tilsluttes uttak på en kontinuerlig spolevikling, som danner induktoren, på slik måte at deler av ytterfasene overlapper deler av den mellomliggende fase. Dermed oppstår det spoleseksjonér mellom ytterfasene og den mellomliggende fase som energiseres av den vektorielle resultant av strømmene i de to nærliggende faser.

Dette og andre trekk ved oppfinnelsen vil fremgå av følgende beskrivelse i forbindelse med tegninger hvor

fig. 1 skjematisk viser en anordning i henhold til oppfinnelsen, mens

fig. 2 er et vektordiagram som viser den faseforskjell som kan fåes ved over-lapping mellom fasene, og

fig. 3 er et diagram for en sone med faseoverlapping.

Det skal nå først vises til fig. 1, hvor det er vist en stort sett sylindrisk induktor 5, bestående av en kontinuerlig skrue-vikling. Denne siste kan være utformet av en enkelt lengde av en kobberleder méd en kanal 5b, som strekker seg i den fulle lengde av viklingen fra den ene enden av induktoren til den andre.

Vindingene i denne induktorvikling er lagt over et stort sett sylindrisk metall-rør 6 av ikke magnetisk materiale med høy temperaturmotstandsevne, som f. eks. rustfritt stål. Røret kan være dobbeltveg-get og inneholde en eller flere langsgående smale sømmer, slik som vist ved 7, som er elektrisk ikke ledende og derved hindrer strøm i røret i retning av dets omkrets. Uten anordning av disse ikke ledende søm-mer ville strømmer frembringes i røret, hvilke ville oppvarme dette i en betenke-lig grad. Lederen 5 holdes avkjølt under oppvarmningsanordningens drift ved å sende -kjølefluidum gjennom kanalen 5b i de forskjellige deler av induktorviklingén.

Induktorens inngangséffekt av en tré-faset hovedledning 1, 2 og 3, koblet i del-takobling til primærviklingene 31a, 23a og 12a for de tre en-fase transformatorer 31, 23 og 12. Induktorviklingén 5 har tre grupper av vindinger L, M og N som tilsammen danner en kontinuerlig vikling uten at der er innskutt noen isolerende avstandsstykker på noe sted, slik at ende-vindingen for enhver av disse tre grupper umiddelbart ligger nær ved endeviklingen for den etterfølgende gruppe. Gruppen L energiseres av sekundærviklingen 31b for transformatoren 31 over lederne al, a2, gruppen M energiseres av sekundærviklingen 23b for transformatoren 23 over lederne bl, b2 og gruppen N energiseres av sekundærviklingen 12b for transformatoren 12 over lederne cl og c2.

Forbindelsen for hovedledningene 1, 2 og 3 til primærviklingene 12a og 31a for

henholdsvis transformatorene 12 og 31 og forbindelsene for de tilsvarende sekundær-viklinger 12b og 31b til henholdsvis gruppene N og L er symmetriske, slik at de magnetomotoriske krefter frembrakt av strømmene i gruppene L og N og således også den magnetiske fluks som frembringes har en fasevinkel på 120°. Dette er vist ved A og C i vektordiagrammene i fig. 2, idet den magnetiske fluks frembrakt ved energisering av gruppen N ligger foran den frembrakt ved energisering av gruppen L med samme vinkel.

Energisering av den mellomliggende gruppe M for induktoren 5 utføres av en strøm fra transformatoren 23, hvis strøm-retning er omvendt. Omkastingen av denne strøm utføres, som vist i fig. 1 ved en revolvering av et par innmatningsledere 8 og 9, som fører fra hovedledningene henholdsvis 3 og 2 til primærviklingen 23a for transformatoren 23, idet denne revolvering av lederne 8 og 9 er antydet ved X.

Omvendingen av strømmen i primærviklingen 23a fører til en tilsvarende omvending av strømmen i sekundærviklingen 23b og til en omvending av den magnetomotoriske kraft som skyldes energisering av gruppen M i induktoren. Vektoren for den magnetomotoriske kraft forandrer derfor sin retning 180°, og denne forand-ring er angitt i fig. 2, hvor den opprinne-lige vektor er vist med strekede linjer ved B og den omvendte vektor fullt opptruk-ket ved Bx. I det system som er vist på fig. 1, leder fasen Bx for den magnetomotoriske kraft som fremkommer ved energisering av gruppen M for induktorviklingén og utøvet inne i denne gruppe med- 60° overfor fasen A for den magnetomotoriske kraft utøvet inne i induktorgruppen L og ligger etter 60° i forhold til fasen C for den magnetomotoriske kraft utøvet i gruppen N.

Det elektriske system som vises i fig.

1, representrer et meget viktig fremskritt med hensyn til induksjonsoppvarmere av den type til hvilken oppfinnelsen hen-regnes.

Det fremtredende trekk ved dette system består i anordningen av visse utvalgte deler av induktoren som her er kalt faseoverlapping. Dette trekk ved oppfinnelsen skal nå beskrives.

Induktoren ifølge fig. 1 har tre hoved-viklinger L, M og N, som tilføres strøm atskilt utledet fra tre-fase hovedledningene 1, 2 og 3, som før beskrevet. Primær-og sekundærviklingene for de tre en-fasede transformatorer 31, 23 og 12 anvendes som for overføring av strøm for de tre enkelt faser til de tre grupper henholdsvis L, M og N. Av disse blir mellomviklingen M matet med strøm av mellomfasen, den høyre vikling N med strøm av relativt ledende fase og den venstre vikling N med strøm med relativt etterliggende fase.

Som allerede nevnt ovenfor er inn-matningslederne 8 og 9 for primærviklingen 23a i transformatoren 23 revolvert ved X, for derved å omvende fasen for den magnetomotoriske kraft som dannes ved energiseringen av mellomviklingen M i den hensikt å minske fasevinkelen mellom de magnetomotoriske krefter dannet ved strømmen i viklingen M og hver av de lengst mot endene liggende viklinger henholdsvis N og L, idet reduksjonen i fasevinkelen blir fra 120° til 60°.

Sekundærviklingene 31b, 23b og 12b for transformatorene 31, 23 og 12 er ved hjelp av lederne al, a2 og bl, b2, samt cl, c2 tilkoblet utvalgte enkelvindinger for induktoren 5, idet hver av disse vindinger for dette øyemed har et kontaktuttak. Det er fire uttak 24, 27, 48 og 51 mellom endene av induktoren, idet uttakene 24 og 27, samt uttakene 48 og 51 mellom seg omfatter i lengderetning relativt korte in-duktorsoner, henholdsvis hl og h2.

Ved Y og Z revolveres lederne for hvert av de to par a2, bl, b2 og cl, slik at lederne bl og b2 som forløper fra motsatte klemmer for sekundærviklingen 23b på transformatoren 23, ikke bare omslutter mellom seg vindingene mellom uttakene 27 og 48, men også de vindinger som ligger i sonene hl og h2. På liknende måte omslutter lederne al og a2 mellom seg ikke bare hovedviklingen L, men også den korte sone hl, og lederne cl og c2 omslutter såvel hovedviklingen N, som den korte sone h2. Det foreligger således en overlapning ved lederne bl og b2 for begge korte soner hl og h2, og videre en overlapning ved hjelp av lederne al og a2 av sonen hl, samt en annen overlapning ved lederne cl og c2 av sonen h2.

La oss anta til belysning av foreliggende utførelsesform av oppfinnelsen hvori inngår faseoverlapning, at den induktor som er vist i fig. 1 har 75 vindinger. De tre viklinger L, M og N for induktoren vil da ha hver 27 vindinger, idet sekundærviklingen 12b for transformatoren 12 er tilkoblet den første vikling N som føl-gelig vil energiseres med strøm fra fasen A i fig. 2. Sekundærviklingen 23b for transformatoren 23 er koblet til mellomviklingen M, som følgelig energiseres med strøm fra fasen Bz og sekundærviklingen 31b for transformatoren 31 er koblet til viklingen L, som følgelig vil energiseres med strøm fra fasen C. Videre vil i det betraktede eksempel de to soner hl og h2 ha tre vindinger hver, idet sonene hl og h2 energiseres med strøm avledet fra fasen Bx og sonen h2 blir ytterligere energisert ved strøm avledet fra fasen A, mens sonen hl blir ytterligere energisert av strøm avledet fra fasen C.

Selv om de tre strømfaser som tilfø-res de forskjellige grupper av vindinger for induktoren, er bestemt av fasene A, C og B, som angitt på vektordiagrammet i fig. 2, blir faseforholdet for de magnetomotoriske krefter som dannes av strøm-mene for disse faser i deler av induktoren forandret på grunn av revolveringen ved X av lederne 8 og 9, på en slik måte at fasen for den magnetomotoriske kraft frembrakt i den mellomste vikling M forandres 180°, hvorved fasen forandres fra den strekede linje B i fig. 2 til den helt opptrukne linje Bx.

Fasevinkelen mellom de magnetomotoriske krefter for de to andre viklinger som energiseres ved strømmer for henholdsvis fasene A og C med hensyn til den magnetomotoriske kraft for den mellomliggende vikling blir derfor forandret fra 120° til 60°, som det vil sees i fig. 2, slik at det fåes en fasefølge som skrider frem i retning av urviseren fra fasen A til fasen Bx og derfra til fasen C, med en vinkel på 60° mellom de to på hverandre følgende faser.

Sonene for faseoverlapning hl, h2 blir hver energisert ved en blanding av strøm-mer av to fasen som er i rekkefølge, idet den ene av strømmene avledes fra fasen Bx, den omvendte fase av B.

I sonen hl blir de blandede strømmer avledet fra transformatorene 12 og 23, som hver gir individuelt en magnetomotorisk kraft med henholdsvis fase A og fase Bx. Disse magnetomotoriske krefter, som har en faseforskyvning på 60°, resulterer, når de blandes i sonen h2, i en magnetomotorisk kraft som har en mellomliggende fase AB x, som vist i fig. 2, idet faseforskyvningen mellom denne mellomfase og den ene eller andre av de to faser A eller Bx bare er 30°. På liknende måte blir i sonen hl de blandede strømmer avledet fra transformatorene 31 og 23, som hver frembringer individuelt en magnetomotorisk kraft med fase henholdsvis C og Bx. Disse magnetomotoriske krefter, hvis forskyvning altså er 60°, resulterer, når de blandes i sonen hl, i en magnetomotorisk kraft som har en mellomfase CBx, som vist i fig. 2, idet faseforskyvningen mellom denne mellomfase og de to fasene C og Bx også her er 30°. Faseforskjellen mellom hvilken som helst av de suksessive fasene A, ABx, Bx, CBx og C er derfor bare 30°. Skrider man frem fra høyre til venstre i induktoren ifølge fig. 1, utøves de ovennevnte faser for de magnetomotoriske krefter i ovennevnte orden i en av hver av de suksessive grupper eller soner av vindinger N, h2, M, hl og L, idet den kon-stante forskyvning mellom hver av de to suksessive faser er 30°. Disse faser sikrer at det fåes et «bevegelig felt» av magnetisk fluks som frembringer et magnetisk trykk på et arbeidsstykke anbrakt mellom vindingene for induktoren, slik at arbeidsstykket presses til bevegelse mot og gjennom den venstre åpning av det oppvarmningskammer som dannes inne i induktoren.

Den mest fremtredende fordel ved slik faseoverlapning som her er beskrevet, består i at det gjør det mulig å anvende tre eller flere en-fase strømmer for energisering av viklingen på en induksjonsoppvar-mer på en slik måte at man unngår spal-ter mellom grupper av induktorvindinger matet med strømmer av forskjellige faser og for å sikre ytterligere at arbeidsstykket som angis av induktorvindingene oppvarmes i stort sett ensartet hastighet over hele arbeidsstykkets lengde.

I praksis vil en induktor med kontinu-erlige vindinger og faseoverlapning, som vist i fig. 1 og her beskrevet, tilveiebringe et oppvarmningskammer, inne i hvilket et arbeidsstykke føres inn fra den ene ende for å oppvarmes inne i kammeret og derpå føres ut fra den andre åpne ende.

I det etterfølgende beskrives den måte på hvilken den langsgående utstrekning av sonen hl eller h2 for faseoverlapning fast-legges, og som følge herav kan antallet induktorvindinger i en slik sone beregnes for en gitt induktor, idet det herunder skal henvises til fig. 3, som viser skjematisk en sone for faseoverlapning.

Lengden av en sone med faseoverlapning er avhengig av følgende faktorer,

(A) Faseforskyvningen eller vinkelen mellom på hverandre følgende faser. (B) Visse materialkonstanter, som f. eks. motstand og permeabilitet for lederen som danner induktoren og for arbeidsstykket som skal oppvarmes. (C) Frekvensen for spenningen og strømmene i det elektriske system. (D) De fysiske dimensjoner for induktoren og for arbeidsstykket, og da særlig den indre diameter for induktoren og den ytre diameter for arbeidsstykket, (hvis det siste har form av et sylindrisk emne, som gjerne vil være tilfelle). (E) Dybden av strømmens inntren-gen i induktoren og arbeidsstykket.

Den nedenstående detaljerte beregning vedrører et eksempel med en tre-faset strømkilde med vanlig faseforhold og med strømmene for to på hverandre følgende faser blandet i en sone av faseoverlapning.

I fig. 3 angir a den indre diameter for induktorviklingén og a 0 den ytre diameter for arbeidsstykket. Strømgjennomtrengen i induktorviklingén fåes av følgende ligning:

hvor P, = den spesifikke motstand i lederen som utgjør induktorens vikling i ohm/cm.

f = frekvensen i per./sek. for

strømmen i induktoren.

S --— romfaktoren.

Strøminntrengningen d2 i arbeidsstykket fåes av følgende formel:

hvor Po = den spesifikke motstand for arbeidsstykket 11 i ohm/cm.

u = permeabiliteten for arbeidsstykket.

f = frekvensen i strømmen i per./

sek.

Den effektive indre diameter ai for induktoren fåes da av følgende ligning:

og a J den effektive ytre diameter av ar-

beidsstykker fåes av følgende ligning: i

I ligningene (3) og (4) vil d,, a, a() og d2

være gitt i cm, hvorfra ai og aj også vil være i cm.

Faseoverlapningen h fåes da av den følgende ligning:

For å illustrere det ovenfor anførte,

skal følgende eksempel gis:

Tre-fase tilførsel med faseforhold som angitt i fig. 2, leder av kobber, arbeidsstykket 11 av aluminium.

Fra ligningene (1) og (2) fåes da:

d,=0,96 cm og d2=l,55 cm Fra ligningene (3) og (4) fåes:

Faseoverlapningen h finnes ved hjelp av ligningen (5) å være:

Under de ovennevnte forhold er således den beregnede faseoverlapning h = 2;37 cm.

I praksis er det å foretrekke å anvende

hele vindinger for faseoverlapningssonen, idet den beregnede verdi for lengden av en slik sone ikke kan anvendes i praksis.

Hvis tw er bredden av en vinding, inklu-dert dens isolasjon, da er lengden av sonen

med faseoverlapning tilnærmet det hele multiplum av tw, som ligger nærmest den beregnede verdi.

I det ovenfor betraktede tilfelle er tw = 1,03 cm. Tre vindinger vil således gi en lengde på h = 3,10, som er 0,73 cm større enn den beregnede verdi. To vindinger vil således gi en lengde på h = 2,067 cm, som er 0,30 cm mindre enn den beregnede verdi. Det er derfor å foretrekke i dette tilfelle å anvende to vindinger for faseoverlapningssonen.

Beregningen er basert på den anta-gelse at faseforskjellen mellom suksessive en-fase strømmer, av hvilke de respektive grupper eller soner for induktorene ekssi-teres, er den som er beskrevet for tre-fasesystemet ovenfor. For andre utførelses-former av oppfinnelsen, hvor faseforskjellen mellom de strømmer som er tilført suksessive grupper eller soner for induktoren

avviker fra hva som er nevnt i forbindelse

med systemet etter fig. 1, må størrelsen

av faseoverlapning være i omvendt forhold sammenlignet med det som forekom-mer mellom de respektive fasevinkers

cosinus.

Claims (3)

1. Elektrisk lavfrekvent induksjonsoppvarmningsanordning for metallarbeids-stykker, omfattende en induktor som omgir et varmekammer for opptagelse av et arbeidsstykke som skal varmes opp av de strømmer som induseres i arbeidsstykket, idet nevnte anordning tilføres trefaset vek-selstrøm, hvilken induktor dannes av flere vindinger, som tilsammen danner en kontinuerlig spole og som strekker seg fra den ene ende til den andre av nevnte induktor, og tilføres strøm fra tre enfasede lavfre-kvente strømkilder som er koblet til den trefasede kilde for elektrisk energi, slik at strømmer med forskjellig fase går gjennom i det minste tre suksessive grupper eller seksjoner av vindinger for induktoren, idet strømmen i spoleseksjonenes midterste seksjon er i omvendt fase i forhold til strømmene i de ytre seksjoner, karakterisert ved at det mellom to slike nærbeliggende spoleseksjonér (L, M eller M, N) som energiseres med strømmer av forskjellig fase er innskutt en seksjon (hl eller h2) som energiseres av en strøm, som er re-sultat av en sammenslåing av strømmene i de to spoleseksjonér som den innskutte spole ligger mellom.

2. Anordning som angitt i påstand 1, hvor vindingsantallet for en spoleseksjon energisert av en enkelt strøm er forskjellig fra vindingsantallet for en spoleseksjon energisert av sammenslåtte strømmer, karakterisert ved at vindingsantallet for en spoleseksjon energisert av en enkelt strøm er større enn vindingsantallet for en spoleseksjon energisert av sammenslåtte strøm-mer.

3. Anordning som angitt i påstand 1, karakterisert ved at de tre enfasede strøm-kilder er tilkoblet induktoren med over-lapping, slik at den elektriske fasevinkel mellom nærbeliggende spoleseksjonér reduseres under fasevinkelen mellom de respektive enfasekilder.