NO178880B - Elektromagnetisk anordning for oppvarming av metallelementer - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår en ny anordning for å oppvarme metalldeler.

Det er kjent at det bare finnes noen få grunnleggende mekanismer, systemer eller metoder for å skape varme i en metalldel. Konveksjonsoppvarming kan anvendes og denne kan innbefatte direkte flamme, neddykning, stråling, elektrisk motstand hvor oppvarmingen av metallet forårsakes av den elektriske strømningen, og varme kan dannes ved mekanisk påvirkning eller friksjon. Blant oppvarmingsmåtene er induksjonsoppvarming hvor oppvarmingen skyldes bruken av magnetiske felter. Som vel kjent på induksjonsoppvarmings-området, blir et metallarbeidsstykke plassert i en spole som mates med vekselstrøm, og arbeidsstykket og spolen sammen-knyttes av et magnetisk felt slik at en indusert strøm er tilstede i metallet. Denne induserte strømmen oppvarmer metallet på grunn av motstandstap tilsvarende vanlig elektrisk motstandsoppvarming. Spolen blir normalt oppvarmet, og den må avkjøles for å gjøre oppvarmingen av arbeidsstykket så effektivt som mulig. Tettheten til den induserte strømmen er størst på overflaten av arbeidsstykket og avtar ettersom avstanden fra overflaten øker. Dette fenomen er kjent som skinneffekten, og den er viktig siden det er bare innen denne dybden at hoveddelen av den totale energien blir indusert og er tilgjengelig for oppvarming. Typiske maksimale skinndybder er tre til fire tommer for lavfrekvensanvendelser. I alle induksjonsoppvarmings-anvendelser begynner oppvarmingen på overflaten på grunn av virvelstrømmene, og ledning fører varmen inn i arbeids-stykkets legeme. En annen fremgangsmåte for å oppvarme metalldeler ved bruk av magnetiske felter blir kalt fluksoverførings-oppvarming. Denne fremgangsmåten blir vanligvis brukt til å oppvarme relativt tynne strimler av metall, og fluks-varme overføres ved at induksjonsspolene rearrangeres slik at den magnetiske fluksen passerer gjennom arbeidsstykket i rette vinkler i forhold til arbeidsstykket snarere enn rundt arbeidsstykket som ved normal induksjonsoppvarming. Magnetisk fluks som passerer gjennom arbeids stykket induserer flukslinjer som sirkulerer i planet til strimmelen og dette resulterer i det samme virvelstrømtap og oppvarming av arbeidsstykket. Oppvarmingsmetoder som i hovedsak er basert på de ovennevnte fenomener, er beskrevet f.eks. i US patent nr. 4,761,527, US patent nr. 4,856,097 og i russisk patent nr. 924,920.

En annen fremgangsmåte for induksjonsoppvarming som anvender likestrøm er beskrevet i en artikkel av Glen R. Moore i "the Industrial Heating Magazine", mai, 1990, side 24. I denne nye oppvarmingsmetoden blir likestrøm anvendt, og strømmen flyter i den aksiale retningen til arbeidsstykket på grunn av rotasjonen av arbeidsstykket snarere enn rotasjonen av feltet om arbeidsstykket. Denne metode eller fremgangsmåte er også beskrevet som i stand til å oppvarme en metallplate, hvilket kalles likestrømsmetoden for fluksoverførings-oppvarming. Denne fremgangsmåten anvender også en skinneffekt og en fremgangsmåte for å bestemme inntrengningen til et likestrømsfelt, som er beskrevet i artikkelen.

Imidlertid sørger ingen av disse oppvarmingssystemer for jevn oppvarming av et arbeidsstykke uten varmelednings— endringer fra utsiden som enten i et magnetisk felt eller i den direkte flammemetoden eller relaterte metoder.

Det er derfor ønskelig å gjøre bruk av denne nye magnetiske feltteknologien for å overkomme ulempene ved den tidligere kjente teknikk såvel som å forbedre effektiviteten ved å opp- varme et arbeidsstykke jevnt og ensartet over hele dets tverrsnitt.

Et formål ved den foreliggende oppfinnelse er å til-veiebringe en fremgangsmåte for jevn eller ensartet oppvarming av et metallarbeidsstykke over både dets tverrsnitt og lengde. Det er et annet formål ved denne oppfinnelse å utføre slik oppvarming med et minimum av varmetap i spolene og ved skinneffekt i delen, og uten å anvende varmeledning. Disse andre formål ved oppfinnelsen oppnås ved hjelp av et nytt magnetisk feltsystem som virkelig besørger den jevne oppvarming av en hvilken som helst metalldel som er plassert i det magnetiske feltet generert av dette nye systemet. Det magnetiske feltet blir generert av en magnetisk sløyfe som innbefatter flere tynne plater og som også innbefatter et luftgap i hvilket arbeidsstykket kan plasseres. Arbeidsstykket er så innlemmet i og blir en del av den magnetiske sløyfen. Det magnetiske feltet som genereres av systemet passerer gjennom arbeidsstykket slik som det gjør i den gjenværende delen av sløyfen. Dette magnetiske systemet arbeider best ved 50 til 60 perioder; og dette betyr at systemet kan bruke normal elektrisk effekt levert fra et tilgjengelig uttak i alle vanlige installasjoner.

Oppfinnelsen vil også besørge jevn eller ensartet oppvarming av ikke-magnetiske metaller som er plassert i luft-gapet til den magnetiske sløyfen. Det er utført adskillige prøver som viser at hele tverrsnittet til deler med regel-messig eller uregelmessig form på jevn eller ensartet måte kan bringes opp til den ønskede temperaturen under svært hurtig oppvarming av disse deler.

Oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i patentkravene angitte trekk.

Oppfinnelsen skal nå beskrives under henvisning til tegningen, der

fig. 1 viser det nye magnetiske systemet i henhold til denne oppfinnelse.

Fig. 2 er et tverrsnitt tatt langs linjen 2-2 på fig. 1 og viser detaljene ved lamineringene.

Som det fremgår av fig. 1, er det vist et magnetisk sløyfesystem 10. Denne magnetiske sløyfen 10 består av en flerhet av metallstrimler 11som er tilformet til en laminert magnetisk sløyfestruktur. De magnetiske strimlene 11 er i en foretrukket utførelse av silisiumstål med høy permeabilitet, men et annet materiale med høy permeabilitet kan også anvendes. Metallstrimlene 11 har påklebet eller fastlimt isolasjon 12. Denne isolering blir normalt utført av fabrikanten av metallstrimlene og kan utføres på en hvilken som helst velkjent måte. Ethvert godt elektrisk isolasjonsmateriale kan anvendes. Metallstrimlene 11 har en maksimal tykkelse på 1,0 mm og de kan ha en minimal tykkelse tilsvarende den tynneste metallplate som det er mulig å fremstille. Dess tynnere platen eller metallfolien av materialet med høy permeabilitet, dess bedre blir ytelsen til systemet. Et materiale med maksimal effektivitet ville være 0,0001 mm eller tynnere, men dette er imidlertid ikke kommersielt tilgjengelig. I det nye systemet ble den magnetiske sløyfen konstruert med metallstrimlene 11 av 0,30 mm silisiumstål. Disse metallstrimler 11 blir tilformet til den ønskede form som normalt er kvadratisk som vist på fig. 1. Strimlene blir så plassert i et vakuumkammer med epoksy eller klebegummi 13 som er så tynt at det blir en del av isolasjonen 12. Det dannes vakuum i kammeret og alt fremmedmateriale blir evakuert. Epoksyen eller klebegummien limer så strimlene sammen når vakuumet blir fjernet. Dette er for tiden den beste kjente fremgangsmåten for å fremstille denne magnetiske sløyfen, men anvendelse av metallstrimler, isolasjon og noe klebegummi og/eller en mekanisk innretning for å binde strimlene sammen for å fremstille laminatet vil imidlertid også være tilfreds-stillende.

Som vist på fig. 1, er det to kjernedeler 15. En kjernedel kan være av enhver størrelse eller utforming fra kvadratisk til rektangulær til sirkulær eller sylinder-formet. Kjernedelen 15 kan være valgt slik at den passer til det ytre av arbeidsstykket som skal oppvarmes. Dersom et stort arbeidsstykke skal oppvarmes, bør en stor kjernedel 15 anvendes. Det magnetiske feltsystemet eller sløyfen arbeider ved sin maksimale effekt når arbeidsstykket blir holdt tett mellom de to kjernedelene 15 slik at de magnetiske kraftlinjene kan passere direkte gjennom arbeidsstykket fra en kjernedel til den andre. Den ene kjernedelen 15 kan flyttes for å variere gapet for å passe til arbeidsstykket. Det er et kritisk forhold mellom lengden til spolen og tettheten eller høyden til spolen som resulterer i optimal ytelse. Inntil i dag har det kritiske forholdet bare blitt funnet empirisk. I tillegg er det viklet en spole 14 på hver av kjernedelene 15. Utformingen av spole-viklingen er kritisk for ensartet eller jevn oppvarming. Antallet viklinger på spolen og dimensjonene er kritiske for å forhindre induksjonsoppvarming med resulterende overflate-effekt og tap i systemet. En har også funnet at antallet viklinger og høyden av kjernedelen i relasjon til avstanden mellom kjernedelenes overflater er viktig.

Som vist på fig. 1, vil kjernedelene 15 besørge over-føring av de magnetiske feltlinjene gjennom den magnetiske sløyfen 10 inn i et laminatareal 17 som har en størrelse som er forskjellig fra kjernedelenes areal. Dette laminatareal er lik kvadratroten av AB, hvor A og B er lengden og bredden av kjernedelene 15. Denne arealendring for laminatene innenfor sløyfen frembringer en økt magnetisk overføring fra kjernedelene og gjennom arbeidsstykket. Det er imidlertid ikke nødvendig å endre denne størrelse, og hele kjerne-systemlamineringen kan ha den samme størrelsen som kjerne-delarealet, men da vil ikke oppvarmingen forløpe like effektivt.

En vekselstrømstilkobling er vist ved 16 og er for-bundet med spolen og spolene er sammenkoblet ved hjelp av en ledning i parallell eller serie 19. I drift blir veksel-strømmen påtrykt forbindelsene 16 fra en vekselstrømskilde som ikke er vist og som har en frekvens på 60 Hz eller hva nettfrekvensen i det spesielle området måtte være. Ettersom denne vekselstrømmen blir påtrykt over spolene 14, blir magnetisk fluks dannet i kjernedelene 15, og den strømmer mellom de to kjernedelene og gjennom sløyfen 10. Fluksen er analog med flyt av strøm i en ledning eller fluidstrømning i et rør. Den magnetiske drivkraft er generatoren til fluksstrømmen, og i dette spesielle tilfellet har en kjernedel med uniform kjernetetthet en målbar flukstetthet på et antall weber pr. kvadratmeter. Når vekselstrøm blir påtrykt spolene 14, bringer denne den magnetiske intensiteten i kjernedelene til å veksle mellom positive og negative verdier. Dette kan vises ved en magnetiseringskurve, nor malt kalt en hysteresesløyfe. Ferrometall kan magnetiseres og blir ordnet i mikroskopiske områder kalt magnetiske domener. Elektronene til atomene i hvert domene roterer om atomkjernen og spinner om sin egen akse. Det dominerende moment blir forårsaket av elektronspinn, og det netto magnetiske moment til hvert atom i et domene er orientert i den samme retningen. Når vekselstrøm blir påtrykt spolene og et arbeidsstykke er plassert mellom dem, strekkes domene-grensene til arbeidsstykket som et resultat av denne rota-sjon av atomkjernen, etc. Resultatet er friksjons- eller mekanisk varmegenerering inne i arbeidsstykket. Magnetiske domener er normalt jevnt fordelt gjennom materialet, og siden fluksen er jevn eller ensartet over tverrsnittet, blir varmen generert ensartet i arbeidsstykket. For at dette magnetiske feltet skal oppvarme arbeidsstykket jevnt, er det nødvendig at sløyfematerialet har høyere permeabilitet enn materialet som skal oppvarmes. En stålblokk med diameter 5 ganger 5 tommer hadde innførte termoelementer i sentrum og på overflaten. Med arbeidsstykket isolert for å minimali-sere det effektive varmetapet til omgivelsene ble arbeidsstykket plassert i sløyfen, og hele tverrsnittet til arbeidsstykket ble hurtig (på omtrent 4 minutter) og jevnt og ensartet brakt opp til en temperatur på 500°C. Varmeeffekten kan fortsette inntil man når en hvilken som helst ønsket temperatur under smeltetemperaturen til metallet som blir oppvarmet. Tiden som er nødvendig for å oppvarme et spesielt arbeidsstykke, er en funksjon av størrelsen til arbeidsstykket og styrken til det magnetiske feltet.

Kjernedelene i den magnetiske feltsløyfen blir ikke oppvarmet, siden materialet er valgt slik at den maksimale størrelsen til hysteresesløyfen for materialet ikke blir overskredet under retningsendringene til feltet. Arbeids-stykkedelen har en mindre hysteresesløyfe, og denne sløyfen blir overskredet av de magnetiske kreftene under hver vekslende syklus, og derved skapes oppvarmingen av arbeidsstykket.

Denne samme magnetiske feltoppvarmingsanordningen vil også virke på ikke-magnetiske materialer sålenge disse materialene har krystallinsk struktur, hvilke strukturer kan innrettes ved en virkning tilsvarende virkningen til domenene til de magnetiske materialene. Den krystallinske strukturen vil innrette seg selv inntil strukturen er ved eller nær dens smeltepunkt. En tilsvarende effekt på den krystallinske strukturen til aluminium kan sees når aluminium blir ekstrudert. Varme blir generert ved den kraftige mekaniske påkjenning på den krystallinske strukturen.

Claims (4)

1. Anordning for oppvarming av metall, omfattende en magnetisk sløyfe (10) som er åpen i to mot hverandre vendende ender og med et åpent rom mellom endene; hvor den magnetiske sløyfen (10) omfatter en flerhet av parallelle tynne plater (11) av et ledende materiale med høy magnetisk permeabilitet; og platene (11) ligger tett inntil hverandre og er isolert fra hverandre; karakterisert vedto kjernedeler (15) som hver ligger inntil hver av de mot hverandre vendende ender, og som omfatter en andre flerhet av parallelle tynne plater av ledende materiale med høy magnetisk permeabilitet, hvilke kjernedeler (15) hver har en overflate mot det åpne rom, hvilke overflater hver har større areal enn arealet til enden av sløyfen (10); og flere viklinger (14) tildannet av ledende ledninger, hvor hver av viklingene (14) er viklet rundt en av kjernedelene (15) og er tilkoblet en vekselstrømkilde for å snu det magnetiske feltet i sløyfen (10) med samme frekvens som vekselstrømkildens frekvens.

2. Anordning for oppvarming av metall i henhold til krav 1,karakterisert vedat hver av platene har en tykkelse på mellom 1,00 mm og 0,0001 mm.

3. Anordning for oppvarming av metall som angitt i krav 1,karakterisert vedat avstanden over et gjenværende åpent rom mellom motvendende endeflater av kjernedelene (15), hvilke motvendende endeflater utgjøres av de nevnte overflater, er større enn disse overflatenes minste dimensjon.

4. Anordning for oppvarming av metall som angitt i krav 3,karakterisert vedat en av kjernedelene (15) kan forflyttes for å justere den nevnte avstand.