NO317391B1

NO317391B1 - Anordning og fremgangsmate for induksjonsoppvarming av emner av elektrisk ledende og umagnetisk materiale

Info

Publication number: NO317391B1
Application number: NO20030401A
Authority: NO
Inventors: Niklas Magnusson
Original assignee: Sintef Energiforskning As
Priority date: 2003-01-24
Filing date: 2003-01-24
Publication date: 2004-10-18
Also published as: EP1582091A1; DE60305212D1; ES2259420T3; US7339145B2; EP1582091B1; WO2004066681A1; DE60305212T2; AU2003291774A1; US20060157476A1; NO20030401D0

Abstract

Anordning og fremgangsmåte for induksjonsoppvarming av emner (10) av elektrisk ledende og umagnetisk materiale, der en innretning danner et magnetisk likefelt (3) og en annen innretning tjener til å bevirke en relativ bevegelse (4) mellom emnet (10) og det magnetiske likefelt (3), slik at det induseres strøm (12) i emnet (10) som derved blir oppvarmet

Description

Denne oppfinnelse omhandler en anordning og en fremgangsmåte for induksjonsoppvarming av emner av elektrisk ledende og umagnetisk materiale.

Induksjonsoppvarming anvendes i strengpressing for å myke opp metallbolter før de presses til profiler. For umagnetiske materialer som er gode elektriske ledere, såsom aluminium, kobber eller messing, har konvensjonell induksjonsoppvarming en virkningsgrad på kun 55-60%. Ved slike konvensjonelle oppvarmingsprosesser plasseres en bolt aksielt inne i en spole. En vekselstrøm påføres spolen, slik at det dannes et aksielt magnetisk vekselfelt. Dermed induseres det en motstrøm i bolten for å motvirke magnetfeltet. Den induserte strømmen oppvarmer i dette tilfellet pressbolten. Problemet her er at strømmen i spolen gir tap som er på samme størrelsesnivå som det i bolten, noe som gjør at virkningsgraden blir dårlig.

Induksjonsoppvarmingsanordninger kan også bygges med superledende spoler for vekselstrøm, jf. norsk patent nr. 308.980. Superlederne gir imidlertid tap når de utsettes for et magnetisk vekselfelt. Et problem som oppstår her er at varmen fra vekselstrømtapene i superlederne må kjøles bort (ved ca. 50-90 K) og kjølesystemet som kreves er dyrt.

I senere tid har det dukket opp muligheter for dannelse av et magnetisk likefelt uten energitap. Superledere kan under DC-forhold lede elektrisk strøm praktisk talt uten tap, og kraftige permanentmagneter er blitt tilgjengelig til en rimelig pris. I den her foreslåtte løsningen utsettes superlederne hovedsaklig kun for et magnetisk likefelt, og derfor kreves det et vesentlig mindre kjølesystem, som også er billigere enn det som er benyttet i induksjonsoppvarmings-anordningen ifølge norsk patent nr. 308.980.

Foreliggende oppfinnelse går i en foretrukket utførelse ut på å indusere elektrisk strøm for å varme opp et materiale ved å la det bevege seg i et magnetfelt. I et elektrisk ledende materiale som beveger seg vinkelrett i forhold til et statisk magnetfelt oppstår som kjent et elektrisk felt som er vinkelrett i forhold til bevegelsesretningen og magnetfeltet. Det elektriske feltet induserer strømmer som da gir resistive tap som varmer opp materialet.

På samme måte induseres strømmer i et elektrisk ledende materiale hvis det beveger seg i likefeltets retning når feltets intensitet også varierer i samme retning.

I en typisk utførelse av oppfinnelsen roteres et emne eller en bolt, for eksempel en sylindrisk pressbolt av et godt elektrisk ledende og umagnetisk materiale, i et magnetisk likefelt som er orientert vinkelrett i forhold til boltens akse. Det magnetiske likefelt kan dannes for eksempel ved å føre en likestrøm gjennom en superleder eller ved å anvende permanentmagneter. Det er også mulig å kombinere permanentmagneter og superledere for derved å generere et magnetisk likefelt. Energien som anvendes til oppvarmingen tilføres gjennom en motor eller liknende som driver innretningen for dannelse av relativ bevegelse. Det kan for eksempel benyttes en roterende eller lineær elektrisk motor.

I den foreslåtte roterende induksjonsoppvarmingsanordning bestemmes virkningsgraden for oppvarmingsprosessen hovedsakelig av virkningsgraden på motoren som driver rotasjonen. En elektrisk motor har en typisk virkningsgrad på 90% eller mer, noe som er vesentlig bedre enn de 55-60% som gjelder for konvensjonelle induksjonsoppvarmere for aluminium-, kobber-eller messingbolter.

Når man anvender superledere i induksjonsoppvarmings-anordningen ifølge oppfinnelsen, kan man styre effekten i emnet eller bolten ved å variere nivået på magnetfeltet. På samme måte kan man styre hvor i emnet eller bolten man skaper mest varme ved å kople inn viklinger som er viklet på forskjellige steder langs emnets/boltens akse.

Virkningsgraden påvirkes i svært liten grad når emnets/boltens dimensjoner endres.

Det er ytterligere mulig å kombinere det magnetiske likefelt med et magnetisk vekselfelt for derved å danne et felles magnetfelt som tjener til oppvarming av det elektrisk ledende og umagnetiske emnet.

Istedenfor å bevege lineært eller rotere emnet kan innretningen som danner det magnetiske likefelt, beveges lineært eller roteres.

De nye og særegne trekk ved oppfinnelsen er nærmere angitt i patentkravene.

Den viktigste fordelen med anordningen og fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse er at virkningsgraden kan økes vesentlig. Den går opp fra omkring 55-60% til 90% eller mer i forhold til konvensjonelle metoder. Dette er selvsagt meget betydelig og viser at det her dreier seg om en ny løsning av høy praktisk verdi for industrien.

I det følgende skal oppfinnelsen forklares nærmere under henvisning til tegningene, som noe skjematisk og forenklet viser forskjellige utførelser som er praktisk mulige.

Fig. 1 viser skjematisk en utforming av en anordning

ifølge oppfinnelsen;

Fig. 2 viser en utførelsesform ifølge oppfinnelsen omfattende en vikling som danner et magnetisk likefelt, hvor emnet roteres; Fig. 3a viser en annen utførelsesform ifølge oppfinnelsen omfattende permanentmagneter som omslutter emnet, hvor emnet roteres; Fig. 3b viser et horisontalt tverrsnitt av fig. 3a, hvor magnetlinjene er påpekt; Fig. 3c viser et horisontalt tverrsnitt av en tredje utførelsesform ifølge oppfinnelsen omfattende permanentmagneter som omslutter emnet, hvor permanentmagnetinnretningen som danner det magnetiske likefelt roteres; Fig. 3d viser et horisontalt tverrsnitt av en fjerde utførelsesform ifølge oppfinnelsen omfattende permanentmagneter som ikke omslutter emnet; Fig. 4a viser en femte utførelsesform ifølge oppfinnelsen omfattende en vikling som har ringformede seksjoner som omslutter emnet og er antiparallelt koplet, hvor emnet beveges lineært og hvor strømmene som induseres i emnet, er indikert; Fig. 4b viser et vertikalt tverrsnitt av fig. 3a, hvor magnetlinjene er inntegnet. Fig. 1 viser skjematisk en anordning, hvor et emne 10, for eksempel en sylindrisk pressbolt av et godt elektrisk ledende og umagnetisk materiale, roteres 4 i et magnetisk likefelt 3 som er orientert vinkelrett i forhold til emnets akse. I det roterende emnet 10 oppstår et elektrisk felt som er vinkelrett i forhold til bevegelsesretningen 4 og magnetfeltet 3. Det elektriske feltet induserer strømmer 12 i emnet 10 som da gir resistive tap som varmer opp emnet 10. Fig. 2 viser en anordning for induksjonsoppvarming av emnet 10 av elektrisk ledende og umagnetisk materiale, omfattende en innretning for dannelse av et magnetisk likefelt og en innretning 2 som tjener til å bevirke en relativ bevegelse 4 mellom emnet 10 og det magnetiske likefelt. Innretningen for dannelse av det magnetiske likefelt omfatter en vikling 52. Magnetfeltet dannes ved å føre en likestrøm 11 gjennom viklingen 52, og i kombinasjon med den roterende bevegelsen 4 av emnet 10 induseres strømmer 12 i emnet 10 som gir resistive tap som derved varmer opp emnet 10. Viklingen 52 kan ha vindinger som kan være av superledende materiale. Innretningen for bevegelse/rotasjon omfatter to aksler eller spindler 2 som griper inn mot endepartier på emnet 10.

På fig. 3a er det illustrert en annen utførelsesform ifølge oppfinnelsen, hvor innretningen som danner magnetfeltet omfatter permanentmagneter 51 og som i dette tilfelle omslutter emnet 10. Den ringformede permanentmagnetinnretning 51 omfatter flere poler, for eksempel fire, slik at magnetfeltet 31 som dannes, blir rettet ut og inn i emnet 10 flere ganger langs dets periferi, idet spindelinnretningen 2 likesom på fig. 2 tjener til å bevirke en relativ roterende bevegelse 4 mellom emnet 10 og det magnetiske likefelt 31. Likefeltets magnetlinjer 31 er vist på fig. 3b og 3c. Fig. 3c illustrerer imidlertid et tverrsnitt av en tredje utførelses-form ifølge oppfinnelsen, hvor innretningen for dannelse av det magnetiske likefelt roteres 41, og emnet 10 er stasjonært.

Fig. 3d viser en fjerde utførelsesform ifølge foreliggende oppfinnelse, hvor innretningen som danner magnetfeltet 31A omfatter et mer åpent arrangement av permanentmagneter 51A som ikke omslutter emnet 10. Det er foretrukket i dette tilfelle å rotere 4 emnet 10.

En femte utførelsesform ifølge oppfinnelsen som er vist på fig. 4a og 4b, omfatter en vikling 53 med ringformede seksjoner som omslutter emnet 10 og som er antiparallelt koplet, slik at det magnetiske likefelt 32 som dannes, varierer i aksiell retning, idet innretningen 2 for relativ bevegelse tjener til å bevirke en relativ lineær bevegelse 42 i samme aksielle retning mellom emnet 10 og det magnetiske likefelt 32. Emnet 10 varmes opp av de induserte strømmene 12A. Viklingen 53 kan med fordel ha vindinger av superledende materiale. Istedenfor en vikling 53 er det også mulig å benytte permanentmagneter i en lignende ringformet og seksjo-nert innretning for dannelse av det magnetiske likefelt 32.

Ifølge oppfinnelsen kan innretningen for dannelse av relativ bevegelse rotere eller bevege lineært langs emnets 10 akse 6, dvs. enten emnet 10 i forhold til det magnetiske likefelt eller innretningen for dannelse av det magnetiske likefelt i forhold til emnet 10 som er stasjonært. Det er mulig å relativt bevege både innretningen for dannelse av feltet og emnet i forhold til hverandre, men dette er komplisert og derfor ikke foretrukket.

I innretningen som danner magnetfeltet er det mulig å bruke både permanentmagneter og viklinger i kombinasjon.

Den beskrevne anordningen for induksjonsoppvarming kan ytterligere omfatte en innretning for dannelse av et magnetisk vekselfelt, slik at de foran omtalte magnetiske likefelt kombineres med det magnetiske vekselfelt for derved å ha en samlet eller felles virkning på emnet 10.

Claims

1. Anordning for induksjonsoppvarming av emner (10) av elektrisk ledende og umagnetisk materiale, karakterisert ved at den omfatter en innretning for dannelse av et magnetisk likefelt (3) og en innretning {2) for å bevirke en relativ bevegelse (4) mellom emnet (10) og det magnetiske likefelt (3), slik at det induseres strøm (12) i emnet (10) som derved blir oppvarmet, hvor en motor eller liknende, fortrinnsvis en elektrisk motor, driver innretningen for dannelse av den relative bevegelse (4), idet virkningsgraden for oppvarmingsprosessen bestemmes hovedsakelig av virkningsgraden på motoren.

2. Anordning ifølge krav 1, der innretningen for dannelse av det magnetiske likefelt (3,32) omfatter minst én vikling (52,53) innrettet til helt eller delvis å omslutte emnet (10) .

3. Anordning ifølge krav 2, der den minst ene vikling (52,53) har vindinger som omfatter superledende materiale.

4. Anordning ifølge krav 2 eller 3, der den minst ene vikling (52,53) har ringformede seksjoner som omslutter emnet (10) og er antiparallelt koplet, slik at det magnetiske likefelt (32) som dannes, varierer i aksiell retning, idet innretningen (2) for relativ bevegelse tjener til å bevirke en relativ lineær bevegelse (42) i samme aksielle retning mellom emnet (10) og det magnetiske likefelt (32).

5. Anordning ifølge krav 1, der innretningen for dannelse av det magnetiske likefelt (3,31) omfatter minst én permanentmagnet (51).

6. Anordning ifølge krav 5, der den minst ene permanentmagnet (51) inngår i en ringformet permanentmagnetinnretning som er innrettet til å omslutte emnet (10).

7. Anordning ifølge krav 6, der den ringformede permanentmagnetinnretning (51) omfatter flere poler, for eksempel fire, slik at magnetfeltet (31) som dannes, blir rettet ut og inn i emnet (10) flere ganger langs dets periferi, idet innretningen (2) for relativ bevegelse tjener til å bevirke en relativ roterende bevegelse (4) mellom emnet (10) og det magnetiske likefelt (31).

8. Anordning ifølge krav 6, der den ringformede permanentmagnetinnretning omfatter en rekke ringformede seksjoner, slik at det magnetiske likefelt som dannes, varierer i aksiell retning, idet innretningen (2) for relativ bevegelse tjener til å bevirke en relativ lineær (42) bevegelse i samme aksielle retning mellom emnet (10) og det magnetiske likefelt.

9. Anordning ifølge ett av kravene 1-8, der innretningen (2) for relativ bevegelse tjener til å bevege emnet (10) i forhold til det magnetiske likefelt (3,31,32).

10. Anordning ifølge ett av kravene 1-8, der innretningen for relativ bevegelse tjener til å bevege innretningen for dannelse av det magnetiske likefelt (3,31,32) i forhold til emnet (10).

11. Anordning ifølge ett av kravene 1 - 10, der innretningen for dannelse av det magnetiske likefelt (3,31,32) omfatter minst én permanentmagnet (51) og minst én vikling (52,53) som fortrinnsvis omfatter vindinger av superledende materiale.

12. Anordning ifølge ett av kravene 1-11, der den videre omfatter en innretning for dannelse av et magnetisk vekselfelt, slik at det magnetiske likefelt (3,31,32) kombineres med det magnetiske vekselfelt for derved å ha en felles virkning på emnet (10).

13. Fremgangsmåte for induksjonsoppvarming av emner (10) av elektrisk ledende og umagnetisk materiale, karakterisert ved at den omfatter følgende trinn: å danne et magnetisk likefelt (3,31,32), og å bevirke en relativ bevegelse (4,41,42) mellom emnet (10) og det magnetiske likefelt (3,31,32) ved hjelp av en motor eller liknende, fortrinnsvis en elektrisk motor, slik at det induseres strøm (12,12A) i emnet (10) som derved blir oppvarmet, idet virkningsgraden for oppvarmingsprosessen bestemmes hovedsakelig av virkningsgraden på motoren.