RU2214072C2

RU2214072C2 - Induction heating device affording desired temperature profile

Info

Publication number: RU2214072C2
Application number: RU2001119828A
Authority: RU
Inventors: С.К. Земан; П.Г. Бабенко
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Магнит"
Priority date: 2001-07-16
Filing date: 2001-07-16
Publication date: 2003-10-10

Abstract

FIELD: induction heating devices. SUBSTANCE: proposed device intended for ensuring desired temperature distribution over item being heated and for heat treatment of complex-configuration and asymmetric items such as rails and the like has inductor whose coil is divided into a few sections each pertaining to definite local heating area; each inductor section is connected to power supply through respective matching transformer of unique design with ferrite rings; each section is made in the form of secondary winding of respective matching transformer, turn number of primary winding of each respective inductor section being found depending on electromagnetic radiation power required to attain desired temperature in particular local area of item being heated. EFFECT: simplified design, reduced cost, ability of heating complex-shape items using single inductor and single power supply. 2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам индукционного нагрева, в частности к устройствам индукционного нагрева, обеспечивающим необходимое распределение температуры в нагреваемом изделии, и может быть использовано для термообработки изделий сложного профиля, несимметричных изделий, например железнодорожных рельсов и других. The invention relates to induction heating devices, in particular to induction heating devices that provide the necessary temperature distribution in the heated product, and can be used for heat treatment of products of complex profile, asymmetric products, such as railroad rails and others.

В области индукционного нагрева часто встречаются задачи, когда требуется различные зоны обрабатываемой поверхности нагревать до разных температур, например при закалке изделий, имеющих сложный профиль, и в других применениях. Это требует, соответственно, чтобы разные зоны индуктора выделяли разную мощность. Самый простой подход к решению такой задачи - соединение отдельных секций индуктора с отдельными источниками питания. Однако при этом создаются дополнительные трудности из-за магнитной связи секций индуктора, которая не дает возможности точного регулирования. Магнитная изоляция секций индуктора требует больших затрат и приводит к высоким энергетическим потерям. Другой подход к решению указанной проблемы заключается в изменении расстояния между индуктором и нагреваемой поверхностью, которое приводит к изменению мощности, выделяемой различными секциями индуктора за счет изменения магнитной связи индуктора и нагреваемой детали. Но этот подход требует сложного и точного оборудования для точной регулировки зазора, кроме того, опять же наличие магнитной связи между секциями индуктора не позволит точно регулировать выделяемую мощность. Существует и другой подход к решению указанной задачи, который заключается в использовании сложных схем управления питанием отдельных секций индуктора. Известен патент США 4506131, 19.03.85 "Устройство и способ подачи питания к индуктору для многозонного нагрева", в котором желаемый температурный профиль достигается шунтированием различных секций индуктора, соответствующих различным зонам нагрева, дополнительными трансформаторами с сердечниками, путем регулирования величины тока отводимой от данной зоны за счет регулирования степени насыщения сердечника дополнительного трансформатора, соответствующего выбранной секции индуктора, при этом меняется мощность, выделяемая в этой зоне, а соответственно, и температура нагрева этой зоны. Известны также патенты США 5059762 и 6078033, в которых также используются дополнительные трансформаторы для шунтирования тока, подаваемого к различным секциям индукторов, при этом для регулирования степени насыщения сердечника трансформатора, которая определяет величину шунтируемого тока, используются сложные схемы управления, включающие процессорные средства управления, что приводит к существенному усложнению и удорожанию устройств для нагрева. In the field of induction heating, there are often problems when it is required to heat different areas of the treated surface to different temperatures, for example, when quenching products having a complex profile, and in other applications. This requires, accordingly, that different zones of the inductor emit different power. The simplest approach to solving this problem is to connect separate sections of the inductor with separate power sources. However, this creates additional difficulties due to the magnetic coupling of the inductor sections, which does not allow precise regulation. Magnetic isolation of sections of the inductor is expensive and leads to high energy losses. Another approach to solving this problem is to change the distance between the inductor and the heated surface, which leads to a change in the power released by the different sections of the inductor due to a change in the magnetic coupling of the inductor and the heated part. But this approach requires sophisticated and accurate equipment for fine adjustment of the gap, in addition, again, the presence of magnetic coupling between the sections of the inductor will not allow you to accurately control the allocated power. There is another approach to solving this problem, which consists in the use of complex power management schemes for individual sections of the inductor. Known US patent 4506131, 19.03.85 "Device and method for supplying power to the inductor for multi-zone heating", in which the desired temperature profile is achieved by shunting various sections of the inductor corresponding to different heating zones, additional transformers with cores, by adjusting the amount of current diverted from this zone by regulating the degree of saturation of the core of the additional transformer corresponding to the selected section of the inductor, the power released in this zone changes, and accordingly Naturally, the heating temperature of this zone. Also known are US patents 5059762 and 6078033, which also use additional transformers for shunting the current supplied to various sections of the inductors, and to control the degree of saturation of the transformer core, which determines the magnitude of the shunted current, complex control circuits are used, including processor controls, leads to a significant complication and cost of heating devices.

В качестве прототипа изобретения выбрано устройство по патенту США 4506131, совпадающее по назначению и имеющее сходные признаки с предлагаемым изобретением: содержащее обмотку индуктора, разделенную на несколько секций, каждая из которых соответствует определенной локальной зоне нагрева, и высокочастотный источник питания, соединенный с обмоткой индуктора через согласующий трансформатор. As a prototype of the invention, the device according to US patent 4506131 was selected, which coincides in purpose and has similar features with the invention: containing an inductor winding divided into several sections, each of which corresponds to a specific local heating zone, and a high-frequency power source connected to the inductor winding through matching transformer.

Задача, решаемая изобретением, заключается в создании простого и дешевого устройства, с возможностью обеспечения заданного температурного распределения при нагреве детали сложной формы одним секционированным индуктором, используя один источник питания. The problem solved by the invention is to create a simple and cheap device, with the ability to provide a given temperature distribution when heating parts of complex shape with one sectioned inductor using a single power source.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для нагрева, обеспечивающем заданный температурный профиль, содержащем обмотку индуктора, разделенную на несколько секций, каждая из которых соответствует определенной локальной зоне нагрева, и высокочастотный источник питания, соединенный с обмоткой индуктора через согласующий трансформатор, каждая из секций индуктора соединена с источником питания через отдельный согласующий трансформатор и выполнена в виде вторичной обмотки соответствующего ей согласующего трансформатора, при этом замкнутые магнитопроводы сердечника трансформатора расположены на обратных витках индуктора, прямые и обратные витки каждой секции индуктора подключены к зажимам конденсаторной батареи, образуя с ней последовательный резонансный контур, а первичные обмотки согласующих трансформаторов соединены в последовательную цепь и подключены к выходным зажимам источника питания, при этом число витков первичной обмотки, соответствующей каждой секции индуктора, определено из величины мощности электромагнитного излучения, необходимой для достижения заданной температуры в данной локальной области нагреваемой детали. The problem is solved in that in a device for heating, providing a given temperature profile, containing an inductor winding, divided into several sections, each of which corresponds to a specific local heating zone, and a high-frequency power source connected to the inductor winding through a matching transformer, each of the sections the inductor is connected to the power source through a separate matching transformer and is made in the form of a secondary winding of the matching matching transformer, with The closed magnetic circuits of the transformer core are located on the reverse coils of the inductor, the direct and reverse coils of each section of the inductor are connected to the terminals of the capacitor bank, forming a serial resonant circuit with it, and the primary windings of the matching transformers are connected in series and connected to the output terminals of the power source, while the number of turns of the primary winding corresponding to each section of the inductor is determined from the magnitude of the electromagnetic radiation power necessary for reaching the set temperature in this local area of the heated part.

Кроме того, для возможности изменения коэффициента трансформации согласующих трансформаторов и для более точного регулирования температурного профиля путем комбинации секций первичных обмоток согласующие трансформаторы выполнены секционированными, для чего замкнутые магнитопроводы выполнены в виде нескольких ферритовых колец для каждой секции индуктора, а необходимое число витков первичной обмотки каждой зоны распределено по нескольким кольцам в виде отдельных секций, выполненных с отпайками. In addition, in order to change the transformation coefficient of the matching transformers and to more accurately control the temperature profile by combining the sections of the primary windings, the matching transformers are made sectional, for which closed magnetic cores are made in the form of several ferrite rings for each section of the inductor, and the required number of turns of the primary winding of each zone distributed over several rings in the form of separate sections made with soldering.

Таким образом, устройство решает следующие задачи: во-первых, создание необходимого заранее заданного температурного профиля, во-вторых, обеспечивает возможность регулирования внутри заданного температурного поля, соединяя отпайки различных секций первичной обмотки в каждой зоне индуктора, в-третьих, обеспечивает возможность на одном и том же индукторе изменять температурное поле за счет комбинации различных секций первичной и вторичной обмотки между собой. Кроме того, такое выполнение устройства решает задачу создания легкоразъемных индукторов, обеспечивающих нагрев поверхностей сложной формы с одновременным повышением КПД устройства. Thus, the device solves the following problems: firstly, the creation of the necessary predetermined temperature profile, secondly, it provides the ability to control inside a given temperature field, connecting the soldering of different sections of the primary winding in each zone of the inductor, and thirdly, it provides the possibility of one the same inductor to change the temperature field due to the combination of different sections of the primary and secondary windings between themselves. In addition, this embodiment of the device solves the problem of creating easily detachable inductors that provide heating of surfaces of complex shape while increasing the efficiency of the device.

Далее изобретение поясняется чертежами, на которых представлено: фиг.1 - электрическая схема устройства по данному изобретению; фиг.2а, 2b - схематически представлено выполнение устройства; фиг.3 - электрическая схема устройства с секционированными согласующими трансформаторами по п.2 формулы изобретения; фиг.4 - эквивалентная схема устройства, показанного на фиг.1. The invention is further illustrated by the drawings, in which: FIG. 1 is an electrical diagram of a device according to this invention; figa, 2b - schematically shows the implementation of the device; figure 3 is an electrical diagram of a device with partitioned matching transformers according to claim 2; figure 4 is an equivalent diagram of the device shown in figure 1.

Устройство для нагрева с получением заданного распределения температуры по зонам нагрева состоит из индуктора 1, разделенного на последовательные зоны 1a, 1b, 1с...1n; согласующих трансформаторов, состоящих из сердечников, выполненных в виде ферритовых колец 2а, 2b, 2с...2n, размещенных на обратных витках каждой секции индуктора, и первичных обмоток 3а, 3b, 3с...3n, соединенных в последовательную цепь и подсоединенных к источнику 4 высокой частоты. Секции индуктора 1a, 1b, 1c...1n являются вторичными обмотками соответствующих согласующих трансформаторов. Первичные обмотки 3а, 3b, 3с...3n размещены на кольцах сердечника, при этом число витков каждой первичной обмотки Wa, Wb, Wc...Wn определено из величины мощности, которую необходимо выделить в соответствующей зоне нагрева для получения заданной температуры. В данной конструкции секции магнитопровода 2а, 2b, 2с...2n выполняют также и функцию экранирования прямых и обратных витков секций индуктора, обеспечивая дополнительное повышение КПД. Прямые и обратные витки всех секций индуктора подключены к зажимам конденсаторной батареи, обозначенной на чертежах емкостью 5, образуя с ней последовательный резонансный контур в цепи каждой секции, за счет того, что прямые витки являются индуцирующими, а обратные - источниками ЭДС E_n, наводимыми в них первичными обмотками трансформаторов (Фиг.4).A device for heating to obtain a given temperature distribution over the heating zones consists of an inductor 1, divided into successive zones 1a, 1b, 1s ... 1n; matching transformers, consisting of cores made in the form of ferrite rings 2a, 2b, 2s ... 2n, placed on the reverse turns of each section of the inductor, and primary windings 3a, 3b, 3s ... 3n, connected in series and connected to high frequency source 4. The inductor sections 1a, 1b, 1c ... 1n are the secondary windings of the respective matching transformers. The primary windings 3a, 3b, 3c ... 3n are located on the core rings, while the number of turns of each primary winding Wa, Wb, Wc ... Wn is determined from the amount of power that must be allocated in the corresponding heating zone to obtain a given temperature. In this design, the sections of the magnetic circuit 2a, 2b, 2c ... 2n also perform the function of shielding the forward and reverse turns of the sections of the inductor, providing an additional increase in efficiency. The forward and reverse turns of all sections of the inductor are connected to the terminals of the capacitor bank indicated on the drawings with a capacity of 5, forming with it a sequential resonant circuit in the circuit of each section, due to the fact that the direct turns are inducing and the reverse turns are EMF sources E _n induced in them primary windings of transformers (Figure 4).

Секции индуктора могут легко организовываться в конфигурацию, огибающую нагреваемое изделие любой сложной формы. В качестве примера на Фиг.2а представлено выполнение устройства для нагрева железнодорожного рельса 6, где показаны обратные витки секций индуктора 1a, 1b, 1c, 1d, расположенные так, чтобы огибать поверхность нагреваемого рельса и создавать соответствующую каждой зоне нагрева температуру. На обратных витках расположены ферритовые кольца 2а, 2b, 2c, 2d, на которых размещены витки первичных обмоток трансформаторов 3а, 3b, 3с и 3d, число которых соответствует мощности, которую необходимо выделить в соответствующей зоне. The inductor sections can easily be arranged in a configuration that envelopes the heated product of any complex shape. 2a, an embodiment of a device for heating a rail rail 6 is shown, where reverse turns of inductor sections 1a, 1b, 1c, 1d are shown so as to bend around the surface of the heated rail and create a temperature corresponding to each heating zone. On the reverse turns there are ferrite rings 2a, 2b, 2c, 2d, on which the turns of the primary windings of the transformers 3a, 3b, 3c and 3d are located, the number of which corresponds to the power that needs to be allocated in the corresponding zone.

На фиг. 2b схематически представлена одна секция индуктора 1а с размещенным на ней кольцом 2а сердечника согласующего трансформатора и витками первичной обмотки 3а. In FIG. 2b schematically shows one section of the inductor 1a with the matching transformer core ring 2a and turns of the primary winding 3a placed on it.

На фиг.3 представлена схема устройства с секционированными согласующими трансформаторами. Здесь для каждой секции индуктора имеется несколько ферритовых колец, на секции 1а - кольца 2а¹-2а^K, на секции 1b - кольца 2b¹-2b^L и так далее, где К, L, М - индексы количества ферритовых колец для секций индуктора. Соответственно, первичные обмотки распределены по кольцам для каждой секции индуктора, т.е. первичная обмотка 3а состоит из числа витков Wa¹ на первом кольце, Wa² - на втором кольце, и так далее до Wa^K, первичная обмотка 3b состоит из числа витков Wb¹ на первом кольце, Wb² - на втором, и так далее до Wb^L. Соответственно, для секции 1n - первичная обмотка 3n состоит из Wn¹, Wn²...Wn^m витков на соответствующих кольцах сердечника. На каждой секции первичной обмотки выполнены отпайки 7, используя которые, можно изменять коэффициенты трансформации для каждого согласующего трансформатора определенной секции индуктора и, тем самым, менять температурное поле в пределах индуктора. Кроме того, такое многоэлементное исполнение трансформатора дает возможность последовательно-параллельного включения секций первичных обмоток согласующих трансформаторов, тем самым также изменяя их коэффициент трансформации.Figure 3 presents a diagram of a device with partitioned matching transformers. Here for each section of the inductor there are several ferrite rings, on section 1a - rings 2a ¹ -2a ^K , on section 1b - rings 2b ¹ -2b ^L and so on, where K, L, M are the indices of the number of ferrite rings for sections of the inductor. Accordingly, the primary windings are distributed in rings for each section of the inductor, i.e. the primary winding 3a consists of the number of turns Wa ¹ on the first ring, Wa ² on the second ring, and so on to Wa ^K , the primary winding 3b consists of the number of turns Wb ¹ on the first ring, Wb ² on the second, and so on to Wb ^L. Accordingly, for section 1n, the primary winding 3n consists of Wn ¹ , Wn ² ... Wn ^m turns on the corresponding core rings. On each section of the primary winding there are made solders 7, using which, you can change the transformation coefficients for each matching transformer of a certain section of the inductor and, thereby, change the temperature field within the inductor. In addition, such a multi-element design of the transformer makes it possible to series-parallel include sections of the primary windings of matching transformers, thereby also changing their transformation coefficient.

Устройство работает следующим образом: индуктор 1 располагают по поверхности нагреваемого рельса 6 с наперед заданным распределением температуры по зонам нагрева а, b, с...n. Затем первичные обмотки 3 согласующего трансформатора подключают к источнику 4 тока высокой частоты и пропускают по ним высокочастотный ток. Этот ток индуктирует токи высокой частоты в индуктирующем проводнике 1 цепи вторичной обмотки согласующего трансформатора. Протекая по виткам индуктирующего проводника 1, высокочастотный ток возбуждает вокруг него высокочастотное электромагнитное поле, которое и воздействует на зоны нагрева. При этом в зависимости от количества витков первичной обмотки 3, размещенных на кольцах сердечника 2а, 2b, 2с...2n плотность вихревых токов в витках индукторов 1a, 1b, 1c...1n различна, различна и напряженность высокочастотного электромагнитного поля, возбуждаемого в обратных витках секций индуктора, поэтому электромагнитное поле нагревает каждую из зон до температуры, определяемой количеством витков первичной обмотки 3, размещенных на кольцах сердечника 2, охватывающих обратные витки данной секции индуктора 1. Число витков W_a-W_n первичной обмотки согласующего трансформатора определяется заранее, исходя из известного требуемого распределения температуры по зонам нагрева а, b, с...n. Последовательный резонансный контур образуется в цепи каждой секции индуктора за счет того, что прямые витки секции являются индуцирующими, а обратные - источниками соответствующих ЭДС, наводимых в них первичными обмотками трансформаторов.The device operates as follows: the inductor 1 is placed on the surface of the heated rail 6 with a predetermined temperature distribution over the heating zones a, b, c ... n. Then, the primary windings 3 of the matching transformer are connected to a high-frequency current source 4 and a high-frequency current is passed through them. This current induces high frequency currents in the induction conductor 1 of the secondary winding circuit of the matching transformer. Flowing through the turns of the induction conductor 1, the high-frequency current excites a high-frequency electromagnetic field around it, which affects the heating zone. Moreover, depending on the number of turns of the primary winding 3 located on the rings of the core 2a, 2b, 2s ... 2n, the density of eddy currents in the turns of the inductors 1a, 1b, 1c ... 1n is different, and the intensity of the high-frequency electromagnetic field excited in inverse inductor coils sections, so the electromagnetic field heats each of the zones to a temperature determined by the number of turns of the primary winding 3 disposed on the rings of the core 2, the coils covering inverse of the section of the inductor 1. The number of turns W _a -W _n primary winding read out of the transformer is determined in advance based on the known desired temperature distribution in the heating zones and, b, c ... n. A serial resonant circuit is formed in the circuit of each section of the inductor due to the fact that the direct turns of the section are inducing, and the reverse ones are the sources of the corresponding EMF induced in them by the primary windings of the transformers.

Устройство на фиг.3 работает аналогично устройству, показанному на фиг. 1, но здесь имеется возможность в пределах известного температурного поля производить регулировки, необходимость которых может быть вызвана изменением каких-либо условий нагрева. А также, соединяя между собой отпайки секций первичной обмотки в различной комбинации, можно менять температурное поле. The device of FIG. 3 operates similarly to the device shown in FIG. 1, but here it is possible to make adjustments within a known temperature field, the need for which can be caused by a change in any heating conditions. And also, connecting the soldering sections of the primary winding in different combinations, the temperature field can be changed.

Устройство достаточно дешево и просто при изготовлении, просто в обслуживании и обладает повышенным коэффициентом полезного действия за счет сокращения длины подводящих проводников в результате использования в качестве индуктирующего проводника вторичной обмотки согласующего трансформатора, а его сердечника в качестве экрана, развязывающего прямые и обратные витки обмотки индуктора. Кроме того, такая конструкция позволяет создать разъемный индуктор, охватывающий поверхность детали любой сложности. The device is quite cheap and easy to manufacture, easy to maintain, and has an increased efficiency due to the reduction in the length of the lead wires as a result of the use of a matching transformer as an induction conductor and its core as a screen decoupling the forward and reverse turns of the inductor winding. In addition, this design allows you to create a detachable inductor, covering the surface of the part of any complexity.

Claims

1. An induction heating device that provides a predetermined temperature profile on the surface of the heated part, containing an inductor divided into several sections, each of which corresponds to a specific local heating zone, and a high-frequency power source connected to the inductor through a matching transformer, characterized in that each of sections of the inductor is connected to the power source through a separate matching transformer and is made in the form of a secondary winding of the matching matching transformer of the transformer core, the closed magnetic circuits of the core of the transformer are located on the reverse coils of the inductor, the direct and reverse coils of each sections of the inductor are connected to the terminals of the capacitor bank, forming a series resonant circuit with it, and the primary windings of the matching transformers are connected in series and connected to the output terminals of the power source , the number of turns of the primary winding corresponding to each section of the inductor is determined from the magnitude of the power of electromagnetic radiation, to achieve a given temperature in a given local region of the heated part.

2. The device according to claim 1, in which the matching transformers are partitioned, for which the closed magnetic circuits are made in the form of several ferrite rings for each section of the inductor, and the required number of turns of the primary winding of this zone is distributed over several rings in the form of separate sections equipped with solders.