TW200922382A - Method of induction heating - Google Patents

Description

200922382 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於-種藉由-導電材料之i料與藉由在一 鐵心上的至少-直流電鑛送式超導繞組產生之一磁場之間 的相對移動（特定言之係藉由引起此等兩者之間的一旋轉） 來對該达料進行感應加熱之方法。 【先前技術】 DE U) 2005 061 670.4顯示此類型之一方法。為實行該 方法，例如，可使夾固於一受驅動而旋轉的夾固裝置中之 一圓柱形坯料在藉由一恆定電流透過該超導繞組產生之一 磁場中以一恆定的旋轉數目關於其圓柱軸旋轉。從而在該 坯料中產生一實質上恆定的電流。但是，實務上，作為一 規則’該堪料並非最佳的圓柱形，及/或並非精確地夹 固，以致其並非關於其圓柱軸而旋轉。因此，透過該达料 的磁通量之數量改變，從而在該堪料中相應地感應非值定 數量之一感應電流。該感應電流Iind⑴以旋轉頻率f交變， 即。由於在該堪料中之時間上非值定的感 應電流，因此產纟一相應時間上變化之磁場，其渗透該超 導繞組並在其中感應-電廢。此效應係稱為一往回歧向 感應，而對應的電歷係稱為—往回或反向感應電塵。由於 此時間上變化的反向感應電麼，因此並無時間上怪定但有 -時間上變化的電流流經該超導繞組，從而引起不需要的 損失，即在該超導繞組中所謂的往回或反向感應損失。 同樣，在料圓柱棒形料（例如，具有—矩形或擴圓 133040.doc -6 - 200922382 形斷面）之加熱期間，該坯料之旋轉產生一不斷交變的感 應電流’該感應電流引起一相應交變的反向感應電廢並隨 之引起對應的反向感應損失。 時間上變化的反向感應電壓及由此導致的反向感應損失 發生而與該等坯料之形狀無關，特定言之係發生於在分別 將該坯料設定成旋轉或停止時該感應加熱之開始與結束 時。基本上’該等反向感應損失發生於旋轉速度之每一變 化時。 必須藉由一相應強大的電流源來補償此等反向感應損 失，而增加該超導繞組所需要之冷卻功率。 US 3,842,243建議在一交變磁場中加熱一導電坯料。為 透過㈣料來傳導該磁通量，將—交流電饋送式導體固定 於U形軏中。||由在該歡—區段上固定之—直流電饋送 式的額外線圈’可將該區段驅動至磁性飽和。因此，該交 流電％之磁通量不再传穿令^車道 心里个丹你疋王傳導至該坯料，而此坯料在一 對應區域中受到不太強的局部加熱。 【發明内容】 έ ^明係基於在實行最初所提財法時減小在該超導繞 ，、且中的反向感應損失之目的。 藉由方法，此目的係藉由—主 在隨附請求項2至7中提出該方之方法來貫現。 要士、甘〆 去之有利具體實施例。裝 …至。:用行該方法者’形成請求項8之標的。請 求項至15中提出該等裝置之進-步開發。 在所有方法中，使至少1料相對於—磁場移動。因 133040.doc 200922382 此，無法決定該磁場係圍繞該坯料旋轉或反之亦然。依據 请求項1之方法，產生一直流電並將其保持於一值，該直 流電在該鐵心中至少在該繞組之區域中產生一磁通量密 度’該磁通量密度使該鐵心之材料之相對導磁率比在該繞 組之-零電流狀態中更小。由於減小該相對導磁率，因此 減低該反向感應，而隨之減低在該超導繞組中的損失。同 時，保持在傳導該繞組的磁場時該鐵心之效應。因此，減 小該反向感應。 若使兩個或兩個以上坯料在藉由該超導繞組產生之一磁 場中同時旋轉，則依據該問題之一替代性或可選的解決方 式，可將該等迷料彼此相對之位置調節成使得藉由該等柱 料的交變感應電流產生之反向感應電壓減性疊置。若在一 簡=的表示中’將在—㈣的區域中之磁場假定為同質， 則牙過。亥这料的磁通量與該堪料向一垂直於磁場線的平面 上之技影的面積大致成比例。在該磁場中對一非圓柱妒 :料之加熱期間，該投影之面積將隨角度之每一改變而改/ 欠此解决方式之癥結在於調節兩個或兩個以上坯料之彼 此相=之位置’以使得所有驻料在其於磁場中移動期間之 下穿過’望積不改變或改變仔儘可能小。因此’在此情況 "穿過“坯料的相加磁通量亦不改變或僅有最小改變， 從而引起4繞組中之-最小化的反向感應電壓。亦可以 欲分配給個別坯料之反向感應電壓(即，因該等坯料的磁 通量之個別改變而引起之反向感應電壓)係減性叠置:的磁 對此命I如，可使具有一方形斷面之兩個相同的立方體 I33040.doc 200922382 形狀坯料可各自以以相同的角速度關於其縱軸旋轉，且可 使”對齊成具有肖藉由該電流載送繞組產&的磁場之磁場 線至少大致正交之此縱抽，而該等述料彼此相對之位置經 調節而使得該等兩個㈣係關於其平行的縱轴而彼此相對 疋轉移位45 ’因為在此情況下透過該等坯料之一者的磁 =量將增加與其透過另一坯料而減小的數量相同之數量。 田透過該-¾料之通量已達到其最大值時，其隨後將減 而透過另一驻料之通量將增加相同數量。在-理想情 況下’透過該等坯料之相加磁通量係恆定。接著，欲分配 給個別^料之反向感應電屋藉由減性疊置而至少部分地彼 此取消。例如，當對具有非全等斷面面積之兩個立方體形 狀的述料同時進行加熱時獲得相同的效果（即便並不明 顯）。此尤其適用於且古__ 坯料。 、八有月^矩形斷面之立方體形狀的 依據另一替代或可選解決 ,, ^ s ^ 、方式，在錯由一直流電饋送式 J ±之-磁場中藉由使兩個或兩個以上坯料 來對該等述料同時& # # 轉 此相針… 期間，可調節該等这料彼 =對之移動而使得藉由時間上變化_應電 向感應電壓減性疊置P主* τ5 王 < 汉 本少降★ 且置（β月求項2)。正如在前兩段中說明之 法之情況中，藉由此解決 I万 場中旋棘以…需要使該等述料在-磁 一丄 面積之和至少係實質上恆定。此外， 精由調節等坯料彼此 得透奶W ^之移冑’可以替代或視需要地使 于透過㈣述料之磁通量之時間變 由該等個別坯料相對於則化此係藉 、磁％之變化的旋轉速度而引起。 133040.doc 200922382 例如，兩個較佳相同（例如）闕於其個別縱轴旋轉 形坯料可以係在相及方a 圓往 值之角速度（請求項3)。因此，欲在該加熱之開始與=同 (即’在該旋轉移動之開始或停止期間)分配給該等個別： 料之反向感應效應具有不同的極性符號，因此在—理 :下，在開始期間或在停止期間，由於欲向該等個別Li 刀配之反向感應電遷传減降属 货减性豐置而發生在該繞組中的有讨 反向感應電壓之一消滅。 自然’亦可在互不相同㈣料之同時加熱期間實行該方 法。假若該等㈣之斷面具有對稱性，則可針對—目的而 使用此等链料。例如，可將上述範例之圓柱形㈣之一第 -坯料替換為具有—方形斷面之一棒形坯料，而可將該第 二圓柱料料替換為具有—規則的人面體斷面之—棒形柱 料。該第一述料現在係以具有-其為該第二堪料的角速度 值之兩倍的值之-角速度並在與後者相反的方向上旋轉。 無論其形狀如何’該等&料較佳的係應在該旋轉開始之前 彼此相T對齊，而使得在該旋轉移動開始時透過_料 之磁通量首先增加或首先減小。較佳的係、，在該旋轉移動 開：時’兩個坯料在垂直於該磁通量之一平面上的投影面 積皆係最大或皆係最小。若兩個坯料係在相同方向上旋轉 (該等角速度彼此之比率值不變），則該等述料應在該開始 之前對齊而使得隨著該旋轉移動之開始透過該等坯料之一 者的磁通量首先減小，而透過另—者的磁通量首先增加。 在此情況下，在該旋轉移動之開始時，一坯料之投影面積 133040.doc • 10. 200922382 較佳的係最大，而另一坯料之投影面積係最小。在兩個情 況下，透過該等兩個坯料之磁通量相反地改變，而使得欲 分配給個別链料之反向感應電壓具有不同的極性符號且係 減性疊置。 作為- s導繞，组，例’可使用一條形高溫超導體 (HTSC)。名稱為HTSC者係（例如）銅酸鹽超導體，即稀土 氧化銅’例如YBa2Cu3〇7 x。

可藉由連接至该繞組之一經調節的電流源將該直流電之 值保持為實質上Μ。由於該低反向感應，此^電流源 可具有-較短的調節範圍，而因此可能比在實行依據先前 技術之方法時更具有成本優點。 該裝置（特定言之係用於實行上述方法之一方法者）具 有：在-鐵心上之-超導繞組，一直流電源，其係用於: ㈣組中產生一直流電；至少一夾固裝置，其係用於一導 電材料之―㈣；以及—旋轉驅動器，其係用於在該繞电 與该夹固裝置之間產生—相對移動。在一具體實施例中， «由該直流電源在該繞組中產生的直流電之值設定成使 付至，在該繞組的區域中該鐵心、之相對導磁率與該繞組之 零狀態相比而減小（請求項8)。 ,若該裝置具有受驅動以旋轉之至少另—夾固裝置 視需要或替代地在相反方向 及万向上而較佳的係以約相同值的自 速度來驅動該夹固裝置(請求項9)。例如該等夾固 具備經適當調節之驅動馬達。替代的係，亦可藉由一 動至ν兩個夹固裝置。具有用於在相反旋轉方向 133040.doc 200922382 上但以相同值的角速度動力分導之設施之—齒輪可將該馬 達動力傳送至該等夾固裝置。 替代或額外的係，該裝置可具有用於決定因在該等坯料 之每—者巾隨時間變化的感應電流引起#反向感應電壓之 構件。藉由評估先前決定的反向感應電壓之一控制構件， 將為等夾固裝置之旋轉驅動器控制成使得藉由該等迷料之 每一坯料產生之反向感應電壓係減性疊置（請求項丨〇)。例

如，可藉由該控制構件來調節該等坯料彼此相對之位置及 /或該等坯料彼此相對之相對移動。 在最簡單的情況下’所採用的鐵心可以係—棒。在該棒 之兩端可使-链料移動’而敎言之係相對於從該棒發出 的磁場而旋轉。經由自由空間來實現該磁通量之返回。 作為對此之一改良，所使用的鐵心可以係一至少大致為 形狀的輛 至；大致為c形狀的輛在該輛的兩個極靴 之間具有-空軋間$ ’該軛在其他情況下具有一閉合的環 形斷面’在該空氣間隙中可使該坯料旋轉。此類型之一鐵 心使得可以透過一欲+ # AA k b、i ▲ 予乂加熱的迷料來進行磁通量之較佳 傳導。此外，與—棒之情況不同的係，返回的_量透過 該鐵心而發生。 依據-較佳具體實施例，該鐵心係在中間翼與每一端翼 之間分別具有用於容納-堪料之-空氣間隙的-大致為E 形之輕。該繞組較佳的係佈置於該中間翼上。此類型之一 空氣間隙使得可以藉由僅—繞組來—次加熱兩個链料且還 可以透過該鐵心來僂道说门, 得¥返回的磁通量。對此，使一個別坯 133040.doc -12- 200922382 而移動，較佳 料相對於在該等空氣間隙的每一者中之磁場 的係在該空氣間隙内。 較佳的係，該鐵心至少部分係由層壓的金屬薄片組成。 此減少在該鐵心中可能的渦流。因此，減小加熱該鐵心之 渦流功率損失，而為冷卻該鐵心“採取的措施更少。同 時’減小從該鐵^至該超導繞組之—可能的熱量傳輸。 尤佳的係，將該等金屬薄片佈置在其中與感應於該㈣

:的電流之主要部分在其中流動的平面係至少部分大致正 父之層中。此使得可以較佳地傳導該磁場，而渦流損失較 低。 較佳的係，在該繞組的區域中之斷面係選擇為小於該繞 組之外側。從而進一步減小反向感應。 【實施方式】 圖1中的感應加熱器係用於藉由在一藉由一磁體系統5〇 產生的磁場中旋轉-链料10來加熱該链料1〇。對此，將該 述料10分別夾固於-夾固裝置之—右手側與—左手側壓力 元件2a與2b之間’並藉由一馬達【來將其驅動以旋轉。一 齒輪3將馬❹連接至該夾固震置23之軸，該夾固裝置& 之軸經調適成沿雙向箭頭之方向而滑動。 士圖2a及2b中以極簡化的方式顯示，該磁體系統％可包 3在-棒形鐵心55·2上之一直流電饋送式超導繞組⑼。位 於該繞組60與該鐵心55.2之間者係一絕緣元件61，例如一 已抽氣的中空空間，其減少進入該繞組60之熱量（僅圖 )»亥棒形鐵心55.2傳導藉由該i流電饋送式繞組6〇產生 I33040.doc 200922382 之磁場（未顯示），該磁場從該鐵心55 2之兩個端面56 2、 57.2如同從一透鏡一般發出並經由一空氣間隙進入位於其 中之坯料1 〇。若在該磁場中移動（例如旋轉）該等坯料1 〇， 則相對於該坯料10之磁通量改變而在該坯料10中感應一感 應電流。在該等坯料1 〇中感應之電流進而產生另一磁場， 該另一磁場係疊置於藉由該繞組產生之磁場上且在該繞組 60中反向感應一電壓。為使該超導繞組6〇以最佳效率操 作，〃il經忒繞組60的電流之時間變化較佳的係零，即k⑴ =0。但是，由於常規上該反向感應電壓就時間而言並不恆 定，因此適用Iwt(t)#〇。可藉由以在即將獲得飽和區域之前 一直降低相對導磁率之一直流電來饋送該繞組60，從而減 小該反向感應。當藉由該感應電流產生之磁場在此情況下 係加性疊置於藉由該繞組60產生之磁場上時，因該鐵心 55.2之較低的相對導磁率，額外電場強度並非藉由該鐵心 55.2而傳導至該繞組60或僅係較差地傳導至該繞組6〇，而 以貫質上非傳導的方式向外擴展。穿過該繞組6〇的磁通量 之變化及隨之該反向感應電壓之變化相應較小。 在另一具體實施例中，該磁體系統5〇可實質上由具有一 車乂佳的HTSC繞組60之一 C形鐵心55.3組成（圖3a及3b)。 藉由一經調節的直流電源80來饋送該繞組6〇。該鐵心傳 導由此產生之磁場，藉由黑色箭頭來象徵該磁場（僅圖 3b)與依據圖2之具體實施例不同的係，該返回磁通量不 穿過自由空間，但穿過該等翼57.3(圖3b)。欲加熱之至少 一链料10係位於該鐵心55的兩翼56.3、57_3之間。與圖式 133040.doc ]4 200922382 不同的係，常規上欲加熱之坯料10並非精確的圓柱形，而 且在大多數情況下亦並非精確地繞其圓柱軸而旋轉。因 此，藉由該磁通量滲透的該坯料10之表面改變，而隨之該 反向感應及由此還有透過該超導繞組之電流改變。如先前 所述，藉由對藉以饋送該繞組6〇之直流電之值的適當選擇 來減小該反向感應。與該等翼56.3、57 3之對應：積相 t，、在該繞組60之區域中減小與該等黑色箭頭所象徵的磁 場成直角之該鐵心55.3之斷面面積。肖自由翼的厚度_ 比，可明顯看出在該繞組的區域中該鐵心之減小的厚度 dw，從而，再次減小在該繞組的區域中該鐵心之相對導磁 率。或者，該鐵心55.4亦可以係E形狀，如圖乜及扑所 不在其中引入一坯料1 〇之一貯器係分別位於該等自由翼 71與72或72與73之間。纟有一HTSC繞組6 定於自由的中間翼72上，該霞繞靖藉由= 不之一經調節的直流電源8〇來饋送。該鐵心55 4實質上係 與其中在該等链料10中感應的電流在其中流動的平面正交 而堆疊之層壓薄片58組成。 圖5顯示# &料係在-鐵心、上之-具有3 G G G ϋ的繞組 之一磁場中旋轉（該坯料相對於該繞組之旋轉頻率均勻地 在Is内改變8 Ηζ)時與基於12〇 kw加熱功率的繞組電流^ 成函數關係之計算出的反向感應電壓(以伏特計對 於小電流（例如1^5〇 A)，該反向感應電壓具有其約22〇 V 之最大值。隨著增加的電流Ui，該反向感應之值首先劇 減。該電流Iwi增加（例如）約15 A至Ui = 65 A，則該反向感 133〇40.d〇c 15 200922382 應電壓Uind之值減小約loo v。 在馬於80 A時，該電流之另—増加引起該反向感應電壓 uind之僅-相對較小的減小。例如，該電u⑽八至 約100 A之一增加引起該反向感應電壓減小僅約2〇v。 針對該感應加熱器之最佳操作範圍係介於約6〇 180,000安倍&)與約80Α(β40,〇〇〇安倍阻）之間，尤其係約

為70 Α(〜210,〇〇〇安倍匝），因為在此情況下該鐵心之相對 導磁率具有仍允許一僅較小反向感應但同時仍足以使該鐵 心將藉由該超導繞組產生的磁場傳導至該坯料之一值。 【圖式簡單說明】 上文借助圖式來進一步解說本發明。藉由以下圖式來以 一示意性簡化的形式並藉由範例來顯示 圖1係一感應加熱器之一圖式； 圖2a係具有一棒形鐵心之一感應加熱器之一磁體系統； 圖2b係圖2a之磁體系統之一側視圖； 圖3 a係具有作為一鐵心之一 c形輛的一磁體系統； 圖3b係圖3a之磁體系統之一正視圖； 圖4a係具有作為一鐵心之一 e形輛的一磁體系統； 圖4b係圖4a之磁體系統之一正視圖；以及 圖5係與該繞組電流成函數關係的反向感應電壓之一範 例0 【主要元件符號說明】 馬達 右手側壓力元件 133040.doc -16- 200922382 2b 左手側壓力元件 3 齒輪 10 述料 50 磁體系統 55 鐵心 55.2 棒形鐵心 55.3 C形鐵心 55.4 鐵心 56.2 ' 57.2 鐵心55.2之兩個端面 56.3 ' 57.3 翼 60 直流電饋送式超導繞 61 絕緣元件 71、72 自由翼 72、73 自由翼 80 直流電源

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Claims (1)

1. 200922382 十、申請專利範圍： !•-種用於藉由使-導電材料之—㈣⑽相對於藉 一鐵心（55.2、S5.3、55.4)上之至少一直流電饋送式超導 繞組⑽產生之-磁場”轉來㈣&料⑽進行感應 加熱之方法，其特徵在於，藉由具有一值之一直流電來 饋送該繞組（60)，該直流電在該鐵心（55·2、55 3、μ句 中至少在該繞組(60)之區域中產生一磁通量密度，該磁

   通量密度使該鐵心（55·2、55.3、55.4)的該材料之相對導 磁率比在該繞組（60)之一零電流狀態中更小。 2.如請求項！之方法，其中藉由使至少兩料電述料⑽相 對於藉由在-鐵心（55.4)上的至少—直流電饋送式超導 繞組（60)產生之該磁場而旋轉來加熱該等導電坯料 ⑽’而在每一述料⑽中激發一時間上變化的感應電 流以在該繞組（60)中引起一個別的反向感應電壓，其特 徵在於，該等糾⑽彼此㈣之該移動經調節成使得 反向感應電流係減性疊置。 3.如請求項2之方法，其特徵在於，該等坯料（1〇)係在各自 相反的方向上旋轉。 4·如°月求項2之方法，其特徵在於，該等堪料（10)彼此相對 之°亥位置經調節成使得該等反向感應電壓係減性疊置。 5.如叫求項2、請求項3或請求項4之方法，其特徵在於， °亥等坧料（1 0)係以至少約為相同值的角速度旋轉。 装項1至4中任一項之方法，其特徵在於，穿過該繞 ’且（60)的垓直流電之該值經調節成具有一實質上恆定的 133040.doc 200922382 值。 如請求項1至4中任一項之方法，其特徵在於，在該繞組 (60)之該區域中的該鐵心（μ 2、55 3、55.4)之該斷面係 選擇成小於在該繞組（60)之外側之斷面。 8. —種用於對一導電材料之至少一坯料（1〇)進行感應加熱 之裝置，其包含：至少一超導繞組（6〇)，其係在一鐵心 (55.2、55.3、55.4)上；一直流電源（80)，其用於在該繞 組（60)中產生—直流電；及至少一用於該坯料（1 〇)的夾 固裝置，其受驅動為可繞該繞組（6〇)而旋轉，其特徵在 於，藉由該直流電源（80)在該繞組（6〇)中產生之該直流 電之值係設定成使得該鐵心（55_2、55 3、55.4)之該相對 導磁率係至少在該繞組（60)之該區域中與在該繞組（6〇) 之該零電流狀態中的該相對導磁率相比而減小。 9_如請求項8之裝置，其用於對一導電材料之至少兩個坯 料（10)進行感應加熱，而至少兩個夾固I置受驅動以繞

   該繞組（60)而旋轉，在該等失固裝置之每一者中可夹固 該等㈣⑽之—者，其特徵在於，料個別夹固襄置 係在相反方向上受驅動。 •如請求項8之裝置，纟用於對_導電材料之至少兩個链 料（10)進行感應加熱，而至少兩個夾固裝置受驅動以繞 該繞組（60)而旋轉，在該等夾固裝置之每 該等坯料（1〇)之一者，其特徵在 古 〜一， 茨褒置具有用於決 2精日夺間上改變的感應電流而在該等坯料⑽的每一 者中引起的該反向感應電壓之構件，而且㈣置具㈣ 133040.doc 200922382 該等失固裝置之㈣㈣㈣控㈣使得在任何時間引 起之該反向感應電壓係減性疊置之一控制構件。 化如請求項9或H)之裝置，其特徵在於，該等夾固裝置係 以具有至少大致相等的值之角速度來驅動。 ’、 △如請求項8之裝置’其特徵在於，該鐵心阳）係一大致 為C形狀的輛。 13.如請求項9或10之裝置’其特徵在於，該鐵心（55 4)係具 有用於將—個卿料容納於該中間翼與每—端翼之間的 一空氟間隙之一大致為E形狀的輕。 Μ•如請求項8至H)之任—項之裝置，其特徵在於，該鐵心 (55.4)至少部分係由若干層壓的金屬薄片⑽組成。 15·如請求項8至10之任一項之裝置，其特徵在於，該鐵心 (5 5.3)在該繞組（60)之該區域中具有與該繞組㈣）的外側 相比之一較小的斷面。 133040.doc