CN214675756U - 一种大功率感应加热头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大功率感应加热头，该感应加热头采用电容与感应圈接合形成并联谐振结构，利用该并联谐振结构的谐振性质，在感应圈上获得具有一定频率、一定幅值的交变电流，进而实现对外部金属材料的感应加热。体积小、质量轻、易于更换维修、方便移动的感应加热头，应用在需求远距离、可移动式加热的加工场景中时，能够取得良好的热加工效果。

Description

一种大功率感应加热头

技术领域

本实用新型属于感应加热技术领域，特别涉及一种感应加热头。

背景技术

感应加热技术基于法拉第电磁感应定律，因其可控性好、自动化程度高、加热效率高、环境友好等特点，近年来被越来越多地应用在透热、熔炼、淬火等金属材料热加工过程中。

现有的感应加热设备通常包括有电源和感应圈，电源接入外部三相网压后，将外部三相网压提供的工频交流电转换成为具有一定幅值与一定频率的交变电流，送入感应圈后，由感应圈将电能转换成为磁能，产生交变磁场，该交变磁场耦合到外部的金属材料上，在金属材料上产生涡流，进而对外部的金属材料指定加热。

在某些特定的金属材料的热加工过程，例如针对船舶、舰艇、航空航天设备等大型金属结构的表面所做的热除漆、热校平、熔焊等，由于大型金属结构自身体积较大，且加工部位分布错落，应用在该加工过程中的感应加热设备通常要求可远距离、可移动式加工。

为满足上述的热加工需求，现有的感应加热设备通常在电源与感应圈之间增设变压器传输组件：变压器传输组件包括有升压变压器、传输电缆和降压变压器，其中，升压变压器与电源连接成为电源转换器，二者一同设置在靠近外部三相网压接口的近端；而降压变压器与感应圈连接成为感应加热头，二者一同设置在远离外部三相网压接口的远端，传输电缆设置在电源转换器与感应加热头之间，用于连接二者。

使用上述的感应加热设备对船舶、舰艇、航空航天设备等大型金属结构的表面做热除漆、热校平、熔焊等加工时，工作人员将电源转换器置于外部三相网压接口附近，手持感应加热头或将其安装在加工小车或操作机械手上，拉动传输电缆，调整感应加热头的位置，对目标位置进行进行预定加工。

例如在专利申请号为“201711251063.4”的专利申请文件中一种感应加热校平机移动加热器，包括一移动小车、设置于移动小车内的同轴变压器以及通过紧固件进行螺栓连接到移动小车的同轴变压器上的电磁换能器；又如专利申请号为“201220400720.3”的专利申请文件中公开了一种熔接塑料管及金属塑料管的电磁感应加热器，它包括电磁加热控制器、励磁线圈和中高频变压器，中高频电输出端与中高频变压器的输入端电连接，中高频变压器的输出端与所述励磁线圈电连接；其中，励磁线圈呈圆柱空心状，由高频铜线绕制而成，高频铜线是由多股细铜线绞合而成。

上述专利中公开的技术方案，其实质均为采用降压变压器与感应圈接合形成感应加热头的结构，以此实现远距离、可移动式加热的效果。这样的结构应用在实际热加工过程中，一方面由于降压变压器自身自重较大，将导致感应加热头行动笨拙，移动困难；另一方面由于降压变压器能量密度较大，降压变压器极易损坏，且其自身将严重发热，需针对降压变压器增设大规模的水冷措施；再者，变压器内部结构十分复杂，设置降压变压器必然带来保养困难、不便维修等问题。不难看出，采用降压变压器与感应圈接合形成感应加热头的结构，很难在需求远距离、可移动式加热效果的应用场景中取得良好的加热效果。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种采用电容与感应圈接合形成并联谐振结构，利用该并联谐振结构的谐振性质，在感应圈上获得具有一定频率、一定幅值的交变电流，进而实现对外部金属材料的感应加热。

本实用新型的另一个目的在于提供一种提供体积小、质量轻、易于更换维修、方便移动的感应加热头，应用在需求远距离、可移动式加热的加工场景中时，能够取得良好的热加工效果。

本实用新型的另一个目的在于提供一种大功率感应加热头，应用到大功率或超大功率的场景中时，感应加热头将保持自身的电气结构、机械结构稳定可靠，能取得良好的、稳定的加热效果。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种大功率感应加热头，该感应加热头包括有感应圈、集流排组件和若干个电容组件；

集流排组件包括有第一集流排和第二集流排，电容组件设置至少两个，且每个电容组件中均包括有电容；

为方便操作，迎合使用者的操作习惯，若干个电容均置于感应圈的后侧，与感应圈并排布置，第一集流排从后至前依次连接外部交变电源的其中一端、各个电容的其中一个极板，以及，感应圈的其中一端；而对应地，第二集流排从后至前依次连接外部交变电源的另一端、各个电容的另一极板，以及感应圈的另一端。

本实用新型提供的技术方案应用到实际中时，集流排组件采用铜制得，第一集流排与第二集流排将作为集合电流的连接线，将电容组件与感应圈接合起来，由于相比起感应圈与各个电容组件之间的距离，集流排组件与电容组件的距离更短，同时集流排组件上的寄生电感也将更小，因此交变电流将优先沿集流排组件流动，这样的设置可避免处于后方的电容上的电流流过处于前方的电容，防止电流不断叠加，避免电流在处于前方的电容上累积并对其感应加热。

按本实用新型提供的技术方案，第一集流排与第二集流排可将若干个电容并联起来，形成总电容后，再与感应圈并联形成并联谐振结构，对该并联谐结构接入外部交变电源，以该并联谐振结构为基础作为构建感应加热头。

对上述并联谐振结构接入外部交变电源。该并联谐振结构具备固有谐振频率f₀，且该固有谐振频率f₀的大小由总电容的容抗大小与感应圈的感抗大小决定。当外部交变电源的频率f与固有谐振频率f₀大小相等，即该感应加热头于外部交变电源之间取得f₀＝f时，并联谐振结构达到其谐振状态。

上述并联谐振结构还具有品质因数Q，品质因数Q的大小同样受总电容的容抗大小和感应圈的感抗大小影响，如外部电源具备源电流I_s，则当并联谐振结构达到其谐振状态时，感应圈上将出现约Q倍于源电流I_s的感应圈电流I_L。

由此可知，设计合理的总电容容抗大小和感应圈的感抗大小，可取得合理的品质因数Q，在上述并联谐振结构达到其谐振状态时，在感应圈上获得对应大小的感应圈电流I_L，进而在外部工件上获得需求的加热效果。

采用电容与感应圈接合形成并联谐振结构，并以此构建感应加热头的方案，相较于现有技术中采用变压器与感应圈接合的方案，一方面可最大程度上减小加热头体积、减轻其自重，方便将其应用在需求远距离、可移动式加热的加工场景中；另一方面，通过并联谐振得到的大幅电流、大幅电压将带来更优质、更高效的感应加热效果；再者，采用电容与感应圈接合形成并联谐振结构形式的感应加热头，其本质上虽未降低感应加热头内部的能量密度，但由于电容本身具有损耗角，本领域技术人员仅需选用具有较小损耗角的电容，即可极大地降低能量损耗，降低加热头自身发热，进一步提升了该感应加热头的实用性能。

降低加热头内部的能量密度，简化加热头内部结构，减轻其自身发热，保证该感应加热头长时间工作状态下仍保持稳定可靠。

设计合理的总电容容抗大小和感应圈感抗大小，取得品质因数Q>>1时，即可在感应圈上获得较大的感应圈电流I_L，满足大功率感应加热的电流要求。

如取品质因数Q>>1，则当上述并联谐振结构取得谐振时，总电容上同样出现约Q倍于源电流I_s的总电容电流I_C。考虑到每个单体电容额定电流、额定电压与额定功率的局限，在本实用新型提供的技术方案中，将并联若干个分离的电容组件，即利用第一集流排和第二集流排将若干个分立的电容并联形成总电容。这样一来，当上述并联谐振结构取得谐振时，若干个单体电容将均匀分摊总电容电流I_C，这在保证每个单体电容不过流的同时，也能顺利在线路上获得足够大的总电容电流I_C，支持并联谐振结构在高压、高频、大功率的感应加热状态下平稳工作。

采用并联谐振结构构建而成的感应加热头在工作时，感应圈作为磁能转换器，可将其上获得的交变电流转换成为对应的交变磁场，该交变磁场可通过空气耦合到附近的金属材料上，对处于该交变磁场中的各个金属材料无差别加热。

为尽可能减少感应圈上产生的交变磁场向后耦合，对置于感应圈后方的电容加热，在本实用新型提供的技术方案中，感应圈将包括有感应圈本体、第一电感导磁体和第二电感导磁体，第一电感导磁体置于第一集流排与感应圈本体之间，且第一电感导磁体分别与第一集流排以及感应圈本体的一端固定连接；而第二电感导磁体则置于第二集流排与感应圈之间，且第二电感导磁体分别与第二集流排以及感应圈的另一端固定连接。夹在感应圈本体与电容组件之间的第一电感导磁体与第二电感导磁体，将有效地起到磁场阻挡作用，避免感应圈本体上转换而来的交变磁场向后耦合，尽可能减少感应加热头内部自身感应加热。

与此同时，第一集流排与第二集流排上由于流过高频交变电流，同样在其周围产生对应强度的交变磁场，为避免该交变磁场对各电容感应加热，在本实用新型提供的技术方案中，每个电容中还将包括有第一电容导磁体和第二电容导磁体，其中，第一电容导磁体布置在第一集流排与电容之间，并分别与第一集流排以及电容的其中一个极板固定连接，用以阻挡第一集流排产生的交变磁场，避免对该电容极板感应加热；而第二电容导磁体布置在第二集流排与电容之间，并分别与第二集流排以及电容的另一个极板固定连接，用以阻挡第二集流排产生的交变磁场，避免其对该电容极板的感应加热。

应该强调的是，第一电感导磁体、第二电感导磁体、第一电容导磁体和第二电容导磁体的自身材质是现有技术，本领域技术人员通过查阅在先技术资料，可清楚得知其材质型号及其对应性能，其材质本身并非本实用新型的保护核心。

感应圈本体在工作过程中，为确保其长时间稳定工作，应采取对应水冷措施：在第一集流排中沿轴线方向开设进水管、第一电感导磁体上开设进水孔、第二电感导磁体上开设出水孔、以及在第二集流排上沿轴线方向开设出水管；

感应圈本体呈管状，其内部自然具备水冷通道，当第一集流排、第一电感导磁体、感应圈本体、第二电感导磁体、以及第二集流排依序连接后，进水管、进水孔、感应圈本体内部的水冷通道、出水孔、以及出水管将顺次接合，形成完整、连通的水冷通路，外部冷却水经该水冷通路流通，对感应圈本体做出及时、有效的冷却，确保其长时间稳定工作。

同时，由于制造技术的限制，应用在实际中电容都不可能是理想中的电容器，都将不可避免地存在损耗因数，该损耗因数是电容存在无功损耗的根本原因，而应用在高频、高压、大功率的环境下时，每个电容的无功损耗都将明显表现为电容发热。

为保证感应加热头长时间稳定工作，在对感应圈采取冷区措施的同时，同样需要对电容组件采取适当的冷却措施：每个电容组件都将设置第一冷却皮和第二冷却皮，第一冷却皮和第二冷却皮紧密包覆电容的两极板；

为保证感应加热头长时间稳定工作，在对感应圈采取冷却措施的同时，同样需要对电容组件采取适当的冷却措施：每个电容组件都将设置第一冷却皮和第二冷却皮，第一冷却皮紧密包覆电容的其中一个极板，第二冷却皮紧密包覆电容的另一个极板，而进一步地，在第一冷却皮和第二冷却皮的外部还将设置电容水冷管，电容水冷管的进水端与设置在第一集流排中的进水管接合连通，电容水冷管的环绕电容设置，电容水冷管盘绕固定在电容组件的外表面上，与电容组件热导通。

为实现良好的散热效果，本实用新型提供的技术方案应用到实际中时，第一水冷皮、第二水冷皮和电容水冷管通常采用铜或铝等具备良好热导性能的材质制成。电容在工作过程中将产生大量热量，该热量经电容的两极板、第一冷却皮和第二冷却皮的连接传导到电容的外表面上，电容的外部表面上固定盘绕着冷却管，在感应加热头工作的过程中，外部冷却水沿第一集流排中开设的进水管流入后，分出一部分通过容冷却管与进水管的接合处流入电容水冷管，冷却水沿电容水冷管流动，将第一却皮和第二冷却皮上的热量带走，及时有效地带走电容的热量，保证电容稳定工作。

应该说明的是，电容水冷管的进水端与设置在第一集流排中的进水管接合连通的设置方式，可在感应加热头内部形成“一进两出”的水冷布局，这样的水冷布局不仅保证不同部件之间的冷却措施互不干扰，取得了有效的冷却效果，还简化了水冷措施布局，进一步简化了装置结构。

本实用新型的优势在于：相比于现有技术，在本实用新型当中采用电容与感应圈结合形成并联谐振结构，并以该并联谐振结构为基础构建感应加热头，不仅方便取得需求的感应加热效果，而且大幅减小了装置体积，减轻了装置重量，应用到具体的需求远距离、可移动式加热的加工场景中，取得了良好的感应加热效果。

附图说明

图1是具体实施方式一所实现的两电容大功率感应加热头与外壳A、外部冷取水管B、以及外部交变电源接线C的整体组装示意图。

图2是具体实施方式一所实现的两电容大功率感应加热头整体结构第一视角示意图。

图3是具体实施方式一所实现的两电容大功率感应加热头整体结构第二视角示意图。

图4是具体实施方式一所实现的两电容大功率感应加热头中感应圈的结构示意图。

图5是具体实施方式二所实现的三电容超大功率感应加热头与外壳A'的整体组装示意图。

图6是具体实施方式二所实现的三电容超大功率感应加热头整体结构第一视角示意图。

图7是具体实施方式二所实现的三电容超大功率感应加热头整体结构第一视角示意图。

图8是具体实施方式二所实现的三电容超大功率感应加热头中电容组件的局部结构示意图。

图9是具体实施方式二所实现的两电容大功率感应加热头中感应圈的爆炸图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

具体实施方式一：

请参阅图1-4所示。

在本具体实施方式中提供一种大功率感应加热头，该感应加热头包括有感应圈1、集流排组件2和两个电容组件3和水冷管。

感应圈1包括有感应圈本体11、第一电感导磁体12和第二电感导磁体13；

集流排组件2包括有第一集流排21和第二集流排22；

每个电容组件3中均包括有电容31、第一冷却皮32和第二冷却皮33；

第一冷却皮33和第二冷却皮32分别与对应电容的两极板固定连接，且第一冷却皮32和第二冷却皮33紧密包覆对应极板；

第一电感导磁体12和第二电感导磁体13分别连接感应圈本体11的两端；

两个电容组件3置于感应圈1的后方，三者呈直线排布，集流排组件2置于电容组件3的上方，且第一集流排21后端的下部分别与每个电容31的其中一个极板固定连接，第一集流排21的前端弯折，与第一电感导磁体12固定连接；而第二集流排22的下部分别与每个电容31的另一个极板固定连接，第二集流排22的前端弯折，与第二电感导磁体22固定连接。

进一步地，第一集流排21上沿轴线方向开设进水管211、第一电感导磁体12上开设进水孔121，当第一集流排21与第一电感导磁体12接合时，进水管 211与进水孔121接合连通；

第二集流排22上沿轴线方向开设出水管221、第二电感导磁体13上开设出水孔131，当第二集流排22与第二电感导磁体13接合时，出水管221与出水孔131接合连通。

在本具体实施方式中，感应加热头还包括有电容水冷管4，电容水冷管4 盘绕在电容组件3的外表面上，电容水冷管4在电容组件的3两侧分别与第一水冷皮31和第二水冷皮32固定连接；且电容水冷管4的进水端与第一集流排 2中开设的进水管211接合连通。

具体实施方式二：

请参阅图5-9。

一种超大功率感应加热头，该感应加热头包括有感应圈1'、集流排组件2' 和三个电容组件3'和水冷管4'。

感应圈1'包括有感应圈本体11'、第一电感导磁体12'和第二电感导磁体13'；

集流排组件2'包括有第一集流排21'和第二集流排22'；

每个电容组件3'中均包括有电容31'、第一冷却皮32'和第二冷却皮33'；

每个电容组件3'中，第一冷却皮32'紧密包覆电容31'的其中一个极板；第二冷却皮33'紧密包覆电容31'的另一极板；

处于接近感应圈侧的两个电容组件3'中还包括有电容导磁体34'，电容导磁体34'紧密填塞在电容31'与集流排组件2'之间；

第一电感导磁体23'和第二电感导磁体13'分别连接感应圈本体11'的两端；

三个电容组件3'均置于感应圈1'的后方，四者从后往前呈直线排布，集流排组件2'置于电容组件3'的上方，且第一集流排21'的下部依次与每个电容31' 中对应的其中一极板电连接，第一集流排21'的前端弯折，与第一电感导磁体 12'固定连接；而第二集流排13'的下部依次与每个电容31'中对应的另一极板电连接，第二集流排22'的前端弯折，与第二电感导磁体13'固定连接。

进一步地，第一集流排21'上沿轴线方向开设进水管211'、第一电感导磁体 12'上开设进水孔121'，当第一集流排21'与第一电感导磁体12'接合时，进水管 211'与进水孔121'接合连通；

第二集流排22'上沿轴线方向开设出水管221'、第二电感导磁体13'上开设出水孔131'，当第二集流排22'与第二电感导磁体接合13'时，出水管221'与出水孔131'接合连通。

在本具体实施方式中，感应加热头还包括有电容水冷管4'，电容水冷管4' 盘绕在电容组件3'的外表面上，且电容水冷管4'在电容组件3'的两侧外表面上分别与第一水冷皮32'和第二水冷皮33'固定连接，且电容水冷管4'的进水端与第一集流排21'中开设的进水管211'接合连通。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种大功率感应加热头，所述感应加热头包括有感应圈；其特征在于，所述感应加热头还包括有集流排组件和至少两个分立的电容组件；

所述电容组件包括有电容，所述集流排组件包括有第一集流排和第二集流排；

所述第一集流排依次连接外部交变电源的其中一端、每个电容的其中一个极板，以及感应圈的其中一端；

所述第二集流排依次连接外部交变电源的另一端、每个电容的另一个极板，以及感应圈的另一端。

2.如权利要求1所述的大功率感应加热头，其特征在于，所述电容组件还包括有第一电容导磁体与第二电容导磁体；

所述第一电容导磁体置于第一集流排与电容之间，且所述第一电容导磁体分别与第一集流排和电容的对应的极板固定连接；

所述第二电容导磁体置于第二集流排与电容之间，且所述第二电容导磁体分别与第二集流排与电容对应的极板固定连接；

所述第一电容导磁体与第二电容导磁体之间严格绝缘。

3.如权利要求2所述的大功率感应加热头，其特征在于，所述电容组件还包括有第一冷却皮和第二冷却皮；

所述第一冷却皮紧密包覆电容的其中一个极板，且所述第一冷却皮与该极板固定连接；所述第二冷却皮紧密包覆电容的另一个极板，且所述第二冷却皮与该极板固定连接。

4.如权利要求3所述的大功率感应加热头，其特征在于，所述感应圈包括有感应圈本体、第一电感导磁体和第二电感导磁体；

所述第一电感导磁体设置在第一集流排与感应圈本体之间，所述第一电感导磁体分别与第一集流排和感应圈本体对应端固定连接；

所述第二电感导磁体设置在第二集流排与感应圈本体之间，所述第二电感导磁体分别与第二集流排和感应圈本体的对应端固定连接。

5.如权利要求4所述的大功率感应加热头，其特征在于，所述感应圈本体呈管状，其内部存在冷却通路；所述第一电感导磁体上开设进水孔，所述第二电感导磁体上设置出水孔；

所述第一电感导磁体与第二电感导磁体分别连接感应圈本体的两端时，所述进水孔和出水孔分别与和感应圈的两端接合连通。

6.如权利要求5所述的大功率感应加热头，其特征在于，所述第一集流排中开设有进水管，所述进水管沿第一集流排轴向开设；所述第一集流排与第一电感导磁体连接后，所述进水管与所述进水孔接合连通；

所述第二集流排中开设有出水管，所述出水管沿第二集流排轴向开设；所述第二集流排与第一电感导磁体连接后，所述出水管与所述出水孔接合连通。

7.如权利要求6所述的大功率感应加热头，其特征在于，所述感应加热头还包括有电容水冷管，所述电容水冷管的进水端与进水管接合连通，所述电容水冷管的环绕电容设置，所述电容水冷管盘绕固定在电容组件的外表面上，与所述电容组件热导通。

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