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Induktoranordnung zur induktiven Erwärmung von durchlaufenden Metallbändern
Für manche Oberflächen- oder Qualitätsbehandlungen ist es notwendig, ein laufendes
Metallband von verschiedenen Breiten und Stärken schnell zu erwärmen. Dies ist notwendig
z. B. bei dem Prozeß des kontinuierlichen Verzinnens eines Stahlbandes. Wenn das
verzinnte Stahlblech zur Erzeugung von Konservenbüchsen verwendet werden soll, so
besteht die Grundforderung, daß der Zinnüberzug ganz homogen und gleichmäßig ohne
einzelne Fehler ist. In der modernen Technik wird ein zusammenhängendes Stahlband
galvanisch verzinnt und der galvanisch aufgetragende Zinnüberzug auf dem Band durch
eine Erwärmung des Bandes auf ungefähr 220° C konsolidiert. Die gesamte Einrichtung
ist in einer völlig automatischen Straße angeordnet.
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Es sind verschiedene Verfahren der Erwärmung bekannt, z. B. wird ein
elektrischer Heizstrom durch elektrisch leitende Walzen direkt in die sich bewegenden
Bänder übertragen. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß bei der Einführung starken
Heizstroms über leitende Walzen direkt in das Metallband im Zwischenraum zwischen
Walze und Band Sprühfunkenbildung auftritt, die viele Oberflächenfehler zur Folge
hat. Zu Verzinnungszwecken konnte dieses Erwärmungsverfahren nicht gebraucht werden.
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Ein weiteres Erwärmungsverfahren ist die Induktionserwärmung mit Netzfrequenz
durch ein magnetisches Querfeld. Dieses Erwärmungsverfahren ist jedoch nur in wenigen
Fällen vorteilhaft, z. B. bei Erwärmung von Bändern nichtmagnetischer Metalle und
bei kleineren Heizleistungen. Bei ferromagnetischen Bändern und großen spezifischen
Leistungen, auch bei nichtmagnetischen Metallen, entstehen bei einer Frequenz von
50 Hz starke magnetische und elektrodynamische Kräfte, die störend auf das ruhige
Gleiten des Bandes einwirken. Ein ferromagnetisches Band wird an den Pol der Erregerwicklung
angezogen, wobei seine Oberfläche bei der Bewegung des Bandes beschädigt wird.
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Ein anderes bekanntes Erwärmungsverfahren ist die induktive Erwärmung
durch erhöhte Frequenz mit Hilfe eines magnetischen Längsfeldes. Hierbei wird das
Band durch den Hohlraum einer längeren Ovalspule geführt, so daß die magnetischen
Kraftlinien mit dem Bande parallel verlaufen. Theoretisch wäre diese Induktionsheizung
mit einer Frequenz von einigen hundert kHz zu betreiben. Das wäre bei den erforderlichen
großen Leistungen sehr kostspielig. Für ferromagnetische Bänder wird bei dieser
Erwärmungsart meist nur eine Frequenz von 8 bis 10 kHz verwendet. Dabei wird der
Umstand ausgenützt, daß die magnetischen Kraftlinien der Heizspule sich direkt im
ferromagnetischen Band konzentrieren. Die Hystereseverluste, die im Band nur eine
schwache Wärmebildung verursachen, bewirken, daß die Heizleistung der Wirbelströme
verhältnismäßig gering ist. Ein Vorteil dieser Erwärmungsart sind zwar sehr kleine,
auf das Band einwirkende magnetische und dynamische Kräfte, sehr nachteilig ist
jedoch die beträchtliche Länge der Spulen und darüber hinaus die Unmöglichkeit des
Erzielens einer großen Heizleistung. Ein schlechter energetischer Wirkungsgrad ist
ein weiterer Nachteil der Einrichtung.
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Es ist weiter eine Induktoranordnung zur induktiven Erwärmung von
durchlaufenden Metallbändern bekannt, welche die Heizwicklung in Spulenform vorsieht,
wobei die Spulen in besonderen Rillen des Magnetkerns angeordnet sind. Spulen und
Pole wechseln sich gegenseitig im Banddurchgangsraum ab. Die einzelnen unabhängigen
Spulen müssen jeweils gesondert geregelt werden, wenn völlig gleiche Verhältnisse
erzielt werden sollen. In dieser Vorrichtung durchläuft das Band nicht in gerader,
sondern in diagonaler Richtung die Erwärmungsanlage, was die Homogenität der Erwärmung
verschlechtert.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Induktoranordnung zur induktiven
Erwärmung von durchlaufenden Metallbändern, insbesondere im induktiven Mittelfrequenzfeld
und im Rahmen einer Oberflächenbehandlung der Bänder, bei der auf beiden Seiten
des Bandes symmetrisch zum Band Erregerwicklungen derart angeordnet sind, daß das
Magnetfeld das Band senkrecht durchsetzt und einander entsprechende
Abschnitte
der Wicklungen auf beiden Seiten des Bandes Ströme gleicher Richtung führen.
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Die Erfindung will die Gleichmäßigkeit der induktiven Erwärmung und
den Wirkungsgrad der Anlage verbessern.
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Die Erfindung erreicht eine wesentliche Verbesserung dadurch, daß
der Leiter der oder jeder Erregerwicklung mehrere die ganze Breite des Bandes überdeckende
mäanderförmige Schleifen bildet. Zur Verringerung der magnetischen Wechselkräfte
zwischen Band und Erregerwicklung ist eine magnetische Sättigungsspule vorgesehen,
die zur Erregung eines starken, das Band weitgehend bis zur Sättigung magnetisierenden
Feldes erregbar ist.
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Die Induktoranordnung gemäß der Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise
dargestellt. In diesen zeigt Fig. 1 eine Ansicht, Fig. 2 eine Seitenansicht, Fig.
3 eine Ansicht mit einer anderen Führung der Wicklungen, Fig. 4 eine Seitenansicht
dazu, Fig. 5 eine Ansicht mit einer dritten Art der Führung der Wicklungen, Fig.
6 eine Seitenansicht dazu, Fig. 7 eine Ansicht und Fig. 8 einen Schnitt durch den
Induktor mit Spulen. In Fig. 1 läuft das Band 1 aus Stahl oder einem anderen Metall,
z. B. Aluminium, zwischen den Induktionsheizwicklungen 2. Diese sind je aus einer
Kupferröhre hergestellt, durch deren Hohlraum Kühlwasser durchfließt. Die Mittelfrequenzwechselspannung
von 1000 bis 10-000 Hz ist an die Wicklungsenden 5 und 6 bzw. 7, 8 so angeschlossen,
daß der Strom in der Wicklung nach den in den Fig. 1, 3 und 5 gezeichneten Pfeilen
fließt. Dabei bedeuten die voll gezeichneten Pfeile die Stromrichtung in den Leitern
an der einen Seite des Bandes, die gestrichtelt gezeichneten -Pfeile die Stromrichtung
an der Gegenseite des Bandes. Die Wicklungsleiter verlaufen auf beiden Seiten des
Bandes übereinanderliegend genau in gleicher Weise.
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Zur Verbesserung des Wirkungsgrades sind zwischen den Leitern 2 nach
den Fig. 1 bis 6 Kerne aus ferromagnetischem Material 3 und 4 eingelegt. Die Kerne
3 und 4 bestehen bis zu einer Arbeitstemperatur des Bandes von ungefähr 220° C aus
Ferrit, für höhere Temperaturen müssen die Gesamtkerne entweder gekühlt oder durch
Kerne aus Transformatorenblechen ersetzt werden. ; Die Form der Wicklung für die
Indunktionserwärmung der Bänder kann verschieden gestaltet sein. Bei Versuchen haben
sich die in den Fig. 1 bis 6 dargestellten Wicklungsformen als besonders vorteilhaft
erwiesen. In allen drei Fällen liegen die beiden Enden ; jeweils eines Wicklungsleiters
dicht nebeneinander auf der gleichen Seite der Bahn des Bleches 1. Der Leiter ist
in mehreren mäanderartigen Windungen über eine bestimmte Strecke der Bahn des Bandes
hinweg geführt. Er erstreckt sich über die ganze Breite des Bleches. Bei der Ausführung
nach Fig. 1 und 3 sind die Mäanderschlingen in der Längsrichtung des Bandes 1 orientiert,
bei der Ausführung nach Fig. 5 jedoch in der Breitenrichtung des Bandes. Bei der
Ausführung nach Fig. 1 verläuft der Leiter außerdem noch innerhalb der Mäanderschlinge
in Zickzackform, nach der Ausführung nach Fig. 3 aber in Wellenform. Bei der Ausführung
nach Fig. 5 verlaufen die Arme jeder Schlinge geradlinig. Die zwischen den Leitern
2 vorgesehenen Kerne 3 und 4 aus ferromagnetischem Material liegen jeweils zwischen
zwei benachbarten Strängen des Leiters und passen sich in ihrer Form dem Verlauf
desselben an. In der Ausführung nach Fig. 1 besitzen die Kerne z. B. die Form von
schiefwinkligen Rechtecken, die sich in der Längsrichtung des Bandes erstrecken
und gruppenweise angeordnet sind, während die Kerne 3 bei der Ausführung nach Fig.
5 ovale Gestalt besitzen, sich in Breitenrichtung des Bandes erstrecken und gleichmäßig
in einer Linie nebeneinander liegen. Bei der Ausführung nach Fig. 3 besitzen die
Kerne 3 Kreisform und liegen jeweils zwischen zwei gegenläufigen Ausbauchungen des
in Mäanderschlingen verlaufenden Leiters.
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Beide Hälften der Wicklung können parallel durch eine niedrigere Spannung
gespeist werden, dann werden die Zuleitungen 5 und 7 und die Zuleitungen 6 und 8
miteinander verbunden. Die Spannungsquelle wird an die Zuleitungen 5 und 6 angeschlossen.
Es ist möglich, die beiden Wicklungen bei einer Serienschaltung durch eine höhere
Spannung zu speisen. Dabei werden die Zuleitungen 6 und 7 miteinander verbunden
und der Strom in die Zuleitungen 5 und 8 eingeführt.
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Die Fig. 7 und 8 stellen ein weiteres Beispiel einer Konstruktionslösung
dar. Die Erregergleichstromwicklung 9 dient zur magnetischen Übersättigung des Bandes
1 und seiner Führung zwischen der Heizwicklung und den Polschuhen 10. Dieses zusätzliche
Feld zum Führen des Bandes ist durch den magnetischen Kreis 11 geführt. Die Abschirmung
12 verhindert das Induzieren der Hochspannung der Heizfrequenz in den Erregerkreis
der Spulen 9. Mit 13 sind der Einlaß- und der Auslaßstutzen der Leitung für die
zusätzliche Wasserkühlung der Vorrichtung und der Erregerwicklung 9 bezeichnet.
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Die Anordnung der Wicklung nach der Erfindung hat den Vorteil der
gleichmäßigen Erwärmung des Bandes in seiner ganzen Breite, außerdem vermindert
sie wesentlich die magnetischen Kräfte, welche auf das zu erwärmende ferromagnetische
Band einwirken. Dies wird, wie oben ausgeführt, dadurch erreicht, daß die magnetische
Permeabilität des Bandes künstlich herabgesetzt wird. Das wird durch die magnetische
Sättigung des Bandes auf den maximal erreichbaren Wert durch ein zusätzliches überlagerungsgleichstrom-
bzw. auch ein Wechselstrommagnetfeld erreicht. Dieses starke Feld läuft an der Stelle
der Heizwicklung in einer entsprechenden Richtung durch das zu erwärmende Band,
so daß dessen Permeabilität auf nur einige Prozente des Originalwertes herabsinkt.
Dadurch werden in dem Band gleichzeitig und auch an derselben Stelle zwei magnetische
Felder aufgebaut: das Wechselstromfeld, welches das Band erwärmt, und das Gleichstromfeld,
das die magnetische Permeabilität herabsetzt. Das Überlagerungsmagnetfeld stört
keineswegs die eigentliche Induktionserwärmung. Die Richtung dieses zusätzlichen
Überlagerungsmagnetfeldes kann verschieden sein. Das zweckmäßigste ist aber, das
Feld, dessen magnetische Kräfte quer durch das Band verlaufen, parallel zur Bandseite,
d. h. senkrecht sowohl zu der Richtung der Bewegung des Bandes als auch zur Richtung
der magnetischen Kräfte des Magnetfeldes verlaufen zu lassen, welches durch die
Heizwicklung erregt wird. Das Feld dieser Richtung
kann bei einer
entsprechenden Form der Polschuhe des magnetischen Kreises, durch welche das Feld
in das Band eintritt, helfen, das laufende Band zu führen und die ungünstigen Kräftewirkungen
des Querfeldes der Heizwicklung zu kompensieren.