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Flüssigkeitsgekühlte Induktorspule für Netzfrequenz Die Erfindung
betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Induktorspule für das induktive Erwärmen ferromagnetischer
Körper bei Netzfrequenz.
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Für diesen Zweck dienende Induktorspulen werden meist einlagig unter
Verwendung von kühlmitteldurchflossenen Kupferprofilen ausgeführt. In dieser Ausführung
haben sie sich z.B. beim induktiven Erwärmen von Stahlstangen oder -Blöckchen auf
Temperaturen in der Nähe des Curiepunktes, beispielsweise auf 750 < bewährt.
Bei der induktiven Erwärmung von ferromagnetischen Stangen- oder Blöckchen ergibt
sich aber, daß, um eine gleichbleibende Leistungsdichte im Werkstück zu erreichen,
die dazu benötigte magnetische Feldstärke umso höher sein muß, umso geringer der
Werkstückdurchmesser ist. Der bei einlagigen Spulen abor bei höherer gewunschter
Feldstärke notwendige höhere Spulenstrom führt aber zu höheren Verlusten in der
Spule. Ein höherer Spulenstrom führt überdies auch zu anlagentechnisch ungünstigen
Ansohlußwerten.
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Wegen dieser Tatsachen gilt für die praxis, daß einlagige Induktorspulen
zum induktiven Erwärmen von ferromagnetischen Stangen oder Blöckchen sich nur für
höhere Werkstückdurchmessersd.h. von in etwa bo mm und mehr'bewähren.
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Für die induktive Erwärmung bei Netzfrequenz von Werkstücken geringeren
Durchmessers bietet auch ein Übergang auf mehrlagige Induktorspulen aus Kupferhohlprofilleitern
dabei keinen Ausweg, denn bei mehrlagigen Spulen tritt das problem der Wirbelstromverluste
hinzu, die in den von einem magnetischen Wechselfeld durchsetzten inneren Leiterlagen
entstehen. Für die Erwärmung von ferromagnetischen Werkstücken geringeren Durchmessers
ist man daher im allgemeinen auf höhere Frequenzen ausgewichen.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Induktorspule für
Netzfrequenz anzugeben, mit der das induktive Erwärmen von ferromagnetischen Körpern
auf etwa curietemperatur.
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insbesondere Stahlstangen oder Stahlblöckchen bei geringeren Werkstückdurchmessern
als z.fl. bo mm mit gutem Wirkungsgrad ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Induktorspule
einen als doppelwandigen, kühlmitteldurchflossenen Kühlmantel ausgebildeten Spulenkörper
aufweist, bei dem wenigstens die Innenwand aus austenitischem Stahl besteht und
bei dem der Umfang seines lichten Querschnitts =t 400 mm vorzugsweise aber C 250
mm ist, und eine in dem Kühlmantel eingebettete und mit dem Kühlmittel -vorteilhaft
Kühlöl- in Wärmeleitverbindung stehende mehrlagige Kupferdraht- oder Kupferlitzenwicklung
aufweist, wobei die Abmessungen der Wicklungsleiter in Richtung senkrecht zu den
Wickelflächen kleiner sind als 7c % der Eindringtiefe des elektromagnetischen Feldes
in das Leitermaterial bei Betriebsfrequenz.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der
Spulenwicklung und der Innenwand des Kühlmantels ein Raum zum Durchfluß des Kühlmittels
freigelassen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist
die Spulenwicklung in mehrere koaxial zueinander angeordnete Teilwicklungen unterteilt,
wobei zwischen benachbarten Teilwicklungen jeweils ein Raum zum Durchfluß des Kühlmittels
freigelassen ist.
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Die Erfindung wird nun anhand der Figuren 1 und 2, die in Längs- bzw.
Querschnitt eine bevorzugte Ausführung der erfinderischen Induktorspule darstellen,
näher erläutert.
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Der Spulenkörper wird durch einen zylindrischen Kühlmantel 1 aus austenitischem
Stahl gebildet. Dieser Kühlmantel 1 weist eine jeweils zylindrische Innenwand 2
bzw. Außenwand 3 auf, welche an ihren Enden mit ringförmigen Deckblechen 4 verschweißt
sind. An diesen Deckblechen 4 sind Anschlüsse 5 für die Zu-bzw.
Abfuhr
eines Kühlmittels, vorzugsweise eines Transfbrmatoröles vorgesehen. Die aus zwei
zueinander koaxial angeordneten Teilwicklungen 6, 7 bestehende Spulenwicklung ist
in dem vom Kühlmantel 1 umschlossenen Hohlraum unterbracht und wird dort vom Kühlmittel
umspült. Um einen allseitigen Wärmeaustausch zwischen den Teilwicklungen 6, 7 und
dem Kühlmittel zu gewährleisten, sind zwischen der Innenwand 2 des Kühlmantel und
der inneren Teilspule 6, sowie zwischen den beiden Teilspulen 6, 7 sich in axialer
Richtung erstreckende Abstandsleisten 8 (siehe Fig. 2) angeordnet, die vorzugsweise
aus -einem ölfesten Kunststoff bestehen.
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Auf diese Weise entsteht zwischen der Innenwand 2 des Kühlt mantels
und der inneren Teilspule 6, einerseits, bzw. zwischen den beiden Teilspulen 6,
, 7 andererseits, jeweils ein Raum 9, lo der den Durchfluß des Kühlmittels gestattet.
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Jede der Teilspulen 6, 7 besteht aus mehreren Lagen eines vorzuRsweise
glasseiden- oder papierisolierten Kupferflachdrahtes, wobei benachbarte Lagen durch
eine Lackschicht miteinander verbunden sind. Die Abmessungen des Kupferdrahtes in
Richtung senkrecht zu den Wickelflächen sind dabei kleiner als 70 % der Eindringtiefe
des elektromagnetischen Feldes im Leitermaterial bei Betriebsfrequenz. Diese Eindringtiefe
beträgt in Kupfer bei 50 Hz ca. lo mm. Ein dieser Vorschrift entsprechender Flachkupferleiter
weist gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel z.B. einen Querschnitt von 2 xlo
mm auf.
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Durch diese Vorschrift wird sichergestellt, daß sich inden Leitern
der inneren Wicklungslagen praktisch keine nennenswerten Wirbelströme ausbilden
können. Dazu kommt noch, daß -wie die Anmelderin gefunden hat- Rohre aus austenitischem
Stahl mit einem Umfang von weniger als in etwa 400 mm sich im spulenfeld bei Netzfrequenz
und annehmbaren Wirkungsgrad nur sehr schlecht, und bei einem Umfang von weniger
als 250 mm kaum noch erhitzen lassen. Dieser überraschende, bei einer beabsichtigten
Erhitzung von Rohren aus austenitischem Stahl jedoch nachteilige Effekt, führt nun
bei der erfindungsgemäßen Spule zu dem vorteil. daß die sich am Ort maximaler
magnetischer
Feldstärke befindliche Innenwand 2 des Kühlmantels 1 nur zu einer geringen Minderung
des Wirkungsgrades der induktiven Erwärmung eines in die Induktorspule eingeführten
Werkstückes beiträgt.
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Mit Hilfe der beschriebenen mit Netzfrequenz gespeisten Induktorspule
kann z.B. das Ende einesstangenförmigen Werkstückes 11 aus Stahl mit gutem Wirkungsgrad
(z.B. 47 %) auf eine Temperatur von 75o < gebracht werden.
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Die erfinderische Induktorspule ist nicht auf Ausführungen mit kreisförmigem
lichten Querschnitt beschränkt, sondern kann im wesentlichen mit beliebigen Querschnitten
-z.B.
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quadratischen oder rechteckigen- vorteilhaft realisiert werden.
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Auch kann es genügen, wenn nur jene Teile des Kühlmantels, die an
Stellen maximaler magnetischer Feldstärke angeordnet sind, also zum Beispiel das
Innenrohr allein -oder dieses samt den quer zur Spulenachse verlaufenden Frontwänden-
aus austenitischem Stahl bestehen.