DE69119648T2 - Elektromagnetische Vorrichtung zum Heizen von metallischen Werkstoffen - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
• Es ist bekannt, daß es nur einige wenige grundlegende Mechanismen, Systeme oder Methoden zum Erzeugen von Wärme in einem Metallteil gibt. Dies kann erfolgen durch Konvektionsheizung unter Verwendung einer direkten Flamme, durch Immersion, durch Strahlung, durch elektrische Widerstandsheizung, wobei das Heizen des Metalls durch Stromfluß verursacht wird, und Hitze kann durch mechanische Beanspruchungen oder Reibung erzeugt werden. Unter diese Methoden fällt auch die Induktionsheizung, bei der das Heizen durch den Einsatz magnetischer Felder vorgenommen wird. Wie in der lnduktionsheiztechnik bekannt ist, wird ein Werkstück aus Metall in eine Spule eingesetzt, die mit Wechselstrom gespeist wird, und das Werkstück und die Spule werden durch ein magnetisches Feld so gekoppelt, daß im Metall ein Strom induziert wird. Dieser induzierte Strom heizt das Metall aufgrund der Widerstandsverluste auf, ähnlich wie bei der elektrischen Widerstandsheizung. Die Spule wird normalerweise erhitzt und muß gekühlt werden, damit das Heizen des Werkstückes so effektiv wie möglich erfolgt. Die Dichte des induzierten Stromes ist an der Oberfläche des Werkstückes am größten und nimmt mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche ab. Dieses pHänomen ist als Skin-Effekt bekannt und ist wichtig, weil nur in dieser Tiefe der größere Teil der gesamten Energie induziert wird und für das Heizen zur Verfügung steht. Typische maximale Skin-Tiefen liegen in der Größenordnung zwischen 7,5 und 10 cm für niederfrequente Anwendungsfälle Bei allen Anwendungsfällen mit Induktionsheizung beginnt das Heizen an der Oberfläche aufgrund von Wirbeströmen, und durch Konduktion wird Hitze in den Körper des Werkstückes eingeführt. Eine weitere Methode zum Heizen von Metallteilen unter Verwendung magnetischer Felder ist unter der Bezeichnung "Transferflußheizen" bekannt. Diese Methode wird üblicherweise zum Heizen von verhältnismäßig dünnen Streifen aus Metall angewandt, und es wird dabei Flußwärme durch Umschalten der Induktionsspulen übertragen, so daß der Magnetfluß durch das Werkstück im rechten Winkel zum Werkstück statt um das Werkstück herum, wie bei der normalen Induktionsheizung, verläuft. Der Magnetfluß, der das Werkstück durchsetzt, induziert Flußlinien, die in der Ebene des Streifens zirkulieren, und dies führt zu Wirbelstromverlusten und zum Aufheizen des Werkstückes.
• Eine weitere Methode der Induktionsheizung unter Verwendung von Gleichstrom ist in einem Aufsatz von Glen R. Moore in "Industrial Heating Magazine", Mai 1990, Seite 24 beschrieben. Bei dieser neuen Heizmethode wird Gleichstrom verwendet, der wegen der Drehung des Werkstückes in axialer Richtung fließt, anstatt daß das Feld um das Werkstück rotiert. Diese Methode ist in der Lage, eine Metallplatte oder Metallbramme zu heizen, und stellt die Gleichstrommethode der Transferflußheizung dar. Hierbei wird ein Skin-Effekt ausgenutzt sowie ein Verfahren zum Bestimmen der Durchdringung für ein Gleichstromfeld angewandt, wie dies in dem vorstehend genannten Aufsatz beschrieben ist.
• US-PS 47 61 527 beschreibt eine weitere Gleichstrom-Induktionsheizvorrichtung, bei der der Fluß eines hohen Gleichstromes oder eines Wechsestromes mit niedriger Spannung den Prüfling infolge einer Energieumwandlung in Wärme aufgrund des Widerstandes des Produktes beheizt. Der zu erhitzende Prüfling wird mit einer ausreichend niedrigen Frequenz in Drehung versetzt oder hin- und herbewegt, um sicherzustellen, daß die Durchdringung im Skin-Bereich so groß wie möglich ist.
• Keines der vorbeschriebenen Heizsysteme ergibt jedoch eine gleichförmige Aufheizung eines Werkstückes ohne Konduktionsänderungen von außerhalb entweder in einem magnetischen Feld oder in der direkten Flammenmethode oder ähnlichen Methoden.
• Es ist deshalb erwünscht, diese neuartige Magnetfeld-Technologie einzusetzen, um die Nachteile der bekannten Methoden zu beheben wie auch den Wirkungsgrad der Heizung eines Werkstückes gleichförmig über den gesamten Querschnitt zu verbessern.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Methode zum gleichförmigen Aufheizen eines Werkstückes aus Metall sowohl über den gesamten Querschnitt als über die gesamte Länge zu erzielen. Des weiteren ist Aufgabe der Erfindung, eine solche Aufheizung mit einem minimalen Wärmeverlust in den Spulen und im Skin-Effekt des Teiles und ohne Verwendung einer Konduktion zu erzielen.
• Dies wird gemäß der Erfindung durch eine Vorrichtung nach dem Anspruch 1 erreicht, die es ermöglicht, eine gleichförmige Heizung eines beliebigen Metateiles, das in dem von diesem System erzeugten magnetischen Feld angeordnet ist, zu erreichen. Das Magnetfeld wird durch eine magnetische Schleife erzeugt, die eine Vielzahl von dünnen Platten aufweist und einen Luftspalt einschließt, in den das Werkstück eingesetzt werden kann. Das Werkstück wird dann eingebracht und wird Teil der magnetischen Schleife. Das Magnetfeld, das durch das System erzeugt wird, durchsetzt das Werkstück wie auch den übrigen Teil der Schleife. Dieses Magnetsystem arbeitet vorzugsweise bei 50 - 60 Hz, was bedeutet, daß das System mit elektrischer Energie gespeist werden kann, wie sie dem üblichen Stromnetz entnommen wird.
• Mit der Erfindung werden auch nichtmagnetische Metalle gleichförmig beheizt, die in den Luftspalt der magnetischen Schleife eingesetzt werden. Wie sich aufgrund zahlreicher Versuche ergeben hat, kann die gesamte Querschnittsfläche von regelmäßig und unregelmäßig geformten Teilen gleichförmig auf die gewünschte Temperatur bei einer für diese Teile sehr raschen Aufheizung gebracht werden.
• Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigt:
• Fig. 1 eine Darstellung des magnetischen Systems nach der Erfindung, und
• Fig. 2 eine Schnittansicht nach der Schnittlinie 2-2 der Fig. 1, wobei die Schichtungen im einzelnen dargestellt sind.
• Das Magnetscheifensystem ist in Fig. 1 mit 10 bezeichnet. Die Magnetschleife 10 besteht aus einer Vielzahl von Metallstreifen 11, die zu einem laminierten Magnetschleifenaufbau ausgebildet sind. Die Magnetstreifen 11 bestehen bei einer bevorzugten Ausführungsform aus einem Siliziumstahl mit hoher Permeabilität, obgleich auch andere Materialien hoher Permeabilität verwendet werden können. Mit den Metallstreifen 11 ist eine Isolierung 12 verbunden oder verklebt. Eine derartige Isolierung wird normalerweise vom Hersteller der Metallstreifen vorgenommen und kann nach bekannten Methoden aufgebracht werden. Es kann dabei jede einwandfreie elektrische Isolierung verwendet werden. Die Metallstreifen 11 haben eine maximale Dicke von 1,0 mm und können eine minimale Dicke haben, die der geringsten herstellbaren Dicke derartiger Schichten entspricht. Je dünner die Schichten aus einem Material hoher Permeabilität sind, desto höher ist die Leistung des Systems. Ein Material mit maximaler Effizienz hat beispielsweise eine Dicke von 0,0001 mm oder weniger; ein derartiges Material ist jedoch derzeit kommerziell nicht verfügbar. Bei dem erfindungsgemäßen System wurde die magnetische Schleife aus einem Siliziumstahl mit 0,30 mm Dicke für die Metallstreifen 11 hergestellt. Diese Metallstreifen 11 weisen die gewünschte Form auf, die normalerweise die Form eines Quadrats hat, wie in Fig. 1 dargestellt. Die Streifen werden dann in eine Vakuumkammer mit Epoxyd oder Leim 13 eingebracht, und zwar in so dünner Schicht, daß sie Teil der Isolierung 12 wird. In der Kammer wird ein Vakuum erzeugt, und es werden alle Fremdmaterialien evakuiert. Das Epoxyd oder der Leim verbindet dann die Streifen miteinander, wenn das Vakuum aufgehoben wird. Dies ist derzeit das beste bekannte Verfahren zur Herstellung dieser Magnetschleife; die Verwendung von Metallstreifen, Isolierung und Leim und/oder eine mechanische Vorrichtung zum Verbinden der Streifen miteinander für die Erzielung des Laminats ist jedoch in der Regel ausreichend.
• Wie in Fig. 1 gezeigt, sind dort zwei Kernflächen 15 vorhanden. Eine solche Kernfläche kann eine beliebige Größe oder Konfiguration haben, die quadratisch, rechteckförmig, kreisförmig, zylindrisch oder dergl. sein kann. Die Kernfläche kann so gewählt werden, daß sie dem Äußeren des Werkstückes, das erhitzt werden soll, angepaßt ist. Wenn ein großes Werkstück beheizt wird, soll eine große Kernfläche 15 verwendet werden. Das Magnetfeldsystem oder die Magnetfeldschleife arbeitet mit maximaler Effizienz, wenn das Werkstück fest zwischen den beiden Kernen 15 angeordnet ist, so daß die Magnetlinien von dem Kern direkt durch das Werkstück von einem Kern zum anderen verlaufen. Die Kernfläche 15 kann so verschoben werden, daß sie den Spalt verändert, um eine Anpassung an das Werkstück vorzunehmen. Es gibt eine Beziehung zwischen der Länge der Spule und der Dichte oder Höhe der Spule, die eine optimale Leistung ergibt. Derzeit läßt sich diese kritische Beziehung nur empirisch ermitteln. Zusätzlich ist auf jeden Kern 15 eine Spule 14 aufgewickelt. Die Konfiguration der Spulenwicklung ist für eine gleichförmige Heizung kritisch. Die Anzahl von Windungen der Spule und die Dimensionen sind kritisch, um eine lnduktionsheizung mit dem resultierenden Oberflächeneffekt und Verlusten im System zu verhindern. Es wurde auch festgestellt, daß die Anzahl von Windungen und die Höhe des Kernes bezogen auf den Abstand zwischen der Stirnfläche der Kerne wichtig sind.
• Wie in Fig. 1 gezeigt, ist die Kemfäche 15 für die Übertragung der magnetischen Kräfte innerhalb des Kernsystems 10 in eine Laminatfläche 17 mit einer vom Kern unterschiedlichen Größe bestimmt. Diese Laminatfläche ist gleich der Quadratwurzel von AB, wenn A und B die Länge und die Breite der Kemfäche 15 sind. Diese Änderung in der Fläche des Laminats im System ergibt eine erhöhte magnetische Übertragung zwischen dem Kern und durch das Werkstück. Es ist jedoch nicht erforderlich, diese Größe zu verändern, und die gesamte Kemsystemlaminierung kann mit gleicher Größe wie die Kernfläche ausgeführt werden, obgleich dann die Heizung nicht so effektiv verläuft.
• Ein Wechselstromanschluß ist mit 16 bezeichnet; die Anschlußverbindungen sind an die Spule gelegt, und die Spulen sind über einen Leiter parallel oder in Serie 19 geschaltet. Im Betrieb wird der Wechselstrom an die Verbindungen 16 aus einer nicht dargestellten Wechselstromquelle angelegt; er hat eine Frequenz von 60 Hz oder eine entsprechende Netzfrequenz. Wird die Spannung des Wechselstromes an die Spulen 14 angelegt, wird ein magnetischer Fluß in den Kernflächen 15 erzeugt, der zwischen den beiden Kernen durch die Schleife 10 fließt. Der Fluß ist analog dem Stromfluß in einem Leiter oder in einem Fluidstrom innerhalb einer Rohrleitung.
• Die magnetmotorische Kraft ist der Generator des Flußstromes, und in diesem speziellen Fall hat ein Kern mit gleichförmiger Kerndichte eine meßbare Flußdichte mit einer Anzahl von Weber-Einheiten pro Quadratmeter. Wird Wechselstrom an die Spulen 14 angelegt, erzeugt er die magnetische Intensität in den Kernen, und wechselt zwischen positiven und negativen Werten. Dies kann auf eine Magnetisierungskurve übertragen werden, die normalerweise eine Hystereseschleife ist. Eisenmaterial kann magnetisiert werden und ist in mikroskopische Bereiche, die magnetische Domäne genannt werden, organisiert. Die Elektronen der Atome in jeder Domäne rotieren um den Kern und drehen um ihre eigene Achse. Die dominierende Bewegung wird durch einen Elektrospin verursacht und das nutzbare magnetische Moment eines jeden Atoms in einer Domäne wird in der gleichen Richtung orientiert. Wenn Wechselstrom an die Spulen angelegt und ein Werkstück zwischen sie gesetzt wird, werden die Domänenbegrenzungen des Werkstückes aufgrund dieser Drehung des Kernes usw. beansprucht. Das Resultat ist eine durch Reibwirkung oder mechanisch hervorgerufene Wärmeerzeugung innerhalb des Werkstückes. Magnetische Domäne werden normalerweise gleichförmig über das Material verteilt und da der Fluß über den Querschnitt gleichförmig ist, wird in dem Werkstück Hitze gleichförmig erzeugt. Damit dieses Magnetfeld das Werkstück gleichförmig erhitzt, ist es erforderlich, daß das Schifenmaterial eine höhere Permeabilität als das zu erhitzende Material hat. In einem Stahlblock mit einem Durchmesser von 12,5 x 12,5 cm sind Thermoelemente in der Mitte und auf der Oberfläche eingesetzt. Ist das Werkstück isoliert, um den effektiven Hitzeverlust auf die umgebende Fläche zu minimieren, wird das Werkstück in die Schleife eingesetzt, und die gesamte Querschnittsfläche des Werkstückes wird (in etwa vier Minuten) rasch und gleichförmig auf eine Temperatur von 500º C gebracht. Der Aufheizeffekt kann solange fortgesetzt werden, bis eine gewiinschte Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des zu erhitzenden Metalles erreicht ist. Die Zeit, die erforderlich ist, um ein bestimmtes Werkstück zu erhitzen, ist eine Funktion der Größe des Werkstückes und der Stärke des magnetischen Feldes.
• Die Kernteile der Magnetfeldschleife werden nicht erhitzt, weil das Material so gewählt ist, daß die maximale Größe der Hysteresescheife für dieses Material während der Änderung der Richtungen des Magnetfeldes nicht überschritten wird. Bei dem Werkstückteil mit einer kleineren Hystereseschleife wird diese Schleife von den magnetischen Kräften während eines jeden Wechselstromzyklus überschritten und führt zum Aufheizendes Werkstückes.
• Diese gleiche Magnetfeld-Heizvorrichtung wirkt auch bei nichtmagnetischen Materialien, solange diese Metalle Kristalisationsstrukturen haben, die durch eine Wirkung ähnlich der Wirkung von Domänen der magnetischen Materialien in einer Reihe liegen. Die kristalline Struktur richtet sich selbst aus, bis die Struktur am oder in der Nähe des Schmelzpunktes angelangt ist. Ein ähnlicher Einfluß auf die kristalline Struktur von Aluminium wird beobachtet, wenn dieses extrudiert wird. Hitze wird durch das zwangsweise mechanische Aufheben der kristallinen Struktur erzeugt.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Heizen von metallischen Werkstoffen bzw. von Metall, gekennzeichnet durch

eine Vorrichtung zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes und zum Hindurch leiten des Feldes durch das Metalteil, um dieses Metalteil gleichförmig zu heizen, wobei die Vorrichtung eine magnetische Schleife (10) aufweist, die an beiden Stirnenden offen ist und einen offenen Raum dazwischen ausbildet, in welchen das Metallteil eingesetzt werden kann,

eine Vielzahl von parallelen diinnen Platten (11) in der magnetischen Schleife (10), die aus einem leitenden Material mit hoher magnetischer Permeabilität bestehen und die in engem Abstand voneinander angeordnet und gegeneinader isoliert ausgebildet sind,

eine Vielzahl von Kernen (15), deren jeder in der Nähe eines entsprechenden Stirnendes der Schleife angeordnet ist und eine zweite Vielzahl von parallelen dünnen Platten (11) aus leitendem Material mit hoher magnetischer Permeabilität aufweist, wobei jeder Kern eine Stirnfläche rechtwinklig zur Ebene der Platten besitzt, die eine größere Querschnittsfläche als die Fläche des entsprechenden Stirnendes der Schleife besitzt, und

eine Vielzahl von Wicklungen (14) aus leitenden Drähten, wobei jede der Wicklungen um jeden der Kerne in der Nähe der Stirnenden gewickelt und mit einer Wechselstromquelle verbunden ist, um das Magnetfeld in der Schleife mit der Frequenz der Wechselstromquelle zu reversieren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Platten eine Dicke zwischen 1,00 mm und 0,0001 mm hat.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessung des offenen Raumes zwischen den Stirnflächen der Kerne größer ist als die kleinste Abmessung der Stirnfläche eines jeden Kernes.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Kerne rechtwinkig zu dem anderen Kern beweglich ausgebildet ist, um die Abmessung des offenen Raumes zwischen den Stirnflächen der Kerne einzustellen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche eines jeden Stirnendes der Platten in der Schleife eine Querschnittsfläche gleich der oder größer als die Quadratwurzel der Fläche einer der Stirnflächen der Kerne ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen eine Beziehung zwischen der Anzahl von Windungen der Wicklung und der Breite und der Länge der Wicklungen haben, derart, daß eine lnduktionsbeheizung in den Kernen ein Minimum wird.