VERLUSTARME INDUKTIONSSPULE ZUM ERWÄRMEN UND/ODER SCHMELZEN VON METALLISCHEM GUT

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine verlustarme Induktionsspule zum Erwärmen und/oder Schmelzen von metallischem Gut, mit aus strangförmigen Hohlkörpern gebildeten, ein Kühlmittel führenden Windungen.

[0002] Es sind Induktionsspulen der oben genannten Art bekannt, die aus Kupferhohlleitern bestehen. Durch diese Hohlleiter wird der Induktionsstrom geführt, während ein fluides Kühlmittel, z.B. Wasser, das Innere der Hohlleiter durchströmt. In den Endbereichen derartig gestalteter Induktionsspulen kommt es zu erhöhten Energieverlusten, da die dort verstärkt auftretenden magnetischen Querfelder im Kupferhohlleiter Wirbelströme induzieren.

[0003] Aus der EP 0 240 099 A2 ist es bekannt, den Induktionsstrom ausschließlich durch mehrere parallel zueinander verlaufende, gegeneinander isolierte, zu Litzen zusammengefaßte Einzelleiter zu führen. Dabei ist der Querschnitt der Einzelleiter so dimensioniert, daß keine wesentlichen Wirbelströme in den Endbereichen derartiger Induktionsspulen auftreten können.

[0004] Diese Induktionsspulen haben gegenüber den Induktionsspulen aus Hohlleitern den Nachteil, daß ihre Herstellung und auch die für die Gewährleistung einer ausreichenden Kühlung erforderlichen Maßnahmen aufwendiger und kostspieliger sind. Die Einzelleiter bzw. Litzen müssen trotz der sie umgebenden elektrisch isolierenden Mittel , z.B. Lack oder Isolationsschlauch, in einem guten thermischen Kontakt zum Kühlmittel stehen.

[0005] Ein weiterer Nachteil des Stromtransportes durch Litzen, d.h. durch eine Vielzahl von Einzelleitern, ergibt sich aus der dadurch bedingten räumlichen Verteilung der Stromdichte. Da jeder Einzelleiter Strom führt, ist die Stromdichte in etwa gleichmäßig über dem Litzenquerschnitt verteilt und damit der mittlere Abstand zwischen Induktionsstrom und dem zu erwärmenden metallischen Gut in etwa durch die Litzenmitte bestimmt. Bei Hohl leitern dagegen konzentriert sich die Stromdichte auf den der Innenfläche der Induktionsspule zugewandten Teil des Hohl leiterquerschnittes. Bei gleichem Spuleninnenradius ist also bei einer Litzenspule der mittlere Abstand zwischen Induktionsstrom und dem zu erwärmenden metallischen Gut höher, womit hier gleichzeitig die durch diesen Abstand verursachten Verluste größer sind.

[0006] Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, eine Induktionsspule der eingangs erwähnten Art bereitzustellen, die wirksam und kostengünstig die Verluste über die gesamte Spulenlänge reduziert.

[0007] Bei einer Induktionsspule der eingangs erwähnten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in den Windungen in zumindest einem der Endbereiche der Induktionsspule ein stromführendes Element in Form von mindestens einer aus isolierten Einzel leitern bestehenden Litze vorgesehen ist und daß die restlichen Windungen als Hohlleiter ausgebildet und jeweils an das stromführende Element elektrisch angeschlossen sind.

[0008] Bei einer solchen Spule kommen die Vorteile der hier miteinander kombinierten Spulenbauweisen zur Geltung:

[0009] In den Endbereichen wird der Strom durch Litzen geführt, wodurch Verluste aufgrund von Querfeldern weitgehend vermieden werden. Desweiteren hat sich empirisch gezeigt, daß bei der Verwendung von Litzenleitungen der aktive Bereich der Spule länger ist als bei der Verwendung von Hohlleitern. Der Grund hierfür ist vermutlich eine geringere Durchlässigkeit der Litzenwindungen für Querfelder, da hier die Stromdichte gleichmäßig über dem Litzenquerschnitt verteilt ist. Bei Hohlleitern kann sich dagegen die Stromdichte auf Teilbereiche des Querschnittes konzentrieren, wodurch andere Bereiche nahezu stromfrei bleiben und so Lücken für den Durchtritt von Querfeldern bieten.

[0010] Im Mittelbereich der Spule, wo das induzierte Magnetfeld keinen wesentlichen Betrag in radialer Richtung hat, wird mit den Hohl leitern die einfache und kostengünstige Bauvariante eingesetzt. Außerdem wird durch die Verwendung von Hohl leitern der mittlere Abstand der Stromdichte zu dem zu erwärmenden Gut minimiert, womit auch die abstandsbedingten Verluste minimiert werden.

[0011] Die erfindungsgemäße Spule kann so ausgebildet sein, daß die die Litze(n) aufnehmenden strangförmigen Hohlkörper aus einem unmagnetischen, schlecht leitenden Material bestehen.

[0012] Die erfindungsgemäße Induktionsspule kann auch so ausgeführt sein, daß die die Litze(n) aufnehmenden strangförmigen Hohlkörper aus V2A-Edelstahl bestehen.

[0013] V2A-Edelstahl hat für die hier betroffene Anwendung neben seiner thermischen und chemischen Beständigkeit den Vorteil einer geringen elektrischen Leitfähigkeit. Hierdurch wird das Auftreten von Wirbelströmen in dem das fluide Kühlmittel führenden strangförmigen Hohlkörper vermieden.

[0014] Desweiteren kann die erfindungsgemäße Induktionsspule so ausgeführt sein, daß die Hohlleiter und die Einzelleiter der Litze(n) aus Kupfer hergestellt sind.

[0015] Die erfindungsgemäße Induktionsspule kann auch so ausgeführt sein, daß jede Litze von einer thermisch und gegen das Kühlmittel beständigen Isolation umgeben ist.

[0016] Hierdurch werden die Einzelleiter der Litze zusammengehalten und außerdem gegen mechanische Belastungen sowie gegen eine möglicherweise schädliche Einwirkung des Kühlmittels geschützt.

[0017] Die erfindungsgemäße Induktionsspule kann auch so ausgelegt sein, daß innerhalb einer Litze ein ein Kühlmittel führender Kühl kanal vorgesehen ist.

[0018] Hierdurch kann auch bei hohen Stromstärken eine ausreichende Wärmeabfuhr gewährleistet werden.

[0019] Desweiteren kann die erfindungsgemäße Induktionsspule so ausgebildet sein, daß mehrere Litzen ein Litzenbündel bilden, das von einer thermisch und gegen das Kühlmittel beständigen Isolation umgeben ist.

[0020] Die erfindungsgemäße Induktionsspule kann auch so ausgebildet sein, daß innerhalb eines Litzenbündels ein das Kühlmittel führender Kühl kanal vorgesehen ist.

[0021] Außerdem kann die erfindungsgemäße Induktionsspule so ausgebildet sein, daß der Querschnitt der strangförmigen Hohlkörper rechteckig ist.

[0022] Schließlich kann die erfindungsgemäße Induktionsspule so ausgebildet sein, daß an dem am Hohlleiter angrenzenden Ende jedes die Litze(n) aufnehmenden strangförmigen Hohlkörpers an der Spulenaußenseite eine mit der (den) Litze(n) elektrisch verbundene Stromanschlußklemme angebracht ist.

[0023] Das rechteckige Profil der strangförmigen Hohlkörper bewirkt gegenüber runden Profilen eine höhere Lagestabilität der einzelnen aufeinanderliegenden Windungen. Desweiteren ist bei gegebenen Abmessungen von Breite und Höhe des Hohlkörpers beim rechteckigen Profil das Volumen des damit umschlossenen Raumes maximal, womit auch der Kühlmitteldurchsatz maximiert wird. Zudem können störende Freiräume zwischen so ausgebildeten Hohl leitern praktisch ausgeschaltet werden.

[0024] Bei den als elektrische Hohlleiter ausgebildeten Windungen wird durch das rechteckige Profil der radiale Abstand zwischen Stromleiter und dem metallischen Gut gleichmäßig gering gehalten, während bei einem runden Hohlleiter dieser Abstand periodisch verändert wird. Die sich beim Rechteckprofil ergebende Gleichmäßigkeit dieses Abstands ist von Vorteil, da, wie oben schon ausgeführt, in dem aus einem Hohlleiter bestehenden Teil einer Induktionsspule die Induktionsstromdichte im Bereich der Spuleninnenseite maximal ist. Somit verläuft über die Länge der Hohlleiterspule betrachtet im Mittel der Induktionsstrom bei rechteckigem Profil näher am metallischen Gut, womit Verluste verringert werden.

[0025] Im folgenden werden einige Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Induktionsspule anhand von Zeichnungen beschrieben.

[0026] Es zeigt

Fig. 1:

in schematischer Darstellung einen Induktionsofen mit erfindungsgemäß ausgebildeter Induktionsspule im Axialschnitt,

Fig. 2:

in schematischer Darstellung den Querschnitt eines strangförmigen Hohlkörpers in einem der axialen Endbereiche der Spule mit einer Litze als stromführendes Element,

Fig. 3:

eine Darstellung gem. Fig. 2 mit einem in der Litze vorgesehenen Kühl kanal und

Fig. 4:

in schematischer Darstellung den Stromanschluß einer Litze zur Kopplung mit einem elektrischen Hohlleiter.

[0027] Fig. 1 zeigt schematisch einen Induktionsofen mit einem Tiegel 1 zur Aufnahme eines hier nicht dargestellten metallischen Gutes und mit einer Induktionsspule 2, deren Magnetfeld im metallischen Gut Wirbelströme erzeugt, welche dieses Gut erwärmen.

[0028] Die Windungen der Induktionsspule 2 sind aus strangförmigen Hohlkörpern 3,4 mit rechteckigem Profil gebildet. Im mittleren Bereich der Induktionsspule 2 sind die Hohlkörper den Strom führende Hohlleiter 3 aus Kupfer. Im oberen und unteren Endbereich der Induktionsspule 2 bestehen die Hohlkörper 4 dagegen aus V2A-Edelstahl, und der Induktionsstrom wird innerhalb dieser Hohlkörper 4 durch Litzen 6 aus Kupfer geleitet. Am übergang zwischen Hohlleiter 3 und Hohlkörper 4 sind Mittel zum elektrischen Anschluß 7 der Litze 6 an den Hohlleiter 3 nur schematisch dargestellt.

[0029] Oberhalb und unterhalb der Induktionsspule 2 sind zur Erhöhung der Wärmeabfuhr Kühl ringe 5 angebracht. Die Kühl ringe 5 führen keinen Induktionsstrom, sondern leiten lediglich ein fluides Kühlmittel.

[0030] Fig. 2 zeigt vergrößert den Querschnitt eines Hohlkörpers 4 mit einer darin verlaufenden Litze 6. Aus V2A-Edelstahl bestehend hat der Hohlkörper 4 eine im Vergleich zum Kupfer niedrige elektrische Leitfähigkeit, weshalb in seinen Wänden keine wesentlichen Wirbelströme durch magnetische Wechselfelder induziert werden. Die Litze 6 besteht aus einer Vielzahl von gegeneinander isolierten Einzelleitern, so daß auch hier keine ausgedehnten Wirbelströme induziert werden können. Die Litze 6 ist von einem Schlauch 8 umgeben, der die Litze 6 zusammenhält, gegen mechanische Belastungen und außerdem gegen mögliche Einwirkungen des fluiden Kühlmittels schützt.

[0031] Um die Abfuhr der durch den Strom erzeugten Wärme zu verbessern, ist bei der Ausführungsform gem. Fig. 3 innerhalb der Litze 6 ein Kühl kanal 9 vorgesehen.

[0032] Fig. 4 veranschaulicht, wie der elektrische Anschluß der Litze 6 an den Hohlleiter 3 ausgeführt sein kann. Dazu ist am Hohlkörper 4 ein Anschlußstutzen 10 vorgesehen, über den ein Schlauch 11 aus Glasgewebe gestülpt ist. In das andere Ende des Schlauches 11 ist ein den Schlauch 11 abdichtender, elektrisch leitender Stopfen 12, z.B aus Kupfer, eingesetzt, der an seinem einen Ende elektrisch mit der Litze 6 verbunden ist und an seinem anderen Ende außerhalb des Schlauches 11 eine Stromanschlußklemme 13 aufweist. Hieran kann der in dieser Figur nicht dargestellte Hohlleiter 3 elektrisch angeschlossen werden.

[0033] Der Stopfen 12 besitzt außerdem einen Kühlmittelkanal 14 der den Austritt bzw. die Weiterleitung des Kühlmittels erlauben kann.

[0034] Zur Kühlung der Induktionsspule kommt ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel in Betracht.

Bezugszeichenliste

[0035] 

1.

Tiegel

2.

Induktionsspule

3.

Hohlleiter

4.

Hohlkörper

5.

Kühlwindung

6.

Litze

7.

Mittel zum elektrischen Anschluß der Litze

8.

Isolierungsschlauch

9.

Kühl kanal

10.

Anschlußstutzen

11.

Glasgewebeschlauch

12.

Stopfen

13.

Stromanschlußklemme

14.

Kühlmittelkanal des Stopfens

Ansprüche

1. Verlustarme Induktionsspule (2) zum Erwärmen und/oder Schmelzen von metallischem Gut, mit aus strangförmigen Hohlkörpern (3,4) gebildeten, ein Kühlmittel führenden Windungen, dadurch gekennzeichnet, daß in den Windungen in zumindest einem der Endbereiche der Induktionsspule (2) ein stromführendes Element (6) in Form von mindestens einer aus isolierten Einzelleitern bestehenden Litze (6) vorgesehen ist und daß die restlichen Windungen als Hohlleiter (3) ausgebildet und jeweils an das stromführende Element (6) elektrisch angeschlossen sind.

2. Induktionsspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Litze(n) (6) aufnehmenden strangförmigen Hohlkörper (4) aus einem unmagnetischen, schlecht leitenden Material bestehen.

3. Induktionsspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Litze(n) (6) aufnehmenden strangförmigen Hohlkörper (4) aus V2A-Edelstahl bestehen.

4. Induktionsspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlleiter (3) und die Einzelleiter der Litze(n) (6) aus Kupfer hergestellt sind.

5. Induktionsspule nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Litze (6) von einer thermisch und gegen das Kühlmittel beständigen Isolation (8) umgeben ist.

6. Induktionsspule nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb einer Litze (6) ein ein Kühlmittel führender Kühl kanal (9) vorgesehen ist.

7. Induktionsspule nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Litzen (6) ein Litzenbündel bilden, das von einer thermisch und gegen das Kühlmittel beständigen Isolation umgeben ist.

8. Induktionsspule nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines Litzenbündels ein das Kühlmittel führender Kühl kanal (9) vorgesehen ist.

9. Induktionsspule nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der strangförmigen Hohlkörper (3,4) rechteckig ist.

10. Induktionsspule nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem am Hohlleiter (3) angrenzenden Ende jedes die Litze(n) (6) aufnehmenden strangförmigen Hohlkörpers (4) an der Spulenaußenseite eine mit der (den) Litze(n) (6) elektrisch verbundene Stromanschlußklemme (13) angebracht ist.

Claims

1. Low-loss induction coil (2) for heating and/or melting metallic materials, the coil having windings formed by lengths of hollow tubing (3, 4) and carrying a coolant, characterized in that a current-carrying element (6) in the form of at least one braid (6) consisting of insulated individual conductors is provided in the windings in at least one of the end zones of the induction coil (2), and in that the remaining windings are designed as hollow conductors (3) and are each electrically connected to the current-carrying element (6).

2. Induction coil according to Claim 1, characterized in that the lengths of hollow tubing (4) receiving the braid(s) (6) consist of a non-magnetic material of poor conductivity.

3. Induction coil according to Claim 1, characterized in that the lengths of hollow tubing (4) receiving the braid(s) (6) consist of V2A special steel.

4. Induction coil according to one of the preceding claims, characterized in that the hollow conductors (3) and the individual conductors of the braid(s) (6) are made of copper.

5. Induction coil according to one of the preceding claims, characterized in that each braid (6) is surrounded by an insulation (8) which is resistant to high temperatures and to the coolant.

6. Induction coil according to one of the preceding claims, characterized in that a cooling channel (9) carrying a coolant is provided inside a braid (6).

7. Induction coil according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of braids (6) form a braid bundle which is surrounded by an insulation which is resistant to high temperatures and to the coolant.

8. Induction coil according to Claim 7, characterized in that a cooling channel (9) carrying the coolant is provided inside a braid bundle.

9. Induction coil according to one of the preceding claims, characterized in that the cross-section of the lengths of hollow tubing (3, 4) is rectangular.

10. Induction coil according to one of the preceding claims, characterized in that a current terminal (13) which is electrically connected to the braid(s) (6) is attached to the outside of the coil at the end, adjacent to the hollow conductor (3), of each length of hollow tubing (4) receiving the braid(s) (6).

Revendications

1. Bobine d'induction (2) à faibles pertes pour échauffer et/ou souder un matériau métallique, avec des enroulements façonnés à partir de corps creux (3/4) en forme de boyaux conduisant un fluide de refroidissement, caractérisée par le fait qu'un élément conducteur d'électricité (6) ayant la forme d'au moins un toron (6) composé de conducteurs individuels isolés est prévu dans les enroulements dans au moins l'une des zones d'extrémité de la bobine d'induction (2) et que les autres enroulements sont réalisés sous la forme de conducteurs creux (3) et sont chacun raccordés électriquement à l'élément conducteur d'électricité (6).

2. Bobine d'induction selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les corps creux (4) en forme de boyaux recevant le(s) toron(s) (6) se composent d'un matériau amagnétique mauvais conducteur.

3. Bobine d'induction selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les corps creux (4) en forme de boyaux recevant le(s) toron(s) (6) se composent d'acier doux V2A.

4. Bobine d'induction selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que les conducteurs creux (3) et les conducteurs individuels du (des) toron(s) (6) sont fabriqués en cuivre.

5. Bobine d'induction selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que chaque toron (6) est entouré d'une isolation (8) thermique et résistante au fluide de refroidissement.

6. Bobine d'induction selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'un canal de refroidissement (9) conduisant un fluide de refroidissement est prévu dans un toron (6).

7. Bobine d'induction selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que plusieurs torons (6) forment un faisceau de torons qui est entouré par une isolation thermique et résistante au fluide de refroidissement.

8. Bobine d'induction selon la revendication 7, caractérisée par le fait qu'un canal de refroidissement (9) conduisant un fluide de refroidissement est prévu dans un faisceau de torons.

9. Bobine d'induction selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que la section des corps creux (3, 4) en forme de boyaux est rectangulaire.

10. Bobine d'induction selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'une borne de raccordement électrique (13) reliée électriquement avec le(s) toron(s) (6) est montée du côté extérieur de la bobine sur l'extrémité connexe au conducteur creux (3) de chaque corps creux (4) en forme de boyau recevant le(s) torons(s) (6).

Zeichnung