RU2193293C2

RU2193293C2 - Inductor heating flat surfaces

Info

Publication number: RU2193293C2
Application number: RU2000129369A
Authority: RU
Inventors: С.К. Земан; П.Г. Бабенко
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Магнит"
Priority date: 2000-11-23
Filing date: 2000-11-23
Publication date: 2002-11-20

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: invention is related to inductors of heating gears using high-frequency current which are intended to heat flat surfaces, such as face surface of units enduring heat. The invention involves decreasing of leakage field and attenuation of field intensity in internal turns of spiral owing to redistribution of magnetic field and decrease of concentration of eddy currents in central turns of coil as well as to more uniform distribution of working current across section of inductor winding. Proposed inductor heating flat parts comes in the form of single-layer Archimedean spiral produced from current-conducting material put on electro-and-heat insulated base and connected to AC high-frequency source and magnetic flux concentrator. Magnetic flux concentrator is manufactured in the form of intermediate spiral of material containing ferromagnetic which turns are placed between turns of main spiral on inducing conductor. EFFECT: small mass and dimensions, convenience and safety of operation securing uniform heating of surfaces. 5 dwg

Description

Изобретение относится к индукторам для нагревательных устройств, работающих на токах высокой частоты, а именно устройств для нагрева плоских поверхностей, таких как торцевые поверхности узлов, подвергающихся нагреву для термообработки, дисков, пластин и т.п. The invention relates to inductors for heating devices operating at high frequency currents, namely, devices for heating flat surfaces, such as end surfaces of assemblies subjected to heating for heat treatment, disks, plates, etc.

Изобретение может использоваться на ремонтных предприятиях железнодорожного транспорта и предназначено для использования при ремонте сваркой и наплавкой плоских поверхностей, а также для нагрева при съеме и посадке деталей при горячей их посадке, когда требуется их предварительный нагрев до определенной температуры. Одна из основных трудностей при создании плоского индуктора, легкого и удобного в работе,заключается в перегреве внутренних витков спирали, из-за чего такие индукторы не получили широкого распространения, в виду их низкой надежности, низкого кпд, дополнительного усложнения конструкции, связанного с необходимостью принудительного охлаждения. The invention can be used at repair enterprises of railway transport and is intended for use during repair by welding and surfacing of flat surfaces, as well as for heating during removal and landing of parts during their hot landing, when their preliminary heating to a certain temperature is required. One of the main difficulties in creating a flat inductor, easy and convenient to use, is the overheating of the internal turns of the spiral, which is why such inductors are not widely used, due to their low reliability, low efficiency, and additional design complication associated with the need for forced cooling.

Известны индукторы для нагрева плоских поверхностей, например (патент РФ 2138138, дата публ. 20.09.1999г. ) многовитковая индуктирующая катушка, подключаемая к сети переменного тока промышленной частоты, напряжением 220/380В, выполненная в виде кольца, нижняя торцевая часть которого теплоизолирована и защищена от механических повреждений кожухом из немагнитной стали. Шесть радиально размещенных, подвижных П-образных магнитопроводов с разновысокими стойками охватывают индуктирующую катушку в направлении магнитного потока. Inductors for heating flat surfaces are known, for example (RF patent 2138138, publication date 09/20/1999) a multi-turn induction coil connected to an industrial frequency alternating current network, voltage 220 / 380V, made in the form of a ring, the lower end part of which is insulated and protected from mechanical damage by a casing of non-magnetic steel. Six radially arranged, movable U-shaped magnetic circuits with unequal racks enclose the induction coil in the direction of magnetic flux.

Недостатком такого устройства для решения поставленной задачи является большой вес и габариты, обусловленные наличием магнитопроводов, а также конструкцией катушки, связанной с тем, что при использовании промышленной частоты требуется большое количество витков и невозможно выполнение катушки плоской. The disadvantage of this device to solve the problem is the large weight and dimensions due to the presence of magnetic cores, as well as the design of the coil, due to the fact that when using the industrial frequency requires a large number of turns and it is impossible to make the coil flat.

Известен также низкочастотный индукционный нагреватель для прогрева стенок стальных изделий, включающий катушку и электроизоляционное основание, причем катушка выполнена в виде однослойной архимедовой спирали (см. описание к патенту РФ 2098928, Б.И. 34, 97). Also known is a low-frequency induction heater for heating the walls of steel products, including a coil and an electrical insulating base, and the coil is made in the form of a single-layer Archimedean spiral (see the description of the patent of the Russian Federation 2098928, B.I. 34, 97).

Недостатком устройства является большая рассеиваемая мощность. Поле такой катушки концентрируется во внутренней ее части и может привести к перегреву витков. The disadvantage of this device is the large power dissipation. The field of such a coil is concentrated in its inner part and can lead to overheating of the turns.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является индукционный нагреватель плоских вытянутых поверхностей ( заявка РФ на полезную модель 2000111376/20). Индукционный нагреватель состоит из катушки в виде однослойной архимедовой спирали из электропроводного материала, размещенной на электро- и теплоизоляционном основании, подключенной к источнику переменного тока высокой частоты, и концентратора магнитного потока, расположенного на плоской поверхности катушки. Closest to the claimed invention is an induction heater of flat elongated surfaces (RF application for utility model 2000111376/20). An induction heater consists of a coil in the form of a single-layer Archimedean spiral made of electrically conductive material placed on an electric and heat-insulating base connected to a high-frequency alternating current source, and a magnetic flux concentrator located on the flat surface of the coil.

Недостатком указанного нагревателя является возможный перегрев центральных витков спиральной катушки из-за высокой напряженности поля в центре катушки, которая вызывает большую концентрацию вихревых токов во внутренних витках спирали ( на фиг. 1а показана картина распределения магнитного поля спиральной катушки). Концентратор магнитного потока, используемый в данном нагревателе, изменяет общую картину поля, но оказывает недостаточное влияние на поле каждого отдельного витка. The disadvantage of this heater is the possible overheating of the central turns of the spiral coil due to the high field strength in the center of the coil, which causes a large concentration of eddy currents in the internal turns of the spiral (Fig. 1a shows the magnetic field distribution of the spiral coil). The magnetic flux concentrator used in this heater changes the general picture of the field, but has an insufficient effect on the field of each individual turn.

Задача изобретения заключается в снижении перегрева внутренних витков спиральной катушки, увеличении равномерности нагрева по поверхности с одновременным увеличением кпд. The objective of the invention is to reduce overheating of the internal turns of the spiral coil, increasing the uniformity of heating on the surface with a simultaneous increase in efficiency.

Поставленная задача решается путем уменьшения рассеиваемого поля и ослабления напряженности поля во внутренних витках спирали за счет перераспределения магнитного поля и уменьшения концентрации вихревых токов в центральных витках катушки. А также более равномерного распределения рабочего тока по сечению обмотки индуктора. Для этого в индукционном нагревателе, состоящем из катушки в виде однослойной архимедовой спирали из электропроводного материала, размещенной на электро- и теплоизоляционном основании, подключенной к источнику переменного тока высокой частоты, и концентратора магнитного потока, концентратор магнитного потока выполнен в виде промежуточной спирали из материала, содержащего ферромагнетик, витки которой расположены между витками основной спирали индуктирующего проводника. The problem is solved by reducing the scattered field and attenuating the field strength in the internal turns of the spiral by redistributing the magnetic field and reducing the concentration of eddy currents in the central turns of the coil. As well as a more uniform distribution of the operating current over the cross section of the inductor winding. To do this, in an induction heater consisting of a coil in the form of a single-layer Archimedean spiral made of electrically conductive material placed on an electric and heat insulating base connected to a high-frequency alternating current source and a magnetic flux concentrator, the magnetic flux concentrator is made in the form of an intermediate spiral made of material, containing a ferromagnet, the turns of which are located between the turns of the main spiral of the induction conductor.

Далее сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
фиг. 1 - схематически представлено распределение магнитного поля спиральной катушки, 1а - без использования магнитного концентратора, 1б - с использованием магнитного концентратора в виде промежуточной спирали из материала, содержащего ферромагнетик;
фиг. 2 - распределение тока по индуктирующему проводнику, 2а - в плоской спиральной катушке, 2б - в плоской спиральной спиральной катушке с магнитным концентратором в виде промежуточной спирали из материала, содержащего ферромагнетик;
Фиг. 3 - схематически представлено выполнение индуктора в виде плоской спиральной катушки с промежуточной спиралью из материала, содержащего ферромагнетик.Further, the invention is illustrated by drawings, which depict:
FIG. 1 - a schematic representation of the magnetic field distribution of a spiral coil, 1a - without using a magnetic concentrator, 1b - using a magnetic concentrator in the form of an intermediate spiral made of a material containing a ferromagnet;
FIG. 2 - current distribution over the induction conductor, 2a - in a flat spiral coil, 2b - in a flat spiral coil with a magnetic concentrator in the form of an intermediate spiral made of a material containing a ferromagnet;
FIG. 3 - schematically shows the design of the inductor in the form of a flat spiral coil with an intermediate spiral of a material containing a ferromagnet.

На фиг.1а видно, что концентрация силовых линий магнитного поля 4, образующегося вокруг витков 2 спирали, повышается вблизи внутренних витков спирали, что приводит к их более сильному нагреву, чем в других областях спирали. При размещении между витками спирали 2 промежуточных витков 3 из материала, содержащего ферромагнетик (фиг. 1б) в результате пазового эффекта напряженность магнитного поля в центре катушки ослабляется, снижаются потери, вызванные повышенной концентрацией вихревых токов во внутренних витках спирали 2. Кроме того, введение промежуточных ферромагнитных витков оказывает влияние на распределение тока по индуктирующему проводнику спирали 2. На фиг. 2а показано такое распределение в отсутствие промежуточных ферромагнитных витков. При размещении между проводящими витками 2 промежуточных витков из материала, содержащего ферромагнетик, распределение тока по индуктирующему проводнику становится более равномерным (фиг. 2б) за счет уменьшения влияния магнитного поля, возбуждаемого в отдельных витках спирали 2 друг на друга. В соответствии с вышесказанным, на фиг.3 представлен индуктор для нагрева плоских поверхностей, выполненный в виде плоской архимедовой спирали 2, расположенной на электро- и теплоизоляционом основании 1. Индуктор соединен с источником переменного тока высокой частоты (не показан). Между витками спирали индуктирующего проводника 2 расположены витки промежуточной спирали магнитного концентратора 3, выполненные из материала, содержащего ферромагнетик. Такой концентратор снижает рассеиваемое поле и перераспределяет вихревые токи по нагреваемой поверхности. При необходимости нагрева локальных областей поверхности можно использовать дополнительный концентратор магнитного потока, например такой, как описан в прототипе, конструкция которого позволяет получать нагрев области, расположенной вдоль длинной оси изделия. On figa it is seen that the concentration of the lines of force of the magnetic field 4 formed around the coils 2 of the spiral increases near the inner coils of the spiral, which leads to their stronger heating than in other areas of the spiral. When placing between the turns of the spiral 2 intermediate coils 3 of a material containing a ferromagnet (Fig. 1b) as a result of the groove effect, the magnetic field in the center of the coil is weakened, losses caused by an increased concentration of eddy currents in the internal coils of the coil 2 are reduced. In addition, the introduction of intermediate ferromagnetic coils affects the distribution of current along the induction conductor of spiral 2. In FIG. Figure 2a shows such a distribution in the absence of intermediate ferromagnetic coils. When intermediate coils of material containing a ferromagnet are placed between the conducting coils 2, the current distribution over the induction conductor becomes more uniform (Fig. 2b) by reducing the influence of the magnetic field excited in the individual coils of the spiral 2 on each other. In accordance with the foregoing, Fig. 3 shows an inductor for heating flat surfaces, made in the form of a flat Archimedean spiral 2 located on an electric and heat-insulating base 1. The inductor is connected to a high-frequency alternating current source (not shown). Between the turns of the spiral of the induction conductor 2 are the turns of the intermediate spiral of the magnetic concentrator 3, made of a material containing a ferromagnet. Such a concentrator reduces the scattered field and redistributes the eddy currents over the heated surface. If it is necessary to heat local areas of the surface, an additional magnetic flux concentrator can be used, for example, as described in the prototype, the design of which allows heating of a region located along the long axis of the product.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Индуктор размещается на нагреваемой поверхности, включается подача переменного напряжения частотой 7-10,5 кГц. The inductor is placed on a heated surface, the supply of alternating voltage with a frequency of 7-10.5 kHz is turned on.

При включении индуктора на катушку поступает переменный ток от высокочастотного источника, который создает вокруг витков спирали переменное магнитное поле, индуктирующее вихревые токи в поверхности нагреваемой детали, приводящие к ее нагреву. Эффекты, обусловленные наличием концентратора магнитного потока в виде промежуточной спирали 3, приводят к существенному снижению перегрева внутренних витков спирали, что приводит к увеличению кпд плоской катушки, используемой в индукторах. When the inductor is turned on, an alternating current is supplied to the coil from a high-frequency source, which creates an alternating magnetic field around the coils of the spiral, inducing eddy currents in the surface of the heated part, leading to its heating. The effects due to the presence of a magnetic flux concentrator in the form of an intermediate spiral 3 lead to a significant decrease in the overheating of the internal turns of the spiral, which leads to an increase in the efficiency of the flat coil used in inductors.

Реализация данного устройства может выполняться различными путями. При реализации данного устройства в установке для нагрева на поверхности катушки, обращенной к нагреваемой детали, может быть размещен термодатчик, сигнал с которого, поступающий на схему управления нагревом, обусловливает управление режимом работы источника питания для обеспечения необходимого технологического цикла нагрева. Размеры катушки выполняются в соответствии с площадью нагреваемой поверхности. В зависимости от конфигурации области поверхности, которую необходимо подвергнуть нагреву, индуктор может быть снабжен дополнительными концентраторами магнитного потока, что позволит еще больше увеличить кпд и эффективность использования индуктора. Примером реализации может служить индуктор для нагрева челюсти боковой рамы тележки железнодорожного вагона перед ее восстановлением. Площадь поверхности челюсти боковой рамы тележки грузового вагона, подлежащая восстановлению, имеет вытянутую форму, близкую к овалу. Нагреву должны подвергаться области, прилегающие к концам большей оси овала, в то время как области, прилегающие к малой оси овала, не должны нагреваться или по крайней мере должны подвергаться меньшему нагреву. Использование в указанном индукторе спирали, дополненной спиральным концентратором магнитного потока, позволяет выровнять поле по нагреваемой области поверхности, где конфигурация самого поля определяется конструкцией магнитного концентратора, расположенного на поверхности спирали, и таким образом получить высокий кпд индуктора. The implementation of this device can be performed in various ways. When implementing this device, a thermal sensor can be placed on the surface of the coil facing the heated part, the signal from which arriving at the heating control circuit determines the control of the operation mode of the power source to provide the necessary heating technological cycle. The dimensions of the coil are made in accordance with the area of the heated surface. Depending on the configuration of the surface area to be heated, the inductor can be equipped with additional magnetic flux concentrators, which will further increase the efficiency and efficiency of using the inductor. An example of implementation is an inductor for heating the jaw of the side frame of a railway carriage trolley before its restoration. The surface area of the jaw of the side frame of the freight car truck to be restored has an elongated shape close to an oval. The areas adjacent to the ends of the major axis of the oval should be heated, while the areas adjacent to the minor axis of the oval should not be heated, or at least be less heated. The use of a spiral in the indicated inductor, supplemented by a spiral magnetic flux concentrator, makes it possible to align the field along the heated surface region, where the field configuration is determined by the design of the magnetic concentrator located on the spiral surface, and thus obtain a high efficiency of the inductor.

Нагреватель, реализованный в соответствии с данным изобретением, решает проблему создания плоских индукторов, малого веса и габаритов, удобных и безопасных в работе, обеспечивающих равномерный нагрев поверхности. The heater, implemented in accordance with this invention, solves the problem of creating flat inductors, low weight and dimensions, convenient and safe to use, ensuring uniform heating of the surface.

Claims

An inductor for heating flat surfaces, consisting of a coil in the form of a single-layer Archimedean spiral made of an electrically conductive material placed on an electric and heat insulating base connected to a high-frequency alternating current source, and a magnetic flux concentrator, characterized in that the magnetic flux concentrator is made in in the form of an intermediate spiral made of a material containing a ferromagnet, the turns of which are located between the turns of a spiral of an induction conductor.