RU2845350C1 - Compact and light electromagnetic screen for high-power inductor - Google Patents
Compact and light electromagnetic screen for high-power inductorInfo
- Publication number
- RU2845350C1 RU2845350C1 RU2023113184A RU2023113184A RU2845350C1 RU 2845350 C1 RU2845350 C1 RU 2845350C1 RU 2023113184 A RU2023113184 A RU 2023113184A RU 2023113184 A RU2023113184 A RU 2023113184A RU 2845350 C1 RU2845350 C1 RU 2845350C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- inductor
- ferromagnetic
- screen
- ferromagnetic elements
- paragraphs
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к экранированному электромагнитному индуктору, выполненному с возможностью работать на высоких частотах индукции с повышенной реактивной мощностью и, возможно, в среде с высоким ионизирующим облучением, хотя не исключены и более общие варианты применения. Заявленный индуктор оснащен электромагнитным экраном, усовершенствованным в первую очередь с точки зрения габарита, массы и сохранения электрических параметров шихты. Им можно оснастить плавильную печь для твердой шихты.The present invention relates to a shielded electromagnetic inductor, designed with the ability to operate at high induction frequencies with increased reactive power and, possibly, in an environment with high ionizing radiation, although more general application options are not excluded. The claimed inductor is equipped with an electromagnetic screen, improved primarily in terms of size, weight and preservation of electrical parameters of the charge. It can be equipped with a melting furnace for solid charge.
Управление магнитным полем в индукционных системах рассмотрено во многих патентах и научных публикациях. Существуют самые разные варианты применения: от электронных микрокомпонентов до промышленных печей размером в несколько метров. Изолирование магнитного поля при помощи устройства типа экрана вокруг источника может быть полезным для улучшения электротехнических характеристик системы или для обеспечения иммунитета в отношении электромагнитного излучения между системой и окружающей ее средой. В этом втором случае экран позволяет избегать электромагнитных воздействий и их последствий, таких как нежелательные электродвижущие силы или нагревы, электрические дуги, электромагнитные помехи и проблемы электромагнитной совместимости между электрическими приборами, а также риски воздействия на деятельность живых организмов. Обычные пассивные электромагнитные экраны представляют собой металлический кожух или концентраторы поля из материалов с высокой магнитной проницаемостью, называемых ферромагнетиками (материалы, способные притягивать и направлять магнитное поле). Металлические кожухи в основном применяются, когда электромагнитное излучение имеет большую мощность и высокую частоту. Это решение наиболее подходит для электронного оборудования. В случае устройств, создающих магнитное поле с большой величиной, это решение приводит к слишком большой взаимной индуктивности между индуктором и кожухом, что вынуждает оставлять определенное расстояние между этими двумя элементами, чтобы не снижать КПД индуктора и чтобы не перегревать кожух или не добавлять к нему новое охладительное устройство. Габаритный размер, вытекающий от использования экрана с металлическим кожухом, может стать несовместимым с требованиями интегрирования.Magnetic field control in induction systems has been discussed in many patents and scientific publications. There are a wide range of applications, from electronic microcomponents to industrial furnaces several meters in size. Isolation of the magnetic field using a shield-type device around the source can be useful to improve the electrical performance of the system or to provide immunity to electromagnetic radiation between the system and its environment. In the second case, the shield helps to avoid electromagnetic effects and their consequences, such as unwanted electromotive forces or heating, electric arcs, electromagnetic interference and electromagnetic compatibility problems between electrical devices, as well as risks of impact on the activity of living organisms. Conventional passive electromagnetic shields are metal casings or field concentrators made of materials with high magnetic permeability, called ferromagnets (materials that can attract and direct a magnetic field). Metal casings are mainly used when the electromagnetic radiation is high in power and at high frequency. This solution is most suitable for electronic equipment. In the case of devices that generate a magnetic field with a large value, this solution leads to too large a mutual inductance between the inductor and the housing, which forces a certain distance to be left between these two elements, so as not to reduce the efficiency of the inductor and not to overheat the housing or add a new cooling device to it. The overall size resulting from the use of a shield with a metal housing may become incompatible with the requirements of integration.
Концентраторы поля используют для ограничения утечек поля, частота которого является слишком низкой для металлического кожуха (их глубина проникновения является слишком большой), или для повышения эффективности электрического компонента. В устройствах, работающих на частоте до нескольких десятков килогерц (например, в трансформаторах на электрической сети, в промышленных печах для плавки металла), классически используемые концентраторы выполнены в виде листового набора из ламинированного железа и электрического изолятора. В вариантах применения, работающих на более высокой частоте, используют массивные ферромагнитные детали. В этом случае сталкиваются с различными трудностями реализации. Прежде всего, тепловые потери в обычных концентраторах поля являются слишком большими для использования на высокой частоте и при большой реактивной мощности, как в основной предполагаемой области использования (более 100 кГц и порядка 300 кГц; более 1 Мвар и порядка 12 Мвар). Кроме того, эти тепловые потери могут усиливаться явлениями магнитного резонанса, которые могут возникать в обычных ферромагнитных материалах, таких как мягкие ферриты, получаемых при формовании и прессовании порошков на основе оксидов железа или других металлов, когда эти детали достигают сантиметровых размеров. Кроме того, ферриты, предназначенные для диапазонов частот сверх 100 кГц (например, на основе Zn и Mn, Ni или Mg), являются материалами, сложными в механической обработке по причине их высокой твердости и хрупкости. Следовательно, их применение на оборудовании большого размера или сложной геометрии является особенно проблематичным. Таким образом, мягкие ферриты в основном находят применение в общих форматах как подавители электромагнитных помех на кабелях или в небольших трансформаторах и в катушках индуктивности электронных схем, но намного реже в индукционных системах нагрева.Field concentrators are used to limit the leakage of a field whose frequency is too low for a metal casing (their penetration depth is too great) or to increase the efficiency of an electrical component. In devices operating at a frequency of up to several tens of kilohertz (e.g. in transformers in an electrical network, in industrial furnaces for melting metal), the concentrators used classically are made in the form of a sheet set of laminated iron and an electrical insulator. In applications operating at higher frequencies, massive ferromagnetic parts are used. In this case, various implementation difficulties are encountered. First of all, the thermal losses in conventional field concentrators are too large for use at high frequencies and at high reactive power, as in the main intended area of use (more than 100 kHz and about 300 kHz; more than 1 Mvar and about 12 Mvar). In addition, these heat losses can be aggravated by magnetic resonance phenomena that can occur in conventional ferromagnetic materials, such as soft ferrites obtained by molding and pressing iron or other metal oxide powders when these parts reach centimeter sizes. In addition, ferrites designed for frequency ranges above 100 kHz (e.g. based on Zn and Mn, Ni or Mg) are materials that are difficult to machine due to their high hardness and brittleness. Therefore, their use in large-sized equipment or complex geometries is particularly problematic. Thus, soft ferrites mainly find application in general formats as EMI suppressors on cables or in small transformers and inductors of electronic circuits, but much less often in induction heating systems.
Другими возможными ферромагнитными материалами являются композиты, называемые связанными ферритами, которые содержат органическое электроизолирующее связующее (например, ПТФЭ) между частицами порошка железа. Интерес в использовании таких материалов для индукционного нагрева отображен во многих документах. Их большим преимуществом является легкость механической обработки. Однако связанные ферриты рассеивают больше тепловых потерь, чем мягкие ферриты, и не совместимы с сильным ионизирующим излучением, так как содержащийся в них изолятор является органическим.Other possible ferromagnetic materials are composites called bonded ferrites, which contain an organic electrically insulating binder (e.g. PTFE) between iron powder particles. Interest in using such materials for induction heating has been documented in many papers. Their great advantage is that they are easy to machine. However, bonded ferrites dissipate more heat loss than soft ferrites and are not compatible with strong ionizing radiation, since the insulator they contain is organic.
Наконец, в рассматриваемых нами основных вариантах применения хорошее изолирование магнитного поля концентраторами поля предполагает чрезмерные массу и габарит в том числе по причине применяемого количества или из-за необходимости их охлаждения при помощи специальных контуров охлаждающей текучей среды. Finally, in the main application cases we are considering, good isolation of the magnetic field by field concentrators implies excessive mass and dimensions, including due to the quantity used or due to the need to cool them using special cooling fluid circuits.
С другой стороны, индукторы, оснащенные обычными концентраторами поля, изготовлены с обмоткой, состоящей из нескольких последовательно соединенных витков, каждый из которых делает оборот вокруг нагреваемой шихты. В вариантах применения с большой мощностью (>1 Мвар реактивной мощности) и с высокой частотой (>100 кГц) последовательно соединенные витки требуют слишком высокого напряжения, которое делает необходимым использование единственного витка (обмотка делает только один оборот), который может состоять из нескольких питаемых параллельно нитей индуктора. Проблемой параллельного монтажа является то, что распределение тока происходит преимущественно на периферических областях или нитях, что приводит к неравномерному нагреву в индукторе, при этом излучаемое магнитное поле и индукция в шихте тоже являются менее равномерными. Если концентраторы поля расположены вблизи индуктора с параллельными нитями, эта разнородность усиливается. По этой причине концентраторы поля в основном предназначены для индукторов с последовательно соединенными витками.On the other hand, inductors equipped with conventional field concentrators are made with a winding consisting of several turns connected in series, each of which makes a revolution around the heated charge. In applications with high power (> 1 Mvar reactive power) and high frequency (> 100 kHz), series-connected turns require too high a voltage, which necessitates the use of a single turn (the winding makes only one revolution), which can consist of several inductor filaments fed in parallel. The problem with parallel installation is that the current distribution occurs predominantly on the peripheral areas or filaments, which leads to uneven heating in the inductor, while the radiated magnetic field and the induction in the charge are also less uniform. If field concentrators are located near an inductor with parallel filaments, this heterogeneity is amplified. For this reason, field concentrators are mainly intended for inductors with series-connected turns.
Последней принимаемой во внимание трудностью является то, что концентраторы поля, такие как металлические кожухи, расположенные вблизи индуктора, изменяют электрические параметры шихты напротив источника мощности, что не позволяет встроить экран на существующей установке, не прибегая к большим изменениям на генераторе или на электрических проводах.A final difficulty to consider is that field concentrators such as metal enclosures placed near the inductor alter the electrical parameters of the charge opposite the power source, making it impossible to incorporate a screen into an existing installation without making major changes to the generator or electrical wiring.
В документе US 5 197 081 А описана индукционная печь, оснащенная электромагнитным экраном, предназначенным для отклонения силовых линий поля, которые без него были бы сильны искривленными наружу и достигали бы наружного кожуха, создавая в нем наведенные токи и тепловые потери. Экран представляет собой контуры листовой структуры, состоящие из ферромагнитных слоев, чередующихся с изолирующими слоями; все эти слои замыкаются на самих себе, при этом первые отклоняют линии поля, а вторые препятствуют чрезмерному нагреву в экране. Поле не достигает наружного кожуха, который, таким образом, не участвует в экране, и нет необходимости в каком-либо охлаждении ферромагнитного экрана. Однако листовая структура не подходит для больших значений мощности и частоты.Document US 5 197 081 A describes an induction furnace equipped with an electromagnetic screen designed to deflect the field lines, which would otherwise be strongly curved outward and reach the outer casing, creating induced currents and heat losses in it. The screen is a sheet structure of contours consisting of ferromagnetic layers alternating with insulating layers; all these layers are closed on themselves, the former deflecting the field lines, and the latter preventing excessive heating in the screen. The field does not reach the outer casing, which, therefore, does not participate in the screen, and there is no need for any cooling of the ferromagnetic screen. However, the sheet structure is not suitable for high values of power and frequency.
В документе US 5 588 019 А описана индукционная печь, обмотка индуктивности которой полностью окружена (с радиально наружной стороны) сплошным концентратором поля из композита порошка железа и связующего полимера. Применение этих материалов не может быть оправдано в изобретении по причине чрезмерных потерь, которые они создают при высоких значениях мощности. Для этого экрана предусмотрено охлаждение, которого следует максимально избегать в рамках изобретения. Здесь нет наружного кожуха, а лишь интенсивно вентилируемая сборочная конструкция.Document US 5 588 019 A describes an induction furnace, the induction winding of which is completely surrounded (on the radial outer side) by a continuous field concentrator made of a composite of iron powder and a binding polymer. The use of these materials cannot be justified in the invention due to the excessive losses they create at high power values. Cooling is provided for this screen, which should be avoided as much as possible within the scope of the invention. There is no outer casing here, but only an intensively ventilated assembly structure.
В документе JP H8 155 591 А описана индукционная печь, оснащенная экраном, который может быть изготовлен из феррита и разделенным на сектора в угловом направлении печи, то есть он состоит из отделенных друг от друга стоек, каждая из которых охватывает участок окружности печи; эта конструкция препятствует образованию наведенных токов в экране. Такие устройства со сплошными стойками, целью которых является улавливание максимума магнитного поля, сами по себе являются несовместимыми с предусмотренным здесь применением, так как они приводили бы к слишком большому магнитному потоку и, следовательно, к слишком большим тепловым потерям в экране. В данном случае вокруг печи и концентратора поля тоже нет сплошного наружного кожуха, а применяется простая соединительная конструкция или крепежное основание. Основной технической задачей, решаемой этим документом, является изоляция магнитного поля в осевом направлении при помощи плоских круглых проводящих пластин дна и вершины, на которые опираются концы концентратора поля, чтобы не позволять длинному каналу, служащему тиглем, отклонять линии поля за пределы места нагрева.JP H8 155 591 A describes an induction furnace equipped with a screen which may be made of ferrite and divided into sectors in the angular direction of the furnace, i.e. it consists of posts separated from each other, each of which encloses a section of the furnace circumference; this design prevents the formation of induced currents in the screen. Such devices with continuous posts, the purpose of which is to capture the maximum magnetic field, are in themselves incompatible with the application envisaged here, since they would lead to too great a magnetic flux and therefore to too great a heat loss in the screen. In this case, too, there is no continuous outer casing around the furnace and the field concentrator, but a simple connecting structure or mounting base is used. The main technical problem solved by this document is the isolation of the magnetic field in the axial direction by means of flat circular conducting plates of the bottom and top, on which the ends of the field concentrator rest, so as not to allow the long channel serving as a crucible to deflect the field lines beyond the heating place.
Задачей изобретения является обеспечение изолирования магнитного поля, которое может создаваться индуктором большой мощности, работающим на высокой частоте, при помощи устройства:The objective of the invention is to provide isolation of a magnetic field, which can be created by a high-power inductor operating at a high frequency, using a device:
- обеспечивающего высокий уровень изоляции наведенного поля, которое может составлять от нескольких десятых миллитесла до нескольких миллитесла на частоте, которая может быть порядка от 100 кГц до 1 МГц, например, 300 кГц,- providing a high level of isolation of the induced field, which can be from several tenths of a millitesla to several millitesla at a frequency that can be from 100 kHz to 1 MHz, for example, 300 kHz,
- имеющего контролируемую температуру без дополнительного контура охлаждения,- having a controlled temperature without an additional cooling circuit,
- компактного и ограниченного по массе,- compact and limited in weight,
- ограничивающего отклонение электрических параметров по отношению к конфигурации без экрана, чтобы экран можно было встроить в существующую установку без какого-либо изменения источника мощности или лишь с незначительными изменениями,- limiting the deviation of the electrical parameters with respect to the configuration without a screen, so that the screen can be integrated into an existing installation without any change to the power source or with only minor changes,
- которое можно изготовить при помощи классических промышленных средств,- which can be produced using classic industrial means,
- сохраняющего хорошую однородность индукции в объеме шихты, особенно в продольном направлении индуктора,- maintaining good homogeneity of induction in the volume of the charge, especially in the longitudinal direction of the inductor,
- имеющего срок службы в несколько лет при интенсивном промышленном использовании, с ограниченным или отсутствующим обслуживанием и в среде с высокой радиоактивностью.- having a service life of several years under intensive industrial use, with limited or no maintenance and in an environment with high radioactivity.
Конкретным применением, предусмотренным в рамках изобретения, является индукционный нагрев в холодном тигле для остекловывания радиоактивных отходов.A specific application envisaged within the scope of the invention is cold crucible induction heating for vitrification of radioactive waste.
Основным объектом изобретения является экранированный электромагнитный индуктор, включающий в себя индуктор, располагаемый перед шихтой, предназначенной для нагрева при помощи электромагнитной индукции, и состоящий из по меньшей мере одного проводящего витка, где ток проходит в направлении длины витка, и электромагнитный экран, содержащий концентратор магнитного поля, расположенный перед индуктором, при этом индуктор находится между указанным концентратором и шихтой, при этом указанный концентратор содержит ферромагнитные стойки, главное направление удлинения которых совпадает с направлением главной составляющей линий магнитного поля, распространяемых индуктором со стороны, обращенной к концентратору, при этом стойки отделены друг от друга электроизолирующей средой и охватывают, каждая, участок длины витка индуктора, отличающийся тем, что стойки состоят из ферромагнитных элементов, следующих друг за другом в указанном направлении удлинения стоек и разделенных электроизолирующими промежутками с меньшей магнитной проницаемостью и меньшей длины, чем ферромагнитные элементы, в указанном направлении удлинения, и тем, что электромагнитный экран дополнительно содержит проводящий электричество кожух, при этом концентратор поля находится между кожухом и индуктором.The main object of the invention is a shielded electromagnetic inductor, including an inductor located in front of a charge intended for heating by electromagnetic induction and consisting of at least one conductive turn, where the current passes in the direction of the length of the turn, and an electromagnetic screen containing a magnetic field concentrator located in front of the inductor, wherein the inductor is between said concentrator and the charge, wherein said concentrator contains ferromagnetic posts, the main direction of elongation of which coincides with the direction of the main component of the magnetic field lines spread by the inductor from the side facing the concentrator, wherein the posts are separated from each other by an electrically insulating medium and each covers a section of the length of the inductor turn, characterized in that the posts consist of ferromagnetic elements following one another in said direction of elongation of the posts and separated by electrically insulating gaps with a lower magnetic permeability and a shorter length than the ferromagnetic elements in said direction of elongation, and in that, that the electromagnetic screen additionally contains an electrically conductive casing, and the field concentrator is located between the casing and the inductor.
Эти промежутки либо заполнены электроизолирующим материалом, либо представляют собой воздушное пространство.These gaps are either filled with insulating material or represent an air space.
Следует уточнить, что термин «ферромагнитный» предполагает свойство материалов притягивать магнитное поле, то есть с относительной магнитной проницаемостью более 1.It should be clarified that the term "ferromagnetic" implies the property of materials to attract a magnetic field, that is, with a relative magnetic permeability greater than 1.
По сравнению с некоторыми известными концепциями, когда концентратор поля разбит на сектора параллельно линиям поля, концентратор в соответствии с изобретением тоже разбит на сектора перпендикулярно к линиям поля с двумя основными эффектами. Первый состоит в том, что по сравнению с классическими концепциями, в которых концентраторы поля являются сплошными в створе линий магнитного поля, магнитный поток, улавливаемый стойками, является более слабым, поэтому в концентраторе магнитные потери значительно уменьшаются, и охлаждение не обязательно является необходимым или оно достигается без дополнительного устройства циркуляции текучей среды, что будет описано ниже. Второй состоит в том, что остаточная индуктивная связь с проводящим наружным кожухом усиливается, уменьшая возмущающий эффект экрана на электрические параметры установки с точки зрения источника мощности, когда экран должен быть добавлен к существующей установке, и позволяя добавить этот экран без значительного изменения в другом месте в установке.Compared with some known concepts, where the field concentrator is divided into sectors parallel to the field lines, the concentrator according to the invention is also divided into sectors perpendicular to the field lines with two main effects. The first is that compared with classical concepts, in which the field concentrators are continuous in the alignment of the magnetic field lines, the magnetic flux captured by the posts is weaker, so that in the concentrator the magnetic losses are significantly reduced, and cooling is not necessarily necessary or it is achieved without an additional fluid circulation device, which will be described below. The second is that the residual inductive coupling with the conductive outer casing is enhanced, reducing the disturbing effect of the screen on the electrical parameters of the installation from the point of view of the power source when the screen is to be added to an existing installation, and allowing this screen to be added without significant change elsewhere in the installation.
Предпочтительно ферромагнитные элементы выполнены из мягкого феррита без полимерного связующего и без другого композиционного материала. Механическая обработка массивных элементов в виде блоков или плиток феррита, применяемых для больших значений мощности, таких как элементы на основе Mn и Zn, которая считается трудной, является вместе с тем выполнимой в хороших условиях посредством резки водяной струей.Preferably, the ferromagnetic elements are made of soft ferrite without a polymer binder and without other composite material. The mechanical processing of massive elements in the form of blocks or tiles of ferrite used for high power values, such as elements based on Mn and Zn, which is considered difficult, is nevertheless feasible under good conditions by means of water jet cutting.
Экран включает в себя проводящий электричество кожух, расположенный перед ферромагнитными стойками со стороны, противоположной к индуктору. При этом главный экран, создаваемый стойками концентратора поля, усиливается электромагнитным экраном, который останавливает остаточное поле, не улавливаемое главным ферромагнитным экраном, и способствует нейтрализации общего влияния экрана на электрические параметры установки. Толщина кожуха намного превышает характеристическую глубину проникновения поля, поэтому магнитным полем, которое может проходить через кожух, можно полностью пренебречь. Токи, наводимые в кожухе, оказываются умеренными, благодаря слабости остаточного поля, и тепловые потери в главном экране и проходящие за его пределы уменьшаются, благодаря разделению на сектора промежутками, при этом кожух может находиться очень близко к ферромагнитным стойкам, но не входя при этом с ними в электрический контакт. Радиальный габарит уменьшается без необходимости охлаждения, поскольку устраняется риск перегрева.The screen includes an electrically conductive casing located in front of the ferromagnetic posts on the side opposite to the inductor. In this case, the main screen created by the posts of the field concentrator is reinforced by an electromagnetic screen, which stops the residual field not captured by the main ferromagnetic screen, and helps to neutralize the overall effect of the screen on the electrical parameters of the installation. The thickness of the casing greatly exceeds the characteristic depth of field penetration, so the magnetic field that can pass through the casing can be completely neglected. The currents induced in the casing are moderate, due to the weakness of the residual field, and the heat losses in the main screen and passing beyond it are reduced, due to the division into sectors by intervals, while the casing can be very close to the ferromagnetic posts, but not entering into electrical contact with them. The radial dimension is reduced without the need for cooling, since the risk of overheating is eliminated.
Благодаря антагонистическим эффектам двух компонентов комбинированного экрана на индуктивность шихты и на электрическое сопротивление шихты, предпочтительно можно рассчитать эти компоненты таким образом, чтобы параметры электрического сопротивления и индуктивности установки с точки зрения источника электрического питания имели значения, отличающиеся, например, менее чем на ±10% от соответствующих значений указанных параметров, которые отмечались бы в отсутствие экрана.Due to the antagonistic effects of the two components of the combined screen on the inductance of the batch and on the electrical resistance of the batch, it is advantageous to design these components in such a way that the parameters of the electrical resistance and inductance of the installation from the point of view of the electrical power source have values that differ, for example, by less than ±10% from the corresponding values of the said parameters that would be observed in the absence of the screen.
В варианте выполнения или в варианте применения, конкретно предусмотренном в рамках изобретения, индуктор имеет форму тела вращения вокруг шихты и вокруг оси (как правило, вертикальной) таким образом, что направление удлинения стоек совпадает с направлением оси, и проводящий электричество кожух содержит участок, который окружает концентратор поля. Возможны и другие конфигурации печи, и одна из них будет кратко описана для этого текста.In an embodiment or application specifically provided within the scope of the invention, the inductor has the form of a body of revolution around the charge and around an axis (usually vertical) in such a way that the direction of extension of the posts coincides with the direction of the axis, and the electrically conducting casing comprises a section that surrounds the field concentrator. Other furnace configurations are also possible, and one of them will be briefly described for this text.
Предпочтительно толщину промежутков рассчитывают таким образом, чтобы увеличить общее магнитное сопротивление экрана в 20-80 раз по сравнению с конфигурацией без промежутков и, таким образом, полностью использовать эффекты вертикальной разбивки на сектора. Идеальная толщина промежутков, которая может обеспечить такое улучшение, зависит от сечения стоек и ферромагнитных блоков.Preferably, the gap thickness is calculated to increase the overall magnetic resistance of the screen by 20 to 80 times compared to a configuration without gaps, and thus fully exploit the effects of vertical sectorization. The ideal gap thickness that can provide such an improvement depends on the cross-section of the posts and ferromagnetic blocks.
По крайней мере в области высоких значений мощности и частоты индуктор будет, как правило, с единственным витком и будет состоять из нитей, электрически смонтированных параллельно.At least in the high power and frequency range, the inductor will typically be single turn and will consist of filaments electrically mounted in parallel.
В этом случае будет предпочтительным вариант выполнения, когда нити состоят из вертикально наклоненных участков, поочередно нисходящих и восходящих и распределенных в двух концентричных круговых слоях и расположенных на идентичных высотах вдоль оси, при этом первый из слоев содержит все восходящие участки, а второй из слоев - все нисходящие участки: такая конструкция индуктора уменьшает краевые эффекты, то есть расхождения силы тока между нитями и неравномерность индукции по высоте, особенно на верхнем и нижнем концах индуктора. Более предпочтительная конфигурация с точки зрения потерь в ферритах и смещения электрических параметров предусматривает несколько промежутков, распределенных вдоль стойки, а не более широкий единственный промежуток. В случае таких индукторов с единственным витком предпочтительно применять расположение, при котором ферромагнитные блоки находятся, каждый, только перед одной из нитей индуктора (или только перед тем одним из нисходящих или восходящих участков слоев, который находится наиболее снаружи в радиальном направлении, если виток состоит из указанных участков в указанных концентричных слоях), чтобы ограничить риски электрической проводимости между смежными нитями, особенно в описанных ниже конструкциях, в которых блоки соединены с индуктором.In this case, a preferred embodiment would be one in which the threads consist of vertically inclined sections, alternately descending and ascending and distributed in two concentric circular layers and located at identical heights along the axis, the first of the layers containing all the ascending sections, and the second of the layers containing all the descending sections: such an inductor design reduces edge effects, i.e., current divergence between the threads and induction unevenness by height, especially at the upper and lower ends of the inductor. A more preferred configuration from the point of view of ferrite losses and electrical parameter offsets provides for several gaps distributed along the column, rather than a wider single gap. In the case of such single-turn inductors, it is preferable to use an arrangement in which the ferromagnetic blocks are each located only in front of one of the inductor filaments (or only in front of that one of the descending or ascending sections of the layers which is located most externally in the radial direction, if the turn consists of said sections in said concentric layers) in order to limit the risks of electrical conduction between adjacent filaments, especially in the constructions described below in which the blocks are connected to the inductor.
Примечательная конструкция, которая может упростить изготовление печи с высокой точностью ее размеров, а также с высоким качеством работы, возможна, если соблюден по меньшей мере один из следующих признаков:A remarkable design that can simplify the manufacture of a furnace with high precision of its dimensions, as well as with high quality of work, is possible if at least one of the following features is met:
- Ферриты (ферромагнитные элементы) механически связаны с индуктором, чтобы использовать его механическую опорную поддержку и его возможный источник охлаждения. В этом случае опоры предпочтительно являются теплопроводящими. Ферриты используют охлаждение индуктора и могут легко обойтись без собственного устройства охлаждения.- Ferrites (ferromagnetic elements) are mechanically connected to the inductor to use its mechanical support and its possible source of cooling. In this case, the supports are preferably thermally conductive. Ferrites use the cooling of the inductor and can easily do without their own cooling device.
- Удержание ферритов обеспечивают при помощи клея или устройства крепления, такого как винты, защелки или другие.- Ferrites are held in place by means of glue or a fastening device such as screws, latches or others.
- На поверхностях ферритов, входящих в контакт с источником охлаждения, рекомендуется нанесение слоя теплопроводящего связующего.- It is recommended to apply a layer of heat-conducting binder to the surfaces of ferrites that come into contact with the cooling source.
- Настоятельно рекомендуется (но во всех случаях не обязательно) размещение промежуточного слоя из электроизолирующего материала между ферритами и любой другой электропроводящей деталью, опирающейся на ферриты, в частности, в случае деталей, подвергающихся воздействию больших электродвижущих сил, таких как индуктор, чтобы значительно уменьшить джоулевы потери в ферритах и избегать риска короткого замыкания через ферриты. Элементы удержания ферритов, не участвующие в охлаждении, но опирающиеся на ферриты, такие как винты или другие системы крепления, предпочтительно полностью выполнены из электроизолирующего материала.- It is strongly recommended (but not mandatory in all cases) to place an intermediate layer of electrically insulating material between the ferrites and any other electrically conductive part supported by the ferrites, particularly in the case of parts subject to high electromotive forces, such as an inductor, in order to significantly reduce the Joule losses in the ferrites and avoid the risk of short circuits through the ferrites. Ferrite retention elements that do not participate in cooling but are supported by the ferrites, such as screws or other fastening systems, are preferably made entirely of electrically insulating material.
- Некоторые эпоксидные клеи позволяют соблюдать одновременно два предыдущих пункта, не считая того, что на них лишь незначительно воздействуют ионизирующие излучения.- Some epoxy adhesives allow the two previous points to be met simultaneously, except that they are only slightly affected by ionizing radiation.
- Так называемые адаптивные детали из материала с высокой теплопроводностью, такого как металл, могут быть размещены между ферритами и индуктором, если желательна хорошая теплопроводность. Другой функцией адаптивных деталей является облегчение соединения ферромагнитных элементов с индуктором, даже если их формы являются разными, например, если ферромагнитные элементы являются плоскими, тогда как индуктор имеет форму тела вращения. Адаптивные детали могут иметь первую сторону с кривизной, идентичной с индуктором, и вторую сторону, противоположную к первой стороне, на которой установлен по меньшей мере один ферромагнитный элемент и которая имеет кривизну, идентичную с указанными установленными ферромагнитными элементами.- So-called adaptive parts made of a material with high thermal conductivity, such as metal, can be placed between the ferrites and the inductor if good thermal conductivity is desired. Another function of the adaptive parts is to facilitate the connection of the ferromagnetic elements to the inductor, even if their shapes are different, for example if the ferromagnetic elements are flat, while the inductor has the shape of a body of revolution. The adaptive parts can have a first side with a curvature identical to the inductor, and a second side opposite to the first side, on which at least one ferromagnetic element is mounted and which has a curvature identical to the said mounted ferromagnetic elements.
- Адаптивные детали могут удерживаться на индукторе при помощи теплопроводящего связующего типа припоя (если опоры являются металлическими) или вышеупомянутых эпоксидных слоев, или любых других крепежных средств, таких как винты, болты, шпильки, защелки и т.д.- The adaptive parts can be held on the inductor using a thermally conductive adhesive such as solder (if the supports are metallic) or the above mentioned epoxy layers, or any other fasteners such as screws, bolts, studs, latches, etc.
Предпочтительным признаком конструкции является то, что опоры имеют меньшую протяженность, чем ферромагнитные элементы, в направлении удлинения стоек, и ферромагнитные элементы имеют концевые края в направлении удлинения, которые отстоят от опор. Это особенно предпочтительно, если опоры содержат адаптивные детали, проводящие электричество, чтобы в данном случае тоже избегать потерь электромагнитной энергии.A preferred design feature is that the supports have a shorter extension than the ferromagnetic elements in the direction of extension of the posts, and the ferromagnetic elements have end edges in the direction of extension that are spaced away from the supports. This is particularly advantageous if the supports contain adaptive parts that conduct electricity, in order to avoid losses of electromagnetic energy in this case as well.
Предпочтительно избегать острых углов на ферромагнитных элементах, чтобы тоже избегать потерь электромагнитной энергии по причине пикового эффекта. В обычном случае, когда элементы будут иметь форму блоков или плоских четырехугольных плиток, предпочтительно выполнять скошенные фаски по меньшей мере на некоторых из углов четырехугольника.It is preferable to avoid sharp corners on ferromagnetic elements, in order to also avoid losses of electromagnetic energy due to the peak effect. In the usual case, when the elements will be in the form of blocks or flat quadrangular tiles, it is preferable to make chamfered edges on at least some of the corners of the quadrangular.
Предпочтительный признак изобретения состоит в том, что проводящий кожух может быть максимально приближен к концентратору поля. Все же, если это расстояние является очень малым, предпочтительно располагать слой электрического изолятора между проводящим кожухом и концентратором поля.A preferred feature of the invention is that the conductive casing can be as close as possible to the field concentrator. However, if this distance is very small, it is preferable to place a layer of electrical insulation between the conductive casing and the field concentrator.
Важным преимуществом изобретения является эффективность и легкость электромагнитного экрана, поэтому можно предусмотреть, чтобы экран имел массу, меньшую массы индуктора.An important advantage of the invention is the efficiency and lightness of the electromagnetic screen, so it can be envisaged that the screen has a mass less than the mass of the inductor.
Другие объектом изобретения является конкретно предусматриваемое, но не исключительное использование этого экранированного электромагнитного индуктора в печи для остекловывания радиоактивных отходов.Another object of the invention is the specifically contemplated, but not exclusive, use of this shielded electromagnetic inductor in a furnace for vitrifying radioactive waste.
Далее следует детальное описание конкретного и чисто иллюстративного варианта выполнения изобретения для понимания его различных аспектов, признаков и преимуществ при помощи следующих фигур:The following is a detailed description of a specific and purely illustrative embodiment of the invention for understanding its various aspects, features and advantages, using the following figures:
фиг. 1 - общий вид устройства экранированного индуктора;Fig. 1 - general view of the shielded inductor device;
фиг. 2 - первый вариант выполнения ферромагнитного концентратора поля;Fig. 2 - first embodiment of a ferromagnetic field concentrator;
фиг. 3 - второй вариант выполнения;Fig. 3 - second embodiment;
фиг. 4 - третий вариант выполнения;Fig. 4 - third embodiment;
фиг. 5 - четвертый вариант выполнения;Fig. 5 - fourth embodiment;
фиг. 6 - детальный вид выполнения ферромагнитных элементов;Fig. 6 - detailed view of the execution of ferromagnetic elements;
фиг. 7 - вид спереди опор ферромагнитных элементов;Fig. 7 - front view of the supports of ferromagnetic elements;
фиг. 8 - вид сверху одной из опор;Fig. 8 - top view of one of the supports;
фиг. 9 - вид в частичном вертикальном разрезе индуктора с экраном;Fig. 9 - partial vertical sectional view of the inductor with screen;
фиг. 10 - вид другого возможного варианта выполнения экранированного индуктора;Fig. 10 - view of another possible embodiment of a shielded inductor;
фиг. 11 - диаграмма электрических параметров;Fig. 11 - diagram of electrical parameters;
фиг. 12 - диаграмма тепловых потерь.Fig. 12 - heat loss diagram.
На фиг. 1 представлен вид снаружи экранированного индуктора. Он имеет в целом форму тела вращения в виде цилиндра с вертикальной осью Х, открытого вверх в этом варианте выполнения, и он окружен металлическим и электропроводящим наружным кожухом 1, который служит для электромагнитного экранирования. Наружный кожух 1 содержит почти сплошную круговую стенку, от которой отходят входной и выходной разъемы 2, через которые индуктор 3 получает электропитание и охлаждающую текучую среду. Он может быть дополнен стенками дна и верхней части, чтобы еще больше изолировать индуктор от внешней среды. Он может быть металлическим из медного или алюминиевого сплава. Индуктор 3 более наглядно показан на следующих фигурах 2-5, описание которых следует далее. Он образован единственным витком сложной формы, который окружает, например, предназначенную для нагрева шихту, которая может содержаться в тигле, который может быть так называемым холодным тиглем. Холодные тигли, используемые для остекловывания радиоактивных отходов, что является вариантом применения, предусмотренным в рамках изобретения, охлаждаются за счет внутренней циркуляции жидкости, что приводит к поверхностному затвердеванию шихты, входящей с ними в контакт, защищающему их от коррозии. Входной и выходной разъемы 2 доходят до двух коллекторов 4 и 5, которые представляют собой удлиненные по высоте проводящие пластины, расположенные близко друг к другу и являющиеся концами индуктора 3. Индукторный виток состоит из проводящих нитей 6, которые все соединены с коллекторами 4 и 5 и, следовательно, смонтированы электрически параллельно, делая единственный оборот вокруг печи. Каждая нить 6 имеет зигзагообразную форму и в основном состоит из так называемых восходящих участков 7, чередующихся с так называемыми нисходящими участками 8, имеющими противоположный вертикальный наклон. Все восходящие 7 и нисходящие 8 участки проходят от самого нижнего уровня до самого высокого уровня индуктора 3. Таким образом, восходящие участки 7 пересекаются с нисходящими участками 8, но не касаются их, поскольку расположены в раздельных концентрических цилиндрических слоях, при этом восходящие (условно) участки 7 находятся во внутреннем слое 9, а нисходящие (условно) участки 8 находятся в наружном слое 10. Действительно, нити 6 содержат также короткие и направленные радиально соединители 11, которые соединяют каждый восходящий или нисходящий участок с соседними участками нити 6. Это расположение, уже известное из документа WO 2007/031564 А1, в данном случае является предпочтительным, так как оно уменьшает неравномерность индукции по высоте и особенно концентрации тока на верхнем и нижнем краях индуктора 3, которые в данном случае называются краевыми эффектами. Наконец, коллекторы 4 и 5, а также нити 6 являются полыми, и через них проходит охлаждающая текучая среда, подобная текучей среде, описанной в этом документе.Fig. 1 shows an outside view of a shielded inductor. It has the overall shape of a body of revolution in the form of a cylinder with a vertical axis X, open upwards in this embodiment, and it is surrounded by a metallic and electrically conductive outer casing 1, which serves for electromagnetic shielding. The outer casing 1 has an almost solid circular wall, from which the input and output connectors 2 extend, through which the inductor 3 receives electrical power and a cooling fluid. It can be supplemented with walls at the bottom and top in order to further isolate the inductor from the external environment. It can be metallic, made of copper or aluminum alloy. The inductor 3 is shown more clearly in the following figures 2-5, the description of which follows. It is formed by a single turn of complex shape, which surrounds, for example, a charge intended for heating, which can be contained in a crucible, which can be a so-called cold crucible. The cold crucibles used for vitrification of radioactive waste, which is an application variant envisaged within the scope of the invention, are cooled by means of an internal circulation of liquid, which leads to a surface solidification of the charge coming into contact with them, protecting them from corrosion. The input and output connectors 2 reach two collectors 4 and 5, which are elongated conductive plates in height, located close to each other and are the ends of the inductor 3. The inductor turn consists of conductive threads 6, which are all connected to the collectors 4 and 5 and, therefore, are mounted electrically in parallel, making a single revolution around the furnace. Each thread 6 has a zigzag shape and mainly consists of so-called ascending sections 7, alternating with so-called descending sections 8, having an opposite vertical slope. All ascending 7 and descending 8 sections extend from the lowest level to the highest level of the inductor 3. Thus, the ascending sections 7 intersect with the descending sections 8, but do not touch them, since they are located in separate concentric cylindrical layers, wherein the ascending (conditionally) sections 7 are located in the inner layer 9, and the descending (conditionally) sections 8 are located in the outer layer 10. Indeed, the threads 6 also contain short and radially directed connectors 11, which connect each ascending or descending section with the adjacent sections of the thread 6. This arrangement, already known from document WO 2007/031564 A1, is preferable in this case, since it reduces the unevenness of the induction in height and especially the concentration of the current at the upper and lower edges of the inductor 3, which in this case are called edge effects. Finally, collectors 4 and 5, as well as threads 6, are hollow and a cooling fluid similar to the fluid described in this document passes through them.
Печь содержит главный электромагнитный экран, который является концентратором 12 магнитного поля и который расположен, имея общую кольцевую форму, между индуктором 3, радиально внутри него, и наружным кожухом 1, радиально снаружи него. Он состоит из вертикальных стоек 13 (проходящих в направлении оси Х), охватывающих, каждая, сектор окружности печи, но отделенных друг от друга и образованных ферромагнитными элементами, которые в данном случае являются ферромагнитными блоками 14 (обозначенными также позициями 14а, 14b, 14c или 14d на фиг. 2-5), имеющими форму параллелепипедов, или четырехугольными плоскими плитками феррита, расположенными друг над другом в вертикальном направлении, но отделенными друг от друга расположенными между ними электроизолирующими и немагнитными промежутками 15. Промежутки 15 могут представлять собой материальные распорки, поддерживающие непрерывность стоек 13, или пустые пространства, что возможно, если блоки 14 удерживаются независимо друг от друга. Функцией концентратора 12 поля является направление линий магнитного поля, внешних относительно индуктора 3, чтобы концентрировать магнитное поле внутри ограниченного периметра, сохраняя или увеличивая таким образом наведенные токи в предназначенной для нагрева шихте, или чтобы повысить тепловой КПД печи, частично ограничивая индуктивную связь с периферическим кожухом 1, который окончательно блокирует в направлении наружу утечки магнитного поля. Вместе с кожухом 1 он образует общий электромагнитный экран установки. Ферромагнитные блоки 14 могут иметь высоту до нескольких сантиметров, угловую протяженность в несколько градусов (предпочтительно менее 15°), а промежутки 15 - высоту от нескольких десятых миллиметра до нескольких миллиметров. Протяженность ферромагнитных блоков 14 в радиальном направлении является ограниченной, чтобы облегчить их охлаждение индуктором 3, что будет пояснено ниже, при этом ферромагнитные блоки 14 не имеют специально связанного с ними контура охлаждающей текучей среды. Их протяженность в угловом направлении тоже является небольшой, чтобы ограничить магнитные резонансы. Кроме того, следует уточнить, что каждый ферромагнитный блок 14 расположен только перед одной нитью 6, чтобы ограничить риски электропроводимости в концентраторе 12 поля между смежными нитями 6; при индукторе 3, состоящем из пересекающихся зигзагообразных участков, этот принцип применяется таким образом, что каждый ферромагнитный блок 14 расположен только перед одним участком (в данном случае нисходящим 8) смежного с ними наружного слоя 10.The furnace contains a main electromagnetic screen, which is a magnetic field concentrator 12 and which is located, having a general annular shape, between the inductor 3, radially inside it, and the outer casing 1, radially outside it. It consists of vertical posts 13 (extending in the direction of the X-axis), each covering a sector of the furnace circumference, but separated from each other and formed by ferromagnetic elements, which in this case are ferromagnetic blocks 14 (also designated by positions 14a, 14b, 14c or 14d in Fig. 2-5), having the shape of parallelepipeds, or quadrangular flat ferrite tiles, located one above the other in the vertical direction, but separated from each other by electrically insulating and non-magnetic gaps 15 located between them. The gaps 15 can be material spacers that maintain the continuity of the posts 13, or empty spaces, which is possible if the blocks 14 are held independently of each other. The function of the field concentrator 12 is to direct the magnetic field lines external to the inductor 3 in order to concentrate the magnetic field inside a limited perimeter, thus maintaining or increasing the induced currents in the charge intended for heating, or to increase the thermal efficiency of the furnace, partially limiting the inductive coupling with the peripheral casing 1, which finally blocks the magnetic field leaks in the outward direction. Together with the casing 1, it forms a common electromagnetic screen of the installation. The ferromagnetic blocks 14 can have a height of up to several centimeters, an angular extent of several degrees (preferably less than 15°), and the gaps 15 - a height from several tenths of a millimeter to several millimeters. The extent of the ferromagnetic blocks 14 in the radial direction is limited in order to facilitate their cooling by the inductor 3, which will be explained below, while the ferromagnetic blocks 14 do not have a specially associated with them circuit of the cooling fluid. Their extension in the angular direction is also small in order to limit magnetic resonances. In addition, it should be clarified that each ferromagnetic block 14 is located only in front of one thread 6 in order to limit the risks of electrical conductivity in the field concentrator 12 between adjacent threads 6; with an inductor 3 consisting of intersecting zigzag sections, this principle is applied in such a way that each ferromagnetic block 14 is located only in front of one section (in this case, the descending 8) of the outer layer 10 adjacent to them.
Можно предусмотреть несколько версий выполнения, учитывая, что сечение и число стоек 13 могут варьироваться, чтобы оптимизировать направление потока и эффекты магнитного резонанса, и чтобы концы ферромагнитных блоков 14 можно было рассчитывать по-разному в зависимости от возможностей требуемого монтажа и от оптимизации массы феррита. На фиг. 2 ферромагнитные блоки 14 имеют форму параллелепипедов или форму прямоугольных плиток, наклоненных, как нити 6, что дает нам стойки 13а, боковые края которых являются неравномерными в виде ломаных линий; на фиг. 3 ферромагнитные блоки 14b тоже являются прямоугольными плитками, но с вертикальной боковой стороной, с меньшей угловой протяженностью, чем в предыдущем случае, но с большей вертикальной протяженностью; каждая из стоек 13b образована при этом несколькими расположенными друг над другом ферромагнитными блоками 14b, и верхние края этих стоек 13b расположены в виде лесенки. Устройство, представленное на фиг. 4, аналогично устройству на фиг. 2, если не считать того, что прямоугольные плитки заменены плитками в виде трапеций, поэтому магнитные блоки 14с образуют стойки 13с, боковые стороны которых являются вертикальными и равномерными. Наконец, версия выполнения на фиг. 5 аналогична версии на фиг. 3, если не считать тоже того, что прямоугольные плитки заменены трапециевидными плитками, наклон верхних и нижних краев которых подобен наклону нитей 6 и с прямым углом с боковыми сторонами на концах стоек 13d, что дает прямолинейные края стойкам 13d. В каждой из этих версий выполнения можно предусмотреть сглаживание острых углов ферромагнитных блоков 14, выполняя на них скошенные фаски или соединительные галтели между сторонами, поскольку в этих местах могут проявляться пиковые эффекты, следствием которых являются сильные концентрации магнитного поля и локальные потери. Возможный вариант выполнения представлен на фиг. 6, где скошенные фаски обозначены позицией 16. Several versions of the design can be envisaged, taking into account that the cross-section and number of posts 13 can vary in order to optimize the flow direction and magnetic resonance effects, and that the ends of the ferromagnetic blocks 14 can be calculated differently depending on the possibilities of the required installation and on the optimization of the mass of the ferrite. In Fig. 2, the ferromagnetic blocks 14 have the shape of parallelepipeds or the shape of rectangular tiles inclined like threads 6, which gives us posts 13a, the side edges of which are uneven in the form of broken lines; in Fig. 3, the ferromagnetic blocks 14b are also rectangular tiles, but with a vertical side, with a smaller angular extent than in the previous case, but with a greater vertical extent; each of the posts 13b is formed in this case by several ferromagnetic blocks 14b located one above the other, and the upper edges of these posts 13b are located in the form of a ladder. The device shown in Fig. 4, similar to the device in Fig. 2, except that the rectangular tiles are replaced by trapezoid tiles, so that the magnetic blocks 14c form posts 13c, the lateral sides of which are vertical and uniform. Finally, the version of the embodiment in Fig. 5 is similar to the version in Fig. 3, except that the rectangular tiles are replaced by trapezoid tiles, the slope of the upper and lower edges of which is similar to the slope of the threads 6 and at a right angle to the lateral sides at the ends of the posts 13d, which gives straight edges to the posts 13d. In each of these versions of the embodiment, it is possible to provide for smoothing out the sharp corners of the ferromagnetic blocks 14, making beveled chamfers or connecting fillets between the sides on them, since peak effects can appear in these places, the consequence of which are strong concentrations of the magnetic field and local losses. A possible embodiment is shown in Fig. 6, where the chamfered edges are indicated by position 16.
Предусмотрено, что ферромагнитные блоки поддерживаются индуктором. Опора может быть прямой, если нити 6 индуктора и ферромагнитные блоки 14 имеют стороны с взаимодополняющими формами, позволяющие соединять их напрямую при помощи клея или другим способом. Однако это может вызвать серьезные проблемы, связанные с трудностью обрабатывать ферриты по сложным формам или заменять традиционные индукторы простой и равномерной формы тела вращения другими. Если прямая опора исключена, нити 6 могут поддерживать ферромагнитные блоки 14 при помощи опор 17 (не показанных на предыдущих фигурах), схематично показанных на фиг. 7, в виде пластин, которые, как показано на фиг. 8, будут адаптивными по форме деталями между нитями 6 и ферромагнитными блоками 14 и будут иметь сечение неправильной формы, при этом внутренняя сторона 18 имеет кривизну, подобную кривизне нитей 6, а наружная сторона 19 является плоской, если ферромагнитные блоки 14 представляют собой плоские плитки, или, в целом, имеет кривизну, идентичную кривизне ферромагнитных блоков 14. Такое расположение позволяет прижимать нити 6 и ферромагнитные блоки 14 к опорам 17 и, следовательно, облегчает достижение слитности всего комплекса. На фиг. 7 показано, что вертикальная протяженность опор 17 предпочтительно меньше вертикальной протяженности ферромагнитных блоков 14, чтобы ферромагнитные блоки 14 выступали за пределы опор 17 своими верхними и нижними концами и чтобы избегать связей магнитного поля с опорами в месте промежутков 15 и на концах стоек. Предпочтительно опоры 17 имеют наклоненные верхние и нижние края, как соответствующие и смежные края ферромагнитных блоков 14.It is envisaged that the ferromagnetic blocks are supported by an inductor. The support may be direct if the threads 6 of the inductor and the ferromagnetic blocks 14 have sides with complementary shapes, allowing them to be connected directly by means of glue or another method. However, this may cause serious problems associated with the difficulty of processing ferrites in complex shapes or replacing traditional inductors of a simple and uniform shape of a body of revolution with others. If direct support is excluded, the threads 6 can support the ferromagnetic blocks 14 with the help of supports 17 (not shown in the previous figures), schematically shown in Fig. 7, in the form of plates, which, as shown in Fig. 8, will be adaptive in shape parts between the threads 6 and the ferromagnetic blocks 14 and will have a cross-section of irregular shape, wherein the inner side 18 has a curvature similar to the curvature of the threads 6, and the outer side 19 is flat if the ferromagnetic blocks 14 are flat tiles, or, in general, has a curvature identical to the curvature of the ferromagnetic blocks 14. Such an arrangement makes it possible to press the threads 6 and the ferromagnetic blocks 14 against the supports 17 and, therefore, facilitates the achievement of fusion of the entire complex. In Fig. 7 it is shown that the vertical extent of the supports 17 is preferably less than the vertical extent of the ferromagnetic blocks 14, so that the ferromagnetic blocks 14 protrude beyond the supports 17 with their upper and lower ends and to avoid connections of the magnetic field with the supports at the location of the gaps 15 and at the ends of the posts. Preferably, the supports 17 have inclined upper and lower edges, like the corresponding and adjacent edges of the ferromagnetic blocks 14.
Опоры 17, как и другие компоненты сборок, позволяющие поддерживать ферромагнитные блоки 14 при помощи нитей 6, предпочтительно выполнены с возможностью обеспечения теплопроводности между нитями 6 и ферромагнитными блоками 14, но, с другой стороны, с возможностью обеспечения электрической изоляции, чтобы одновременно способствовать охлаждению ферромагнитных блоков 14 циркулирующей в нитях 6 охлаждающей текучей средой и чтобы избегать дополнительных джоулевых потерь в ферромагнитных блоках 14 при прохождении электрического тока по нитям 6 или любому другому электропроводящему элементу, подверженному действию электродвижущих сил. Схематичное устройство, представленное на фиг. 9, может также содержать припой 20 или любое другое термическое и механическое связующее между внутренней стороной 18 опор 17 и нитями 6, эпоксидный клей 21 или другое термическое связующее и, следовательно, предпочтительно электрический изолятор между наружной стороной 19 опоры 17 и ферромагнитными блоками 14 и винты 22, опирающиеся на наружную сторону ферромагнитных блоков 14, расположенные вдоль их боковых сторон и завинчиваемые в приливы 23а опор 17 или в расположенные сзади них гайки 23b со стороны индуктора 3. Достигается удержание в положении ферромагнитных блоков 14, при этом удержание в вертикальном положении обеспечивается в первую очередь сцеплением соединительного слоя 21. В варианте винты 22 могут проходить через ферромагнитные блоки 14, тоже обеспечивая эту функцию. Для обеспечения этих функций удержания на месте можно предусмотреть и другие виды опор. В варианте устройство может содержать не показанные опоры, имеющие нижние или боковые бортики, позволяющие укладывать на них ферромагнитные блоки 14 и заменить, таким образом, по меньшей мере некоторые из винтов 22 или отказаться от использования свойства сцепления соединительного слоя 21. Показанное на фиг. 9 устройство позволяет уменьшить площадь относительно опор 17 и ферромагнитных блоков 14 и легко изготовить опоры 17 из металлического материала, избегая электрических контактов с ферромагнитными блоками 14 посредством легко наносимого соединительного слоя 21.The supports 17, like other components of the assemblies that allow the ferromagnetic blocks 14 to be supported by the threads 6, are preferably designed to provide thermal conductivity between the threads 6 and the ferromagnetic blocks 14, but, on the other hand, to provide electrical insulation in order to simultaneously facilitate the cooling of the ferromagnetic blocks 14 by the cooling fluid circulating in the threads 6 and to avoid additional Joule losses in the ferromagnetic blocks 14 when an electric current passes through the threads 6 or any other electrically conductive element subject to the action of electromotive forces. The schematic device shown in Fig. 9, may also contain solder 20 or any other thermal and mechanical binder between the inner side 18 of the supports 17 and the threads 6, epoxy glue 21 or another thermal binder and, therefore, preferably an electrical insulator between the outer side 19 of the support 17 and the ferromagnetic blocks 14 and screws 22 resting on the outer side of the ferromagnetic blocks 14, located along their lateral sides and screwed into the bosses 23a of the supports 17 or into the nuts 23b located behind them from the side of the inductor 3. Retention of the ferromagnetic blocks 14 in position is achieved, wherein retention in the vertical position is ensured primarily by the adhesion of the connecting layer 21. In a variant, the screws 22 can pass through the ferromagnetic blocks 14, also providing this function. Other types of supports can also be provided to provide these functions of retention in place. In a variant, the device may contain supports, not shown, having lower or side flanges, allowing ferromagnetic blocks 14 to be placed on them and thus replacing at least some of the screws 22 or refusing to use the adhesion property of the connecting layer 21. The device shown in Fig. 9 allows to reduce the area relative to the supports 17 and the ferromagnetic blocks 14 and to easily manufacture the supports 17 from a metallic material, avoiding electrical contacts with the ferromagnetic blocks 14 by means of the easily applied connecting layer 21.
На фиг. 9 показано также, что между концентратором 12 поля и наружным кожухом 1 можно расположить слой электроизолирующего материала 34, если они расположены близко друг к другу, поскольку достаточное направление магнитного поля в ферромагнитных блоках 14 позволяет такое сближение, что позволяет уменьшить габарит устройства при условии поддержания электрической изоляции между двумя компонентами экрана.Fig. 9 also shows that a layer of electrically insulating material 34 can be placed between the field concentrator 12 and the outer casing 1 if they are located close to each other, since the sufficient direction of the magnetic field in the ferromagnetic blocks 14 allows such a convergence, which makes it possible to reduce the size of the device while maintaining electrical insulation between the two components of the screen.
Изобретение можно применять другими способами и, в частности, с не цилиндрическими индукторами. Такой вариант показан на фиг. 10, где плоский индуктор 25 заменяет предыдущий индуктор и находится под нагреваемой шихтой 26, расположенной, как и ранее, в цилиндрическом тигле 27, который может быть холодным тиглем. Нити 28 индуктора 25 могут быть параллельными между собой или могут быть расположены, как в предыдущем варианте выполнения, разворачивая слои на плоскости. Концентратор 29 поля состоит из стоек 30, перпендикулярных к общему направлению нитей 28, и они состоят, как и в предыдущем случае, из ферромагнитных блоков 31, каждый из которых может быть соединен с находящейся перед ним одной из нитей 28 и которые разделены промежутками 32. Следовательно, принципы построения концентратора 29 поля можно уверенно применить для таких индукторов. Наружный кожух 33 расположен под индуктором 25 и концентратором 29 поля, предпочтительно вокруг всего устройства и над тиглем 27. Здесь показаны линии магнитного поля, которые заключены внутри кожуха 33 или направляются ферритовыми стойками 30.The invention can be used in other ways and, in particular, with non-cylindrical inductors. Such an embodiment is shown in Fig. 10, where a flat inductor 25 replaces the previous inductor and is located under a heated charge 26, located, as before, in a cylindrical crucible 27, which can be a cold crucible. The threads 28 of the inductor 25 can be parallel to each other or can be located, as in the previous embodiment, unfolding the layers on a plane. The field concentrator 29 consists of posts 30, perpendicular to the general direction of the threads 28, and they consist, as in the previous case, of ferromagnetic blocks 31, each of which can be connected to one of the threads 28 located in front of it and which are separated by gaps 32. Consequently, the principles of constructing the field concentrator 29 can be confidently applied to such inductors. The outer casing 33 is located under the inductor 25 and the field concentrator 29, preferably around the entire device and above the crucible 27. Here, magnetic field lines are shown, which are enclosed inside the casing 33 or are directed by ferrite posts 30.
Изобретение имеет следующие преимущества:The invention has the following advantages:
- улучшенное изолирование магнитного поля с уменьшением амплитуды поля снаружи экрана вплоть до 40 раз по сравнению с ферромагнитными стойками такой же массы и с таким же расположением, но сплошными в створе линий магнитного поля без промежутков 15 и в отсутствие наружного кожуха;- improved isolation of the magnetic field with a reduction in the field amplitude outside the screen by up to 40 times compared to ferromagnetic posts of the same mass and with the same arrangement, but continuous in the alignment of the magnetic field lines without gaps 15 and in the absence of an outer casing;
- общая масса экрана может быть уменьшена в 4 раза по сравнению с экраном, состоящим исключительно из ферромагнитного материала, при одинаковом уменьшении утечек магнитного поля в направлении наружу;- the total mass of the screen can be reduced by 4 times compared to a screen consisting exclusively of ferromagnetic material, with the same reduction in magnetic field leakage in the outward direction;
- радиальный габарит уменьшился в 2 раза по сравнению с экраном, оснащенным только металлическим кожухом без специального устройства охлаждения;- the radial dimensions have been reduced by 2 times compared to a screen equipped only with a metal casing without a special cooling device;
- отклонение менее чем на ±10% электрических параметров с точки зрения электрического питания по сравнению с конфигурацией без экрана;- deviation of less than ±10% of electrical parameters in terms of electrical power supply compared to the configuration without a screen;
- разбалансировка примерно на ±20% токов, проходящих через различные нити индуктора, оснащенного экраном, вместо около ±97% для варианта выполнения с единственным витком с не пересекающимися параллельными нитями.- an imbalance of approximately ±20% of the currents passing through the various threads of an inductor equipped with a screen, instead of approximately ±97% for the embodiment with a single turn with non-intersecting parallel threads.
Это показано на последних фигурах. Фиг. 11 иллюстрирует эффект допустимого варианта выполнения изобретения на электрические параметры электрического сопротивления и магнитного сопротивления устройства с точки зрения электрического питания индуктора (работающего, например, на 3000 В и на 300 кГц при активной мощности 300 кВт в индукторе диаметром 0,8 м и высотой 0,6 м, состоящем из четырнадцати пересекающихся нитей 6 при параллельном питании и с описанным выше ферритовым выполнением при относительной магнитной проницаемости 4000) в процентах отклонения с параметрами, подтвержденными для такого же варианта выполнения без экрана, по высоте разделений между ферромагнитными блоками 14, то есть по толщине промежутков 14, выраженной в миллиметрах на оси абсцисс. Диапазон значений, приемлемый для применения изобретения по критерию сохранения электрических параметров установки, составляет примерно от 1 мм до 4 мм, между которыми электрическое сопротивление R колеблется между ±8% максимально, а индуктивность L колеблется от +2% до -4% максимально. Результат можно сравнить с результатом, который может быть достигнут на фиг. 12, где показано изменение тепловых потерь в ферритовой сборке в ваттах при таком же параметре толщины промежутков 15. Снижение этих потерь проявляется сразу, как только будут установлены промежутки 15, и будет тем больше, чем больше их толщина; вместе с тем, инкременты толщины будут влиять все меньше и меньше по мере того, как толщины, к которым они добавляются, становятся более значительными. В этом варианте выполнения снижение потерь примерно на 40% уже достигается для значений толщины в 1 мм, а снижение примерно в 70% - для значений толщины в 4 мм. По этому второму критерию можно считать, что предложенный выше диапазон значений остается удовлетворительным. Физическим феноменом, контролируемым и регулируемым благодаря присутствию промежутков 15, является варьирование магнитного сопротивления ферритовых стоек 13, которые в данном случае являются вертикальными, то есть их способности улавливать магнитный поток. Аппроксимация увеличения магнитного сопротивления в стойке может быть выражена по абсолютной величине (единицы в международной системе) следующим образом:This is shown in the last figures. Fig. 11 illustrates the effect of an admissible embodiment of the invention on the electrical parameters of the electrical resistance and magnetic resistance of the device from the point of view of the electrical power supply of the inductor (operating, for example, at 3000 V and at 300 kHz with an active power of 300 kW in an inductor with a diameter of 0.8 m and a height of 0.6 m, consisting of fourteen intersecting threads 6 with a parallel supply and with the ferrite design described above with a relative magnetic permeability of 4000) in percent deviation from the parameters confirmed for the same embodiment without a screen, by the height of the divisions between the ferromagnetic blocks 14, that is, by the thickness of the gaps 14, expressed in millimeters on the abscissa axis. The range of values acceptable for the application of the invention according to the criterion of maintaining the electrical parameters of the installation is approximately from 1 mm to 4 mm, between which the electrical resistance R fluctuates between ±8% maximum, and the inductance L fluctuates between +2% and -4% maximum. The result can be compared with the result that can be achieved in Fig. 12, which shows the change in thermal losses in a ferrite assembly in watts with the same parameter of the thickness of the gaps 15. The reduction in these losses appears immediately as soon as the gaps 15 are installed, and will be greater, the greater their thickness; at the same time, the thickness increments will have an effect less and less as the thicknesses to which they are added become more significant. In this embodiment, a reduction in losses of approximately 40% is already achieved for thickness values of 1 mm, and a reduction of approximately 70% for thickness values of 4 mm. According to this second criterion, it can be considered that the range of values proposed above remains satisfactory. The physical phenomenon controlled and regulated by the presence of the gaps 15 is the variation of the magnetic resistance of the ferrite posts 13, which in this case are vertical, i.e. their ability to capture magnetic flux. An approximation of the increase in magnetic resistance in a post can be expressed in absolute value (units in the international system) as follows:
deltaR = 1/μ * e/S * nEsp, deltaR = 1/μ * e/S * nEsp,
гдеWhere
delta R - увеличение магнитного сопротивления; delta R - increase in magnetic resistance;
μ - магнитная проницаемость в промежутке 15; μ - magnetic permeability in the range of 15;
е - размер промежутка 15 в направлении линий поля; e - the size of the gap 15 in the direction of the field lines;
S - сечение прохождения линий поля в стойке 13; S - cross-section of the field lines in post 13;
nEsp - число промежутков 15 вдоль стойки 13. nEsp - number of intervals 15 along rack 13.
Общее магнитное сопротивление экрана можно также оценить при помощи выражения, содержащего унитарные значения магнитного сопротивления каждого компонента, через который проходят линии магнитного поля, формулируемые по обычным правилам вычисления магнитного сопротивления в магнитных контурах.The total magnetic resistance of the screen can also be estimated using an expression containing the unitary values of the magnetic resistance of each component through which the magnetic field lines pass, formulated according to the usual rules for calculating magnetic resistance in magnetic circuits.
Claims (17)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2010884 | 2020-10-23 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2845350C1 true RU2845350C1 (en) | 2025-08-18 |
Family
ID=
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2405597A1 (en) * | 1973-02-19 | 1974-08-29 | Asea Ab | CRUCIBLE FURNACE WITH COILS AND VERTICAL IRON CORE LEGS |
| US5197081A (en) * | 1990-05-24 | 1993-03-23 | Inductotherm Corp. | magnetic return apparatus for coreless induction furnaces |
| US5588019A (en) * | 1992-04-08 | 1996-12-24 | Fluxtrol Manufacturing, Inc. | High performance induction melting coil |
| RU2072118C1 (en) * | 1995-05-23 | 1997-01-20 | Александр Модестович Шамашкин | Induction heater for ferromagnetic material |
| US6011246A (en) * | 1996-03-22 | 2000-01-04 | Renault | Induction-heating device for surface treating the teeth of a mechanical part |
| RU2193293C2 (en) * | 2000-11-23 | 2002-11-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Магнит" | Inductor heating flat surfaces |
| RU2251227C1 (en) * | 2003-10-28 | 2005-04-27 | Николай Максимович Шакула | Induction apparatus for cable connection and repairs |
| CN101730326A (en) * | 2008-10-21 | 2010-06-09 | 乐金电子(天津)电器有限公司 | Induction electric heater |
| US20110204042A1 (en) * | 2008-09-17 | 2011-08-25 | Daikin Industries, Ltd. | Electromagnetic induction heating unit and air conditioning apparatus |
| CN202759615U (en) * | 2012-08-15 | 2013-02-27 | 庆阳中盛再生资源利用有限公司 | Electromagnetic heating equipment |
| RU2672968C2 (en) * | 2013-06-22 | 2018-11-21 | Индактохит, Инк. | Single-shot inductor for induction heating of complex workpieces |
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2405597A1 (en) * | 1973-02-19 | 1974-08-29 | Asea Ab | CRUCIBLE FURNACE WITH COILS AND VERTICAL IRON CORE LEGS |
| US5197081A (en) * | 1990-05-24 | 1993-03-23 | Inductotherm Corp. | magnetic return apparatus for coreless induction furnaces |
| US5588019A (en) * | 1992-04-08 | 1996-12-24 | Fluxtrol Manufacturing, Inc. | High performance induction melting coil |
| RU2072118C1 (en) * | 1995-05-23 | 1997-01-20 | Александр Модестович Шамашкин | Induction heater for ferromagnetic material |
| US6011246A (en) * | 1996-03-22 | 2000-01-04 | Renault | Induction-heating device for surface treating the teeth of a mechanical part |
| RU2193293C2 (en) * | 2000-11-23 | 2002-11-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Магнит" | Inductor heating flat surfaces |
| RU2251227C1 (en) * | 2003-10-28 | 2005-04-27 | Николай Максимович Шакула | Induction apparatus for cable connection and repairs |
| US20110204042A1 (en) * | 2008-09-17 | 2011-08-25 | Daikin Industries, Ltd. | Electromagnetic induction heating unit and air conditioning apparatus |
| CN101730326A (en) * | 2008-10-21 | 2010-06-09 | 乐金电子(天津)电器有限公司 | Induction electric heater |
| CN202759615U (en) * | 2012-08-15 | 2013-02-27 | 庆阳中盛再生资源利用有限公司 | Electromagnetic heating equipment |
| RU2672968C2 (en) * | 2013-06-22 | 2018-11-21 | Индактохит, Инк. | Single-shot inductor for induction heating of complex workpieces |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR910003967B1 (en) | Stationary induction apparatus | |
| JP6798904B2 (en) | Power saving device set | |
| US7330096B2 (en) | Fault current limiter | |
| US20080230957A1 (en) | Device for Transforming Materials Using Induction Heating | |
| KR102021332B1 (en) | Heating Module for induction range and induction range including the same | |
| CA2867087A1 (en) | Heating element | |
| RU2845350C1 (en) | Compact and light electromagnetic screen for high-power inductor | |
| US6121591A (en) | Flux guiding and cooling arrangements for induction heating units | |
| EP3544034B1 (en) | Non-contact power supply connection unit, non-contact power supply device, and operating machine | |
| US20230380025A1 (en) | Compact and light electromagnetic shielding for a high-power inductor | |
| US4631381A (en) | Magnetic yoke inductor for glass fiber manufacturing equipment | |
| US11191131B2 (en) | Double-sided flat inductor assembly | |
| JPH01313882A (en) | A device for protecting the electrodes of an electromagnetic induction device and an electromagnetic induction device equipped with this device | |
| CN210781426U (en) | Water-cooled frequency conversion furnace inductor | |
| CN102226638A (en) | Induction-type tank welding seam drying and heating device | |
| US12464608B2 (en) | Combined inductor shielding system | |
| CN206301680U (en) | A kind of high frequency transformer electromagnetic compatibility structure | |
| DE10006863C2 (en) | cooking means | |
| EP3930424B1 (en) | Support device for an induction coil | |
| EP4601413A1 (en) | Insulator for induction appliance | |
| JP7628135B2 (en) | A device for connecting a power source to an inductor | |
| Milburn et al. | Raster scanning magnets for relativistic heavy ions | |
| CN117831881A (en) | Microwave generating device and microwave cooking utensil | |
| CN113472192A (en) | Power supply for radioactive waste liquid glass solidification treatment system | |
| EP3840530A1 (en) | A layer assembly for induction stoves and an induction stove |