ИНДУКТОР ДЛЯ НАГРЕВА ФЕРРОМАГНИТНОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 1997 года по МПК H05B6/40 B23K13/01 

Предложение применимо в сварке и резке ферромагнитных материалов, технологическом разогреве иных материалов через контакт с ферромагнитным слоем.

Аналогом заявленного индуктора выбран токоприемник индукционных токов (патент РСТ/WO/92/07680/92.05.14/N 11), содержащий толстый металлический слой, нагреваемый ВЧ-токами, и диэлектрический материал, выбранный так, чтобы связать требуемое количество энергии в нем.

Недостатками токоприемника являются малая концентрация энергии (электромагнитной энергии) ЭМЭ индукционных токов, что может снижать температуру нагрева диэлектрического слоя, а тем самым и нагреваемого материала, а также малый КПД из-за диэлектрического второго слоя.

Вторым аналогом может служить измеритель мощности в бытовом счетчике, в котором образован замкнутый магнитный поток, проходящий через зазор в магнитном сердечнике, не меняющий своего направления при проходе алюминиевого тонкого диска. Диск вращается в этом зазоре благодаря токам Фуко, возникающим на частоте сети. Следует отметить, что основная часть мощности ЭМЭ идет не на вращение диска, а на нагрев самого сердечника, пропорциональный квадрату частоты и, следовательно, неприемлемый при высокочастотном нагреве.

Прототипом заявляемого индуктора выбран компактный индукционный электронагревательный аппарат для тонкой сварки (патент Германии N 4211680, кл. B 23K 13/01, 92.11.05), в котором резонансный контур с емкостными элементами и одновитковым индуктором предназначен для сварки тонких деталей.

Недостатками аппарата являются потери электромагнитного поля (ЭМП) на рассеяние вовне и невозможность повышения концентрации ЭМЭ в металле по сравнению как с одновитковым, так и традиционным многовитковым цилиндрическим сварочным индуктором.

Задачей настоящего предложения является устранение отмеченных в аналогах и прототипе недостатков, а именно резкое снижение потерь ЭМП на рассеяние вовне, увеличение плотности ЭМЭ в нагреваемом материале до предельно возможных значений при заданном объеме индуктора, увеличение по отношению к прототипу перевода полной ЭМЭ в активную (тепловую) за счет увеличения cosΦ..

Для решения первой задачи в индукторе предусмотрен торообразный каркас с навитой с минимальном рассеянием вовне обмоткой, внутри которого возбуждается и замыкается ЭМП, что значительно снижает его потери как за счет плотной намотки с перекрытием витков на всей длине каркаса, так и многослойной намотки на той же длине.

Для решения второй задачи в индукторе предусмотрен зазор для перехода ЭМП индуктора в нагреваемый материал, а поперечные сечения каркаса симметрично уменьшаются от наибольшего возможного сечения к принятым наименьшим возможным сечениям у зазора, что обеспечивает повышение концентрации ЭМП по сравнению с традиционными способами и прототипом. Для достижения наибольшей возможной концентрации отношение наибольшего сечения каркаса к сечениям его у зазора выполняется наибольшим возможным, а сам зазор находится под заданным углом к наименьшим возможным сечениям.

Для решения третьей задачи индуктор удерживается на расчетном расстоянии от нагреваемого материала, при этом виток, соединяющий обе части обмотки над зазором, обладает минимальным коэффициентом связи с нагреваемым материалом и не мешает ЭМП (разрешает) перейти в материал, а также уменьшает рассеяние ЭМП вне этого материала. При этом форма самого витка определена положением зазора на расчетном расстоянии от материала. Этим достигается предельно возможное согласование с длиной зазора и максимальный cosΦ,.

На фиг.1 показан индуктор с намоткой проводом круглого сечения; на фиг.2 индуктор со скачкообразным изменением сечения каркаса; на фиг.3 индуктор с ленточным каркасом.

Индуктор, представленный на фиг.1, содержит каркас 1, состоящий из двух симметричных половин с обмоткой проводом круглого сечения 2 (на фигуре пунктиром дано ее продолжение, обмотка показана частично). Сечение каркаса уменьшается от большего 3 до меньшего 4 у зазора 5 монотонно. На фиг.1 в качестве примера это сечение выбрано круглым (разрез по А-А). Виток 6 связывает обе половины обмотки над материалом 7, а зазор индуктора расположен над материалом на расстоянии 8 от него. Индуктор через клеммы 9 подключен к источнику переменного напряжения 10. Крепеж двух половин каркаса друг к другу показан двумя черными штрихами перпендикулярно оси его симметрии.

Индуктор, представленный на фиг.2, содержит каркас 1, набираемый симметрично из идентичных пар катушек индуктивностей различных диаметров, уменьшающихся скачкообразно по отношению друг к другу, включенных согласно и образующих обмотку 2 с максимальным сечением 3 и минимальными 4. У зазора 5 обе половины симметричной обмотки связаны витком 6.

Расположение индуктора относительно материала 7 на расстоянии 8 и подключение его клеммами 9 к источнику 10 такие же, как на фиг.1, и на фиг.2 не показаны.

Индуктор, представленный на фиг. 3, содержит обмотку 2, состоящую из частей, выполненных ленточной фольгой принятой толщины и, например, постоянной ширины с перекрывающимися витками. При этом коническим растянутым виткам придается заданная торообразная форма с максимальным 3 и минимальным 4 сечениями. У зазора 5 обе части соединены витком 6. Достаточная жесткость торообразной формы в этой конструкции достигается как за счет изолирующей пропитки, так конструкции витка 6 и его крепления относительно центрального витка с максимальным диаметром. Такое крепление может быть сделано, например, к общей диэлектрической шайбе (на фиг.3 не показано).

Расположение индуктора относительно материала 7 на расстоянии 8 и подключение его к клеммам 9 и к источнику 10 такие же, как на фиг.1 и 2, и поэтому на фиг.3 не показаны.

Индукторы, представленные на фиг. 1, 2 и 3, не отличаются по принципу работы.

Индуктор работает следующим образом. До сближения его с нагреваемым материалом 7 концы обмоток 2 через клеммы 9 поданы на источник переменного напряжения 10, благодаря чему внутри каркаса 1 формируется ЭМП, обладающее наибольшей концентрацией в сечениях 4 в районе зазора 5. При этом виток 6 способствует концентрации ЭМП в районе зазора 5. При сближении индуктора с ферромагнитным материалом 7 на расчетное расстояние 8 ЭМП из зазора переходит в материал 7, образуя в нем токи Фуко, разогревающие материал.

Благодаря заявленным отличительным признакам достигается технический результат: по сравнению с прототипом уменьшается потребляемая мощность питания при разогреве материала, например, при ведении сварочных работ за счет
уменьшения рассеяния ЭМП при его замыкании в индукторе как за счет плотной намотки с перекрытием витков на всей длине каркаса, так и многослойной на той же длине, а также положением зазора индуктора на расчетном расстоянии от нагреваемого материала, а наименьших поперечных сечений индуктора под заданными к нему углами;
увеличения до предельной для заданного объема индуктора концентрации ЭМЭ в наименьших поперечных его сечениях по сравнению с наибольшим его сечением за счет увеличения индукции (плотности ЭМП) в зазоре, а следовательно, и в нагреваемом материале согласно обратному отношению этих сечений;
увеличения cosΦ за счет наилучшего перевода полной ЭМЭ в активную (тепловую), который может быть достигнут установкой зазора на расчетном расстоянии от материала с наименьшими поперечными сечениями под заданным углами к зазору;
уменьшения рассеивания ЭМП вне нагреваемого ферромагнитного материала из-за соединяющего обмотку витка, форма которого определена положением зазора на расчетном расстоянии от материала и минимальным коэффициентом связи с ним, разрешающим практически полный переход магнитного потока в материал и его разогрев.

Оценочные расчеты показывают, что применение предложенного индуктора, например, в сварке может дать качественный шов при его глубине 4 мм, ширине 3 мм и потребление из сети полной мощности значительно ниже 100 Вт.

Использование: при сварке и резке ферромагнитных материалов, разогреве иных материалов через контакт с ферромагнитным слоем. Сущность изобретения: индуктор выполняется в виде катушки, намотанной на торообразный каркас, поперечное сечение которого переменное и уменьшается к выполненному в каркасе зазору. Этот участок индуктора предназначен для создания локального нагрева, например, в зоне сварки. Индуктор содержит еще ряд особенностей, позволяющих концентрировать поле в области нагрева. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Индуктор для нагрева ферромагнитного материала, содержащий питаемую переменным током катушку, расположенную на расчетном расстоянии с одной стороны нагреваемого материала, отличающийся тем, что катушка снабжена торообразным каркасом, выполненным с зазором, причем поперечное сечение каркаса симметрично и уменьшается к зазору, отношение наибольшего и наименьшего сечений выбрано максимально возможным, а плоскости наименьших сечений расположены под заданными углами к зазору, катушка навита по всей длине каркаса с обеспечением минимального рассеяния, соединена через зазор витком, форма которого определена минимальным коэффициентом связи с ферромагнитным материалом.

2, Индуктор по п.1, отличающийся тем, что каркас образован самой обмоткой из ленты с перекрывающимися витками.