Индукционное нагревательное устройство Советский патент 1992 года по МПК H05B6/36 

Изобретение относится к области электротермии, в частности к конструкции индукторов для нагрева проволок, длинномерных трубок малого диаметра, прутков и т.п.

Известны устройства для индукционного нагрева, в которых наружный электропроводник (вторичная обмотка трансформатора) выполнен в виде объемного элемента. Однако подобные устройства являются маломощными малоэффективными.

Наиболее близким техническим решением выбранным в качестве прототипа, является устройство для индуктивного нагрева поверхности изделий в виде лент. Устройство содержит два трансформатора, выводы вторичных обмоток которых подключены к индуктору, выполненному в виде двух токопроводящих шин со встречными токами, расположенных с зазором параллельно друг другу. Вторичная обмотка каждого из трансформаторов выполнена в виде охватывающего тороидальный сердечник с

первичной обмоткой объемного витка с цилиндрической частью и замыкающими ее по торцам пластинами, в одном из которых выполнено центральное отверстие, одна из шин индуктора замыкает центры пластин без отверстий, а вторая края отверстий.

Недостатком известного технического решения является низкая мощность: Кроме того устройство обладает низким КПД, т.к. вследствие отсутствия тепловой изоляции активной зоны устройства неизбежны большие тепловые потери.

Целью изобретения является повышение КПД и мощности устройства за счет увеличения ЭДС.

Указанная цель достигается тем, что в устррйстве для индукционного нагрева содержится трансформатор, выполненный в виде тороидального сердечника с первичной обмоткой и охватывающего его объемного цилиндрического вторичного витка с контактными элементами в виде дисков с отверстиями в центре, и индуктор в виде ли - нейных проводников, замыкающих края

(Л

С

х| о ю Јь ю ю

вторичного витка. Согласно изобретению вторичный виток состоит из двух коаксиальных элементов, каждый из которых выполнен в виде двух коаксиальных цилиндров. Цилиндры каждого из элементов замкнуты на одном из торцов, противолежащих для обоих элементов, контактными дисками с отверстиями в центре. С другого торца края обоих цилиндров внутреннего элемента снабжены зубцами, расположенными в выполненных в контактном диске наружного элемента прорезях. С разомкнутых торцов цилиндры обоих элементов снабжены дополнительными контактными дисками, расположенными с зазором друг от друга. Отверстия в дополнительных контактных дисках выполнены попарно эксцентрично для каждого объемного элемента и попарно аксиально для внутренних и внешних цилиндров обоих элементов, а проводники индуктора замыкают края этих отверстий в точках, лежащих на линиях эксцентрики, с обеспечением последовательного соединения элементов. Двойной объемный виток снижает поток рассеяния до минимума, а последовательное соединение двух объемных витков дает значительное увеличение

d Ф

ЭДС. Известно, что е - --г-- ,а магнитный поток Ф через площадь S определяется как BS cos в , где в - угол между касательной к силовым линиям магнитного поля и нормалью к плоскости, пересекаемой магнитными силовыми линиями (фактически, это площадь S). В данном случае . Очевидно, что двойной объемный виток имеет полезную площадь более чем в 2 раза большую, чем простой объемный виток.

Индукционное нагревательное устройство отличается тем, что вторичный объемный виток согласующего трансформатора выполнен двойным, каждый объемный виток представляет собой два коаксиальных цилиндра, замкнутых с одной стороны диском с отверстием в центре, диаметр которого равен диаметру внутреннего цилиндра, второй объемный виток вставлен в первый объемный виток навстречу ему, а линейные индуктирующие проводники обеспечивают последовательное соединение двух объемный витков.

В результате патентного поиска было обнаружено индукционное нагревательное устройство, содержащее нагревательную цилиндрическую камеру для размещения нагреваемого объекта, установленный снаружи ее индуктор, выполненный в виде кольцевого магнитопровода с навитой на

нем через изоляцию обмоткой, и охватывающий их элемент из электропроводного материала, электрически соединенный по концам с нагревательной камерой, выполненный в форме замкнутого объема, снаружи дополнительно размещен замкнутый элемент из ферромагнитного материала, концы которого электрически соединены с элементом из электропроводного материа0 ла и нагревательной камерой, т.е. фактически устройство, содержит трансформатор с двойным вторичным объемным витком. Но вторичные витки замкнуты между собой накоротко. В заявляемом же устройстве обес5 печено последовательное соединение двух объемных витков посредством индуктирующих проводников, что и позволяет достичь поставленной цели, конкретнее, повышения мощности устройства за счет увеличе0 ния ЭДС.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлен продольный сегментный разрез индукционного нагревательного устройства.

5Индукционное нагревательное устройство содержит тороидальный сердечник 1 с первичной обмоткой 2, и вторичный двойной объемный виток 3. Объемный виток 3 состоит из первого 4 и второго 5 объемных

0 элементов, каждый из которых представляет собой два коаксиальных цилиндра (4.1 и 4.2, 5.1 и 5.2, внешний и внутренний соответственно). Коаксиальные цилиндры первого объемного элемента 4 замкнуты с

5 одной стороны диском 6 с отверстием в центре, диаметр которого равен диаметру цилиндра 4.2. Коаксиальные цилиндры второго объемного элемента 5 также замкнуты с одной стороны диском 7 с отверстием

0 в центре, диаметр которого равен диаметру цилиндра 5.2. Второй объемный элемент 5 вставлен & первый объемный элемент 4 навстречу ему. К свободным краям цилиндров 4.1 и 4,2 первого объемного элемента 4 при5 паяны диски 4.3 и 4.4 с отверстиями 4.5 и 4.6. Цилиндр 4.1 длиннее цилиндра 4.2, так что между дисками 4.3 и 4.4 образован зазор. Отверстия 4.5 и 4.6 имеют одинаковый диаметр и несколько смещены относитель0 но оси устройства в противоположные стороны. Цилиндры 5.1 и 5.2 имеют зубчатые свободные края 5.3 и 5.4. Зубцы через прорези 8 в диске б первого объемного элемента 4 выведены наружу. К зубцам 5,3 и 5.4

5 цилиндров 5.1 и 5.2 припаяны диски 5.5 и 5.6 с отверстиями 5.7 и 5.8. Зубцы 5.3 длиннее зубцов 5.4. так что между дисками 5.5 и

5.6образован небольшой зазор. Отверстия

5.7и 5.8 имеют такой же диаметр, что и отверстия 4.5 и 4.6, и также смещены относительно общей оси в противоположные стороны т.е., что отверстия 4.5 и 5.7,4.6 и 5.8 являются аксиальными (для удобства соеди- нения краев отверстий линейными индуктивными проводниками). Индуктирующие проводники 9 и 10 обеспечивают последовательное соединение двух объемных элементов 4 и 5. Один конец проводника 9 контактирует с краем отверстия 4.6. другой - с краем отверстия 5.8 (в точках, находя- щихся на линии, по которой смещены.отвер- стия относительно оси устройства). Один конец проводника 10 контактирует с краем отверстия 4.5, другой - с краем отверстия

5.7(в противоположных точках).

Рассмотрим принцип работы индукционного нагревательного устройства.

На первичную тороидальную обмотку 2 трансформатора поступает переменный ток от ВЧ-источника (на чертеже не показан). Переменный ток создает вокруг обмотки 2 переменное магнитное поле. Сердечник 1 намагничивается расположенной на нем обмоткой 2, создавая дополнительное переменное магнитное поле. Увеличенное т.о. в тысячи раз переменное магнитное поле в следствие электромагнитной индукции возбуждает на краях отверстий 4.5 и 4.6, 5.7 и

5.8в дисках 4.3 и 4,4, 5.5 и 5.6 вторичных объемных элементов 4 и 5 переменную ЭДС индукции. Суммарный магнитный поток, изменяясь во времени, обеспечивает ЭДС, большую по сравнению с ЭДС, которая возникала бы в устройстве с одним вторичным витком (см.приведенные выше формулы). Индуктирующие проводники 9 и 10 соединяют края отверстий 4.6 и 5.8. 4.5 и 5.7 в дисках 4.4 и 5.6.5.6,4.3 и 5.5, образуя последовательно замкнутую цепь с объемными элементами 4 и 5. По проводникам 9 и 10 идет индукционный ток большой силы. По оси устройства между индуктирующими проводниками 9 и 10 помещается нагреваемый объект-проволока, пруток трубка и т.п.

Заявляемое устройство по сравнению с устройством-прототипом обеспечивает более высокую мощность за счет увеличения

ЭДС и более высокий КПД при меньших массогабаритах. что достигается особой конструкцией устройства. Активная зона в устройстве находится в замкнутом объеме, в результате чего тепловые потери с поверхности нагреваемого объекта практически сводятся к нулю. Это также способствует повышению КПД устройства, т.к к объекту подводится большая мощность, что увеличивается скорость нагрева и как следствие, достигается большая производительность установки для нагрева.

Формула изо бретения Индукционное нагревательное устройство, содержащее трансформатор, выполненный в виде тороидального сердечника с первичной обмоткой и охватывающего его объемного цилиндрического вторичного витка с контактными элементами в виде дисков с отверстиями в центре, и замыкающий края вторичного витка индуктор в виде линейных проводников, отличающееся тем, что, с целью повышения КПД и мощности устройства, вторичный виток состоит из двух коаксиальных элементов, каждый из которых выполнен в виде двух коаксиальных цилиндров, замкнутых на одном из тор- цов, противолежащих для обоих элементов, указанными контактными дисками с отверстиями в центре, а с другого торца края обоих цилиндров внутреннего элемента снабжены зубцами, расположенными в выполненных в контактном диске наружного элемента прорезях, при этом цилиндры обоих элементов с разомкнутых торцов снабжены дополнительными контактными дисками, расположенными с зазором друг от друга, отверстия в дополнительных контактных дисках выполнены попарно эксцентрично для каждого объемного элемента и попарно аксиально для внутренних и внешних цилиндров обоих элементов, а проводники индуктора замыкают края этих отверстий в точках, лежащих на линиях эксцентрики, с обеспечением последовательного соединения элементов.

Использование: для нагрева длинномерных изделий типа проволок, прутков. Сущность изобретения: устройство содержит тороидальный сердечник, охватывающий его с обеих сторон двухстенный вторичный виток, каждая стенка которого выполнена в виде двух коаксиальных цилиндров. Оригинальное соединение цилиндров с токоподводами создает направление тока, обеспечивающее сложение потоков в рабочей зоне индуктора. 1 ил.