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Luftgekühlte Spule für Induktionsöfen
Die Erfindung betrifft eine luftgekühlte Spule für Induktionsöfen, die aus mehreren übereinander angeordneten Teilspulen aufgebaut ist.
Für das Erwärmen und Schmelzen von Metallen werden derzeit in steigendem Masse elektrische Induktionsöfen ohne Eisenkern verwendet, die nach dem Prinzip eines Lufttransformators ausgebildet sind.
Die wichtigsten Bestandteile dieser Öfen sind Induktionsspulen, welche die Energieübertragung in den zum Erwärmen oder Schmelzen bestimmten Einsatz vermitteln und mit Strom von Netzfrequenz oder einer höheren Frequenz gespeist werden.
Die Konstruktion dieser Spulen ist derzeit im wesentlichen bei allen Fabrikaten dieselbe. Die Spule wird aus einem hohlen, aus Kupfer bestehenden profilierten Leiter mit rechteckigem oder ovalem Querschnitt gewickelt. Sie wird einlagig gewickelt und bildet einen Zylinder, wobei durch den Hohlraum des Leiters das Kühlwasser durchströmt. Die einzelnen Windungen der Spule berühren einander nicht, so dass zwischen diesen Spulenwindungen jeweils ein Luftspalt freibleibt, der beim Trocknen der neu ausgebauten Auskleidung nötig ist. Die Windungen sind entweder isoliert, oder sie sind durch Isoliereinlagen, z. B. durch geklebte Glimmerplättchen, distanziert.
Damit die zylindrische Spule mit isolierten Windungen einen festen Körper bildet, ist sie in ihrer ganzen Höhe durch ein Isolierband gesichert (durch Asbest oder Glasband an mehreren Stellen des Umfanges) ; bei nichtisolierten Spulen wird das gleiche Ziel durch axiales und radiales Zusammenziehen direkt im Ofen erreicht.
Diese Spulenkonstruktion wird durch. folgende Umstände begründet.
Die Mittelfrequenz-Stromquelle, die dem gegebenen Ofentyp angegliedert ist, besitzt eine so gewählte Spannung und Frequenz, dass das durch Berechnung bestimmte Leiterprofil und die Windungszahl eine einfache konstruktive Lösung ermöglichen. Zwischen den Windungen ist lediglich die Spannung einer Windung, es ergibt sich ein kleiner Spannungsgradient in der Windungslücke, wodurch die Gefahr von Kurzschlüssen zwischen den Windungen vermindert wird. Allerdings kommen derartige Kurzschlüsse dennoch vor, namentlich bei Spulen mit nichtisolierten Windungen.
Es sind auch Hochfrequenz-Schmelzöfen bekannt, welche in mehrere Arbeitszone unterteilt sind.
Jede Zone ist von einer Induktionsspule üblicher Bauart umgeben, wobei diese Spulen stufenweise in Serie an die Stromquelle geschaltet werden können. Ferner ist bereits einespulenkonstruktion bekanntgeworden, die in einem bestimmten Umfange eine Änderung des Querschnittes des Spuleninnenraumes, in welchem sich das zu erwärmende Gut befindet, ermöglicht. Es werden weiters Hochfrequenz-Induktionsöfen mit mehrlagigen Spulen hergestellt, deren Primärwicklung in zwei oder mehrere hochkant gestellte, voneinander isolierte Bänder von geringer Dicke unterteilt ist oder es werden wassergekühlte Spulen verwendet, die mittels eines dünnen, bandförmigen Leiters gebildet sind, dessen Breite der axialen Länge der ganzen Spule gleich ist.
Nachteile dieser Spulen sind, dass die Stromdichte sehr gross ist, bei Schmelzöfen z. B. über 50 A/mm. so dass sich grosse Verluste ergeben. Der elektrische Wirkungsgrad der Spulen von Öfen für Stahlschmelzen bewegt sich in den Grenzen von 70 bis750/0. Das bedeutet, dass ungefähr ein Viertel der Mittelfiequenzenergie, die an den Spulenklemmen zugeführt wird, in Joule'sche Wärme überführt wird, die durch das den Hohlraum der Spule durchfliessende Kühlwasser abgeführt wird.
Die Gegenwart des Wassers in der
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bindungsblech 10 aus Kupfer angeschlossen, welches Kühlrippen 10 aus Kupferblech trägt und mittels eines flachen Glimmerrohres 12 elektrisch von den übrigen Windungen der Teilspule isoliert ist. Die Zahl und die Abmessungen der Kühlrippen sind so gewählt, dass die Erwärmung der äusseren Zylinderfläche der Teil- spule und der Kühlrippen ungefähr gleich ist. In diesem Fall überschreitet der maximale Wärmeabfall in 5 der Teilspule nicht den Wert von 300C. Ql sei die durch die Tiegelwand aus dem Einsatz in die Teil- spule durchtretende Wärme, Qzdiejoule'sche Wärme, die in einer Teilspulenwindung erzeugt wird.
Die ganze durch die Kühlluft aus der Teilspule abgeführte Wärme ist Q = Ql + nQz, wobei n die Zahl der
Teilspulenwindungen ist.
Der innere Anschluss 5 der Teilspule gemäss Fig. 2 ist ähnlich ausgeführt. wie es in den Fig. 4 und 5 für ) die Verbindung mit den Kühlrippen angedeutet ist.
Die mechanische Steifheit der ganzen Spule wird durch ähnliche Mittel erzielt wie bei normalen, durch Wasser gekühlten Einschichtspulen.
Falls E die an die Sammelschienen 2 angelegte Spannung ist, entfällt auf eine Teilspule die Spannung
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deren Anzahl r. (p-l) beträgt, ist gleich Null.
Da es bei der Spule zu keinem Feuchtwerden der Oberfläche durch Kondensation kommt und eine vollkommene Isolierung der T eilspulen durchgeführt werden kann, wird die Möglichkeit von Kurzschlüssen zwischen den Teilspulen benachbarter Zweige praktisch beseitigt.
Die erfindungsgemäss ausgeführte Spule besitzt die folgenden Vorteile :
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Es entfällt die Gefahr von Explosionen bei einem Durchschmelzen des Tiegels, denn das flüssige Metall kommt nicht in Kontakt mit Wasser. Es kann somit weder zu einer Vernichtung des Ofens, noch zu einer Gefährdung des Lebens der Bedienungspersonen kommen. Die Spule wird niemals überkühlt, sie ist im Gegenteil während des Betriebes immer sehr warm und es kann daher auch beim Austrocknen von neuen Tiegeln nicht zu einer Kondensation der Dämpfe kommen. Dadurch ist die grösste Gefahr von Überschlägen zwischen den Windungen bzw. Teilspulen der Induktionsspule behoben. Der Spulenleiter ist einfach, da übliche, flache Kupferleiter verwendet werden oder Leiter, die aus Kupferblech geschnitten werden und es entfallen teure, für die Erzeugung von hohlen Profilleitern erforderliche Werkzeuge.
Die Herstellung der Teilspulen ist einfach und billig, da der Leiter nicht im erwärmten Zustand gewickelt werden muss.
Die Spule wird Åaus völlig gleichen Elementen (T eilspulen) zusammengestellt, welche bei Beschädigung leicht ausgewechselt werden können. Es ist nicht nötig, eine ganze Spule in Reserve zu haben. es genügen einige Teilspulen.
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