CN1754969A - 多工位均匀感应加热的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种多工位均匀感应加热的方法，多个感应线圈输入端之间、输出端之间相互连接形成串联电流通路，通过连接铜排分别与电源输出母排连接，并相邻感应线圈内的磁场方向相反，同时，在串联感应线圈的两外端部，各设置一导流环或聚磁环，通过导流环或聚磁环的作用，使两端外半圆感应线圈的电流向内侧聚集，使两端线圈上的电流密度趋于均匀，磁场分布一致，达到均匀加热。本发明通过导流和聚磁的作用，保证两端部线圈与内部线圈的磁场分布的一致性，实现了多工位感应线圈均匀加热，避免了因加热不均匀而造成工件的质量问题，并降低了电源的损耗，避免了电源难以起振等现象；另外，导流环或聚磁环可以任意调节位置，以最佳效果实现均匀加热。

Description

多工位均匀感应加热的方法及装置

技术领域

本发明涉及热处理工艺领域。

背景技术

感应加热具有节能、高效和便于自动化等一系列优点，作为加热已被广泛应用于冶金工业，也是热处理工艺最为普遍的应用技术之一。金属材料被感应加热的基本原理是依靠电磁感应现象，由交变磁场产生的交变电场，使其表面或内部生成涡电流而加热金属材料。当然，电源的参数不同，或者感应线圈的形状及多个感应线圈分布的不一样或相互干扰，会直接影响线圈内的磁场分布状态，导致工件的加热效率和加热温度的不一致，这一现象在工业生产过程中是最为常见的。传统的多工位感应加热线圈，一般都是裸露的，有时连屏蔽罩都未设置，造成漏磁十分严重。

这不仅增加电耗，降低加热效率，如钢管钻杆线一次需加热8根钻杆来说，因漏磁或磁场相互干扰，使感应线圈内磁场分布不一致而引起加热的不均匀，最终影响了产品的质量，而且，随着感应加热电源功率的不断增加，或频率的选择趋高，这种电磁干扰现象会更加严重。一般来说，多工位感应加热线圈只要3个工位以上的串联布置就会产生因磁场分布不一致而出现加热温度不均匀的现象。

如图1所示，其为单一线圈的电磁场分布原理，任一导体通过电流时，在其周围同时会产生一磁场，磁场强度的大小和方向是由导体中电流的大小和方向而定的，若有一电流I流过线圈(见图1a)，则产生的磁场强度可用下式表示

H＝I/2πr               (1)

式中，H为磁场强度(A/m)；I为电流密度(A/m²)；r为电流I到P点的距离(m)。

B＝μH                  (2)

式中，B为磁通密度(T)；μ为磁导率(H/m)。由(1)和(2)式可知，线圈中的磁通密度B随着电流密度的增加而增大，即被加热体中的涡流增大，这是感应加热过程中所希望的。另一方面，从图1b中看到，由线圈抽头处引出的电流回路中看到，无论线圈匝数多少两边的电流始终相向流动，而磁场分布保持一致，根据电流的邻近效应(Proximity Effect)，线圈中的电流会向内侧表面聚集，换言之，线圈的内表面电流密度增加。

如图2所示，其为感应线圈的一种连接法，线圈与线圈之间的电流始终相向流动，当线圈之间距离δ变小时，由于电流的邻近效应，中间的线圈电流都集中在外侧表面，而两端的外半圆线圈不再受到邻近效应的影响，结果该两线圈内的磁通密度会高于中间线圈，这一分析结果已被钢管钻杆线8工位感应加热线的两端线圈中的钢管加热温度偏高50度所证实。

如图3所示，其为感应线圈的另一种连接法，同样可以由电磁场分布原理分析得出，两端线圈内的磁通密度会低于中间线圈，即，感应加热时会出现温度偏低的现象。

对于这一问题或现象，目前工程上解决加热温度偏差的办法是取消两端部的工件加热(保留线圈)，既空载。这样一来不仅产量降低，物流平衡破坏，而且由于电源的阻抗不匹配，电效率急剧低下，甚至电源还会出现难以正常起振的现象，影响了整个生产流程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多工位(3个线圈以上)均匀感应加热的方法和装置，以解决多工位感应线圈不能均匀加热而造成产品质量的低下，以及两端部线圈无法正常加热工件，因空载所造成的电源输出功率下降，不能正常起振等问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种多工位均匀感应加热的方法，多个感应线圈输入端和输出端串联连接，通过连接铜排与电源输出母排形成电流通路，并相邻感应线圈内磁场方向完全相同，同时，在串联感应线圈的两外端部，各设置一导流环，该导流环与感应线圈电性连接，导流环中电流方向始终与串联感应线圈的两端外半圆感应线圈的电流方向保持相反，通过导流环的作用，使两端感应线圈上的电流密度趋于均匀，磁场分布一致，达到均匀加热。

由于电流流向引起的邻近效应，使该连接法两端部感应线圈内的磁感应强度比中间的强，导致多工位感应线圈内的磁场分布和感应加热呈非均匀性，在串联感应线圈的两端部，设置一对导流环，可解决该非均匀性，

又，本发明的另一种多工位均匀感应加热的方法，多个感应线圈输入端之间、输出端之间相互连接形成串联电流通路，通过连接铜排分别与电源输出母排连接，并相邻感应线圈内的磁场方向相反，同时，在串联感应线圈的两外端部，各设置一聚磁环，聚磁环与感应线圈呈非电性连接，通过聚磁环的作用，使两端外半圆感应线圈的电流向内侧聚集，使两端线圈上的电流密度趋于均匀，磁场分布一致，达到均匀加热。

由于电流邻近效应的影响，使两端部感应线圈内的磁感应强度比中间的弱，造成多工位感应线圈内的磁场分布和感应加热呈非均匀性，在串联感应线圈的两端部各设置一聚磁环，聚磁环与多工位感应线圈呈非连接，即可解决这一问题。

本发明的多工位均匀感应加热装置，包括，

多个感应线圈，各感应线圈的输入端之间、输出端之间通过连接铜排相互连接形成串联电流通路，并与电源输出母排相连接；

聚磁环，为磁性材料组成，各设置于串联后的感应线圈两侧。

其中，所述的相邻感应线圈之间的距离不大于200mm。

所述的聚磁环包括非金属支架及固定其上的聚磁环。

又，本发明的另一个多工位均匀感应加热装置，包括，

多个感应线圈，各感应线圈的输入端之间、输出端之间通过连接铜排相互连接形成串联电流通路，并与电源输出母排相连接；

导流环，该导流环与感应线圈电性连接，各设置于串联后的感应线圈两侧。

本发明的有益效果

本发明通过导流和聚磁的作用，保证两端部线圈与内部线圈的磁场分布的一致性，实现了多工位感应线圈均匀加热，避免了因加热不均匀而造成工件的质量问题。尤其是全负载加热，降低了电源的损耗，避免了电源难以起振等现象。另一方面，导流环或聚磁环，可以任意调节位置，以最佳效果实现均匀加热。设计成拼装结构，使装卸、移动和操作很方便。

附图说明

图1a、b为单一线圈的电磁场分布原理图。

图2为本发明感应线圈的一种连接法的原理图。

图3为本发明感应线圈的第二种连接方法的原理图。

图4为本发明的第一种感应线圈连接法的示意图。

图5为本发明第一种感应线圈连接法的一实施例的示意图。

图6为本发明第一种感应线圈连接法的另一实施例的示意图。

图7为本发明的第二种感应线圈连接法的示意图。

图8a、图8b为本发明的导流环的结构示意图。

图9a、图9b为本发明的聚磁环的结构示意图。

图10为有无聚磁罩条件下外端感应线圈内的各点的磁通密度的实验结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

参见图4，其为本发明多工位均匀感应加热的方法中的第一种感应线圈连接法。每个感应线圈有两个电路端口，左侧为输入端，右侧的为输出端。将8个感应线圈11～18，从感应线圈11开始，通过连接铜排2把线圈11的输出端与线圈12的输入端连接起来，然后再通过另一个连接铜排把线圈12的输出端和线圈13的输入端连接起来，线圈13的输出端与线圈14的输入端连接，线圈14的输出端与电源输出母排1的左端口连接，电源输出母排1的右端口与感应线圈15的输入端连接，线圈15的输出端与线圈16的输入端连接，依次类推，把感应线圈相互连接到线圈18的输入端之间形成串联连接，同时，在感应线圈11、18的两端外侧，各设置一导流环4、4’，该导流环4、4’与感应线圈11、18为电性连接，感应线圈11的输入端和线圈18的输出端分别与导流环4、4’的两个端口连接，导流环4和4’的另外二个端口通过长连接铜排2’连接起来，并使导流环4、4’中电流方向i始终与感应线圈11、18的两端外半圆周感应线圈的电流方向i保持相反，通过导流环4、4’的作用，使两端感应线圈11、18上的电流密度趋于均匀，磁场分布一致，达到均匀加热。

该类多线圈串联连接可以划分为奇数串联和偶数串联，分别如图5、6所示。其中图5所示的奇数串联方法以3个感应线圈相连为例，连接法是由电源输出母排3的一端与左边导流环4的一端连接，导流环4另一端与左边第1个感应线圈11的输入端连接，感应线圈11的输出端与第二个感应线圈12输入端连接，第二个感应线圈12输出端与第三个感应线圈13的输入端连接，第三个感应线圈13的输出端与右边导流环4’的一端连接，导流环4’的另一端与电源输出母排3的另外一端连接，构成串联的电流通路。奇数串联方法的特征在于交流电源输出母排的两个端口分别与设置在多工位感应线圈外侧的导流环4、4’的2个端口连接，并使导流环中的电流方向与最外端两个感应线圈的外半圆周的电流方向相反。

对于偶数串联法，以如图6所示的4个感应线圈为例，连接方法如下：4个感应线圈11～14的中间2个感应线圈12的输出端、感应线圈13的输入端分别与电源的输出母排的2个端口连接，感应线圈12的输入端与感应线圈11的输出端连接，感应线圈13的输出端与感应线圈14的输入端连接，构成串联通路。该连接法考虑到邻近效应的作用会使两端外半圆内侧线圈的电流密度大于内部线圈，即两端线圈的磁感应强度的分布不均匀性增大，且大于内部线圈。为此，在多线圈两端设置两个导流环4、4’，并分别与感应线圈11和14电性连接，并使环中电流i方向始终与两端外半圆线圈的电流i方向保持相反，导流环半径R＝D/2+(d-D)，距离L可调。这样通过导流环4、4’的作用，使两端线圈上的电流密度趋于均匀，磁场分布一致，达到均匀加热。图中D为感应线圈直接，d为相邻线圈的中心距，L为导流环与线圈之间的距离。

偶数串联方法的特征在于交流电源输出母排的两个端口分别与多工位中间二个感应线圈12的输出端和感应线圈13输入端连接，而在最外部2个感应线圈外侧的设置导流环4、4’，并与之电性连接，使导流环4、4’中的电流方向与最外端两个感应线圈的外半圆周的电流方向相反。

参见图7，本发明的另一种多工位均匀感应加热的方法，多个感应线圈11～14，从感应线圈11开始，把感应线圈11的输入端与感应线圈12的输入端通过连接铜排2连接起来，感应线圈11的输出端与线圈13的输入端连接，感应线圈12的输出端与靠近的一个电源输出母排3端口连接，电源输出母排3的另一端口与线圈14的输入端连接，最后把感应线圈13和线圈14的输出端通过连接铜排2连接起来，构成串联电流通路，并相邻感应线圈内的磁场方向相反，同时，在串联感应线圈的两外端部，各设置一聚磁环5、5’，聚磁环5、5’与感应线圈11、14呈非电性连接，通过聚磁环5、5’的作用，使两端外半圆感应线圈11、14的电流向内侧聚集，使两端感应线圈11、14上的电流密度趋于均匀，磁场分布一致，达到均匀加热。

如图8a、图8b所示为导流环4的基本结构，包括导流环体41、冷却铜水管42、电源母排连接板43、进水管44和出水管45；导流环体41宽度W为2倍的线圈高度，高度 $h=2\×\sqrt{R^2-{(R-d+D)}^2},$ 导流环体41固定于冷却铜水管42，两端连接进水管44和出水管45，并连接于电源母排连接板44。导流环4与线圈距离L的最佳位置，可以通过线圈内磁感应强度B来调节。该导流环4适用于小于2匝的串联感应线圈。该导流环结构简单，调节方便，效果明显。

再请参见图9a、图9b，所述的聚磁环5包括聚磁环体51、非金属支架52、紧固螺栓53；聚磁环体51固定于非金属支架52上；聚磁环体51宽度W为2倍的线圈高度，高度 $h=2\×\sqrt{R^2-{(R-d+D)}^2}.$ 聚磁环5与线圈距离L的最佳位置，可以通过线圈内磁感应强度B来调节。该发明特别适用于多匝的串联感应线圈。

如图10所示，其为有无聚磁罩条件下外端感应线圈内的各点的磁通密度的实验结果一例，由图10中两结果比较可知，磁罩导流效果十分明显。本发明就是通过有效控制两外端外半圆线圈的电流密度和聚集位置，在线圈2种连接法下，各感应线圈内的磁场分布保持一致，实现均匀加热。

本发明有效解决钢管钻杆线多根如8根钢管能同时均匀加热的问题，其结构简单、体积小，操作方便；采用环状形，且距离可调，使导流强弱效果更加明显。尤其解决了由于阻抗匹配不良而导致的电源起振不正常等问题，使电效率有了明显提高。

Claims (9)

1.一种多工位均匀感应加热的方法，其特征是，多个感应线圈输入端和输出端串联连接，通过连接铜排与电源输出母排形成电流通路，并相邻感应线圈内磁场方向完全相同，同时，在串联感应线圈的两外端部，各设置一导流环，该导流环与感应线圈电性连接，导流环中电流方向始终与串联感应线圈的两端外半圆感应线圈的电流方向保持相反，通过导流环的作用，使两端感应线圈上的电流密度趋于均匀，磁场分布一致，达到均匀加热。

2.一种多工位均匀感应加热的方法，其特征是，多个感应线圈输入端之间、输出端之间相互连接形成串联电流通路，通过连接铜排分别与电源输出母排连接，并相邻感应线圈内的磁场方向相反，同时，在串联感应线圈的两外端部，各设置一聚磁环，聚磁环与感应线圈呈非电性连接，通过聚磁环的作用，使两端外半圆感应线圈的电流向内侧聚集，使两端线圈上的电流密度趋于均匀，磁场分布一致，达到均匀加热。

3.多工位均匀感应加热装置，其特征是，包括，

多个感应线圈，各感应线圈的输入端之间、输出端之间通过连接铜排相互连接形成串联电流通路，并与电源输出母排相连接；

导流环，该导流环与感应线圈电性连接，各设置于串联后的感应线圈两侧。

4.如权利要求3所述的多工位均匀感应加热装置，其特征是，所述的相邻感应线圈之间的距离不大于200mm。

5.如权利要求3所述的多工位均匀感应加热装置，其特征是，所述的导流环宽度为感应线圈高度的1～5倍。

6.多工位均匀感应加热装置，其特征是，包括，

多个感应线圈，各感应线圈的输入端之间、输出端之间通过连接铜排相互连接形成串联电流通路，并与电源输出母排相连接；

聚磁环，为磁性材料组成，各设置于串联后的感应线圈两侧。

7.如权利要求6所述的多工位均匀感应加热装置，其特征是，所述的相邻感应线圈之间的距离不大于200mm。

8.如权利要求6所述的多工位均匀感应加热装置，其特征是，所述的聚磁环宽度为感应线圈高度的1～5倍。

9.如权利要求6所述的多工位均匀感应加热装置，其特征是，所述的聚磁环包括非金属支架及固定其上的聚磁环体。

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