DE3711645C1

DE3711645C1 - Hochfrequenzinduktionswaermegeraet

Info

Publication number: DE3711645C1
Application number: DE3711645A
Authority: DE
Inventors: Kunihiko Sawa
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1985-12-12
Filing date: 1987-04-07
Publication date: 1988-12-08
Also published as: JPS62139289A; US4755648A; JP2530812B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Induktionswärmegerät zur Erwärmung eines Werkstücks nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Gerät ist aus der DE-OS 25 35 637 bekannt.

Wenn ein guter elektrischer Leiter, wie beispielsweise ein Metall, in ein schnellwechselndes Magnetfeld eingebracht wird, dann werden in dem Leiter als Folge elektromagnetischer Induktion Wirbelströme erzeugt, die sog. Wirbelstromverluste hervorrufen, die den Leiter erwärmen. Wenn der Leiter ein magnetisches Material ist, dann treten auch Hystereseverluste auf, die den Leiter erwärmen.

Es ist bekannt, daß in stromdurchflossenen Leitern mit zunehmender Frequenz des Stromes eine Verdrängung desselben in die Oberflächenschicht stattfindet (sog. Skineffekt). Die Eindringtiefe der Wirbelströme, die in einem Leiter durch Induktionsspulen erregt werden können, nimmt daher mit steigender Frequenz des Stroms, der durch die Induktionsspule fließt, ab.

Bei manchen Anwendungen der Induktionserwärmung, beispielsweise beim Abschrecken von Werkstücken aus Stahl, muß man die Oberflächenschicht und das Innere des Werkstücks auf unterschiedliche Temperaturen erwärmen. Üblicherweise hat man dieser Bedingung durch Verwendung zweier getrennter Hochfrequenzinduktionswärmegeräte genügt, die Ausgänge unterschiedlicher Spannungen und Frequenzen erzeugen und Seite an Seite angeordnet sind, wobei man das zu erwärmende Werkstück derart durch diese hindurchbewegt, daß die Oberflächenschicht des Werkstücks von der einen Einheit und der weiter innenliegende Bereich des Werkstücks von der anderen Einheit erwärmt wird. Eine solche Einrichtung ist somit relativ aufwendig.

Das aus der eingangs genannten Druckschrift bekannte Hochfrequenzinduktionswärmegerät ist zur Verwendung in Kochherden vorgesehen. Von diesen werden Töpfe oder Pfannen erwärmt. Solche Gegenstände haben relativ geringe Wandstärken, so daß sich das zuvor erläuterte Problem der Eindringtiefe der Wirbelströme nicht stellt. Dementsprechend ist die Steuereinrichtung in dem bekannten Hochfrequenzinduktionswärmegerät nur zur Beeinflussung der mittleren Stromstärke des der Induktionsspule zugeführten Stroms eingerichtet, um in üblicher Weise die Temperatur des Kochtopfes bzw. der Pfanne insgesamt zu beeinflussen. Die mittlere Stromstärke wird dabei dadurch verändert, daß der der Induktionsspule zugeführte Hochfrequenzstrom konstanter Amplitude niederfrequent zyklisch ein- und ausgeschaltet wird, wobei das Tastverhältnis des Schaltzyklus veränderbar ist. Diese Technik ist bei einem Verfahren zum induktiven Beheizen von ferromagnetischen Materialien auch aus der DE-OS 34 15 967 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hochfrequenzinduktionswärmegerät der eingangs genannten Art anzugeben, das in der Lage ist, sowohl den Oberflächenbereich als auch den tiefer liegenden Bereich eines elektrisch leitenden Werkstücks auf unterschiedliche Temperaturen im wesentlichen gleichzeitig zu erwärmen, und das einen einfachen Aufbau aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung weist den Vorteil auf, daß nur ein einziger Hochfrequenzgenerator und nur eine Stromversorgungseinrichtung für diesen benötigt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf ein in den Zeichnungen dargestelltes Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Hochfrequenzinduktionswärmegeräts nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein Wellenformdiagramm, das das Prinzip der Wirkungsweise des Hochfrequenzinduktionswärmegeräts nach Fig. 1 angibt, und

Fig. 3(a) und 3(b) Wellenformdiagramme, die weitere Betriebsweisen des Hochfrequenzinduktionswärmegerätes nach der Erfindung angeben.

Eine Ausführungsform des Hochfrequenzinduktionswärmegerätes nach der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Man erkennt eine Spannungsquelle, die entweder eine Gleichspannungsquelle sein kann, oder eine Wechselspannungsquelle zusammen mit einem Gleichrichter 101 und einem Glättungskondensator 201. Die Spannung wird einem Hochfrequenzgenerator 301 zugeführt, der einen hochfrequenten Wechselstrom einer Einrichtung zum Erwärmen des zu erwärmenden Werkstücks zuführt. Wie hier dargestellt, besteht die Zuführeinrichtung aus einer Spule 401, die Wirbelströme in dem Werkstück 501 erzeugt, das in oder nahe der Spule 401 angeordnet wird. Wie oben erläutert, erzeugen die Wirbelströme thermische Energie zur Erwärmung eines Teils des Werkstücks entsprechend der Frequenz des erregenden Stromes.

Das Gerät enthält weiterhin eine Frequenzsteuereinrichtung 601, die den Hochfrequenzgenerator 301 derart steuert, daß er an die Spule 401 einen ersten Strom abgibt, der eine erste Frequenz aufweist, um einen inneren Bereich des Werkstücks zu erwärmen, und einen zweiten Strom abgibt, der eine zweite Frequenz aufweist, die höher als die Frequenz des ersten Stromes ist, um einen äußeren Bereich des Werkstücks zu erwärmen. Die Frequenzsteuereinrichtung 601 kann in jeder geeigneten Schaltung ausgeführt sein, die in der Lage ist, den Hochfrequenzgenerator 301 so zu steuern, daß dieser Strom mit wenigstens zwei wählbaren Frequenzen aufgrund Eingabe entsprechender Werte in die Steuereinrichtung 601 abgibt. Diese Eingabe umfaßt ein Frequenzwahlsignal, das die gewählten Frequenzen angibt, und ein Periodenwahlsignal, das die Zeitfolge zur Ausgabe der gewählten Frequenzen angibt. Zwischen den Frequenzen wird periodisch umgeschaltet, wobei die Periodendauer für die Umschaltung jeweils so gewählt ist, daß die thermische Zeitkonstante des zu erwärmenden Werkstücks nicht überschritten wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Ausgangsfrequenz des Hochfrequenzgenerators durch die Steuereinrichtung 601 zyklisch in geeigneten Zeitintervallen gewechselt, wie in Fig. 2 gezeigt, so daß Wärme nicht nur in der Oberflächenschicht, sondern auch in einem tieferen Bereich eines zu erwärmenden Werkstücks 501 erzeugt wird. Wenn die Anordnung bei niedriger Frequenz arbeitet, dann kann das Werkstück 501 bis zu einer gewissen Tiefe unterhalb der Oberfläche erwärmt werden, und wenn die Einrichtung bei hoher Frequenz arbeitet, dann wird nur die Oberflächenschicht des Werkstücks 501 merklich erwärmt. Die Frequenzsteuereinrichtung 601 steuert den Hochfrequenzgenerator 301 derart, daß er von der einen Frequenz auf die andere Frequenz in einem Zeitintervall umschaltet, das nicht länger als die thermische Zeitkonstante des zu erwärmenden Werkstücks ist. Das Werkstück kann daher so erwärmt werden, als würde es gleichzeitig von zwei Frequenzgeneratoren unterschiedlicher Frequenzen durchgehend erwärmt.

Wenn es gewünscht wird, nicht nur die Frequenz, sondern auch die Energie zu beeinflussen, die in das zu erwärmende Werkstück übertragen wird, dann kann eine Spannungsregelung mit Hilfe des Gleichrichters 101 ausgeführt werden, der in einem solchen Falle zweckmäßigerweise als gesteuerter Thyristorgleichrichter ausgeführt ist. Günstiger ist es jedoch, wenn die Spannungsregelung von der Steuereinrichtung 601 ausgeführt wird, die den Hochfrequenzgenerator 301 in der Weise steuert, wie in Fig. 3(a) und (b) dargestellt ist. In dem in Fig. 3(a) dargestellten Fall wird der Hochfrequenzgenerator 301 derart betrieben, daß ihm Strom in unterschiedlichen Richtungen für abwechselnde Zeitintervalle von t/ 2 zugeführt wird. Ein alternatives Verfahren zur Ausführung einer Steuerung ist in Fig. 3(b) dargestellt. Der Strom wird für eine wählbare Zeitdauer t _a zugeführt und für eine Zeitdauer t _o gesperrt, während der keine Ausgangsleistung abgegeben wird. Die Summe von t _a und t _o ist die volle Periode t. Durch Beeinflussen der Länge der Null-Periode t _o von 0 bis t ist eine Steuerung der Ausgangsleistung des Hochfrequenzgenerators von 0 bis zur Maximalleistung möglich.

Anstelle einer Steuerung der Ausgangsspannung des Hochfrequenzgenerators 301 läßt sich auch das Verhältnis der Periodendauer, während der ein Ausgang niedriger Frequenz erzeugt wird, relativ zur Periodendauer, während der eine Leistung hoher Frequenz erzeugt wird (T 1/T 2 in Fig. 2) ausführen, wozu nur ein einfach aufgebautes Gerät erforderlich ist, so daß die den äußeren und inneren Bereichen des Werkstücks zuzuführende Energie im Verhältnis zueinander eingestellt werden kann.

Die vorangehende Beschreibung basiert auf der Annahme, daß die Frequenz am Ausgang des Hochfrequenzgenerators in zyklischen Zeitintervallen von einem niedrigen auf einen hohen Wert umgeschaltet wird, und umgekehrt. Es versteht sich jedoch, daß es auch möglich ist, zwischen mehr als zwei unterschiedlichen Frequenzen umzuschalten, wenn dies erforderlich sein sollte.

Claims

1. Hochfrequenzinduktionswärmegerät zur Erwärmung eines Werkstücks, enthaltend eine Spannungsquelle, einen Hochfrequenzgenerator, der mit der Spannungsquelle verbunden ist, eine Induktionsspule, die von dem Hochfrequenzgenerator erregbar ist und in deren Feld das zu erwärmende Werkstück einbringbar ist, und eine Steuereinrichtung zur Beeinflussung der der Induktionsspule zugeführten Energie, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzgenerator (301) zwischen wenigstens zwei unterschiedlichen Erregungsfrequenzen umschaltbar ist, die eine Erwärmung im inneren Bereich und eine Erwärmung im äußeren Bereich des Werkstücks (501) hervorrufen, und mittels der Steuereinrichtung (601) zyklisch derart umschaltbar ist, daß er abwechselnd in den verschiedenen Erregungsfrequenzen erregt wird, wobei das Umschaltzeitintervall kleiner als die thermische Zeitkonstante des zu erwärmenden Werkstücks (501) ist.

2. Hochfrequenzinduktionswärmegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Tastverhältnis des Frequenzumschaltintervalls veränderbar ist.

3. Hochfrequenzinduktionswärmegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (601) den Hochfrequenzgenerator (301) derart steuert, daß die Stärke des der Induktionsspule (401) zugeführten Stroms zyklisch wechselt, wobei die Zyklusperiode kleiner als die Zeitkonstante des zu erwärmenden Werkstücks (501) ist.

4. Hochfrequenzinduktionswärmegerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzgenerator (301) von der Steuereinrichtung (601) zyklisch ein- und ausgeschaltet wird, wobei das Tastverhältnis des Schaltzyklus veränderbar ist.