JP4548997B2

JP4548997B2 - 誘導加熱装置

Info

Publication number: JP4548997B2
Application number: JP2001299096A
Authority: JP
Inventors: 宏一根本; 学園部; 哲嗣土斐崎
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp; Kitashiba Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp; Kitashiba Electric Co Ltd
Priority date: 2001-09-28
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2021-09-28
Also published as: JP2003109733A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はラインを搬送される被加熱材をソレノイドコイルの内側に通過させて被加熱材を加熱する誘導加熱装置のコイルの配列構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に板状の金属材料１を連続的に誘導加熱する場合、図５に示すように水冷銅管を巻回したソレノイドコイルＣの内側を走行させて、全体を誘導加熱することが行なわれている。特に鉄鋼用熱間圧延ラインでは、搬送ローラ２、２の配列ピッチが決められており、このローラ２、２の間にソレノイドコイルＣを配置するためコイル長が制限される。
【０００３】
この決められたコイル長で最大の電力を印加して、短時間に加熱し一定昇温量を確保するため、通常は図６に示すように、複数に分割したコイルＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_２、Ｃ_１を並列に接続し、各コイルＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_２、Ｃ_１に印加される電圧を３０００Ｖ程度に抑えて、全体で大きな電力を印加するようにしている。また誘導加熱装置の周囲には、磁性の構造物があり、磁束の影響を与えないようにすると共に、電力密度を最大にするために、図５に示すように開口部が長円形状をなすソレノイドコイルＣの上下に、その軸方向に沿って複数本の帰磁路鉄心３…が設けられている。
【０００４】
この場合、図６に示すように端部側のコイルＣ_１、Ｃ_１と内側のコイルＣ_２、Ｃ_２の巻数をＮ_１、Ｎ_２、コイル電流Ｉ_１、Ｉ_２とし、巻数をＮ_１＝Ｎ_２と同数にした場合、コイル電流はＩ_１＞Ｉ_２となる。Ｎ_１＝Ｎ_２＝４ターンとした場合の実測した結果では、Ｉ_１＝１．４〜２．０Ｉ_２となり、端部側のコイルＣ_１に流れる電流が大幅に増加していた。これは端部側のコイルＣ_１では、図７に示すように磁束５が帰磁路鉄心３に戻ろうとするため、端部側のコイルＣ_１のインダクタンスＬ_１が内側のコイルＣ_２のインダクタンスＬ_２より小さくなり、端部側のコイルＣ_１に電流が流れ易くなるためである。
【０００５】
このように端部側のコイルＣ_１に大電流が流れると、コイル電流Ｉ_１によるジュール損Ｉ^２Ｒに加えて、磁束５がコイルＣ_１の銅管を鎖交して発生するうず電流損とが発生して、コイルが局部的に加熱され、損失が大きくなる問題がある。
コイルの設計は、銅管の内部を流れる冷却水の温度を６０℃程度に抑えられるように、冷却水量やコイル形状を設定している。
【０００６】
しかしながら、前述のように端部側のコイルＣ_１が局部的に加熱されると、最大加熱温度に合わせてコイルの許容電流値が決められるため、印加電力が制限される問題があり、短いコイルで最大の電力を供給するという要請を達成することができなかった。
【０００７】
このため図８に示すように、端部側のコイルＣ_１の巻数Ｎ_１を内側のコイルＣ_２の巻数Ｎ_２より多くしてインピーダンスを大きくし、電流を流れにくくして全体の電流バランスを取る構造も実施されている。これはコイル長が長く、巻数も多く、印加電力が小さい場合には比較的バランスが取れて局部加熱を少なくすることができる。
【０００８】
しかしながら、コイル長が短く、巻数が少ない場合には、コイルに大電力を印加すると電流バランスが取れない場合があることが実験の結果から判明した。例えば、端部側のコイルＣ_１の巻数Ｎ_１を５ターン、内側のコイルＣ_２の巻数Ｎ_２を３ターンにして大電力を印加すると、コイル電流はＩ_１＝０．１Ｉ_２となり、内側のコイルＣ_２に比べて１０分の１程度の電流しか流れず、加熱効率も４０％程度に大幅に低下する問題が生じた。
【０００９】
また逆に端部側のコイルＣ_１の巻数Ｎ_１を３ターン、内側のコイルＣ_２の巻数Ｎ_２を４ターンにすると、Ｉ_１＝０．６Ｉ_２となった。更に端部側のコイルＣ_１の巻数Ｎ_１を４ターン、内側のコイルＣ_２の巻数Ｎ_２を５ターンにすると、Ｉ_１＝０．５Ｉ_２となり、コイル全体として電流バランスが悪く、局部加熱を生じて、加熱効率が悪くなった。つまり端部側と内側のコイルＣ_１、Ｃ_２の巻数Ｎ_１、Ｎ_２の組合わせを種々変更して検討しても、電流が不均一になりバランスを取ることができなかった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題点に鑑みなされたもので、複数に分割して並列に接続したコイルの電流バランスをとって、コイルの局部加熱を抑えて、コイル冷却水量を少なくすると共に、電流損失を少なくして加熱効率を向上させ、短いコイル長さで最大印化電力を増大させた誘導加熱装置を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１記載の誘導加熱装置は、一端部から他端部にかけて複数個のソレノイドコイルを並設し、これらコイルの内側を通過する被加熱材を誘導加熱する誘導加熱装置において、端部のコイルの巻数が他の中央部側のコイルの巻数より少なく、端部のコイルと、これに隣接する中央部側の１個または２個のコイルを隔てて並設されるコイルとが電気的に直列接続され、斯かる直列接続された一対のコイルと、他の中央部側のコイルとが電源に並列接続されていることを特徴とするものである。
【００１２】
また本発明の請求項２記載の誘導加熱装置は、請求項１において、一端部から他端部にかけて並設された複数個のソレノイドコイルの、端部のコイルと、これに電気的に直列接続された中央部側のコイルとの合計の巻数が、他の中央部側のコイルの巻数と等しいことを特徴とするものである。
【００１３】
更に本発明の請求項３記載の誘導加熱装置は、請求項１において、一端部から他端部にかけて並設された複数個のソレノイドコイルの、端部のコイルと、これに電気的に直列接続された中央部側のコイルとの合計の巻数が、他の中央部側のコイルの巻数より多いことを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の一形態を図１を参照して詳細に説明する。図１は誘導加熱装置に設けられたソレノイドコイルＣの結線状態を示すもので、開口部が長円形状をなすソレノイドコイルＣをコイルＣ _１１、Ｃ _２、Ｃ _１２、Ｃ _１２、Ｃ _２、Ｃ _１１の６個に分割して並設する。端部のコイルＣ _１１と、これに隣接する中央部側のコイルＣ _２を隔てて並設されるコイルＣ _１２とが電気的に直列接続され、斯かる直列接続された一対のコイルＣ _１１とコイルＣ _１２と、他の中央部側のコイルＣ _２、Ｃ _２とが電源４に並列接続されている。
【００１５】
各コイルＣ _１１、Ｃ _２、Ｃ _１２の巻数は、端部のコイルＣ _１１の巻数Ｎ _１１が１ターン、中央部側のコイルＣ _２の巻数Ｎ _２が４ターン、中央部側のコイルＣ _１２の巻数Ｎ _１２が３ターンで、端部のコイルＣ _１１の巻数Ｎ _１１が他の中央部側のコイルＣ _２、Ｃ _１２の巻数より少なく形成されている。つまり、直列接続された一対のコイルＣ _１１、Ｃ _１２の合計の巻数が４で、他の中央部側のコイルＣ _２の巻数が４で等しく形成されている。
【００１６】
この誘導加熱装置について、コイル電流Ｉ_１、Ｉ_２を測定したところ、直列接続した２個のコイルＣ _１１、Ｃ _１２の端部コイルＣ _１１のコイル電流Ｉ_１は、中央部側のコイルＣ_２のコイル電流Ｉ_２に対してＩ_１＝０．８３Ｉ_２となった。また加熱効率は７４％と、大幅に改善された。
【００１７】
この理由については十分に解析されていないが、端部のコイルＣ _１１の巻数Ｎ _１１を、これと直列接続された中央部側のコイルＣ _２の巻数Ｎ _１２に対して、Ｎ _１１ ≦Ｎ _１２に設定することにより、電流バランスを取ることができ、逆に直列接続された２個のコイルＣ_１１、Ｃ_１２の巻数をＮ_１１＞Ｎ_１２とした場合には電流バランスを取ることができない。
【００１８】
図２は本発明の他の実施の形態を示すもので、開口部が長円形状をなすソレノイドコイルを、コイルＣ _１１、Ｃ _２、Ｃ _１２、Ｃ _３、Ｃ _３、Ｃ _１２、Ｃ _２、Ｃ _１１の８個に分割して並設する。端部のコイルＣ _１１は、これに隣接する中央部側のコイルＣ _２を隔てて並設されたコイルＣ _１２に電気的に直列接続され、斯かる直列接続された一対のコイルＣ _１１、Ｃ _１２と、他の中央部側のコイルＣ _２、Ｃ _３とが電源４に並列接続されている。
【００１９】
各コイルＣ _１１、Ｃ _２、Ｃ _１２、Ｃ _３の巻数は、端部のコイルＣ _１１の巻数Ｎ _１１が１ターン、これと隣接するコイルＣ _２の巻数Ｎ _２が３ターンで、中央部側のコイルＣ _１２の巻数Ｎ _１２が２ターン、コイルＣ _３の巻数Ｎ _３が３ターンで、端部のコイルＣ _１１の巻数Ｎ _１１が他の中央部側のコイルＣ _２、Ｃ _１２、Ｃ _３の巻数より少なく形成されている。つまり、直列接続された一対のコイルＣ _１１、Ｃ _１２の合計の巻数が３で、他の中央部側のコイルＣ _２、Ｃ _３の巻数３とで等しく形成されている。この場合、端部コイルＣ_１１のコイル電流Ｉ_１は、中央部側のコイルＣ_２のコイル電流Ｉ_２に対してＩ_１＝０．８１Ｉ_２となった。
【００２０】
また本発明では、端部コイルＣ _１１の巻数Ｎ _１１を２ターン、これに直列接続されたコイルＣ _１２の巻数Ｎ _１２を４ターン、または端部コイルＣ _１１の巻数Ｎ _１１を１ターン、コイルＣ _１２の巻数Ｎ _１２を５ターンとし、巻数Ｎ _１１、巻数Ｎ _１２の合計の巻数を６ターン、他の中央部側のコイルＣ _２、Ｃ _３の巻数Ｎ _２、Ｎ _３をそれぞれ６ターンの同数としても良い。
【００２１】
また図３に示すように、端部のコイルＣ _１１の巻数Ｎ _１１を例えば１ターンとし、これに直列接続されたコイルＣ _１２の巻数Ｎ _１２を３ターンとし、巻数Ｎ _１１、Ｎ _１２の合計の巻数を４ターン、中央部側のコイルＣ_２の巻数Ｎ_２を３ターンとしたものである。
【００２２】
図４は本発明の他の実施の形態を示すもので、開口部が長円形状をなすソレノイドコイルＣを、コイルＣ _１１、Ｃ _２、Ｃ _３、Ｃ _１２、Ｃ _１２、Ｃ _３、Ｃ _２、Ｃ _１１の８個に分割して並設する。端部のコイルＣ _１１は、これに隣接する中央部側のコイルＣ _２、Ｃ _３を隔てて並設されたコイルＣ _１２に電気的に直列接続され、斯かる直列接続された一対のコイルＣ _１１、Ｃ _１２と、他の中央部側のコイルＣ _２、Ｃ _３とが電源４に並列接続されている。
【００２３】
各コイルＣ _１１、Ｃ _２、Ｃ _３、Ｃ _１２の巻数は、端部のコイルＣ _１１の巻数Ｎ _１１が１ターン、これと隣接するコイルＣ _２、Ｃ _３の巻数Ｎ _２、Ｎ _３をそれぞれ３ターン、端部のコイルＣ _１１に直列接続されたコイルＣ _１２の巻数Ｎ _１２を２ターンとしたものである。
【００２４】
なお上記説明ではソレノイドコイルを６個または８個に分割して並設した場合について示したが、６個以上、複数個に分割したものでも良く、７個のように奇数個に分割しても良い。また上記説明では各コイルの巻き方向が同一の場合について示したが、隣接するコイルの巻き方向を逆向きにした構造でも良い。
【００２５】
なお上記説明では金属板を連続的に加熱する場合について説明したが、丸棒や角棒などの棒材や、パイプの誘導加熱にも適用することができる。この場合、ソレノイドコイルは断面形状が円形や角形のものを用いる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明した如く本発明に係る請求項１記載の誘導加熱装置によれば、複数個のソレノイドコイルを並設し、端部のコイルの巻数が他の中央部側のコイルの巻数より少なく、端部のコイルと、これに隣接する中央部側の１個または２個のコイルを隔てて並設されるコイルとが電気的に直列接続され、斯かる直列接続された一対のコイルと、他の中央部側のコイルとが電源に並列接続されているので、各コイルの電流バランスを取って、コイルの局部加熱を抑え、コイル冷却水量や電流損失を少なくして加熱効率を向上させ、短いコイル長で最大印化電力を増大させることができる。
【００２７】
また請求項２記載の誘導加熱装置によれば、端部のコイルと、これに電気的に直列接続された中央部側のコイルとの合計の巻数が、他の中央部側のコイルの巻数と等しくすることにより更に電流バランスを取って局部加熱を抑えることができる。
【００２８】
また請求項３記載の誘導加熱装置によれば、並設された複数個のソレノイドコイルの、端部のコイルと、これに電気的に直列接続された中央部側のコイルとの合計の巻数が、他の中央部側のコイルの巻数より多くし、コイルの局部加熱を抑え、加熱効率を向上させ、短いコイル長で最大印化電力を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態による誘導加熱装置のコイル接続状態を示す結線図である。
【図２】本発明の他の実施の形態による誘導加熱装置のコイル接続状態を示す結線図である。
【図３】本発明の異なる他の実施の形態による誘導加熱装置のコイル接続状態を示す結線図である。
【図４】本発明の異なる他の実施の形態による誘導加熱装置のコイル接続状態を示す結線図である。
【図５】従来の誘導加熱装置の概略構成を示す説明図である。
【図６】従来の誘導加熱装置のコイル接続状態を示す結線図である。
【図７】帰磁路鉄心を設けたソレノイドコイルの磁束の流れを示す説明図である。
【図８】従来の誘導加熱装置のコイル接続状態を示す結線図である。
【符号の説明】
１金属材料
２搬送ローラ
３帰磁路鉄心
４電源
５磁束
Ｃソレノイドコイル
Ｃ _１１端部のコイル
Ｃ _１２、Ｃ _２、Ｃ _３コイル

Claims

一端部から他端部にかけて複数個のソレノイドコイルを並設し、これらコイルの内側を通過する被加熱材を誘導加熱する誘導加熱装置において、端部のコイルの巻数が他の中央部側のコイルの巻数より少なく、端部のコイルと、これに隣接する中央部側の１個または２個のコイルを隔てて並設されるコイルとが電気的に直列接続され、斯かる直列接続された一対のコイルと、他の中央部側のコイルとが電源に並列接続されていることを特徴とする誘導加熱装置。
一端部から他端部にかけて並設された複数個のソレノイドコイルの、端部のコイルと、これに電気的に直列接続された中央部側のコイルとの合計の巻数が、他の中央部側のコイルの巻数と等しいことを特徴とする請求項１記載の誘導加熱装置。
一端部から他端部にかけて並設された複数個のソレノイドコイルの、端部のコイルと、これに電気的に直列接続された中央部側のコイルとの合計の巻数が、他の中央部側のコイルの巻数より多いことを特徴とする請求項１記載の誘導加熱装置。