JP5025797B2 - 誘導加熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、相対運動、特に、ビレットと鉄心上の少なくとも直流電流が流れる超伝導コイルを用いて生成される磁場領域との間に回転の生成によって、導電性の材料からなるビレットの加熱を誘導するための方法に関する。

この方法は、独国特許発明第１０２００５０６１６７０号明細書で示されている。この方法を実現するために、例えば、回転運動させる駆動装置で駆動される円筒状のビレットは、一定の回転数で、自身の円筒軸を中心に、超伝導巻線を流れる定電流を用いて生成される磁場領域で回転している。それによって、ビレットで大きな定電流が誘導される。現実には、ビレットは、未だ最適な円筒形になっておらず、及び／又は、正確に駆動していないため、その結果、自身の円筒軸の周りを回転していない。それによって、ビレットを通る磁束が変化し、その結果、一定のビレットの誘導電流が誘導されない。誘導電流Ｉ_ｉｎｄ（ｔ）は、回転数ｆで交互に入れ替わり（交流化し）、つまり、Ｉ_ｉｎｄ（ｔ）＝Ｉ_ｉｎｄ（ｔ＋ｆ^−１）になる。時間的に一定でないビレットの誘導電流によって、時間に応じて変化する電磁領域が生成され、その電磁領域には、超伝導コイルが貫通し、かつ、そこに電圧が誘導される。この効果は、交流誘導と呼ばれ、対応する電圧は、交流誘導電圧と呼ばれている。この時間的に変化する交流誘導電圧に基づいて、超伝導コイルに時間的に一定でなく、時間的に可変の電流が流れ、この時間的に可変の電流は、望ましくない損失、いわゆる交流誘導損失を超伝導コイルにもたらす。

同様に、加熱する場合、例えば、長方形又は楕円の横断面を備えた円筒状かつ棒状のビレットは、ビレットの回転によって、一定の交流の誘導電流が生成し、この誘導電流は、対応する交流の交流誘導電圧を生じさせ、かつ、それによって、対応する交流誘導損失を生じさせる。

時間的に可変の交流誘導電圧及びそれによる交流誘導損失は、ビレットの形状に依存せず、特に、ビレットが回転し始め又は停止する誘導加熱の開始時と終了時に生じる。通常は、いずれかの回転速度が変化する場合に、交流誘導損失が生じる。

この交流誘導損失は、対応する高効率の電源によって、補償され、かつ、超伝導コイルのために必要な冷却性能を向上させる。

米国特許第３８４２２４３号明細書には、電磁的交番磁界で電導性のビレットを加熱することが提案されている。ビレットを通る磁束を案内するために、交流供給導体が、Ｕ形状のヨーク内にある。ヨークの一部分上にある直流を供給する追加コイルによって、その部分が磁気飽和する。それ故、交番磁界の磁束は、完全にヨークに案内されず、ヨークは、局所的にしか加熱されない。

独国特許発明第１０２００５０６１６７０号明細書 米国特許第３８４２２４３号明細書

本発明は、冒頭に記載された方法を実行する場合に、超伝導コイルの交流誘導損失を減少させることを課題としている。

この課題は、方法的には、請求項１に記載された方法によって解決される。方法の好ましい実施形態は、従属請求項２乃至７で述べられている。特に、方法実行するための装置は、請求項８に基づいている。装置の更なる構成は、請求項９乃至１５で述べられている。

全ての方法の場合、少なくとも１つのビレットが磁場領域に対して動かされる。その際、ビレットの周りの磁場領域が回転又は逆になるかどうかは関係ない。請求項１に記載の方法によると、超伝導コイル（６０）に鉄心（５５．２、５５．３）に、少なくともコイル（６０）の領域で、磁束密度が生成する値の直流電流が生成され、かつ、保持され、この磁束密度の場合、鉄心材料の相対透磁率が、コイルに電流が流れない状態よりも小さい。相対透磁率が減少するため、交流誘導が弱められ、それによって、超伝導コイルの損失が減少する。同時に、コイルの磁場領域がもたらす鉄心の作用を受ける。結果、交流誘導が減少する。

２以上のビレットが、同時に、超伝導コイルによって生成される磁場領域で回転する場合、課題の代替的な解決によれば、ビレットの位置が相互に調整され、ビレットの交流誘導電流によって生成される交流誘導電圧が重なり合い相殺する。ビレットの領域で、ビレットを通る磁束の均一な磁場領域を受け取る場合、磁束線に垂直な平面上のビレットの投影面にほぼ比例することが簡略化して記載されている。磁場領域で円筒状でないビレットを加熱する場合、いずれかの角変化により投影面が変化する。この解決手段の本質は、２以上のビレットの位置が調整され、磁場領域が移動した場合、すべてのビレットの合計された投影面は、できるだけ少量のみ変化するか、又は、変化しない。対応して、最小化された交流誘導電圧がコイルに導かれるため、ビレットを通る合計された磁束は、変化しない、又は、ごくわずかにのみ変化する。いくつかのブレットを付設することは、つまり、磁束の変化によって、引き起こされる交流誘導電圧が重なりあって相殺する。

更に、例えば、正方形の横断面を備えた２つの同一の直方体ビレットが、それぞれの縦軸の周りを同じ角速度で回転し、かつ、その縦軸と、電流が流れるコイルによって生成される磁場領域の磁束線に、少なくともほぼ直行するように配置されている。この場合、ビレットの位置は、互いに調整されて、２つのビレットは、それぞれの縦軸の周りを約４５°互いにねじ曲げられ、２つのビレットの一方を通る磁束が、もう一方のビレットによって受け取られるため、それぞれの寸法で増加する。磁束が一方のビレットの最大値以上に達した場合、引き続いて磁束は受け取られる。この場合、他のビレットを通る磁束は、同一の量、増加する。ビレットを通る合計された磁束は、理想的な場合一定である。それから、いくつかのビレットに生じる交流誘導電圧は、相殺重畳によって、少なくとも一部がなくなる。はっきりと現れない場合、例えば、完全に同一でない横断面を備えた２つの直方体形状のビレットが加熱される場合にも、同一の効果が生じる。これは、特徴的な長方形の横断面を備えた直方体ビレットに、特に有効である。

更なる代替的な解決手段によれば、直流電流が供給される超伝導コイルによって生成される磁場領域で、回転によって、２以上のビレットを同時に誘導加熱する場合、ビレットの相対運動が互いに調節され、時間的に不安定なビレットの誘導電流によって生成される交流誘導電圧が相殺されて重なりあう（請求項２）。この解決手段の場合も、前述の段落で記載された２つの方法の場合のように、磁場領域のビレットが回転されて、それらの重ねあわされた投影面は、少なくとも広範囲に及んで一定である。それに加えて、相対的で、互いに、ビレットの動作の調節によって、磁場領域に対して変化するいくつかのビレットの回転速度に基づいて、ビレットを通る磁束の合計の時間的な変化が最小化される。

例えば、２つの好ましくは同一の、例えば、それらの縦軸の周りを回転する円筒状のビレットは、反対方向に回転し、かつ、同一の角速度で回転している（請求項３）。それによって、いくつかのビレットに生じる交流誘導は、加熱の開始と終わりの場合、つまり、回転動作の動き出しと停止の場合に、異なる兆候があり、その結果、理想的には、開始と停止の場合に、いくつかのビレットに生じる交流誘導電圧が相殺されて重なりあうことによって、コイルの実際の交流誘導電圧をなくすことができる。

もちろん、異なるビレットを同時に加熱する場合にもこの方法を実行可能である。ビレットの横断面が対称であるならば、目的に適った利用が可能である。例えば、上述の例の円筒状のビレットの第１のビレットは、正方形の断面を持った棒状のビレットに交換可能であり、かつ、第２の円筒状のビレットは、規則正しい八面体の横断面を備えた棒状のビレットによって交換可能である。第１のビレットは、第２のビレットと比べて２倍の角速度で、かつ、第２のビレットに対して反対方向に回転している。それらの形状に依存せず、ビレットは、回転開始の前に、好ましくは、互いに調整され、回転動作の開始によって、両方のビレットを流れる磁束は、最初に増加するか、最初に減少するかのどちらかである。好ましくは、回転動作の開始時に、磁束に垂直な面上の両方のビレットの投影面は、両方とも最大、又は、最小になる。両方のビレットが、同じ方向に回転する場合（互いに、角速度の比率が変わらない場合）、スタート前に、ビレットは調節され、回転動作の開始によって、ビレットの一方を通る磁束は、最初減少し、かつ、他方のビレットを通る磁束は増加する。この場合、回転動作の開始時に、一方のビレットの投影面は最大になり、かつ、他方のビレットの投影面は最小になる。両方の場合、両方のビレットを通る磁束は、反対方向に変化し、個々のビレットに生じる交流誘導電圧は、異なる前兆を持ち、かつ、互いに相殺されて重なりあう。

超伝導コイルとして、例えば、バンド形状の高温超伝導（ＨＴＳＬ）が用いられる。ＨＴＳＬは、例えば、銅−超伝導と呼ばれ、つまり、例えば、ＹＢａ_２Ｃｕ_３Ｏ_７−ｘのような稀な銅酸化物である。

直流電流の値は、コイルと接続された制御可能な電流源によって、少なくとも本質的に一定に保たれている。わずかな交流誘導により、この一定の電流源は、わずかな制御領域をもつことによって、従来技術による方法の実行の場合より、コスト的に有利になる。

特に前述に記載の方法の実行するための装置は、鉄心上の超伝導コイルと、コイルに直流電流を生成するための直流源と、電導性の材料からなる鉄心のための駆動装置と、コイルと駆動装置の間の相対運動を生成するための回転駆動部とを備えている。実施形態においては、コイルに直流電源によって生成される直流電流を調整し、少なくともコイルの領域の鉄心の相対透磁率が、コイルに電流が流れない状態よりも小さいことである（請求項８）。

装置は、少なくとも１つの更なる回転駆動の駆動装置を備える場合、選択的に反対方向に、かつ、好ましくは、ほぼ同一速度で駆動することが可能である（請求項９）。例えば、この駆動装置は、対応する制御可能な駆動モータを制御可能である。他方、少なくとも２つの駆動装置が、共通のモータを用いて駆動される。反対方向、かつ、同一の角速度で動作する駆動力を備える変換機構は、駆動装置の出力を変換している。

代替又は追加的に、装置は、時間的に少しずつ変化する誘導電流によって、ビレットに引き起こされる交流誘導電圧を決定する手段を備えている。事前に所定の交流誘導電圧を評価した制御部は、駆動装置の回転駆動を制御し、ビレットによって引き起こされる交流誘導電圧が相殺されて重なりあっている（請求項１０）。例えば、ビレットの互いの位置、及び／又は、ビレットの相対運動は、制御器によって制御されている。

使用される鉄心は、簡単な場合、鉄棒である。鉄棒の両端で、鉄棒から減少する磁場に対して、ビレットが動かされ、特に、回転する。磁気的な逆推論は、自由空間によって行われる。

より好ましくは、用いられる鉄心は、少なくともほぼＣ形状のヨークである。少なくともほぼＣ形状のヨークは、断面がリング形状の閉じたヨークの磁極の間に空隙を備え、その空隙で、ビレットが回転可能である。その鉄心は、加熱されるビレットを通る磁束の好ましい案内を可能にしている。鉄棒と比較して、磁気的な逆推論が鉄心によって行われる。

好ましい実施形態によれば、鉄心は、中心の脚部と端部脚部の間に、それぞれ１つのビレットを収容するために、それぞれ１つの空隙を備えたほぼＥ形状のヨークである。コイルは、好ましくは、中心の脚部上に配置される。その鉄心は、１つのみのコイルを用いて同時に２つのビレットを加熱すること、及び、磁気的な逆推論を鉄心によって導くことを可能としている。そのため、それぞれの空隙で、それぞれ１つのビレットが、磁場領域に対して動かされ、好ましくは、空隙で回転される。

好ましくは、鉄心は、少なくとも部分的に、積層された薄板からなる。それによって、起こりうる渦電流を鉄心で減少する。対応して、鉄心を加熱する渦電流損失効果を減少し、かつ、鉄心を冷却するための対策をわずかにすることができる。同時に、超伝導コイル上の鉄心からの加熱を減少することができる。

特に好ましくは、薄板は、少なくとも部分的に、面に対してほぼ垂直に積層され、この面で、ビレットに誘導される電流が、支配的な部分に流れる。これは、わずかな渦電流損で、磁場領域の好ましい案内をすることが可能である。

好ましくは、コイル領域の横断面は、コイルの外側より小さく選択されている。それによって、交流誘導が、更に減少する。
図面を用いて本発明を更に説明する。この図面は、それぞれの簡略化した図面及び例示を示している。

誘導加熱器の図を示している。 棒状の鉄心を備えた誘導加熱器の磁気システムを示している。 図２ａの磁気システムの側面図を示している。 鉄心としてＣ形状のヨークを備えた磁気システムを示している。 正面図の図３ａの磁気システムを示している。 鉄心としてＥ形状のヨークを備えた磁気システムを示している。 正面図の図４ａの磁気システムを示している。 コイル電流の関数として交流誘導電圧の例を示している。

図１の誘導加熱器は、磁気システム５０によって生成された磁場領域で、ビレット１０の回転によって、ビレット１０を加熱するために用いられている。更に、駆動装置の左右の圧力素子２ａ又は３ｂの間で、ビレット１０は駆動され、かつ、モータ１によって回転駆動されている。変速装置（ギア）３は、モータ回転軸を、両側の矢印の方向で表示可能な駆動装置２ａの回転軸と結合している。

図２ａ及び図２ｂで、非常に簡略化して示しているように、磁気システム５０は、棒状の鉄心５５．２上に直流電流が供給される超伝導コイル６０を含んでいる。コイル６０と鉄心５５．２の間に、例えば、真空領域のような絶縁素子６１があり、その絶縁素子６１が、コイル６０の加熱を減少させている（図２ｂのみ）。棒状の鉄心５５．２は、直流電流が供給されるコイル６０によって生成される磁場領域（図示せず）を生じさせ、この磁場領域は、鉄心５５．２の両方の表面５６．２及び５７．２で、レンズから出るように、空隙を介して、そこにあるビレット１０に入る。ビレット１０が、磁場領域で、例えば回転して動作
する場合、ビレット１０に応じて磁束が変化し、かつ、ビレット１０の誘導電流が誘導される。更に、ビレット１０の誘導電流は、コイルから生成された磁場領域と重なりあい、かつ、コイル６０の電圧が交流誘導する更なる磁場領域を生成する。超伝導コイル６０が、最適な効率で動作するために、コイル６０を流れる電流の時間的な変化は、好ましくは、ゼロである。つまり、

である。

しかし、時間的に通常一定でない交流誘導電圧によって、

となる。交流誘導が誘導され、この交流誘導でコイル６０に直流電流が供給され、かつ、この交流誘導は、相対的な透磁率を飽和領域の手前まで減少させる。それゆえ、誘導電流から生成された磁場領域が、コイル６０から生成した磁場領域と追加的に重なりあう場合、鉄心５５．２のわずかな相対的な透磁率に基づいて、追加の磁力は、鉄心５５．２からコイル６０へわずかに導かれるか導かれなく、本質的に「非電導」である。コイル６０による磁束の変化と、それによる交流誘導電圧は、対応してより小さくなる。

更なる実施形態で、本質的に、磁気システム５０は、好ましくはＨＴＳＬコイル６０を備えたＣ形状の鉄心５５．３からなる（図３ａ及び図３ｂ）。

コイル６０は、制御可能な直流電源から電力が供給される。それゆえ、鉄心は、生成された磁場領域をもたらし、この磁場領域は、黒い矢印で示されている（図３ｂのみ）。図２の実施形態の場合と異なって、磁気的な逆推論が、自由空間によってではなく、脚部５７．３によって生じる（図３ｂ）。鉄心５５の２つの脚部５６．３及び５７．３の間に、少なくとも１つの加熱されるべきビレット１０がある。図示されているのと異なり、加熱されるべきビレット１０は、通常、正確な円筒形をしておらず、かつ、たいてい円筒軸の周りを正確に回転してもいない。対応して、磁束の通るビレットの面が少しずつ異なり、かつ、それによって、交流誘導も少しずつ変化し、そして、超伝導コイルによる電流も少しずつ変化する。既に前に記載したように、交流誘導は、コイル６０に供給する直流電流の値の適した選択によって減少する。黒い矢印によって示された磁場領域に直角な鉄心５５．３の断面図は、脚部５６．３及び５７．３の対応する面と比較して、コイル６０の領域で減少している。脚部の太さｄ_ｆと比較して、コイル領域の鉄心の太さｄ_ｗｉは、縮小しているとわかる。これによって、コイル領域の鉄心の相対透磁率は、再度減少する。他方、鉄心５５．４は、図４ａ及び図４ｂのように、Ｅ形状することも可能である。脚部７１及び７２、又は、脚部７２及び７３の間には、それぞれ凹部があり、この凹部にビレット１０が備えられている。真ん中の脚部７２上に、ＨＴＳＬコイル６０を備えたコイルあり、このコイルは、図４ｂにのみ図示された制御可能な直流電源から電力が供給される。本質的に、鉄心５５．４は、積層された薄板５８からなり、この薄板５８は、面と直行して積層され、かつ、この薄板５８に、ビレット１０で誘導された電流が流れる。図５は、ビレットの回転周波数がコイルに対して、１秒間に約８Ｈｚ均一に変化した場合に、鉄心上に３０００回巻かれたコイルの領域で、ビレットの回転による１２０Ｋｗの熱出力で、コイル電流Ｉ_ｗｉの関数として生成された交流誘導電圧Ｕ_ｉｎｄを電圧で示している。小さな電流（例えば、Ｉ_ｗｉ≒５０Ａ）のため、交流誘導電圧は、約２２０Ｖの最大値を持っている。増加した電流を用いた場合、交流誘導は、最初、非常に減少する。電流Ｉ_ｗｉの増加は、例えば、Ｉ_ｗｉ≒６５Ａの場合、約１５Ａ下がり、交流誘導電圧Ｕ_ｉｎｄは、およそ１００Ｖ下がる。

約８０Ａを超える電流の更なる増加は、交流誘導電圧Ｕ_ｉｎｄの比較的わずかな減少のみ引き起こす。例えば、約１００Ａで、約８０Ａの電流Ｉ_ｗｉの増加は、約２０Ｖの交流誘導電圧の減少のみ引き起こす。

誘導加熱のための最適駆動領域は、約６０Ａ（〜１８０．０００アンペア・巻数）と約８０Ａ（〜２４０．０００アンペア・巻数）の間、特に約７０Ａ（〜２１０．０００アンペア・巻数）の場合であり、これは、鉄心の相対透磁率が、比較的わずかな交流誘導をする値であるが、同時にそれにより鉄心は、超伝導コイルから生成される磁場領域を、ビレットにもたらしている。

Claims (15)

1. 鉄心（５５．２、５５．３）上の、少なくとも１つの直流電流が供給される超伝導コイル（６０）を用いて生成される磁場領域に対して、ビレット（１０）の回転により、電導性の材料からなるビレット（１０）を誘導加熱するための方法において、
   コイル（６０）に直流電流が供給され、
   この直流電流が、鉄心（５５．２、５５．３）に、少なくともコイル（６０）の領域で、磁束密度が生成する値であり、
   この磁束密度の場合、鉄心（５５．２、５５．３）材料の透磁率が、コイル（６０）に電流が流れない状態よりも小さいことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   直流電流が供給される鉄心（５５．４）上の少なくとも１つの超伝導コイルによって生成される磁場領域に対してビレット（１０）を回転させることによって、少なくとも２つの電導性のビレット（１０）を加熱され、
   コイル（６０）に交流誘導電圧を生じさせる、時間的に少しずつ異なる誘導電流が生成され、かつ、
   ビレット（１０）の運動が、互いに相対的に調節されることによって、交流誘導電圧が重なり合って相殺することを特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の方法において、
   ビレット（１０）が、互いに反対方向に回転していることを特徴とする方法。
4. 請求項２に記載の方法において、
   ビレット（１０）の位置が互いに対応して調節され、交流誘導電圧が重なりあって相殺することを特徴とする方法。
5. 請求項２乃至４のいずれかの方法において、
   ビレット（１０）は、少なくともほぼ同一の角速度で回転していることを特徴とする方法。
6. 請求項１乃至５のいずれかの方法において、
   コイル（６０）を通る直流電流の値は、本質的に一定の値に調節されることを特徴とする方法。
7. 請求項１乃至６のいずれかの方法において、
   コイル（６０）の領域の鉄心（５５．２、５５．３、５５．４）の横断面は、コイル（６０）の外側よりも小さく選択されていることを特徴とする方法。
8. 鉄心（５５．２、５５．３、５５．４）上に少なくとも１つの超伝導コイル（６０）と、コイル６０に直流電流を生成するための少なくとも１つの直流電源（８０）と、
   コイル（６０）に対して回転駆動させるビレット（１０）の駆動装置とを備えた導電性の材料からなる少なくとも一つのビレット（１０）を誘導加熱するための装置において、
   コイル（６０）に直流電源によって生成される直流電流を調整し、少なくともコイル（６０）の領域の鉄心（５５．２、５５．３、５５．４）の相対透磁率が、コイル（６０）に電流が流れない状態よりも小さいことを特徴とする装置。
9. 請求項８において、
   導電性の材料からなる少なくとも２つのビレット（１０）を誘導加熱するために、コイル（６０）に対して回転駆動させる少なくとも２つの駆動装置を備え、
   これらの駆動装置で、それぞれのビレット（１０）の１つが駆動可能であり、
   駆動装置は、反対方向に駆動されることを特徴とする装置。
10. 導電性の材料からなる少なくとも２つのビレット（１０）を誘導加熱するために、コイル（６０）に対して回転駆動させる少なくとも２つの駆動装置を備え、
    これらの駆動装置で、それぞれのビレット（１０）の１つが駆動可能である請求項８又は９に記載の装置において、
    この装置は、時間的に少しずつ変化する誘導電流によって、ビレット（１０）に引き起こされる交流誘導電圧を決定する手段を供え、かつ、
    この装置は、駆動装置の回転駆動を制御する制御器を備え、引き起こされる交流誘導電圧が相殺して重なり合うことを特徴とする装置。
11. 請求項９又は１０に記載の装置において、
    駆動装置は、少なくともほぼ同一の角速度で駆動していることを特徴とする装置。
12. 請求項８乃至１１のいずれかに記載の装置において、
    鉄心（５５．３）は、ほぼＣ形状のヨークであることを特徴とする装置。
13. 請求項８乃至１２のいずれかに記載の装置において、
    鉄心（５５．４）は、中心の脚部と端部脚部の間に、それぞれ１つのビレットを収容するために、それぞれ１つの空隙を備えたほぼＥ形状のヨークであることを特徴とする装置。
14. 請求項８乃至１３のいずれかに記載の装置において、
    鉄心（５５．４）は、少なくとも部分的に、積層された薄板（５８）からなることを特徴とする装置。
15. 請求項８乃至１４のいずれかに記載の装置において、
    コイル（６０）の領域の鉄心（５５．３）は、コイル（６０）の外側より小さい断面を備えていることを特徴とする装置。

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