JPH10321357A

JPH10321357A - 誘導加熱装置

Info

Publication number: JPH10321357A
Application number: JP13266597A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Nomura; 年弘野村; Tetsuo Matsunaga; 哲夫松永
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1997-05-23
Filing date: 1997-05-23
Publication date: 1998-12-04

Abstract

(57)【要約】【課題】金属棒同士をつき合わせ溶接する場合に、そ
の端面の中央部を短時間で効率良く加熱し得るようにす
る。【解決手段】金属棒１Ａ，１Ｂの中心軸に対して直角
な方向に磁束Φを発生すべく、金属棒１Ａ，１Ｂを挟ん
で水冷コイル２１，２２を配置し、これを変流器４を介
して高周波電源５から高周波励磁することにより、金属
棒１Ａ，１Ｂの端面の中央部を従来よりも短時間に効率
良く加熱できるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、金属を高周波磁
界で加熱するための誘導加熱装置、特に金属棒の溶接な
どでその端面を効率良く加熱することが可能な誘導加熱
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７は誘導加熱装置の従来例を示す構成
図で、同（ａ）は平面図、同（ｂ）は金属棒部分の側面
図である。なお、１はワークとしての金属棒、２は加熱
コイル（水冷コイルまたは単にコイルともいう）、３は
コイル２に冷却水を循環させる冷却水装置、４は変流
器、５は高周波電源である。変流器４は、高周波電源５
にコイル２を接続する場合の電流整合用として用いられ
る。すなわち、金属棒１の加熱したい部分の周囲に巻い
た水冷コイル２に数ｋＨｚ〜数百ｋＨｚの高周波電流を
流し、その起磁力により高周波磁束φを発生させ、その
磁束φの変化による起電力が金属棒の表面に高周波の渦
電流を流して加熱するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来装置においても、
火力や電熱によるものに比べれば、電力が集中し易い、
電力変換効率が高いなどの利点がある反面、次のような
問題がある。１）棒の端面の中央部が加熱し難い。磁束φは表皮効果により、金属棒の側面の表面に近い部
分にのみ生じるので、端面の中央部は加熱され難い。例
えば、金属棒の付き合わせ面を１０００℃以上の所定の
温度に加熱して溶接する場合、充分に加熱時間を掛けて
中央部まで熱が伝達されるのを待つ必要がある。その
際、中央部を予め凹ませておくのは有効であるが、余分
な加工が必要になる。また、中央部まで所定の温度にな
るまで待つと、棒の上下にも熱が広がるので、必要な電
力量がかなり大きくなる。

【０００４】２）コイルの分割，着脱が難しい。コイルの形状は単純なつるまき状で製作も容易だが、金
属棒から取り外すのがかなり難しい。水冷でしかも簡単
に分割できるコイルの製作は難しい。３）水冷コイルには変流器が必要。巻き数の少ない水冷コイルでは、電流が大きく（数千
Ａ）、起電力が小さい（数十Ｖ）ので、出力電圧が数百
から数千Ｖの高周波電源に接続するには、変流器、いわ
ゆるマッチングトランス（整合変圧器）が必要である。
したがって、この発明の課題は、上記のような種々の問
題点を解決することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
べく、この発明では以下のようにする。（１）コイル磁界の方向を金属棒の中心軸と直角方向と
する。（２）コイルを複数とし、各コイルの起磁力が互いに加
算されるように接続する。（３）単相だけでなく、多相の高周波電源を用い回転磁
界により加熱する。（４）鉄心を使用する。（５）鉄心の使用をより効果的に利用するため、鉄心カ
バー（コアカバー）を用いる。（６）スペーサを使用する。

【０００６】（１）すなわち、コイルが発生する起磁力
の方向を従来と直角の方向に変え、磁束の入り側と出側
にそれぞれコイルを配置してこれを励磁することで、磁
束がキャップの中にも入り込み、金属棒の端面を這うよ
うにして磁束が発生することになるので、端面の中央部
にも渦電流による発熱が生じる。従来のように、１つの
コイルで加熱するときは、棒の所定部分を一周にわたっ
て均一に加熱できたが、複数のコイルでは一周３６０°
を均一に加熱することはできない。（２）そこで、複数のコイルの励磁を単相よりは３相ま
たはその倍数のコイルに、順序よく電気角１２０°毎に
励磁すれば合成磁界の方向を回転磁界にできるので、３
６０°にわたって均一に加熱できる可能性が高くなる。
このことは、コイル数が２の倍数のときも同様で、２相
または４相で励磁すると良い。

【０００７】（３）空心よりは鉄心を入れた方が、コイ
ルによる起磁力を節約できる。つまり、鉄心で磁束を導
き磁気回路を延ばしてやると、小さな起磁力で良いだけ
でなくコイルの断面を大きくできるので、その巻数も多
くすることができ、その結果変流器や冷却水装置を省略
可能となることもある。（４）鉄心の表面，側面にはかなりの漏れ磁束が発生
し、磁束を集中させたい金属棒に近い鉄心端部を通らな
い磁束が生ずる。この漏れ磁束は鉄心中央部の飽和を早
めたり、鉄心の表面に局部加熱を生じさせたり、コイル
の一部を加熱したりして問題となる。

【０００８】（５）上記のような漏れ磁束を遮断するた
めには、銅，アルミ等の良導体からなるコアカバーが有
効である。コアカバーによる損失が発生するが、全体と
しては有利となる。（６）この発明による加熱方法は、２つの金属棒の突き
合わせ部にギャップがなく電気的にも良く接触している
と、棒の端面に沿う磁束ができず発熱しないので、加熱
の初期にギャップをもたせておくことが重要である。例
えば、端部を高速かつ小エネルギーで溶接する場合は、
鉄棒の端面が約７００℃のキュリー点を越えて非磁性に
なるまではギャップが必要である。なお、側表面の加熱
による熱が中央まで伝達するのを待つ方式の場合は、ギ
ャップはそれほど必要というわけでもない。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の第１の実施の形
態を示す構成図で、同図（ａ）は平面図、同（ｂ）は側
断面図、同（ｃ）は側面図である。コイルはここでは金
属棒１Ａと１Ｂを接合する部分を覆うよう、図１
（ａ），（ｂ）に符号２１，２２で示すように２つ設け
られる。このようにするのは、金属棒１Ａと１Ｂの突き
合わせ端面も加熱できるようにするためであるが、コイ
ル２１，２２の各起磁力が、金属棒１Ａ，１Ｂの中心軸
と直角の方向に加算されるように、接続される。図１
（ａ）では、直列に接続されている。このように、コイ
ルは２つに分かれているので、金属棒をコイルに対して
着脱するのは簡単である。なお、コイルの巻き回数が余
り大きくできないので、冷却水装置３や変流器４を省略
することはできないことになる。

【００１０】図１の場合、コイル２１，２２は２相また
は４相の高周波電源で励磁するのが都合が良いが、コイ
ルが３つの場合は図２のようにする。ここでは、各コイ
ル２１，２２，２３からの磁束φｕ，φｖ，φｗが空間
的，時間的に１２０°ずつずれて発生することになるの
で、その合成磁界は高周波の回転磁界となり、円周上の
位置による加熱むらをなくすことができる。

【００１１】図３はこの発明の他の実施の形態を示す構
成図で、同（ａ）は平面図、同（ｂ）は側断面図を示
す。これは、高透磁率の磁性体からなる鉄心６Ａ，６Ｂ
を用いて磁束の通路，磁路を延ばし、コイル２１，２２
による必要な起磁力を小さくできるようにし、コイルの
断面を大きくすることができる。この場合、コイルの巻
数，表面積を増やして放熱を効率良く行なうことによ
り、変流器や冷却水装置を省略することが可能となる。

【００１２】ところで、図３のように鉄心を用いると、
図４のように、コイル内側の鉄心表面に曲がった矢印で
示されるような漏れ磁束が生じる。この漏れ磁束によ
り、下記のような様々な不都合が生じる。１）コイル直下の鉄心中央部に図示のような最大磁束密
度Ｂｍが生じ、ここが他の部分にさきがけて磁気飽和
し、出力が出せなくなる。２）鉄心が積層タイプ（ラミネートコア）であると、積
層面を貫通して高周波磁束が通るので、極大な局部損失
が発生して局部過熱を生じ、鉄心の局部焼損を招く。３）不要な高周波磁束が加熱コイルの一部を加熱するの
で、不要な損失が発生し装置の熱効率を低下させる。

【００１３】図５は上記のような漏れ磁束の不都合を回
避するための、この発明のさらに他の実施の形態を示す
構成図で、同（ａ）は平面図、同（ｂ）は側断面図、同
（ｃ）は側面図である。これは、コイルの下から金属棒
に近い先端までの鉄心６の表面を銅，アルミなどの熱伝
導率，電気伝導度の良い良導体（コアカバーという）７
で覆うものである。つまり、数十ｋＨｚの高周波では、
良導体の表皮効果による浸透深さは０．数ｍｍなので、
厚さ１ｍｍ程度のコアカバー７を設ければ、漏れ磁束は
コアカバー７を貫通できないことになる。このとき、コ
アカバーは１巻の短絡コイルとならぬよう、同（ｂ），
（ｃ）に符号７Ａ，７Ｂで示すように分割し互いに絶縁
しておく必要がある。

【００１４】図６はこの発明のさらに別の実施の形態を
示す構成図で、同（ａ）は平面図、同（ｂ）は側面図を
示す。金属棒の端面を効果的に加熱するには、ギャップ
が重要である。特に、２つの金属棒を能率良く加熱接合
するには、同（ｂ）に示す圧接力Ｆ、ギャップｇに適正
な値が必要である。しかるに、ギャップｇは加熱コイル
や鉄心の陰になって外部から見にくいため、その管理は
難しい。したがって、下記のような機能を持つスペーサ
を数個（図６（ａ）ではスペーサ８を３個用いてい
る）、ギャップに挟んで加熱接合すると有効である。

【００１５】１）ギャップが必要な温度（例えば、８０
０℃以下）までは一定の形状を保ち、それ以上では溶
解，流出して接合温度（例えば、１２５０℃）ではなく
なっているもの。２）接合温度までは一定の形状を保ったまま金属棒に食
い込み、接合完了後も接合強度を余り低下させないよ
う、容積が小さく無害で残るもの。このようなものに
は、例えばセラミックのような耐熱絶縁物が効果的であ
る。または、ニッケル，クロム，チタン，タングステン
の如き耐熱合金も考えられる。３）金属棒の母材とほぼ同じ構成で、圧接時に無害で溶
け込んでしまうもの。

【００１６】上記ギャップを精密駆動溶接ロボットなど
を応用した製造ラインで管理するときは、以上のような
ギャップスペーサは不要であるが、場合によっては利用
することができる。なお、スペーサの形状は図示のよう
な円柱形状だけでなく球状，リング状，四角柱，星形柱
など、その目的に応じて種々の形状にすることができ
る。

【００１７】

【発明の効果】この発明によれば、下記のような効果を
期待することができる。１）金属棒の端面を能率良く、短時間かつ少ない電力量
で所要（接合）温度まで加熱することができる。２）コイルまたはワークの着脱が容易になる。３）多相の高周波電源で誘導加熱することにより、周囲
も均一に加熱できる。４）鉄心を用いることで、より効果的な加熱が可能とな
る。５）また、鉄心を用いたときは、さらにコアカバーを併
用すれば、さらに効果的である。６）金属棒の接合時には、ギャップスペーサを用いると
有効な場合も多い。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施の形態を示す構成図であ
る。

【図２】この発明の第２の実施の形態を示す構成図であ
る。

【図３】この発明の第３の実施の形態を示す構成図であ
る。

【図４】図３における漏れ磁束説明図である。

【図５】この発明の第４の実施の形態を示す構成図であ
る。

【図６】この発明の第５の実施の形態を示す構成図であ
る。

【図７】従来例を示す構成図である。

【符号の説明】

１，１Ａ，１Ｂ…金属棒、２，２１，２２，２３…コイ
ル、３…冷却水装置、４…変流器、５…高周波電源、６
…鉄心、７…コアカバー、８…スペーサ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属棒の端面を主として加熱するため
に、金属棒の中心軸に対して直角方向の起磁力を発生す
るコイルを複数設け、各コイルの起磁力が互いに加算さ
れるように接続することを特徴とする誘導加熱装置。
【請求項２】前記複数設けるコイルの数を３の倍数と
し、３相または多相の高周波電源により励磁することを
特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
【請求項３】前記複数設けるコイルの数を２の倍数と
し、２相または４相の高周波電源により励磁することを
特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
【請求項４】前記各コイルの内面および前記金属棒か
ら最も遠い外面を覆う鉄心を設けたことを特徴とする請
求項１ないし３のいずれかに記載の誘導加熱装置。
【請求項５】前記各コイルの断面積を大きくして巻き
回数を増やし、整合トランスを省略可能にしたことを特
徴とする請求項４に記載の誘導加熱装置。
【請求項６】前記各コイルの断面積を大きくして巻き
回数を増やし、冷却水装置を省略可能にしたことを特徴
とする請求項４に記載の誘導加熱装置。
【請求項７】前記鉄心とコイルとの間に電気抵抗の小
さい金属で作成されたコアカバーを設けたことを特徴と
する請求項４に記載の誘導加熱装置。
【請求項８】誘導加熱のための接合部には、ギャップ
スペーサを予め挟み込むことを特徴とする請求項１ない
し４のいずれかに記載の誘導加熱装置。