專利名稱：寬度可調節(jié)與溫度可控的橫向磁通感應加熱裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種寬度可調節(jié)與溫度可控的橫向磁通感應加熱裝置。
背景技術：
感應加熱的重要應用領域之一是對金屬板材與帶材(以下簡稱帶材)的加熱，加熱方式基本上可分為縱向磁通感應加熱與橫向磁通感應加熱。
對于縱向磁通感應加熱，線圈圍繞工件，如圖1a所示。交變電流產(chǎn)生沿工件軸向的交變磁通，交變磁通產(chǎn)生的渦流平行于帶材橫截面。如果要得到較高的加熱效率必須使帶材厚度與集膚深度之比大于3，否則，會因渦流的相互抵消而導致加熱效率降低。因此，對于一定厚度的帶材，要想取得較好的加熱效率，就要增大頻率以減小集膚深度。被加熱的帶材愈薄，則要求集膚深度愈小，而要減小集膚深度則要增大頻率。事實上，對于帶材，若采用縱向磁通感應加熱，其頻率要超過10kHz。在帶材厚度與集膚深度之比很小的情況下，即便增大加熱的頻率與電流，也難以達到所需要的溫度。例如，采用縱向磁通感應加熱，對于鐵磁性帶材能夠加熱的最小厚度為0.8mm，鋁帶材為4mm，而非鐵磁性鋼帶材只能達到12mm。因此縱向磁通感應加熱難以處理很薄的帶材。
橫向磁通感應加熱避免了上述限制，感應加熱裝置的結構(省略軛鐵)如圖1b所示，這種加熱裝置包含對稱放置在金屬帶材兩側的兩組線圈，兩組線圈中同相的交變電流產(chǎn)生垂直于工件表面的交變磁通，感應出的渦流平行于帶材表面，在帶材截面上并不存在渦流相互抵消的問題，因此對頻率的要求大大降低了。但橫向磁通感應加熱的主要缺點是難以產(chǎn)生均勻的溫度分布。圖1b所示的這種典型的橫向磁通感應加熱器具有固定的結構，它只能適合對某一固定寬度的帶材進行加熱，對于不同寬度的帶材進行加熱需要不同尺寸的感應加熱器。
US4678883(1987年7月7日)公開了一種感應加熱裝置，其感應加熱器由多個獨立的線圈構成，各線圈平行于帶材的運動方向，并可在垂直于帶材表面的方向上自由移動。通過調整線圈與帶材之間的距離來適應不同寬度的帶材，并試圖獲得較均勻的溫度分布。這種感應加熱裝置缺點有二其一，線圈與帶材之間的氣隙對溫度分布的影響并不是很大，因而，對氣隙的調整不會明顯地提高帶材邊緣溫度分布的均勻性，換句話說，這種感應加熱器能夠適應帶材的寬度有限。其二，為了得到較大的加熱效率，線圈與帶材之間的距離應充分接近，增大感應加熱器與帶材之間的距離會降低加熱效率，因而這種感應加熱器的效率會低于同類感應加熱器。
論文“Developing an universal TFIH equipment using 3d eddy current field Computation”(IEEE Transactions on Magnetics，vol.32，no.3，pp.1609-1612，May 1996.)所給出的橫向磁通感應加熱裝置由兩組獨立的線圈組成，通過沿帶材寬度方向調整兩個線圈的位置以期得到比較均勻的溫度分布。這種方式在一定程度上可適應不同寬度的帶材，但并不能解決邊緣溫度分布不均勻的問題，從該文獻的所給出的仿真與試驗結果看，溫度分布不均勻。
EP0667731(1995年8月16日)公開了一種橫向磁通感應加熱裝置，其感應器有兩個對置的J線圈組成，其特點是線圈可沿帶材寬度方向移動，即線圈寬度可調整以適應對不同寬度的帶材加熱，加熱帶材寬度的范圍在1-2倍之間。其缺點是，1、由于溫度分布不僅與線圈和帶材寬度的相對位置有關，還與軛鐵的位置有關，此感應加熱器的軛鐵固定于帶材的中心位置，因此，單純調整線圈難以得到均勻的溫度分布；2、由于必須適應不同寬的帶材，在這種J線圈的端部，線圈回路塊狀導體之間的距離太近，致使所產(chǎn)生的渦流相會抵消，導致加熱效率下將，同時也會造成帶材邊緣溫度分布不均勻。
EP1148762(2001年10月24日)公開了一種感應加熱裝置，其感應加熱器的結構為在線圈上連接有若干個獨立的磁棒，磁棒可在平行于帶材寬度方向上自由移動，通過沿帶材寬度方向調節(jié)磁棒的位置以適應對不同寬度帶材的加熱，并希望產(chǎn)生比較均勻的溫度分布。
中國專利CN1326309A公開了一種對沿規(guī)定方向移動的金屬帶材進行電磁感應加熱的裝置，它具有至少一個與上述帶材的至少一個大表面對置的導電線圈，以便通過橫向的磁力線感應而加熱上述的帶材，每個線圈與至少一個磁路相協(xié)作，每個磁路分成多個平行于上述帶材的移動方向設置的相互獨立的磁棒，上述加熱裝置的特征在于，上述的磁棒可以相互移近或移離，以便使上述磁力線的分布適應于上述帶材的具體尺寸。
由于橫向磁通感應加熱所產(chǎn)生的溫度分布不僅與磁棒的位置有關，主要取決于線圈的形狀和位置，因而單純通過調整磁棒的位置來改變溫度分布，其效果并不理想，對于這種感應加熱裝置，由于其線圈的寬度遠遠大于帶材的寬度，因而帶材的邊緣會產(chǎn)生局部過熱。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種寬度可調節(jié)與溫度可控的橫向磁通感應加熱裝置，可以克服現(xiàn)有技術的缺點。本發(fā)明是寬度可調節(jié)與溫度可控的，本發(fā)明所設計的感應加熱裝置能更大范圍內(nèi)地適應帶材寬度的變化，并能得到更加均勻的溫度分布，將極大程度地提高生產(chǎn)效率和節(jié)約成本。
本發(fā)明寬度可調節(jié)與溫度可控的橫向磁通感應加熱裝置，包括帶材、固定線圈、移動線圈、軛鐵塊、導軌、移動機構、槽型結構、固定結構與支承架構成；固定線圈平行于帶材的表面，固定線圈的長邊垂直于帶材的運動方向(V)；可移動線圈平行于帶材的表面，位于固定線圈的外部，其長邊平行于帶材的運動方向。移動線圈固定于支撐架上，其內(nèi)部固定若干個槽形結構，槽內(nèi)可插入軛鐵，并由固定結構固定，每一個移動的線圈可在移動機構的帶動下在兩端的導軌上滑動。
軛鐵的分布可根據(jù)需要來改變，例如，可以在A、C、E...等位置，也可以在B、D、F...等位置，如圖3a所示，比如圖3b所示的軛鐵分布不同于圖2所示的軛鐵分布。固定線圈和移動線圈實際上組成了“網(wǎng)格狀”線圈，網(wǎng)格線圈中通有交變電流產(chǎn)生垂直于帶材表面的交變磁通，在帶材上產(chǎn)生許多平行于帶材的“渦流環(huán)”，這種形式的渦流分布較之其他形式的渦流分布能夠產(chǎn)生更加均勻的溫度分布。
除了這種特殊的渦流分布形式有利于得到更加均勻的溫度分布外，本裝置可以從三個方面來實現(xiàn)對溫度分布的調節(jié)(1)沿帶材寬度方向調整移動線圈的位置；(2)改變軛鐵的分布；(3)移動線圈中可通有同樣大小的電流，也可通有不同大小的電流，以改變溫度的分布。
本發(fā)明的特點為(1)固定線圈和移動線圈組成了“網(wǎng)格狀”線圈，在帶材內(nèi)部產(chǎn)生“渦流環(huán)”，這種渦流分布形式不同于以往任何專利或文獻所給出的渦流分布，現(xiàn)有專利或文獻給出的渦流分布(無論線圈長邊平行或垂直于帶材的寬度方向)類似于“矩形”分布，本發(fā)明所產(chǎn)生的渦流呈“網(wǎng)格”分布，在每一個“網(wǎng)格”中都有一個“渦流環(huán)”。在其他條件不變的情況下，溫度的分布決定于渦流的分布。這種“渦流環(huán)”細密而均勻地分布于帶材上，從而使得帶材上的溫度較之其他形式分布的渦流所產(chǎn)生的溫度更加均勻。
(2)移動線圈可在帶材寬度方向連續(xù)調節(jié)，以改變溫度分布。
(3)移動線圈上固定有槽形結構，槽內(nèi)可插入和固定軛鐵，軛鐵可按照一定的形式分布，以改變磁通的分布，并最終改變溫度的分布。
(4)移動線圈中可通有同樣大小的電流，也可通有不同大小的電流，以改變溫度的分布。
(5)由于本發(fā)明是基于對“渦流環(huán)”分布及大小的控制，因此在帶材上可以得到更加靈活的溫度分布。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比能更大范圍內(nèi)適應帶材寬度的變化而獲得更加均勻的溫度分布；不僅如此，由于本發(fā)明是基于對“渦流環(huán)”分布及大小的控制，因此能得到更加靈活的溫度分布，這在帶材的熱處理上具有潛在的應用價值，因而本發(fā)明不僅能產(chǎn)生均勻地溫度分布，還可用于某些溫度分布要求特殊的熱處理。
本發(fā)明解決了帶材橫向磁通感應加熱中的難點問題，它能適應不同寬度的帶材而產(chǎn)生均勻的溫度分布，這將極大程度地提高生產(chǎn)效率和節(jié)約成本，對金屬制品水平的提高有積極的作用，具有重要的經(jīng)濟價值。鋼鐵等金屬制品的性能與其加熱技術密不可分，例如，加熱速度的快慢不僅影響生產(chǎn)效率而且影響產(chǎn)品的氧化程度，溫度分布的均勻性使得局部溫度過冷或過熱可能導致產(chǎn)品變形甚至損壞等。本發(fā)明的應用前景廣闊、經(jīng)濟效益和社會效益巨大。


圖1a是縱向磁通感應加熱器加熱線圈圍繞金屬帶材工件示意圖。
圖1b是橫向磁通感應加熱器加熱線圈平行金屬帶材工件示意圖。
圖2是本發(fā)明橫向磁通感應加熱裝置示意圖。
圖3a是本發(fā)明橫向磁通感應加熱裝置軛鐵分布的可能位置示意圖。
圖3b是本發(fā)明橫向磁通感應加熱裝置軛鐵分布不同于圖2軛鐵分布示意圖。
圖4a表示一個線圈網(wǎng)格相對應的渦流環(huán)的位置和形狀。
圖4b表示一個線圈網(wǎng)格相對應的放大了的渦流環(huán)的位置和形狀。
具體實施例方式
如圖2所示，1-帶材，2-固定線圈，3-移動線圈，4-軛鐵塊，5-導軌，6-移動機構，7-槽型結構，8-固定結構，9-支承架；軛鐵塊由0.2毫米厚的特種硅鋼片疊積而成，為了減小渦流損耗，硅鋼片的表面垂直于工件。軛鐵的基本形狀為長方體，在安裝時，剛好能穿過槽。軛鐵塊底面與固定線圈的底面處于同一平面，為了確定其在槽內(nèi)的位置，在其上部表面上有類似卡子的結構，將軛鐵塊卡于支承架上。軛鐵塊上有螺孔，以便于固定。
槽槽固定于支承架上，其基本形狀與軛鐵塊形狀相似，其內(nèi)部有彈簧片結構，槽內(nèi)有螺孔。
固定結構槽內(nèi)部的彈簧片結構與軛鐵塊上的卡子共同確保軛鐵塊的位置；通過螺栓將軛鐵塊與支承架固定在一起。
移動機構導軌為直線導軌，其上有滑塊，每個滑塊與一個支承架固定在一起。在滑塊的帶動下，支承架可自由移動?；瑝K可手動也可在電機的帶動下運動?；瑝K可自鎖，使支承架固定于某一位置。
固定線圈2與移動線圈3平行于帶材1的表面，固定線圈平行于帶材1的表面，其長邊垂直于帶材的運動方向(V)；移動線圈平行于帶材的表面，位于固定線圈的外部，其長邊平行于帶材的運動方向。移動線圈和固定線圈之間非接觸，但距離很小。每一移動線圈與各個支承架9固定在一起，在支承架之間有一槽型結構7，槽與支承架固定在一起，軛鐵塊4可置于槽內(nèi)，軛鐵塊的底部與固定線圈的底部位于同一平面內(nèi)，通過固定結構8在支承架兩側將軛鐵塊固定于槽內(nèi)或將軛鐵塊從槽內(nèi)取出。軛鐵的分布可根據(jù)需要來改變，例如，可以在A、C、E...等位置，也可以在B、D、F...等位置，如圖3a所示，比如圖3b所示的軛鐵分布不同于圖2所示的軛鐵分布。改變軛鐵分布可改變磁通的分布，進而改變渦流和溫度的分布。在固定線圈的兩側，平行于固定線圈，有兩個導軌5，在導軌上有移動機構6，移動機構控制著固定結構8在導軌上移動，使得固定于其上的線圈在帶材寬度方向上能精確地移動到某一位置，當然也可手動調節(jié)其位置。當加熱較寬的帶材時，使移動線圈的之間的距離變大，當加熱窄帶材時，使移動線圈的之間的距離減小，以適應帶材的寬度，從而改變渦流的分布，并最終改變溫度的分布。在移動線圈中可通有不同大小的電流以改變溫度的分布。
本發(fā)明所設計的感應加熱器如圖2所示，包括固定的線圈2和一組可移動的線圈3構成成。固定線圈平行于帶材1的表面，其長邊垂直于帶材的運動方向(V)；可移動線圈平行于帶材的表面，位于固定線圈的外部，其長邊平行于帶材的運動方向。移動線圈固定于支撐架9上，其內(nèi)部固定若干個槽形結構7，槽內(nèi)可插入軛鐵4，并由固定結構8固定，對于每一個移動的線圈可在移動機構6的帶動下在兩端的導軌5上滑動。軛鐵的分布可根據(jù)需要來改變，例如，可以在A、C、E...等位置，也可以在B、D、F...等位置，如圖3a所示，比如圖3b所示的軛鐵分布不同于圖2所示的軛鐵分布。固定線圈和移動線圈實際上組成了“網(wǎng)格狀”線圈，網(wǎng)格線圈中通有交變電流產(chǎn)生垂直于帶材表面的交變磁通，在帶材上產(chǎn)生許多平行于帶材的“渦流環(huán)”，這種形式的渦流分布較之其他形式的渦流分布能夠產(chǎn)生更加均勻的溫度分布。
除了這種特殊的渦流分布形式有利于得到更加均勻的溫度分布外，本裝置可以從三個方面來實現(xiàn)對溫度分布的調節(jié)(1)沿帶材寬度方向調整移動線圈的位置；(2)改變軛鐵的分布；(3)移動線圈中可通有同樣大小的電流，也可通有不同大小的電流，以改變溫度的分布。
本發(fā)明的工作原理、性能與優(yōu)點移動線圈內(nèi)部固定若干個槽形結構，槽內(nèi)可插入并固定軛鐵，移動線圈與固定線圈縱橫交錯構成“網(wǎng)格狀”的線圈分布，由“網(wǎng)格狀”的線圈和軛鐵構成了感應加熱器。在線圈中通有中頻交變電流，在每一個這樣的“網(wǎng)格”中沿順時針(或逆時針)流動著交變電流，交變電流產(chǎn)生垂直于帶材表面的磁通，這種交變磁通在金屬帶材內(nèi)部產(chǎn)生平行于帶材表面的環(huán)狀渦流，整個帶材上分布著很多這樣的“渦流環(huán)”，圖4a表示了一個線圈網(wǎng)格相對應的渦流環(huán)的位置和形狀，圖4b為放大了的“渦流環(huán)”，圖中的箭頭方向表示渦流的方向，箭頭的大小表示渦流幅值的大小，在每一個網(wǎng)格下都存在這樣一個類似的“渦流環(huán)”，渦流在帶材內(nèi)部產(chǎn)生焦耳熱，從而加熱帶材。當帶材以一定的速度通過該裝置時，在裝置的出口處可獲得均勻的溫度分布。
本發(fā)明所得到的渦流分布形式不同于以往任何文獻或專利所給出的渦流分布，“渦流環(huán)”細密而均勻地分布于帶材上，從而使得帶材上的溫度較之其他形式分布的渦流所產(chǎn)生的溫度分布更加均勻。
所發(fā)明的裝置可以從三個方面改變渦流分布，其一，隨著移動線圈沿帶材寬度方向的移動，上述的“渦流環(huán)”也相應移動，從而調節(jié)渦流的分布；其二，由于軛鐵塊的磁導率遠遠大于空氣的磁導率，因此軛鐵塊的不同的分布，必然改變磁通的分布，從而影響渦流與最終溫度的的分布；其三，調整移動線圈中的激勵電流的大小可調整渦流的分布。
權利要求
1.一種橫向磁通感應加熱裝置，它包括帶材、固定線圈、移動線圈、軛鐵塊、導軌、移動機構、槽型結構、固定結構與支承架；其特征在于固定線圈平行于帶材的表面，固定線圈的長邊垂直于帶材的運動方向；可移動線圈平行于帶材的表面，位于固定線圈的外部，其長邊平行于帶材的運動方向；移動線圈固定于支撐架上，其內(nèi)部固定若干個槽形結構，槽內(nèi)可插入軛鐵，并由固定結構固定，每一個移動的線圈可在移動機構的帶動下在兩端的導軌上滑動。
2.按照權利要求1所述的橫向磁通感應加熱裝置，其特征在于所述的軛鐵塊是由硅鋼片疊積而成，硅鋼片的表面垂直于工件，軛鐵的形狀為長方體，軛鐵塊底面與固定線圈的底面處于同一平面，在其上部表面上有類似卡子的結構，將軛鐵塊卡于支承架上，軛鐵塊上有螺孔，以便于固定。
3.按照權利要求1所述的橫向磁通感應加熱裝置，其特征在于所述的槽型結構固定于支承架上，其基本形狀與軛鐵塊形狀相似，其內(nèi)部有彈簧片結構，槽內(nèi)有螺孔。
4.按照權利要求1所述的橫向磁通感應加熱裝置，其特征在于所述的固定結構是槽內(nèi)部的彈簧片結構與軛鐵塊上的卡子共同確保軛鐵塊的位置；通過螺栓將軛鐵塊與支承架固定在一起。
5.按照權利要求1所述的橫向磁通感應加熱裝置，其特征在于所述的移動機構導軌為直線導軌，其上有滑塊，每個滑塊與一個支承架固定在一起，在滑塊的帶動下，支承架能自由移動，滑塊手動下或在電機的帶動下運動，滑塊能自鎖，使支承架固定于某一位置。
6.按照權利要求1所述的橫向磁通感應加熱裝置，其特征在于所述的軛鐵插在A、C、E...位置，或插在B、D、F...位置，使固定線圈和移動線圈組成了網(wǎng)格狀線圈，網(wǎng)格線圈中通有交變電流產(chǎn)生垂直于帶材表面的交變磁通，以便在帶材上產(chǎn)生許多平行于帶材的渦流環(huán)。
7.按照權利要求1所述的橫向磁通感應加熱裝置，其特征在于所述的移動線圈沿帶材寬度方向調整位置，以便改變溫度的分布。
8.按照權利要求1所述的橫向磁通感應加熱裝置，其特征在于所述的移動線圈中通有同樣大小的電流或不同大小的電流，以改變溫度的分布。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種寬度可調節(jié)與溫度可控的橫向磁通感應加熱裝置。它包括帶材、固定線圈、移動線圈、軛鐵塊、導軌、移動機構、槽型結構、固定結構與支承架構成；固定線圈平行于帶材的表面，固定線圈的長邊垂直于帶材的運動方向(V)；可移動線圈平行于帶材的表面，位于固定線圈的外部，其長邊平行于帶材的運動方向；移動線圈固定于支撐架上，其內(nèi)部固定若干個槽形結構，槽內(nèi)可插入軛鐵，并由固定結構固定，每一個移動的線圈可在移動機構的帶動下在兩端的導軌上滑動。本發(fā)明是寬度可調節(jié)與溫度可控的，能更大范圍內(nèi)地適應帶材寬度的變化，并能得到更加均勻的溫度分布，將極大程度地提高生產(chǎn)效率和節(jié)約成本。
文檔編號C21D9/60GK1802044SQ20051001602
公開日2006年7月12日 申請日期2005年11月11日 優(yōu)先權日2005年11月11日
發(fā)明者楊曉光, 汪友華 申請人:河北工業(yè)大學