感应加热方法 【技术领域】
本发明涉及通过在坯料与磁场之间的相对移动特别是引起旋转来感应加热导电材料的坯料的方法，其中该磁场是通过在铁芯上的至少一个直流馈电的超导绕组而产生的。
背景技术
DE 10 2005 061 670.4示出了这种方法。为了实施该方法，例如，可以使在被驱动旋转的夹具中夹紧的圆柱状坯料以恒定的转数围绕其圆柱轴在磁场中旋转，其中该磁场是通过穿过超导绕组的恒定电流而产生的。由此在坯料中感应基本恒定的电流。然而，实际上，通常，坯料不是最优的圆柱状的，和/或未被严密地夹紧，导致其不围绕着其圆柱轴旋转。因此，穿过坯料的磁通量变化，从而相应地在坯料中感应出非恒定量的感应电流。所感应的电流Iind(t)随着旋转频率f而交变，即，Iind(t)＝Iind(t+f-1)。由于坯料中的时间上非恒定的感应电流，产生相应地随时间变化的磁场，该磁场渗透超导绕组且在其中感应电压。该效应称为背向或反向感应，并且对应的电压称为背向或反向感应电压。由于该随时间变化的反向感应电压，不是时间上恒定的电流，而是随时间变化的电流，流过超导绕组，从而导致不希望的损耗，即超导绕组中的所谓的背向或反向感应损耗。
类似地，在加热非圆柱状的杆状坯料(例如，具有矩形或椭圆形截面的坯料)期间，坯料的旋转产生连续交变的感应电流，这导致相应地交变的反向感应电压以及伴随的对应的反向感应损耗。
随时间变化的反向感应电压和随之发生的反向感应损耗与坯料的形状无关地发生，在坯料分别被设定为旋转或停止的感应加热开始和结束时尤其如此。基本上，反向感应损耗在每次旋转速度改变时都出现。
必须通过相应地大功率的电流源且增大超导绕组所需的冷却功率来补偿这些反向感应损耗。
US 3,842,243提出在交变磁场中加热导电坯料。为了使磁通传导经过坯料，在U形轭中设置交流馈电的导体。利用位于轭的部分上的直流馈电的额外线圈，该部分可被驱动至磁饱和。因此，交流场的磁通不再全部传导到坯料，且在对应的区域中较不强烈地进行局部加热。
【发明内容】
本发明基于在实施开始提到的方法时降低超导绕组中的反向感应损耗的目的。
通过方法的方式，通过根据权利要求1的方法而实现该目的。在从属权利要求2至7中阐述了该方法的有利实施例。特别用于实施该方法的装置形成权利要求8的主题。在权力要求9至15中阐述了该装置的进一步的发展。
在所有方法中，至少一个坯料相对于磁场移动。为此，该磁场是否围绕坯料旋转并不重要，反之亦然。根据权利要求1的方法，直流电产生且维持在这样的值，在铁芯中，至少在绕组区域中，该值产生这样的磁通密度，在该磁通密度下，铁芯的材料的相对磁导率比在绕组的零电流状态时低。由于相对磁导率减小，反向感应减小，并且随之超导绕组中的损耗减小。同时，维持铁芯的传导绕组磁场的效果。结果，反向感应减小。
如果使两个以上坯料在超导绕组所产生的磁场中同时旋转，则根据该问题的替代或可选解决方案，可以将坯料相对于彼此的位置调整为使由坯料的交变感应电流所产生的反向感应电压相减式叠加。如果在简化表示中假定坯料的区域中的磁场均匀，则穿过坯料的磁通与坯料在垂直于磁力线的平面上的投影面积近似成比例。在磁场中加热非圆柱状坯料期间，该投影面积将随着每个角度改变而改变。该解决方案的关键在于，调整两个以上坯料的相对于彼此的位置，以便所有坯料的在磁场中移动期间的总投影面积不变或者尽可能小地变化。相应地，于是，穿过坯料的总磁通也不变或者尽可能小地变化。从而使绕组中的反向感应电压最小。也可以说，相减式叠加将要分配给各个坯料的反向感应电压，即，由磁通的各个变化引起的反向感应电压。
为此，例如，具有方形截面的两个相同的立方体状坯料可以以相同的角速度各自围绕其纵向轴旋转，且可被对准而使该纵向轴至少近似地正交于由载流绕组产生的磁场的磁力线，其中如此调整坯料相对于彼此的位置，以便这两个坯料关于其平行的纵向轴相对于彼此成45°地旋转位移，这是因为，这样，穿过其中一个坯料的磁通的增加量将与穿过另一坯料的磁通的减少量相同。当穿过一个坯料的磁通达到其最大值时，其随后将减小，而穿过另一坯料的磁通将增加相同的量。在理想情况下，穿过这些坯料的总磁通恒定。于是，至少部分地通过相减式叠加，将要分配给各个坯料的反向感应电压彼此抵消。例如，当同时加热截面积不相等的两个立方体状坯料时，可获得相同的效果，即使效果不如此显著。这特别适用于具有显著矩形截面的立方体状坯料。
根据另一替代或可选的解决方案，在通过使两个以上坯料在由直流馈电的超导绕组所产生的磁场中旋转而同时感应加热这两个以上坯料期间，可以将所述坯料相对于彼此的移动调整为使得由随时间变化的感应电流所产生的反向感应电压相减式叠加(权利要求2)。与在以上两段中描述的方法的情况一样地，通过该解决方案，也有必要使坯料在磁场中旋转，以便其投影面积之和至少基本恒定。此外，通过调整坯料相对比彼此的移动，替代地或可选地，可以使穿过坯料的磁通的时间上的变化之和最小，这可由各个坯料相对于磁场的改变的旋转速度而引起。
例如，可以使两个围绕其各自的纵向轴旋转的优选相同的例如圆柱状坯料沿相反方向且优选以具有相同值的角速度旋转(权利要求3)。因此，在加热的开始时和结束时，即，在旋转移动的开始或停止期间，将要分配给各坯料的反向感应效应具有不同的极性符号，从而在理想情况下，在开始期间或在停止期间，通过被相减式叠加的将要分配给各坯料的反向感应电压，在绕组中发生有效反向感应电压的消除。
自然地，还可在同时加热彼此不同的坯料期间实施该方法。假设这些坯料的截面具有对称性，则这些截面可用于一目的。例如，以上实例的第一个圆柱状坯料可被具有方形截面的杆状坯料所替代，并且第二个圆柱状坯料可被具有规则八边形截面的杆状坯料所替代。现在使第一坯料以具有两倍于第二坯料的角速度值的角速度且沿与第二坯料相反的方向旋转。无论其形状如何，这些坯料优选应在开始旋转之前彼此对准，以便在旋转移动开始时，穿过两个坯料的磁通或者首先增大，或者首先减小。优选地，在旋转移动开始时，两个坯料在垂直于磁通的平面上的投影面积都为最大值或者都为最小值。如果两个坯料都沿相同方向旋转(彼此的角速度的比率的值不变)，则应在开始之前对准这些坯料，以便随着旋转移动的开始，穿过其中一个坯料的磁通首先减小，而穿过另一个坯料的磁通首先增大。在该情况下，在旋转移动开始时，一个坯料的投影面积优选为最大值，而另一个坯料的投影面积为最小值。在这两种情况下，穿过两个坯料的磁通都相反地改变，从而将要分配给各自的坯料的反向感应电压具有相反的极性符号且相减式叠加。
作为超导绕组，例如，可以使用带状高温超导体(HTSC)。例如，铜酸盐超导体，即，稀土铜氧化物，例如，YBa2Cu3O7-x，可被设计为HTSC。
可以利用连接到所述绕组的调制电流源而使直流电的值保持为至少基本恒定。由于低的反向感应，与实施根据现有技术的方法时相比，该恒定电流源可具有更低的调制范围且因此可更加成本有利。
一种装置，特别是用于实施上述方法之一的装置，具有：在铁芯上的超导绕组；用于在所述绕组中产生直流电的直流源；用于导电材料坯料的至少一个夹具；以及用于在所述绕组与所述夹具之间产生相对移动的旋转驱动器。在一个实施例中，如此设定通过所述直流源在所述绕组中产生的所述直流电的值，以便当与所述绕组的零电流状态比较时，至少在所述绕组的区域中所述铁芯的相对磁导率降低(权利要求8)。
如果该装置具有被驱动旋转的至少一个其他夹具，则可选地或替代地，可沿相反方向且优选以近似相同值的角速度驱动所述夹具(权利要求9)。例如，所述夹具可设置有适当调整的驱动电动机。同样可替代地，可以由公共电动机来驱动至少两个夹具。具有用于沿相反旋转方向且以相同值的角速度进行功率输出的工具的齿轮传动可将电动机功率传送给所述夹具。
替代地或附加地，所述装置可具有用于确定在每个坯料中由随时间变化的感应电流引起的反向感应电压的工具。利用评估先前确定的反向感应电压的控制工具，如此控制所述夹具的所述旋转驱动器，以便由每个坯料产生的所述反向感应电压被相减式叠加(权利要求10)。例如，可以通过该控制工具来调整坯料相对于彼此的位置和/或坯料相对于彼此的相对移动。
在简化情况下，所采用的铁芯可以为杆。在该杆的两端处，坯料可移动，具体地，相对于从该杆中发出的磁场旋转。通过自由空间实现磁通的返回。
作为对此的改进，所使用的铁芯可以为至少近似C形的轭。至少近似C形的轭在该轭的两极片之间具有空气隙，否则该轭具有封闭的环形截面，所述坯料可在该空气隙中旋转。这种铁芯使得穿过将要加热的坯料的磁通的良好传导成为可能。此外，与杆的情况不同地，穿过铁芯而发生返回磁通。
根据优选实施例，所述铁芯为近似E形轭，该近似E形轭在中间分支与每个端部分支之间具有分别用于容纳一个坯料的空气隙。所述绕组优选设置在所述中间分支上。这种空气隙使得利用仅仅一个绕组同时加热两个坯料成为可能，并且也使返回磁通传导穿过所述铁芯成为可能。为此，一个各自的坯料在每一个空气隙中，优选在该空气隙内相对于磁场移动。
优选，所述铁芯至少部分地由层叠的金属片构成。这降低了在铁芯中的可能的涡电流。相应地，加热铁芯的涡电流功率损耗降低，并且需要采取较少的措施来冷却铁芯。同时，从铁芯向超导绕组的可能的热传递减少。
特别优选将金属片设置在与这样的平面至少部分地近似正交的层中，在坯料中感应的电流的主要部分在该平面中流动。这使得具有低涡电流损耗的磁场的良好传导成为可能。
优选，将所述绕组的区域中的截面选择为小于在所述绕组外侧的截面。由此进一步减小反向感应。
【附图说明】
通过附图进一步示例本发明。其以示意性简化的形式且通过实例示出在以下附图中示出：
图1是感应加热器的视图；
图2a是具有杆状铁芯的感应加热器的磁体系统；
图2b是图2a的磁体系统的侧视图；
图3a是具有作为铁芯的C状轭的磁体系统；
图3b是图3a的磁体系统的正视图；
图4a是具有作为铁芯的E状轭的磁体系统；
图4b是图4a的磁体系统的正视图；以及
图5是反向感应电压作为绕组电流的函数的实例。
【具体实施方式】
图1的感应加热器用于通过使坯料10在由磁体系统50产生的磁场中旋转而加热坯料10。为此，将坯料10夹紧在夹具的右手侧和左手侧压力元件2a和2b之间，且通过电动机1驱动该坯料10旋转。齿轮传动3将电动机轴连接到夹具2a的轴，该夹具2a适于沿双向箭头的方向滑动。
如在图2a和2b中以非常简化的方式示出的，磁体系统50可包括杆状铁芯55.2上的直流馈电的超导绕组60。在绕组60与铁芯55.2之间设置隔离元件61，例如抽空的中空间隔，其可减少进入绕组60的热(仅在图2b中示出)。杆状铁芯55.2传导由直流馈电的绕组60产生的磁场(未示出)，该磁场从铁芯55.2的两个端面56.2和57.2发出，就好像从透镜发出，且经由空气隙而进入位于那里的坯料10。如果使坯料在磁场中移动(例如旋转)，则相对于坯料的磁通改变，且在坯料10中感应出感应电流。坯料10中感应出的电流又产生另一磁场，该另一磁场叠加在由绕组产生的磁场上，且在绕组60中相反地感应电压。为了使超导绕组60以最优的效率工作，流过绕组60的电流的时间变化优选为零，即，Iwi(t)＝0。然而，由于反向感应电压通常在时间上不恒定，Iwt(t)≠0成立。优选通过直到刚好在达到饱和区域之前用降低相对磁导率的直流电对绕组60进行馈电，可以降低反向感应。当由感应电流产生的磁场接着被附加地叠加在由绕组60产生的磁场上时，由于铁芯55.2的低相对磁导率，附加磁场强度没有或者仅仅很差地通过铁芯55.2传导到绕组60，而是以实质上非传导的方式展开。穿过绕组60的磁通的改变以及伴随的反向感应电压相应地减小。
在另一实施例中，磁体系统50可以基本由具有优选HTSC绕组60的C形铁芯55.3构成(图3a和3b)。
通过调制的直流源80对绕组60馈电。铁芯传导由此产生的用黑色箭头标示的磁场(仅仅示于图3b中)。与根据图2的实施例不同地，返回磁通不经过自由空间，而使经过电磁铁芯57.3(图3b)。至少一个将要加热的坯料10位于铁芯55的的两个分支56.3和57.3之间。与所示例的不同地，将要加热的坯料10通常不精确地为圆柱状的，并且在大多数情况下不精确地围绕其圆柱轴旋转。因此，被磁通穿透的坯料10的表面变化，且随之产生反向感应，从而穿过超导绕组的电流变化。如上所述，通过合适地选择对绕组60馈电的直流值，反向感应减少。与分支56.3和57.3的对应面积相比，与由黑箭头标示的磁场成直角的铁芯55.3的截面积在绕组60的区域中减小。在绕组的区域中铁芯的减小的厚度dwi明显区别于自由分支的厚度df。由此，绕组的区域中的铁芯的相对磁导率再次降低。替代地，铁芯55.4还可以为E形的，如图4a和4b所示。在自由分支71与72之间，或者72与73之间，分别设置凹处，坯料10被引入该凹处。在自由中间分支72上设置具有HTSC绕组60的线圈，通过调制的直流源80(仅示于图4b中)对该绕组60进行馈电。铁芯55.4实质上由层叠片58构成，这些层叠片58被层叠为与在坯料10中感应的电流在其中流动的平面正交。
图5示出当使坯料在位于铁芯上的具有3000圈的绕组的磁场中旋转(其中坯料相对于绕组的旋转频率均匀地改变，1s内改变8Hz)时，基于120kW的加热功率，作为绕组电流Iwi的函数的以伏特为单位的计算的反向感应电压Uind。对于小的电流(例如，Iwi≈50A)，反向感应电压的最大值为约220V。随着电流Iwi增加，反向感应的值首先急剧减小。电流Iwi的例如从约15A到Iwi≈65A的增大使得反向感应电压Uind的值减小约100V。
在约80A之上，电流的进一步增加仅仅引起反向感应电压Uind的比较小的降低。例如，电流Iwi的从约80A到约100A的增大使得反向感应电压仅仅减小约20V。
该感应加热器的最优工作范围为约60A(≈180000安培-圈)至约80A(≈240000安培-圈)，特别地，为约70A(≈210000安培-圈)，这是因为，这样，铁芯的相对磁导率的值仍允许仅仅很小的反向感应，但同时仍足以使铁芯将由超导绕组产生的磁场传导到坯料。