横向磁通电感应器的制作方法

专利名称：横向磁通电感应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及横向磁通电感应器，尤其涉及用于加热导电材料片或 带的感应器。
背景技术：
典型的常规横向磁通感应器包括一对感应线圈。将被感应加热的 材料放在所述一对线圈之间。例如，在图1中，所述一对线圈包括线 圈101和线圈103，分别位于所述材料的上面和下面，例如所述材料 可以是金属带90，其按箭头所示方向连续移动穿过所述一对线圈。 为了定向，由图1中所示的X、 Y和Z轴定义三维正交空间。因而， 所述带在Z方向移动。所述一对线圈之间的间隙g。或开口在图中为了 清楚而被夸大地显示，但其长度跨所述带的截面固定。线圈101的端 子101a和101b及线圈103的端子103a和103b连接到一个或多个适 当的交流电源(未在图中示出)，所述电源具有如图中所示的瞬时电 流极性。流过线圈的电流产生普通磁通，如典型磁通线105所示(用 虚线示出)，其垂直通过所述带以感应带平面中的涡流。磁通集中器 117 (在图中部分显示在线圈101周围)，例如叠片或其它高磁导率、 低磁阻材料，可用于将磁场导向所述带。用于有效感应加热的交流电 流频率(f，赫兹)的选择由下式给出
7"义其中P为工件的电阻率(Q*m) ; g。为线圈之间的间隙(开口)
的长度(单位米)；T为线圈的极距(单位米)；及山为所述 带的厚度(单位米)。
当用横向磁通感应器通过电感应加热带时要解决的典型问题是 跨所述带实现均匀的截面(沿X轴)感应加热温度。图2 (a)示出 了当线圈的极距相当小及频率相应地低时(可从上述等式看出)用图
1的方案获得的典型截面带加热概图。图2 (a)中的X轴表示所述带 的归一化截面坐标，所述带的中心坐标为O.O，及所述带的相对的两 边缘坐标为+1. 0和-l. 0。 Y轴表示因所述带的感应加热获得的归一化 温度，归一化温度1. 0表示跨所述带的中间区域111大致均匀加热的 温度。越靠近所述带的边缘，在区域U3 (称为肩区)，所述带的截 面感应温度低于归一化温度值1. 0，之后在所述带的边缘区域115增 加到高于归一化温度值l.O。从上述等式可以看出，当线圈的极距相 对大时，所述频率相应地高。在这些情形下，所确定肩区中的欠加热 消失，同时边缘的过加热保持，如图2 (b)中所示。通常，希望跨 所述带的整个截面具有恒定的感应加热温度，例如使得在加热后的带 经历涂覆处理时不必废弃所述带的欠加热的肩区和过加热的边缘区 域。
已提出许多校正边缘加热问题的方案，如单独的边缘加热器，及 提出不同的线圈和/或叠片排列以改变所得磁通场的结构，继而试图 改变所述带的边缘加热曲线。这些方法有一些优点，但仍然存在对横 向磁通感应器装置的需要，其可有效地实现所述带的截面加热的均匀 性，尤其在所述带的位置在线圈中变化时或在所述带的宽度变化时更 是如此。

发明内容
一方面，本发明是用于电感应加热导电工件的装置和方法。感应 器包括由第一和第二线圈形成的至少一对线圈。导电工件放在所述线 圈对之间。第一和第二线圈中的每一个包括多个线圈段。至少一交流
7电源适当地连接到感应器的第一和第二线圈以向感应器提供交流功 率。调整对向线圈段之间的间隙以提供所希望的工件感应截面加热温 度曲线。
另一方面，本发明是电感应加热导电工件的装置和方法，感应器 包括由第一和第二线圈形成的至少一对线圈。导电工件放在所述线圈 对之间。第一和第二线圈中的每一个包括多个线圈段。至少一交流电 源适当地连接到感应器的第一和第二线圈以向感应器提供交流功率。 对于所有线圈段，对向线圈段之间的间隙与彼此等距，及至少一磁通 集中器放在多个线圈段中的至少一个的附近。所述至少一磁通集中器 至少可在垂直于工件表面的方向移动以提供所希望的工件感应截面 加热温度曲线。
本发明的上述及其它方面将在本说明书和所附权利要求中进一 步提出。


为说明本发明的目的，在图中示出了目前的优选形式。然而，应 当理解，本发明不限于在此所述的精确排列和手段。 图1为现有技术横向磁通感应器装置。
图2 (a)和图2 (b)图示了图1中所示的横向磁通感应器装置
的典型截面感应加热特性。
图3 (a)为本发明的横向磁通感应器的一个例子。
图3 (b)为图3 (a)中所示的本发明的横向磁通感应器沿线A-A
的正视图。
图3 (c)图示了图3 (a)和图3 (b)中所示的横向磁通感应器 装置的截面加热特性。
图3 (d)为本发明横向磁通感应器的另一例子的正视图。 图3 (e)为本发明横向磁通感应器的另一例子的正视图。 图4为本发明横向磁通感应器的另一例子。图5为本发明横向磁通感应器的另一例子，其中选择使用了磁通 集中器。
图6为本发明横向磁通感应器的另一例子，其中选择使用了电磁 屏蔽，或单独或与磁通集中器的选择使用结合。
图7、图8 (a)和图8 (b)为本发明的具有磁通集中器的横向 磁通感应器的其它例子。
图9为本发明的具有磁通集中器和线圈的横向磁通感应器的另 一例子，其中线圈的极距可调。
具体实施例方式
现在参考附图，其中相同的附图标记指示相同的元件。图3 (a) 和图3 (b)示出了本发明的横向磁通感应器的一个例子10。在该非 限制性例子中，横向磁通感应器10包括由跨工件90的截面定向的第 一线圈12和第二线圈14形成的线圈对，所述工件放在线圈对之间。 所述工件可以是导电材料片或带如金属带。每一线圈包括多个线圈 段。第一线圈12包括中央段12a、过渡段12b、肩段12c和边缘段 12d。如图3 (a)和图3 (b)中所示，每一中央段大致居中在工件的 截面中心上方。过渡段12b—端连接到所述中央段的每一端。每一过 渡段的另一端连接到每一肩段12c的一端。边缘段12d在工件的每一 边缘处将两个肩段连接在一起。类似地，第二线圈14包括中央段14a、 过渡段14b、肩段14c和边缘段14d。在本发明的该非限制性例子中， 第二线圈在构造上与第一线圈类似并与第一线圈同轴(即，在Z方向 不偏移或不歪斜)，第二线圈所面向的工件侧与工件面向第一线圈的 那一侧相对。第一和第二线圈适当地连接到一个或多个交流电源(未 在图中示出)。例如，线圈12可具有连到中央段12a的电源连接16a 和16b，线圈14可具有连到相应段14a的电源连接18a和18b，具有 如图中所示的瞬时极性。根据特定应用的需要，可在线圈的任何段进 行电源连接。为适应电源连接，每一线圈在所述电源连接处足够地断 开以使两个连接电绝缘。工件90可在第一和第二线圈之间移动穿过所述间隙，使得当电流流过这些线圈时，工件通过电感应加热。在本 发明的其它例子中，线圈的每一段还可进一步分为多个子段。例如， 每一过渡段可包括两个或多个过渡子段。
在本发明的其它例子中，线圈12和14形状固定，使得中央段
12a和14a相较肩段12c和14c更远离工件的面对表面，及过渡段12b 和14b将邻近的中央段和肩段连在一起。边缘段12d和14d在工件的 每一边缘处将肩段12c和14c的外端连在一起。在该非限制性的结构 中，相较相对的肩段12c和14c，相对的中央段12a和14a彼此更远 离。相较相对的中央段之间的截面，工件在相对的肩段之间的截面电 感应更多的热量。在相对的过渡段之间的截面中，感应的热量朝向肩 段方向逐渐增加。按如图3 (a)和图3 (b)中所示使所述边缘段远 离工件边缘将减少现有技术中描述的边缘过热效应。图3 (c)示出 了用图3 (a)和图3 (b)中的装置获得的典型截面带加热曲线。
在本发明中，通常改变相对的线圈段之间的间隙的长度g。以获得 所希望的工件感应截面温度曲线。在一些情况下，所希望的感应截面 温度曲线可能是均匀曲线，然而，在其它情况下，所希望的曲线可能 是非均匀的曲线。对于特定应用，相对的线圈段之间的可变间隙的长 度例如通过计算、通过对装置及特定工件的模拟或测试、或这些方法 的任何组合进行确定。此外，计算机处理器可运行计算机程序，通过 所述带的实际测得的感应加热温度的反馈信号输入进一歩调节相对 的线圈段之间的间隙。该计算机处理在自适应学习过程中是有利的， 其中所述处理基于工件的一个或多个参数连续调节间隙，所述参数例 如是通过线圈的工件的组成变化、工件宽度的变化、或工件相对于线 圈的瞬时位置的变化。
在本发明的其它例子中，每一线圈的邻近连接的段可挠性地相互 连接使得线圈12和14的相对的段之间的距离可被变得更开或更近， 和/或线圈12和14的截面宽度可被使得更短或更长。例如，在图3 (d)中，操作器20 (例如人力操作器、线性液压致动机构或任何其 它致动机构)可连到中央段12a和14a以朝向工件90移动中央段12a和14a。肩段12c和14c强迫向X方向移动将导致中央段附近区域感 应热量的增加及线圈12和14的总截面宽度的增加，因为所述肩段被 迫向工件的边缘滑动。这由图3 (d)中的线圈12和14图示，其中 虚线所示表明中央段更远离工件，而实线所示表明当线圈具有更大的 总宽度时中央段更靠近工件。
这些挠性方案的一个优点在于同一线圈对可均匀地加热不同截 面宽度的工件。线圈段之间的挠性连接可通过使整个线圈由挠性材料 制成实现，或通过在连接处使用适当的导电铰链，或通过使用另一适 当的相对于彼此移动线圈段的方法。导电铰链的非限制性例子为一个 或多个挠性线缆或汇流条。
图3 (e)示出了本发明的横向磁通感应器的另一例子。在该非 限制性的例子中，所述横向磁通感应器包括由跨工件90的截面定向 的第一线圈11和第二线圈13形成的线圈对，所述工件放在线圈对之 间。两个线圈中的每一线圈包括多个线圈段，即中央线圈段11a和 13a、第一过渡线圈段lib和13b、肩部线圈段11c和13c、第二过渡 线圈段lld和13d、及边缘段lle和13e。如图3 (e)中所示，两个 线圈的相对的段之间的间隙在从线圈的中央段到线圈的相对边缘的 方向。磁通集中器40c可选地用于将磁通集中在工件的截面中心附 近。这种布置在构造上具有特定优点，其中肩区欠加热不重要及边缘 区过热必须避免。对于本发明的其它例子，线圈段位置固定或挠性地 相互连接以允许再调节相对的线圈段之间的间隙尺寸。
图4示出了本发明的横向磁通感应器的另一例子，其中使用两对
线圈。在本发明的所有例子中均可使用任何数量的线圈对，而不背离 本发明的范围。在线圈在此图示为单匝线圈的同时，在本发明的其它 例子中，线圈可以是另外的结构，例如但不限于多匝线圈或多个线圈， 并可以按或串联或并联或串联和并联结合进行构造以适合被加热的 工件的尺寸，禾tV或实现与所用电源的最佳负载匹配。此外，线圈可 以气冷或液冷，和/或由单件适当的电导体整体形成。或者，两个或 多个段可单独形成并连在一起。
li图5示出了本发明的横向磁通感应器的另一例子，其中使用两对 线圈，及在线圈的肩段周围除面对工件的方向之外的所有方向使用由
本领域已知材料形成的磁通集中器40a和40b，以集中来自所述肩段 的磁通从而进一步加热在线圈肩段之间的工件区域。在本发明的其它 例子中，磁通集中器可位于任何其它线圈段周围以提供所希望的截面 感应加热曲线。此外，磁通集中器可部分位于任何线圈段周围，或可 在任何线圈段周围包括分段的组成部分。在本发明的一些例子中，磁 通集中器可适当地连接到操作器，所述操作器允许磁通集中器在Y方 向移动以改变工件的感应截面加热。
图6示出了本发明的横向磁通感应器的另一例子，其中边缘电磁 屏蔽42与图5中所示的两对线圈和磁通集中器结合使用。屏蔽42， 其由导电材料如铜形成，可用于降低特定应用中的感应边缘加热。在 本发明的一些例子中，边缘电磁屏蔽可适当地连接到操作器，所述操 作器允许所述屏蔽移动以改变边缘屏蔽模式。
在本发明的其它例子中，磁通集中器和电磁屏蔽可二选一地或结 合使用，以控制来自一个或多个线圈段的磁通，因而控制实施集中器 和/或屏蔽的相对线圈段之间的工件感应加热的大小。集中器和/或屏 蔽可连接到适当的机械操作器，其使集中器能被纵向移动(即Y方向) 及使集中器和/或屏蔽横向移动(即X方向)，取决于当前在一对或 多对线圈之间的工件的特定加热模式需求。
使用集中器和/或屏蔽使每一线圈的所有段均能实质上平行于相 对线圈的所有段对准并与之等距。例如，在图7中，线圈12'和14' 的所有相对的段实质上相互平行地对准并等距。在该结构中，线圈段 12a' 、 12b'和12c'可被称为组合的中央线圈段12a〃，例如如图8 (a) 和图8 (b)中所示；类似地，线圈段14a'、 14b'和14c'可被称为组 合的中央线圈段14a"。在图7中，U形磁通集中器40d大致位于边缘 线圈段12d'和14d'的上方。U形边缘集中器40d可按需单独地或按 组纵向移动(即Y方向)，以在边缘区域88和邻近的肩部区域86实 现所希望的加热。图8 (a)示出了本发明的例子，其中磁通集中器40d放在一个 或多个组合的中央线圈段12a〃和14a〃的上方，线圈12'和14'的所有 相对的线圈段实质上相互平行地对准并等距。在该结构中， 一个或多 个磁通集中器40d在Y方向的移动改变工件中央区域的磁通集中，因
而改变工件的中央截面区域的感应加热的大小。当不主要关注边缘及 邻近区域的热量控制时这种结构特别有用。在图8 (b)中，图8 (a) 中的结构被修改为包括第三组合的中央线圈段12a' 〃和14a' 〃 (在图 中不可见)以对中央区域提供增加的热量控制度。
在图9中所示的本发明的例子中，多个磁通集中器40d跨组合的 中央线圈段12a"和14a"定位，线圈12'和14'的所有相对的线圈段实 质上相互平行地对准并等距。在该结构中， 一个或多个磁通集中器 40d在Y方向的移动选择性地改变沿工件截面的磁通集中，因而选择 性地控制跨工件截面的感应加热的大小。可选地，对于该结构，边缘 段12d'和14d'可分别包括电铰链元件12e'和14e'，其使组合的中央 段12a〃和14a〃能在Z方向移动以改变线圈的极距t 。
在上面使用U形磁通集中器的同时，在本发明的其它例子中，磁 通集中器可以为其它形状以适合特定应用。
在本发明的其它例子中，工件每一侧上的线圈可被包含在单独的 盒结构中，使得工件位于两个盒之间。所述盒可包括导电材料，在除 面对工件的那一侧之外的所有侧均电气接地。所述盒面对工件的侧可 以是透磁材料如云母。
本发明的上述例子只是为了解释本发明而提供的，绝不意图限制 本发明。尽管己经结合多个实施例描述了本发明，但是这里所使用的 措辞是说明性和例示性的措辞，而不是限制性的措辞。尽管在此结合 特定的装置、材料和实施例描述了本发明，但是本发明不意图局限于 这里所公开的细节；相反，本发明延伸到所附权利要求范围内的所有 功能上等同的结构、方法和用途。受益于本说明书的教导的本领域的 技术人员可以实现对它的多种修改，并且在各方面不偏离本发明的范 围的情况下可以进行改变。
权利要求
1、电感应加热导电工件的感应器，所述感应器包括由第一和第二线圈形成的至少一对线圈，导电工件放在所述线圈对之间，所述线圈对跨工件的截面定向，第一和第二线圈中的每一个包括多个互相连接的线圈段，至少一交流电源适当地连接到感应器的第一和第二线圈以向感应器提供交流功率，其特征在于第一和第二线圈中的每一个的至少两个相对的线圈段间隔开不同的距离以按截面温度曲线感应加热工件。
2、 根据权利要求1的感应器，其中第一和第二线圈中的每一个 的多个互相连接的线圈段包括居中在工件截面中心的上方的一对中 央段、在第一端排他地连接到所述一对中央段的每一段的每一端的过 渡段、在第一端排他地连接到每一过渡段的第二端的肩段、及在工件 的每一截面边缘处排他地连接到一对肩段的第二端的至少一端部段。
3、 根据权利要求2的感应器，其中在相对的中央段之间的距离大于相对的肩段之间的距离。
4、 根据权利要求3的感应器，其中至少一端部段远离工件定向。
5、 根据权利要求2的感应器，还包括排他地连接在肩段和端部 段中的每一个之间的第二过渡段。
6、 根据权利要求1的感应器，还包括至少部分位于至少一线圈 段周围的至少一磁通集中器。
7、 根据权利要求1的感应器，还包括至少部分位于工件的一边 缘周围的至少一 电磁边缘屏蔽。
8、 电感应加热导电工件的感应器，所述感应器包括 由第一和第二线圈形成的至少一对线圈，导电工件放在所述线圈对之间，所述线圈对跨工件的截面定向，第一和第二线圈中的每--个 包括多个挠性互连的线圈段，第一和第二线圈中的每一个的至少两个 相对的线圈段与工件间隔开不同的距离；及至少一交流电源适当地连接到感应器的第一和第二线圈以向感 应器提供交流功率，从而按截面温度曲线感应加热工件。
9、 根据权利要求8的感应器，其中第一和第二线圈包括挠性组 成部分。
10、 根据权利要求8的感应器，其中至少一邻近的线圈段由导电铰链连接。
11、 根据权利要求8的感应器，还包括连到第一和第二线圈中的每一个的至少一段的操作器以朝向或远离工件表面移动第一和第二 线圈中的每一个的至少一段或改变第一和第二线圈的总截面宽度。
12、 根据权利要求8的感应器，还包括至少部分位于至少一线圈 段周围的至少一磁通集中器。
13、 根据权利要求12的感应器，还包括连到所述至少一磁通集 中器的操作器以相对于所述至少一线圈段移动所述至少一磁通集中 器°
14、 根据权利要求8的感应器，还包括至少部分位于工件边缘周 围的至少一电磁屏蔽。
15、 根据权利要求14的感应器，还包括连到所述至少一电磁屏 蔽的操作器以相对于所述至少一线圈段移动所述至少一磁通集中器。
16、 感应加热导电工件的方法，包括步骤 由至少一对相对的第一和第二线圈形成感应器，第一和第二线圈中的每一个包括多个互相连接的段；将导电工件定向在所述至少一对相对的第一和第二线圈之间，所 述工件的截面与所述至少一对相对的第一和第二线圈的总长度对准；使所述至少一对相对的第一和第二线圈的至少两对相对的段间 隔开不同的距离；及向所述至少一对第一和第二线圈提供交流电源以按截面感应加 热曲线感应加热工件。
17、 根据权利要求16的方法，还包括步骤检测感应加热的工 件的截面温度并调节所述至少一对相对的第一和第二线圈的一对或 多对相对的段的间隔距离。
18、 根据权利要求17的方法，还包括步骤使所检测的截面温 度与工件的一个或多个参数关联；将关联的所检测截面温度保存为备 用工件；在将第二工件放在所述至少一对第一和第二线圈之间之前比较所述第二工件的一个或多个参数和备用工件的一个或多个参数并 在备用工件和第二工件的一个或多个参数相等时将第二工件的截面 感应加热曲线调整为备用工件的截面感应加热曲线。
19、 根据权利要求16的方法，还包括歩骤改变所述至少一对相对的第一和第二线圈的至少一相对的段之间的间隔距离以改变第 一和第二线圈的总宽度。
20、 根据权利要求16的方法，还包括步骤将至少一磁通集中器至少部分定位在至少一线圈段周围。
21、 根据权利要求16的方法，还包括步骤将至少一电磁边缘屏蔽至少部分定位在工件的至少一边缘周围。
22、 电感应加热导电工件的感应器，所述感应器包括由第一和第二线圈形成的至少一对线圈，导电工件放在所述线圈 对之间，所述线圈对跨工件的截面定向，第一和第二线圈中的每一个 包括多个线圈段，第一和第二线圈的相对的多个线圈段彼此等距-,至少部分包围至少一线圈段的至少一磁通集中器；用于在垂直于工件表面的方向移动所述至少一磁通集中器的操作器；及至少一交流电源，其适当地连接到感应器的第一和第二线圈以向 感应器提供交流功率，从而按截面温度曲线感应加热工件。
23、 根据权利要求22的感应器，其中所述多个线圈段包括横过 工件的至少两个中央段，所述至少两个中央段中的每一个在邻近端有 边缘段连在一起，及所述至少一磁通集中器包括位于至少一边缘段周 围的U形集中器。
24、 根据权利要求22的感应器，其中所述多个线圈段包括横过 工件的至少两个中央段，所述至少两个中央段中的每一个在邻近端有边缘段连在一起，及所述至少一磁通集中器包括位于所述至少两个中 央段中的至少一段周围的U形集中器。
25、 根据权利要求22的感应器，其中所述多个线圈段包括横过 工件的至少两个中央段，所述至少两个中央段中的每一个在邻近端有 边缘段连在一起，及所述至少一磁通集中器包括位于所述至少两个中 央段中的至少一段周围的多个U形集中器。
26、 根据权利要求25的感应器，还在每一边缘段中包括电铰链 元件以调节每一线圈的极距。
27、 感应加热导电工件的方法，包括步骤 由至少一对相对的第一和第二线圈形成感应器，第一和第二线圈中的每一个包括多个互相连接的段，所述第一和第二线圈的相对的多 个线圈段彼此等距；将导电工件定向在所述至少一对相对的第一和第二线圈之间，所 述工件的截面与所述至少一对相对的第一和第二线圈的总长度对准；在第一和第二线圈中的至少一个的多个互相连接的段中的至少 一段附近在垂直于工件表面的方向移动至少一磁通集中器；及向所述至少一对第一和第二线圈提供交流电源以按截面感应加 热曲线感应加热工件。
全文摘要
本发明提供了用于将工件感应加热到所希望的截面温度的装置和方法。至少一对线圈形成横向磁通感应器。工件位于相对的线圈对之间，所述线圈对跨工件的截面定向。每一线圈包括多个线圈段。调整一个或多个相对的线圈段之间的距离以获得所希望的工件截面感应加热温度曲线。或者，所有相对的线圈段之间的距离彼此等距，及至少可在垂直于工件表面的方向移动的一个或多个磁通集中器用于获得所希望的工件截面感应加热温度曲线。
文档编号H05B6/44GK101406103SQ200780006419
公开日2009年4月8日 申请日期2007年2月22日 优先权日2006年2月22日
发明者J·洛文斯, M·M·曹 申请人:应达公司