基于减速箱的超导直流感应加热电机启动装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于减速箱的超导直流感应加热电机启动装置，包括：主电机系统和辅助启动系统，主电机系统和辅助启动系统分别与负载锭子相连接；辅助启动系统包括：减速箱启动模块，所述减速箱启动模块包括：减速箱离合器、减速箱以及辅助电机，负载锭子通过减速箱离合器与减速箱相连接，减速箱与辅助电机相连接；负载锭子与减速箱离合器之间可脱离。本实用新型成功解决了现有启动过程中转矩峰值超出电机转矩过载能力造成启动障碍的问题，充分发挥主电机系统的性能，降低了工业级超导直流感应加热器驱动系统的制造成本，降低了设备的制造成本，对该装置的商业潜力和市场竞争力带来了积极的作用。
【专利说明】基于减速箱的超导直流感应加热电机启动装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及感应加热【技术领域】,具体是一种基于减速箱的超导直流感应加热电机启动装置。
【背景技术】
[0002]感应加热是基于法拉第-楞次电磁感应原理的一种加热方式，具有快速、干净、便于进行表面和局部加热及在大多数情况下节能等优点。从20世纪20年代起，国外开始引入利用电磁润流加热的交流感应加热，近年来国内也逐步采用。传统的交流感应加热方式，其工作原理为:让交流电通过由水冷铜管绕制的线圈产生交变磁场，从而使位于线圈中的锭子内因电磁感应原理产生涡流，涡流在锭子内流动产生焦耳热加热物料。此时，铜线圈电阻产生的电损耗被冷却水带出，如图1所示。
[0003]当前这种感应加热技术有两个主要的技术瓶颈:一是加热效率，此种加热方法对于铁磁性材料，可以获得很高加热效率，但当采用这种方式加热铝、铜等电阻率较小的非磁性金属材料时，由于线圈的电阻损失明显增大使加热装置的电效率变得很低，仅为50%-60%，造成了巨大的电能损失，且受制于该方法本身的特性，其效率已很难再有显著地提升；二是加热精度，传统交流感应加热设备只能对铝型材表面有限且极小的深度进行温度同步加热，更深区域的加热大都靠材料自身热传导实现，所以型材深浅部分温差大，在后续挤压和加工时不但会造成材料局部软硬不一，从而引起微裂纹等缺陷，而且外部比内部高出来的余温也造成了能源的浪费；在对加热精度要求较高的情况下，该方法难以满足用户要求，而提高加热深度，获得更加均匀的加热效果，对于现代高端金属型材(如铝型材)的制造有着非常重要的意义；传统交流感应加热方法主要通过降频的方法来提高加热深度，现在主流的大型交流感应加热设备大都采用工频。进一步降低频率提高感应加热深度对现代金属型材的制造意义非凡，但其所面临技术挑战和制造成本压力非常巨大，所以现代大型主流的感应加热装置大多止步于工频。
[0004]由此，超导直流感应加热成为目前感应加热的重要研究方向。超导直流感应加热的工作原理为，让直流电通过由超导线圈组成的磁体产生强直流磁场并让电机驱动铝锭或者铜锭在该直流磁场中旋转(即导体切割磁力线)，从而在锭子内形成涡流并进而产生焦耳热加热锭子，如图2所示。在运行过程中，电机输出的机械能通过电磁感应转换成锭子中的电能，进而通过电的热效应转换为热能，随着转动次数的增加，锭子的温度就会持续升高。所以锭子的热能几乎全部都来源于电机输出的机械能；而同时由于采用直流，超导线圈中几乎不存在能量损耗，即便考虑到制冷系统消耗的功率，其相比于加热功率也非常的小，所以整个加热设备的效率主要取决于电机的效率。现有的电机制造技术使得电机的运行效率非常的高，通常都可以达到90%以上，所以，相比于传统交流感应加热技术对铝、铜等低电阻率非铁磁性材料的加热效率来说，超导直流感应加热技术在可以大幅提高加热效率。与此同时，对于一定规格的锭子，其加热深度主要取决于转速，转速越低，加热深度越大。锭子的转速受控于电机，因而可以通过降低电机的转速来提高加热深度。所以，相比于传统交流感应加热器，超导直流感应加热器在加热效率和加热均匀性方面有着非常明显的优势。
[0005]经过检索发现，MagneRunde 等人在《IEEE TRANSACTIONS ON APPLIEDSUPERCONDUCTIVITY》上发表的“Commercial Induction Heaters With High-TemperatureSuperconductor Coils” 一文中提到:美国南部旧金山Zenergy Power公司为一家德国招挤压公司提供了一台直流感应加热装置。如图3所示，该装置由超导磁体、制冷装置、加热室和电机四个主要部分组成。磁体的顶部有一个装有市售制冷器的小箱子，为磁体提供低温环境。磁体产生的直流磁场透入两个隔热的加热室中，锭子在其内旋转。锭子两端的电机提供旋转动力，这些电机能滑动以适应不同长度的锭子。电机装有法兰以在旋转时夹持锭子并不使其产生任何损害或变形。超导磁体紧固在非常结实的钢壳内。
[0006]中国专利申请号:200880112972.2，专利名称:感应加热金属工件的方法。该专利自述为:一种通过使金属工件相对于穿透该工件的直流磁场旋转来将所述金属工件感应加热到希望温度的方法的区别特征在于，所述工件被夹紧在适于围绕共轴旋转的两个夹爪之间，所述夹爪中的至少一个被驱动旋转，所述夹爪中的至少一个适于沿着或平行于所述旋转轴主动移位，所述夹爪中的至少一个的接触力被调整，并且代表所述工件的温度的至少一个机械参数被测量作为实际值且与该机械参数的代表所述希望温度的希望值相比较。
[0007]中国专利申请号:200880100217.2，专利名称:感应加热器。该专利自述为:一种用于加热金属锭子的感应加热器，其具有E形截面的轭，在所述轭的中间分支上设置有超导线圈，所述感应加热器具有各自位于所述中间分支与两个外侧分支中的每一个之间的阱。可通过使锭子在两个阱中的每一个中旋转而加热该锭子。
[0008]中国专利申请号:200880100216.8，专利名称:感应加热方法。该专利自述为:在通过使导电材料的锭子相对于由铁芯上的至少一个承载直流电的超导绕组产生的磁场旋转而感应加热所述锭子期间，通过在所述绕组中产生且维持直流值可以降低反向感应电压，该直流值在所述铁芯中，至少在所述绕组的区域中，产生这样的磁通密度，在该磁通密度下，所述铁芯的材料的相对磁导率比在所述绕组的零电流状态时低。
[0009]对于上述基于旋转锭子感应涡流的直流感应加热方法来说，驱动电机是非常关键的一个部件。驱动电机的选型必须满足两个条件:一是输出功率能够满足整个加热过程的需要，二是输出转矩能够满足整个加热过程的需要。实践和计算都表明，对于较大直径的锭子(如大型铝制品挤压加工企业中所用的坯料铝棒，其口径通常在200mm以上)，在某一确定的磁场下，采用直流感应加热方法，锭子中的感应加热功率和反向感应电磁转矩随转速的变化存在如下图3所示的趋势。此图中的锭子为直径300mm的某种非铁磁性金属锭子。此图呈现如下两个主要特征:第一，感应功率随转速的增大而增大；第二，反向电磁转矩在转速比较低的时候,随转速的增大而增大,达到某个峰值后,又随转速的增大而减小。在实际的工业应用中，锭子的主要加热时段，其所处转速区间通常远大于反向电磁转矩峰值所对应的转速，所以，在每个加热周期中，驱动电机的启动过程必然要越过锭子反向电磁转矩低转速时出现的峰值点，即在启动过程中，驱动电机的输出转矩要具备越过此负载峰值点的能力。其后，在锭子主要加热时段，锭子上所感应产生的反向电磁转矩远小于峰值转矩，通常不足其1/3，故而，此时对驱动电机的输出转矩的要求也相应的降低。
[0010]所以，此现象的主要特征是，在一个加热周期中，负载转矩会在启动过程中出现峰值点，而在其后的主要工作时段，负载转矩会远小于此峰值转矩，通常不到其1/3。这就要求启动电机在启动过程中具备3倍于额定转矩以上的过载能力，而现在主流大电机的转矩过载能力最大仅为其额定转矩的2倍，不能满足工业级超导直流感应加热器的需要。
[0011]这种在一个工作周期中负载转矩的峰值点和负载功率的峰值点相分离的现象，给超导直流感应加热器驱动系统的设计带来了很大的困难。因为，驱动系统的输出转矩和功率通常是按照其额定工况(即一个加热周期中的主要加热时段)来设计的，而以此为标准选定的电机一般不能在启动过程输出足够大的转矩(3倍及以上于其额定转矩)来越过负载转矩的峰值点。如果按照通常的电机选型的方法和原则，选取输出转矩和功率均能满足负载要求的电机，这将会导致电机额定功率是负载功率的3倍以上，这从经济性上是一种极大的浪费，特别是对于工业级的超导感应加热器(其加热功率通常在300kw以上)，如此选型会大大增加锭子驱动部分的制造成本，进而会对该产品的商业潜力和竞争力产生严重的负面影响。
[0012]因此，超导直流感应加热器在启动过程出现的转矩峰值超出了现有电机的转矩过载能力，从而造成启动障碍，是在超导直流感应加热器这种新设备的研发过程中遇到的一个新问题，当前尚未有对此进行研究的报道和成果。
实用新型内容
[0013]本实用新型针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种基于减速箱的超导直流感应加热电机启动装置。
[0014]本实用新型是通过以下技术方案实现的。
[0015]根据本实用新型的一个方面，提供了一种基于减速箱的超导直流感应加热电机启动装置，包括:主电机系统和辅助启动系统，所述主电机系统和辅助启动系统分别与负载锭子相连接；所述辅助启动系统包括如下模块:
[0016]-减速箱启动模块，包括:减速箱离合器、减速箱以及辅助电机，所述负载锭子通过减速箱离合器与减速箱相连接，所述减速箱与辅助电机相连接；所述负载锭子与减速箱离合器之间可脱离；
[0017]所述减速箱启动模块与负载锭子相连接。
[0018]优选地，所述辅助启动系统还包括如下任一个或任多个模块:
[0019]-飞轮储能模块；
[0020]-褪磁启动模块；
[0021]所述飞轮储能模块和褪磁启动模块分别与负载锭子相连接。
[0022]优选地，所述飞轮储能模块包括:飞轮离合器、飞轮以及飞轮驱动电机，所述负载锭子通过飞轮离合器与飞轮相连接，所述飞轮与飞轮驱动电机相连接；所述负载锭子与飞轮离合器之间可脱离。
[0023]优选地，所述褪磁启动模块包括:磁场调节单元，所述负载锭子通过磁场调节单元改变锭子磁场。
[0024]优选地，所述磁场调节单元改变锭子磁场包括以下任一种或任多种形式:
[0025]-改变励磁线圈内的电流大小；
[0026]-调节负载锭子所处空间的气隙距离；
[0027]-屏蔽负载锭子所处空间的磁场磁路。[0028]本实用新型提供的基于减速箱的超导直流感应加热电机启动装置，针对工业级超导直流感应加热器在启动过程中出现的远大于额定负载转矩的峰值负载转矩的现象，以及由此给设备驱动系统所带来的挑战，提出具备工业应用可行性和商业价值的解决方案。
[0029]本实用新型成功解决了现有超导直流感应加热器在启动过程出现的转矩峰值超出了现有电机的转矩过载能力、从而造成启动障碍的问题，充分发挥了主电机系统的性能，大大降低了工业级超导直流感应加热器驱动系统的制造成本，又解决了在启动过程中出现转矩峰值所导致的主电机系统输出转矩不足的问题，降低了设备的制造成本，对该装置的商业潜力和市场竞争力带来了积极的作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0031]图1为传统交流感应加热装置；
[0032]图2为传统超导直流感应加热装置；
[0033]图3为负载功率和转矩随转速的变化关系图；
[0034]图4为本实用新型实施例1原理结构图。
【具体实施方式】
[0035]下面对本实用新型的实施例作详细说明:本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。
[0036]请参阅图4。
[0037]在以下实施例中:
[0038]启动过程:锭子从开始旋转直到预定的工作状态之间的全过程；
[0039]预定的工作状态:包含至少两个指标:锭子转速和锭子磁场均达到预定的状态；
[0040]锭子磁场:包括锭子静止时和锭子旋转时两个状态，在锭子静止时，锭子所处空间的磁场平均值；当锭子旋转时，锭子所处空间的磁场由于感应涡流会有所改变，此时的“锭子磁场”指的是，在保持其他状态不变(励磁电流、磁体结构等)的情况下，锭子静止稳态下所处空间的磁场平均值；
[0041]主电机系统:在额定工况下，驱动锭子旋转所需转矩和功率的主要提供者。
[0042]实施例1
[0043]本实施例提供了一种基于减速箱的超导直流感应加热电机启动装置，包括:主电机系统和辅助启动系统，所述主电机系统和辅助启动系统分别与负载锭子相连接。
[0044]所述辅助启动系统包括减速箱启动模块,所述减速箱启动模块与负载锭子相连接。
[0045]所述减速箱启动模块包括:减速箱离合器、减速箱以及辅助电机，所述负载锭子通过减速箱离合器与减速箱相连接，所述减速箱与辅助电机相连接；所述负载锭子与减速箱离合器之间可脱离。[0046]本实施例提供的基于减速箱的超导直流感应加热电机启动装置，其启动方法为:主电机系统的输出功率和转矩参数按照额定工况设计，同时，利用辅助电机和减速箱进行低功率高转矩输出；在每一个工作周期的启动阶段，将减速箱启动模块和主电机系统配合使用，使主电机系统越过负载转矩峰值点，实现对负载锭子的旋转启动；当负载锭子加速到主电机系统的输出转矩能够满足负载要求时，转为由主电机系统驱动负载锭子旋转。
[0047]本实施例具体为:
[0048]主电机系统的输出功率和转矩参数按照额定工况设计，同时利用普通电机和减速箱设计一个能够进行低功率高转矩输出的启动系统，在每一个工作周期的启动阶段，将此启动系统和主电机系统配合使用，是主电机系统能够越过负载转矩峰值点，实现对锭子的旋转启动。当锭子加速到主电机系统的输出转矩能够满足负载要求时，主要由主电机系统驱动锭子旋转。该方案的逻辑结构如下图5所示。需要强调的是，此图仅表示该方案的工作原理和逻辑结构，并不表示或限定该方案的物理结构。
[0049]按照一个工作周期内锭子的额定工况或主要工作区间，来设计驱动锭子旋转的主电机系统。该主电机系统主要特点是其总体输出功率、输出转矩、转速、效率等指标满足锭子额定工况或主要工作区间的要求。该主电机系统可以是由一台电机组成，也可以是由多台电机组成；可以包含变频器，也可以不包含变频器。
[0050]为弥补主电机系统在启动过程中输出转矩相对于负载转矩的不足，用普通电机和减速箱设计一个能够进行低功率、大转矩、低转速输出的驱动系统，该系统的输出转矩、功率以及对应的转速等参数主要依据主电机系统的负载特性和一个工作周期中负载转矩和功率随转速的变化曲线来确定，通过选择不同的电机和不同变比的减速箱，可以使此系统能够满足所需的功率、转矩要求，从而辅助主电机系统越过负载转矩峰值点，实现对锭子旋转的启动。
[0051]本实施例的工作过程为:对于一个完整的工作周期(即加热一个锭子)，在驱动锭子旋转的启动阶段，由上述辅助启动系统主电机系统共同作用驱动锭子旋转，当锭子旋转到预定的某一转速，即主电机系统可以能够独立的满足负载要求时，启动离合器使辅助启动系统和锭子分离，此后主要由主电机系统驱动锭子旋转。此过程，锭子的转速被实时监控，启动系统和锭子分离时刻的转速在设计辅助启动系统的过程中已经确定。
[0052]本实施例在启动的过程中，主电机系统亦可不对锭子提供驱动功率和转矩。但其必须在辅助启动系统脱离的时候达到相应的转速。
[0053]实施例2
[0054]本实施例提供了一种基于减速箱的超导直流感应加热电机启动装置，包括:主电机系统和辅助启动系统，所述主电机系统和辅助启动系统分别与负载锭子相连接。
[0055]所述辅助启动系统在实施例1的基础上，还包括飞轮储能模块，所述飞轮储能模块与负载锭子相连接。
[0056]所述飞轮储能模块包括:飞轮离合器、飞轮以及飞轮驱动电机，所述负载锭子通过飞轮离合器与飞轮相连接，所述飞轮与飞轮驱动电机相连接；所述负载锭子与飞轮离合器之间可脱离。
[0057]本实施例提供的基于减速箱的超导直流感应加热电机启动装置,其启动方法为:
[0058]主电机系统的输出功率和转矩参数按照额定工况设计，同时，利用辅助电机和减速箱进行低功率高转矩输出；在锭子旋转的启动阶段，利用飞轮提供足够大的转矩，并将减速箱启动模块和主电机系统配合使用，辅助主电机系统越过负载转矩峰值点；当负载锭子加速到主电机系统的输出转矩能够满足负载要求时，飞轮脱落，此后主要由主电机系统驱动负载锭子旋转。
[0059]实施例3
[0060]本实施例提供了一种基于减速箱的超导直流感应加热电机启动装置，包括:主电机系统和辅助启动系统，所述主电机系统和辅助启动系统分别与负载锭子相连接。
[0061]所述辅助启动系统在实施例1的基础上,还包括褪磁启动模块,所述褪磁启动模块与负载锭子相连接。
[0062]所述褪磁启动模块包括:磁场调节单元，所述负载锭子通过磁场调节单元改变锭子磁场。
[0063]所述磁场调节单元改变锭子磁场包括以下任一种或任多种形式:
[0064]-改变励磁线圈内的电流大小；
[0065]-调节负载锭子所处空间的气隙距离；
[0066]-屏蔽负载锭子所处空间的磁场磁路。
[0067]本实施例提供的基于减速箱的超导直流感应加热电机启动装置,其启动方法为:
[0068]主电机系统的输出功率和转矩参数按照额定工况设计，同时，利用辅助电机和减速箱进行低功率高转矩输出；在每一个工作周期的启动阶段，将减速箱启动模块和主电机系统配合使用，使主电机系统越过负载转矩峰值点，实现对负载锭子的旋转启动，同时，利用负载锭子中反向感应电磁转矩随锭子磁场的减小而减小的原理，在启动阶段降低负载锭子所处空间的磁场，从而降低负载转矩直至能够使主电机系统顺利启动；当负载锭子加速到主电机系统的输出转矩能够满足负载要求时，在主电机系统输出转矩过载能力的范围内，增大转速的同时开始加大磁场，直至磁场和转速都达到额定工况，同时，转为由主电机系统驱动负载锭子旋转。
[0069]实施例4
[0070]本实施例提供了一种基于减速箱的超导直流感应加热电机启动装置，包括:主电机系统和辅助启动系统，所述主电机系统和辅助启动系统分别与负载锭子相连接。
[0071]所述辅助启动系统在实施例1的基础上，还包括实施例2和实施例3中所述的如下模块:
[0072]-飞轮储能模块；
[0073]-褪磁启动模块；
[0074]所述飞轮储能模块、减速箱启动模块和褪磁启动模块分别与负载锭子相连接。
[0075]本实施例提供的基于减速箱的超导直流感应加热电机启动装置,其启动方法为:
[0076]主电机系统的输出功率和转矩参数按照额定工况设计，同时，利用辅助电机和减速箱进行低功率高转矩输出；在锭子旋转的启动阶段，利用飞轮提供足够大的转矩，并将减速箱启动模块和主电机系统配合使用，同时，利用负载锭子中反向感应电磁转矩随锭子磁场的减小而减小的原理，在启动阶段降低负载锭子所处空间的磁场，从而降低负载转矩直至能够使主电机系统顺利启动，辅助主电机系统越过负载转矩峰值点；当负载锭子加速到主电机系统的输出转矩能够满足负载要求时，飞轮脱落，此后主要由主电机系统驱动负载锭子旋转。
[0077]以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。
【权利要求】
1.一种基于减速箱的超导直流感应加热电机启动装置，其特征在于，包括:主电机系统和辅助启动系统，所述主电机系统和辅助启动系统分别与负载锭子相连接；所述辅助启动系统包括如下模块: -减速箱启动模块，包括:减速箱离合器、减速箱以及辅助电机，所述负载锭子通过减速箱离合器与减速箱相连接，所述减速箱与辅助电机相连接；所述负载锭子与减速箱离合器之间可脱离。
2.根据权利要求1所述的基于减速箱的超导直流感应加热电机启动装置，其特征在于，所述辅助启动系统还包括如下任一个或任多个模块: -飞轮储能模块； _裡磁启动t吴块； 所述飞轮储能模块和褪磁启动模块分别与负载锭子相连接。
3.根据权利要求2所述的基于减速箱的超导直流感应加热电机启动装置，其特征在于，所述飞轮储能模块包括:飞轮离合器、飞轮以及飞轮驱动电机，所述负载锭子通过飞轮离合器与飞轮相连接，所述飞轮与飞轮驱动电机相连接；所述负载锭子与飞轮离合器之间可脱离。
4.根据权利要求2所述的基于减速箱的超导直流感应加热电机启动装置，其特征在于，所述褪磁启动模块包括:磁场调节单元，所述负载锭子通过磁场调节单元改变锭子磁场。
5.根据权利要求4所述的基于减速箱的超导直流感应加热电机启动装置，其特征在于，所述磁场调节单元改变锭子磁场包括以下任一种或任多种形式: -改变励磁线圈内的电流大小； -调节负载锭子所处空间的气隙距离； -屏蔽负载锭子所处空间的磁场磁路。
【文档编号】H05B6/02GK203747699SQ201420070078
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年2月18日 优先权日:2014年2月18日
【发明者】洪智勇, 王亚伟, 张建文, 李柱永, 杨平 申请人:上海超导科技股份有限公司