DE2812166A1

DE2812166A1 - PROCESS AND EQUIPMENT FOR INDUCTIVE HEATING OF ELECTRICALLY CONDUCTIVE WORKPIECES

Info

Publication number: DE2812166A1
Application number: DE19782812166
Authority: DE
Inventors: Hans Bigler
Original assignee: Greiner Electronic AG
Current assignee: Greiner Electronic AG
Priority date: 1978-01-18
Filing date: 1978-03-20
Publication date: 1979-07-19
Also published as: CH621659A5

Abstract

In this method, undesired side effects, e.g. an excessively high starting current inrush or remanent magnetisation, are eliminated by switching the heating current on and off in a surge-free manner. A workpiece is inserted as a secondary short-circuited turn (3) into the separable iron core (1) of a primary field coil (2), and not only is inductively heated there but is also immediately demagnetised again by appropriate phase-gating control of the field current. An RC circuit (8, 9, 10) has the effect that switching on and off the heating time-delay switch (7) is passed on only gradually to the integrated circuit (6) and the triac (5) for controlling the excitation. <IMAGE>

Description

Verfahren und Einrichtung zum induktiven ErhitzenMethod and device for inductive heating

elektrisch leitender Werkstücke Bei bekannten Verfahren zum induktiven Erhitzen elektrisch leitender Werkstücke erfolgen die thermischen Vorgänge relativ langsam, selbst wenn die induktive Erregung zu beliebigen Zeitpunkten plötzlich ein- und ausgeschaltet wird. Es hat sich nun gezeigt, dass sowohl an den hiezu verwendeten Einrichtungen als auch an den Werkstücken nachteilige Wirkungen nicht-thermischer Art entstehen können, wenn die volle Betriebs-Erregung stossartig von Null aus eingeschaltet oder gegen Null hin ausgeschaltet wird. Solche Wirkungen können elektrische, magnetische oder elektrodynamische sein, welche zu Schäden und Störungen vor, während oder nach dem Erhitzen führen können.electrically conductive workpieces In known methods for inductive When electrically conductive workpieces are heated, the thermal processes take place relatively slowly, even if the inductive excitation is sudden at any point in time is switched on and off. It has now been shown that both of the used for this purpose Facilities as well as on the workpieces adverse effects of non-thermal Art can arise when the full operational excitation is suddenly switched on from zero or is switched off towards zero. Such effects can be electrical, magnetic or electrodynamic, which can lead to damage and disturbances before, during or after can lead to heating.

Aufgabe der Erfindung ist, solche Schäden und Störungen zu vermeiden und eine schonende Erhitzung von Werkstücken ohne unerwünschte Nebenwirkungen zu erzielen. The object of the invention is to avoid such damage and malfunctions and gentle heating of workpieces without undesirable side effects achieve.

Demgemäss befasst sich die Erfindung mit einem Verfahren gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1, und die Aufgabe wird gemäss dem kennzeichnenden Teil dieses Patentanspruchs gelöst. Accordingly, the invention is concerned with a method according to the preamble of claim 1, and the task is according to the characterizing part of this Claim solved.

Das Verfahren wird vorzugsweise mittels Einrichtungen durchgeführt, wie sie in den Patentansprüchen 2 und 3 gekennzeichnet sind. Diese Massnahmen ermöglichen einen von der Bedienung unatnängigen zuverlässigen und schonenden Ablauf der kritischen Vorgänge vor und/oder nach der eigentlichen Betriebsperiode zur Erhitzung des Werkstücks. The procedure is preferably carried out by means of equipment as characterized in claims 2 and 3. Enable these measures one of reliable and gentle Process of critical processes before and / or after the actual operating period for heating the workpiece.

Eine besonders vorteilhafte Anwendung des Verfahrens nach Patentanspruch 1 bzw. Verwendung der Einrichtungen nach den Pateijtansprüchen 2 oder 3 umschreibt der Patentanspruch 4. A particularly advantageous application of the method according to claim 1 or use of the facilities according to the patent claims 2 or 3 circumscribes claim 4.

Es wird nämlich, wie bereits bekannt, in ferromagnetischen Metallringen nicht nur eine den Kurzschluss-Strom und damit die Widerstandswärme erzeugende elektrische Wechselspannung induziert, sondern der ferromagnetische Werkstoff wird auch alternierend magnetisiert. Bei ungesteuertem, d.h. dem Zufall überlassenem plötzlichem Ausschalten der Erregung kann je nach Phasenlage und Werkstoff ein störender permanenter Magnetismus übrigbleiben. Dieser Restmagnetismus kann, beispielsweise bei einem Kugellager den ordnungsgemässen Lauf und die Lebensdauer schwer beeinträchtigen. Einerseits können die Magnetkräftelswischen den gehärteten Ringen und Kugeln letztere am freien Rollen behindern; anderseits, was meist schwerer wiegt, können beim Transport zur Welle und im späteren Einsatz kleinste Eisenteilchen ins Innere des Lagers gezogen werden. Diese Teilchen können oft kaum mehr entfernt werden, da solche Kugellager meistens schon bei der Anlieferung gefettet sind.It is namely, as already known, in ferromagnetic metal rings not just an electrical one that generates the short-circuit current and thus the resistance heat Alternating voltage is induced, but the ferromagnetic material is also alternating magnetized. In the event of an uncontrolled, i.e. random switch-off The excitation can, depending on the phase position and material, a disturbing permanent magnetism left over. This residual magnetism can, for example in the case of a ball bearing properly run and seriously affect the service life. On the one hand you can the magnetic force wipe the hardened rings and balls, the latter rolling freely hinder; on the other hand, what usually weighs heavier, can be transported to the shaft and in later use the smallest iron particles are drawn into the interior of the bearing. These particles can often hardly be removed, since such ball bearings mostly are already greased upon delivery.

Um diesen Gefahren zu begegnen, hat man bisher eine spezielle Entmagnetisiervorrichtung vorgesehen. Sofort nach dem Erhitzen hat man das Lager der Heizvorrichtung entnommen und so schnell als möglich auf die Tischfläche der inzwischen bereitgestellten Entmagnetisiervorrichtuug gelegt. In order to counter these dangers, a special demagnetizing device has hitherto been used intended. Immediately after heating, the bearing was removed from the heater and as quickly as possible on the table surface of the demagnetizing device that has been made available in the meantime placed.

Nach dem Entmagnetisieren konnte man das Lager endlich zu der Welle bringen, auf welche es aufgeschrumpftwurde.After demagnetization, the bearing could finally be attached to the shaft to which it has been shrunk.

Auch diese zusätzlichen Massnahmen brachten nur einen Teilerfolg, da ja das Lager auf dem Transport von der Heizzur Entmagnetisiervorrichtung immer noch der "Verseuchung" ausgesetzt blieb. Man hatte ganz übersehen, dass man die Ringe nach dem induktiven Erhitzen einfach auf ihrem Eisenkern belassen und gleich dort entmagnetisieren kann. These additional measures were only partially successful, because the bearing is always on the move from the heater to the demagnetizer still exposed to "contamination". One had completely overlooked that one Simply leave the rings on their iron core after inductive heating and the same can demagnetize there.

Durch diese Verfahrensweise ergeben sich mehrere Vorteile: Da der Eisenkern ebenfalls entmagnetisiert wird, lässt er sich leichter auftrennen. Das unangenehme Handhaben des heissen Lagers wird auf das absolute Minimum beschränkt; anderseits wird wird die Gefahr vermindert, dass insbesondere kleine Kugellager mit geringem Wärmespeichervermögen zu stark abgekühlt werden und nicht mehr oder nur mit dem Risiko des Festsitzens an falscher Stelle aufgeschrumpft werden können. This procedure results in several advantages: Since the If the iron core is also demagnetized, it can be separated more easily. That uncomfortable handling of the hot camp is kept to the absolute minimum; on the other hand, the risk of small ball bearings in particular is reduced with low heat storage capacity are cooled down too much and no more or can only be shrunk on with the risk of getting stuck in the wrong place.

Schliesslich kann sich auch ein besserer Entmagnetisier-Effekt ergeben, da die räumliche Lage des Lagers zwischen Heizung und Entmagnetisierung unverändert bleibt.Finally, there can also be a better demagnetizing effect, because the spatial position of the bearing between heating and demagnetization remains unchanged remain.

Wenn gemäss einer Variante der Erfindung die induktive Erregung nicht zu einem beliebigen Zeitpunkt voll eingeschaltet wird, sondern gesteuert stossfrei einsetzt, besteht keine Gefahr, dass ein sehr hoher Einschaltstromstoss auftritt. Dies hätte eine Uebermagnetisierung zur Folge, welche auch durch eine nachherige Entmagnetisierung nur schwer beseitigt werden könnte. Auch werden Stahlteile in der Nähe weniger in Bewegung versetzt und dadurch wird die Gefahr von Beschädigungen oder gar Unfällen herabgestzt. If, according to a variant of the invention, the inductive excitation is not is fully switched on at any time, but controlled bumpless starts, there is no risk of a very high inrush current. This would result in an over-magnetization, which would also be caused by a subsequent one Demagnetization would be difficult to remove. Steel parts are also made in in the vicinity less in motion and this increases the risk of damage or even accidents.

Im folgenden wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung Fig. 1 erläutert. Diese zeigt das elektrische Schema einer Einrichtung zum induktiven Erhitzen ferromagnetischer Metallringe, wie Kugellager etc. In the following, the invention is illustrated using an exemplary embodiment the drawing Fig. 1 explains. This shows the electrical diagram of a facility for inductive heating of ferromagnetic metal rings such as ball bearings etc.

Diese Einrichtung umfasst im wesentlichen einen auftrennbaren Eisenkern (UI-Blechpakete) 1 mit der Primär-Induktionsspule 2 und dem ferromagnetischen Metallring 3 als Sekundär-Kurzschlusswindung, sowie die zugehörige elektronische Stellvorrichtung 4 und die Netzspeisung P-O von z.B. 220 Volt 50 Hz. Das Ganze kann mit Ausnahme des Ringes 3 und des diesen durchdringenden abhebbaren I-Eisenpakets in einem Gehäuse untergebracht sein, aus welchem die beiden U-Paketpole herausragen; was indessen zwecks Vereinfachung nicht näher veranschaulicht ist.This device essentially comprises a separable iron core (UI laminated cores) 1 with the primary induction coil 2 and the ferromagnetic metal ring 3 as a secondary short-circuit winding, as well as the associated electronic actuating device 4 and the mains supply P-O of e.g. 220 volts 50 Hz. The whole thing can with exception of the ring 3 and the removable I-iron packet penetrating it in one housing be housed, from which the two U-packet poles protrude; what meanwhile is not illustrated for the sake of simplicity.

Die Stellvorrichtung 4 enthält einen in Serie mit der Induktionsspule am Netz liegenden Triac 5, welcher von der integrierten Schaltung 6 getriggert wird, ferner verschiedene Widerstände und Kondensatoren, von welchen einfachheitshalber nur der Widerstand 6a dargestellt ist, und die zur Speisung und übrigen Beschaltung der integrierten Schaltung dienen. The actuator 4 includes one in series with the induction coil Triac 5 connected to the network, which is triggered by the integrated circuit 6, also various resistors and capacitors, some of which are for the sake of simplicity only the resistor 6a is shown, and that for the supply and the rest of the wiring serve the integrated circuit.

Ferner ist noch der Kontakt eines Zeitschalters 7 gezeigt, mittels welchem die Heizzeit und damit die End-Temperatur des Ringes 3 eingestellt werden kann. Alle diese Bauelemente sind von üblicher Bauart, insbesondere auch die integrierte Schaltung; sie ist von dem Typ wie sie zur Steuerung und Regelung von Motoren und Lampen etc. mittels Triac und in Phas enans chnitt e chnik gebraucht werden.Furthermore, the contact of a timer 7 is also shown, by means of which the heating time and thus the final temperature of the ring 3 can be set can. All of these components are of the usual type, in particular also the integrated ones Circuit; it is of the type used to control and regulate motors and engines Lamps etc. are used by means of triac and phase-cut technology.

Gemäss der Erfindung ist nun aber im Steuerteil der elektronischen Stellvorrichtung 4 ein Zeit-/Spannungs-Wandler vorgesehen, um die Erregung der Heizvorrichtung 1,2,3 derart zu steuern, dass sie allmählich, d.h. stossfrei von Null aus gegen den in der Regel konstanten Betriebswert ansteigt und vom Betriebswert aus gegen Null absinkt. Dieser Zeit-/ Spannungs-Wandler enthält im vorliegenden Fall eine für Anfang und Ende der Heizperiode gemeinsam wirkende R/C-Schaltung, welche im wesentlichen aus den Widerständen 8 und 9 und dem über diese an der integrierten Schaltung 6 liegenden Kondensator 10 besteht. Die Kondensatorspannung ist über die Leitung 11 an einen Steuereingang 12 der integrierten Schaltung 6 geführt. Im Ruhezustand ist der Kondensator 10 auf die volle + Gleichspannung aufgeladen, und der Triac 5 sperrt deshalb mangels Triggersignalen jeden Wechselstromfluss durch die Erregerspule 2. According to the invention, however, the electronic is now in the control part Actuating device 4 a time / voltage converter is provided to excite the heating device 1,2,3 to be controlled in such a way that they gradually, i.e. bump-free from zero against the usually constant operating value increases and from the operating value against Zero drops. This time / voltage converter contains a in the present case for the beginning and end of the heating season, R / C switching that works together in the essentially from the resistors 8 and 9 and the integrated via these Circuit 6 lying capacitor 10 consists. The capacitor voltage is above the line 11 is led to a control input 12 of the integrated circuit 6. in the In the idle state, the capacitor 10 is charged to the full + DC voltage, and the triac 5 therefore blocks any alternating current flow due to the lack of trigger signals the excitation coil 2.

Diese Einrichtung arbeitet folgendermassen: Nachdem man das Gerät mit dem zu erhitzenden Metallring 7 und dem I-Joch des Eisenkernes 1 beschickt hat, wird am Zeitschalter 7 die gewünschte Heizzeit eingestellt. Ueber den jetzt geschlossenen Kontakt des letzteren und den Widerstand 9 entlädt sich der Kondensator 10, und die Gleichspannung am Steuereingang 12 sinkt gegen Null. Ueber einen internen Vergleicher werden in der integrierten Schaltung entsprechend phasenverschobene Triggerimpulse erzeugt, so dass zunehmend längere Teile Aer Erregerstrom-Halbwellen vom Triac 5 freigegeben werden. Auf diese Weise wird der volle Betriebsstrom zum Heizen allmählich erreicht, ohne dass ein für den Triac, das Heizgerät, den Metallring oder sonstwie gefährlicher Einschaltstromstoss auftritt Nach Ablauf der Heizzeit öffnet der Zeitschalter-Kontakt 7, und der Eondensator 10 lädt sich über die Widerstände 8 und 9 wieder langsam auf die volle + Gleichspannung auf. Entsprechend steuert die integrierte Schaltung die Halbwellenpulse von der vollen Halbperiode entsprechend dem vollen Wert der Erregung allmählich wieder auf Null zurück, und der noch ganz heisse Ring wird unverzüglich entmagnetisiert. Er kann ohne Schwierigkeiten dem ebenfalls entmagnetisierten Eisenkern 1 entnommen und zur Welle zum Aufschrumpfen gebracht werden. This facility works as follows: After using the device charged with the metal ring 7 to be heated and the I-yoke of the iron core 1, the desired heating time is set on the timer 7. About the now closed Contact of the latter and the resistor 9 discharges the capacitor 10, and the DC voltage at the control input 12 drops to zero. Via an internal comparator are correspondingly phase-shifted trigger pulses in the integrated circuit generated, so that increasingly longer parts of the excitation current half-waves from the triac 5 be released. In this way, the full operating current for heating gradually becomes achieved without one for the triac, the heater, the metal ring or anything else Dangerous inrush current occurs After the heating time has elapsed, the timer contact opens 7, and the capacitor 10 charges slowly via the resistors 8 and 9 again to the full + DC voltage. The integrated circuit controls accordingly the half-wave pulses of the full half-period corresponding to that the full value of the excitement gradually returns to zero, and the still very hot The ring will be demagnetized immediately. He can do the same without difficulty demagnetized iron core 1 removed and shrunk to the shaft will.

Bei einer Heizzeit von etwa einer bis mehrere Minuten können die Entlade- und Lade-Zeitkonstanten der R/C-Schaltung 8,9,i0 bzw. die Anstiegs- und Absenkzeiten der Erregung in der Grössenordnung von Bruchteilen einer Sekunde bis wenige Sekunden gewählt werden, so dass keine merklichen Zeit- und Wärmeverluste entstehen. With a heating time of about one to several minutes, the Discharge and charge time constants of the R / C circuit 8, 9, i0 and the rise and Reduction times of the excitation in the order of magnitude of fractions of a second to a few seconds can be selected, so that no noticeable loss of time and heat develop.

Das Verfahren gemäss der Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform und Verwendungsart beschränkt. So können andere Leistungssteller und Mittel zu deren stossfreien Steuerung benützt werden, und es kann für beschränkte Ansprüche an Bedienungskomfort die Steuerspannung auch nur von Hand mittels eines geeigneten Steuergliedes im gewünschten Sinne auf- und abgesenkt werden. Das Verfahren kann schliesslich auch für andere als ringförmige Werkstücke abgewandelt werden. The method according to the invention is not limited to that described above Embodiment and type of use are limited. So can other power controllers and means for their bumpless control can be used, and it can be used for limited The control voltage can also only be adjusted by hand using a suitable control member to be raised and lowered in the desired sense. The procedure can also be modified for workpieces other than ring-shaped.

Claims

Claims 9 method for inductive heating electrically conductive Workpieces, characterized in that the inductive excitation is controlled in such a way that that it gradually rises from zero towards the operating value for the heating and / or gradually decreases from the operating value towards zero.

2. Device for carrying out the method according to claim 1, characterized in that it has an electronic adjusting device (4) for Control of the excitation current, the control part of which has at least one time / voltage converter (8,9,10).

3. Device according to claim 2, characterized in that the adjusting device (4) has a triac (5) for phase control, also to the time / voltage conversion both in the rising and in the falling Meaning a common R / C circuit (8,9,10).

4. Application of the method according to claim 1 or use the device according to claims 2 or 3 for heating and immediately thereafter Demagnetizing ferromagnetic metal rings, especially those that are to be shrunk onto their shaft Rolling bearings, the rings as a short-circuit secondary winding (3) in the separable Iron core (1) of an exciter induction coil (2) inserted and there to the end of the demagnetization process can be left with zero excitation.