專利名稱：具有提高了效率的線圈系統(tǒng)的感應(yīng)爐的制作方法
本申請(qǐng)要求2001年1月8日申請(qǐng)的美國臨時(shí)申請(qǐng)No.60/260,241的利益。
本發(fā)明涉及電感爐，特別是涉及具有提高了效率的線圈系統(tǒng)的感應(yīng)爐。
電感爐用于加熱和熔化金屬以及其它的導(dǎo)電材料。感應(yīng)爐使用由交流電源供電的感應(yīng)線圈。流經(jīng)線圈的交流電流產(chǎn)生施加到放置在爐的爐缸的里面的導(dǎo)電爐料的磁場(chǎng)。應(yīng)用磁場(chǎng)在爐料中所感應(yīng)的渦流加熱、熔化甚至熔融爐料。在感應(yīng)線圈和爐料之間的磁耦合類似于磁變壓器耦合。然而感應(yīng)線圈具有比磁變壓器的漏感高得多的漏感。因此感應(yīng)爐的功率因數(shù)非常低，一般在0.08至0.15的范圍內(nèi)并且具有滯后的特點(diǎn)，因此感應(yīng)爐是一種效率非常低的負(fù)載。
常規(guī)的無鐵芯感應(yīng)爐由水冷的螺旋銅線圈組成，并具有容納爐料的陶瓷爐缸。在線圈中的交流電流產(chǎn)生在導(dǎo)電爐料中感應(yīng)電流的磁場(chǎng)。如在附圖1(a)所示，可以將感應(yīng)爐100看成松散耦合的變壓器，在該變壓器中初級(jí)線圈的線匝磁耦合到由導(dǎo)電熔體102所形成的單匝中。在該附圖中，Ic表示線圈電流，而Im表示在熔池中的電流。因此，可以認(rèn)為在熔體中感應(yīng)的電流與在線圈中的電流的比率接近線圈線匝的數(shù)量。在熔體的周邊上感應(yīng)出最大的電流密度，而電流隨著朝爐缸的中心的熔體深度呈指數(shù)衰減。
衰減率由常數(shù)(即電流透入熔體中的深度)Δm定義，定義如下式(米)Δm=2·ρmμ0·μm·f=503ρmf]]>這里，ρm熔化的金屬的電阻率(歐姆/米)；μ0·μm絕對(duì)和相對(duì)導(dǎo)磁率的乘積(μ0＝4π×10-7，而μm是該金屬的相對(duì)導(dǎo)磁率，單位為H/m)；以及
f＝線圈電流的頻率(赫茲)。
感應(yīng)爐通常設(shè)計(jì)成滿足電流透入金屬的深度遠(yuǎn)小于熔體的半徑的條件(Δm＜＜rm)。
熔體的常規(guī)形狀為圓柱形。大部分感應(yīng)電流在厚度等于透入深度Δm的熔體的外層中流動(dòng)。通過下式可以估計(jì)這層的電阻Rm(歐姆)Rm=ρm·2π·rmhm·Δm=0.0125·rmhmfρm]]>這里Rm＝熔體的電阻(歐姆)；rm＝熔體的半徑；hm＝熔體的高度；ρm、Δm和f如前文所定義。
感應(yīng)爐在原理上是單相裝置。所供應(yīng)的電功率通常分布在平衡的三相線上。為了最佳地操作，感應(yīng)爐通常在100至10,000赫茲的范圍的頻率下運(yùn)行。爐中的熔融金屬的電磁攪拌需要這些頻率保持最佳的Δm/rm比率。
固態(tài)功率轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生感應(yīng)爐所需頻率的功率、電壓和電流。這些轉(zhuǎn)換器使用功率半導(dǎo)體器件(比如SCR、IGBT或IGCT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu))。固態(tài)靜態(tài)功率轉(zhuǎn)換器解決了相位平衡問題。在轉(zhuǎn)換為單相中頻電流之前對(duì)輸入3-，6-或12-相線電壓進(jìn)行整流。多相線電壓的全波整流在輸電線上產(chǎn)生較低的諧波失真，由此不需要線路濾波器。如在附圖1(b)所示，功率變換器由三個(gè)主要的部分組成交流到直流整流器和直流濾波器；直流到交流中頻變換器；和調(diào)諧電容器組。
通過改變變換器固態(tài)開關(guān)部件的換向時(shí)序來自動(dòng)控制輸送給爐中的功率。這種時(shí)序確定了工作頻率、相位和爐子電流的幅值。
有兩個(gè)常規(guī)的方式實(shí)施靜態(tài)固態(tài)功率變換器，即具有并聯(lián)電容器組的電流反饋?zhàn)儞Q器和具有串聯(lián)的電容器組的電壓反饋?zhàn)儞Q器。附圖2(a)所示為使用電流反饋?zhàn)儞Q器的爐子系統(tǒng)。附圖2(b)所示為使用具有串聯(lián)/并聯(lián)槽路電容器的電流反饋?zhàn)儞Q器的爐子系統(tǒng)。附圖2(c)和2(d)所示分別為使用全橋和半橋結(jié)構(gòu)的電壓反饋?zhàn)儞Q器的爐子系統(tǒng)。每個(gè)這些電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括整流器和濾波器部分110；固態(tài)變換器部分120；和調(diào)諧電容器部分130。雖然在這些附圖中使用一般公認(rèn)的SCR符號(hào)，但是在這些應(yīng)用中也可以使用其它的固態(tài)開關(guān)器件。
如附圖2(a)所示，在電流反饋?zhàn)儞Q器中，通常與爐子線圈并聯(lián)連接功率因數(shù)校正電容器組。在此所使用的術(shù)語“電容器組”是指串聯(lián)或并聯(lián)連接的一個(gè)或多個(gè)電容器，其等效電路如附圖所示。電容器組和線圈兩者都連接在全橋變換器的對(duì)角線中。這種連接允許線圈電流的電抗分量繞過變換器的固態(tài)開關(guān)部件。然而，變換器承受整個(gè)爐子的電壓。變換器的電壓值可能高于或低于在整流器上的直流電壓。因此，直流整流器和變換器部分必須通過電抗器去耦。該電抗器給變換器輸送恒定的直流電流。它們起濾波器和蓄能容器的作用。變換器將直流電流轉(zhuǎn)換為輸送給并聯(lián)諧振電路的方波電流。
在電流反饋?zhàn)儞Q器系統(tǒng)中通過改變變換器時(shí)序和直流電壓控制爐子功率。當(dāng)變換器電壓落到直流整流器電壓之下時(shí)，不能通過僅改變變換器換向頻率來控制輸出功率。另外還可通過調(diào)整整流器SCR的導(dǎo)電相位角度來實(shí)現(xiàn)對(duì)所輸入的直流電流的控制。除非提供濾波器否則這種調(diào)整將給輸電線中帶來失真。
并行諧振變換器的主要優(yōu)點(diǎn)在于通過固態(tài)開關(guān)器件僅傳遞一部分線圈電流，由此減少了半導(dǎo)體器件的數(shù)量。變換器僅控制一部分線圈電流。然而，這限制了變換器的可控制性。應(yīng)用濾波直流電抗器作為臨時(shí)能量存儲(chǔ)器在啟動(dòng)變換器的過程中造成困難。在電抗器中的能量是運(yùn)動(dòng)能(類似于飛輪的能量)—它僅存在于直流電流經(jīng)過整流器流到變換器中時(shí)。為在濾波直流電抗器中積累所需要的能量，使用專用的啟動(dòng)器網(wǎng)絡(luò)。在并行變換器停止工作時(shí)，應(yīng)用變換器的固態(tài)開關(guān)作為消弧電路來消耗來自這種電抗器的能量。
在變換器固態(tài)開關(guān)器件中的較低的電流的優(yōu)點(diǎn)被這些器件所承受的較高的電壓所抵消。這經(jīng)常要求串聯(lián)層疊這些器件，而反過來這又需要特殊的動(dòng)態(tài)分壓器。對(duì)于連接到標(biāo)準(zhǔn)低電壓線的較小的電流反饋?zhàn)儞Q器，使用一如附圖2(b)所示的串聯(lián)/并聯(lián)連接電容器組，而不使用并聯(lián)諧振電路。
從電路理論方面看，如在附圖2(c)中所示的電壓反饋串聯(lián)諧振變換器表示二元電路至電流反饋并聯(lián)變換器。在直流線中的電流濾波電抗器由直流電壓濾波電容器替代。輸出并聯(lián)諧振電路由串聯(lián)諧振電路替代。在變換器上的電壓保持恒定并等于交流到直流整流器的輸出電壓。全部線圈電流流經(jīng)變換器SCR和調(diào)諧電容器組。這種結(jié)構(gòu)提供該系統(tǒng)的良好可控制性。通過控制變換器固態(tài)開關(guān)器件的換向時(shí)序，它可以快速地改變(在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi))在諧振電路中循環(huán)的能量多少。
在直流濾波電容器組中的可能的電能可以無限保持而不管變換器的狀態(tài)。在每個(gè)循環(huán)中，無功功率通過固態(tài)開關(guān)器件從濾波器流到爐子或通過反并聯(lián)二極管從爐子流到濾波器。
由于變換器部分的良好的可控制性，不需要控制直流電壓。由于相位控制沒有施加到整流器，在輸電線上的輸入功率因數(shù)相對(duì)恒定。不需要交流相位校正電容器或線路濾波器。通過應(yīng)用如在附圖2(d)中所示的半橋變換器方案甚至可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化串聯(lián)諧振變換器的實(shí)際實(shí)施方式。
電流反饋?zhàn)儞Q器以較高的電壓運(yùn)行，而電壓反饋?zhàn)儞Q器以較低的電壓但滿線圈電流運(yùn)行。電壓反饋?zhàn)儞Q器具有更好的可控制性并將無功能量整個(gè)存儲(chǔ)在電容器中，該電容器具有比電流反饋?zhàn)儞Q器的直流電抗器更低的損失。在感應(yīng)爐系統(tǒng)的所有這些已有技術(shù)的結(jié)構(gòu)中，如上文所指出的一樣，爐子線圈是效率非常低的電負(fù)載。因此，需要用于感應(yīng)爐的具有更高效率的線圈系統(tǒng)。
一方面，本發(fā)明是一種用于加熱和熔化感應(yīng)爐系統(tǒng)的爐缸中的導(dǎo)電材料的裝置和方法，該感應(yīng)爐系統(tǒng)包括包圍在爐缸的局部部分上的無源感應(yīng)線圈。無源感應(yīng)線圈連接到一電容器以形成L-C諧振電路。給包圍在爐缸的局部部分上的有源感應(yīng)線圈輸送來自交流電源的交流電流。交流電流產(chǎn)生加熱并熔化導(dǎo)電材料的第一磁場(chǎng)，并且通過與無源線圈的磁耦合，在無源線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種感應(yīng)電流產(chǎn)生可加熱并熔化導(dǎo)電材料的第二磁場(chǎng)。L-C諧振電路的電阻反映到有源感應(yīng)線圈的電路中以提高感應(yīng)爐系統(tǒng)的效率。在說明書和權(quán)利要求書中本發(fā)明的這些方面和其它方面均做了闡述。
為說明本發(fā)明，在附圖中示出了目前優(yōu)選的形式；然而，應(yīng)該理解的是本發(fā)明并不限于所示的具體的結(jié)構(gòu)和手段。在附圖中附圖1(a)所示為說明感應(yīng)電流分布的常規(guī)爐缸的截面視圖。
附圖1(b)所示為附圖1(a)中的爐缸連接到常規(guī)的電源后形成的感應(yīng)爐系統(tǒng)。
附圖2(a)所示為使用電流反饋?zhàn)儞Q器的常規(guī)感應(yīng)爐系統(tǒng)的平面圖。
附圖2(b)所示為使用具有串聯(lián)/并槽路電容器的電流反饋?zhàn)儞Q器的常規(guī)感應(yīng)爐系統(tǒng)的平面圖。
附圖2(c)所示為使用電壓反饋?zhàn)儞Q器的常規(guī)感應(yīng)爐系統(tǒng)的平面圖。
附圖2(d)所示為使用串聯(lián)槽路電容器的常規(guī)感應(yīng)爐系統(tǒng)的平面圖。
附圖3(a)所示為具有本發(fā)明的提高了效率的線圈系統(tǒng)的感應(yīng)爐系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例的平面圖。
附圖3(b)所示為具有本發(fā)明的提高了效率的線圈系統(tǒng)的感應(yīng)爐系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例的簡(jiǎn)化的示意圖。
附圖3(c)所示為具有本發(fā)明的提高了效率的線圈系統(tǒng)的感應(yīng)爐系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)例的簡(jiǎn)化的示意圖。
附圖4所示為作為本發(fā)明感應(yīng)爐系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例的系統(tǒng)頻率與可用于感應(yīng)加熱和熔化的功率幅值的函數(shù)關(guān)系曲線圖。
附圖5所示為作為本發(fā)明感應(yīng)爐系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例的系統(tǒng)頻率與感應(yīng)線圈系統(tǒng)的輸入阻抗的幅值的函數(shù)關(guān)系曲線圖。
附圖6所示為作為本發(fā)明感應(yīng)爐系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例的系統(tǒng)頻率與感應(yīng)線圈系統(tǒng)的線圈負(fù)載功率因數(shù)的幅值的函數(shù)關(guān)系曲線圖。
附圖7所示為作為本發(fā)明感應(yīng)爐系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例的系統(tǒng)頻率與感應(yīng)線圈系統(tǒng)的輸入電抗的幅值的函數(shù)關(guān)系曲線圖。
附圖8(a)所示為具有本發(fā)明的提高了效率的線圈系統(tǒng)的感應(yīng)爐系統(tǒng)的另一實(shí)例的平面圖。
附圖8(b)所示為具有本發(fā)明的提高了效率的線圈系統(tǒng)的感應(yīng)爐系統(tǒng)的另一實(shí)例的簡(jiǎn)化示意圖。
附圖9(a)所示為具有本發(fā)明的提高了效率的線圈系統(tǒng)的感應(yīng)爐系統(tǒng)的另一實(shí)例的平面圖。
附圖9(b)所示為具有本發(fā)明的提高了效率的線圈系統(tǒng)的感應(yīng)爐系統(tǒng)的另一實(shí)例的簡(jiǎn)化示意圖。
附圖10所示為說明具有本發(fā)明的提高了效率的線圈系統(tǒng)的感應(yīng)爐系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)的矢量圖。
附圖11所示為具有本發(fā)明的提高了效率的線圈系統(tǒng)的感應(yīng)爐系統(tǒng)的另一實(shí)例的簡(jiǎn)化示意圖。
下面參考


根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)使用了高效率線圈系統(tǒng)的感應(yīng)爐系統(tǒng)10的實(shí)例。其中相同的標(biāo)號(hào)表示相同的元件，如附圖3(a)和附圖3(b)所示。
線圈L1(有源線圈)的末端連接到交流電源20，該交流電源在可控制的電壓和頻率下運(yùn)行以在線圈L1中產(chǎn)生電流I1。線圈L2(無源線圈)連接到電容器C2形成一個(gè)并聯(lián)L-C諧振電路。由在線圈L1中的電流流動(dòng)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)產(chǎn)生了磁耦合到線圈L2的通量場(chǎng)(如在附圖中的互感M所示)，該通量場(chǎng)在線圈L2中產(chǎn)生感應(yīng)電流I2。所感應(yīng)的電流I2具有與電流I1相同的頻率。由在線圈L1和L2中流動(dòng)的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)放置在爐缸13中的導(dǎo)電材料12進(jìn)行感應(yīng)加熱和熔化。
I2的幅值和相位還取決于在由這些部件所形成的諧振電路中的線圈L2和電容器C2所選擇的阻抗值。
在線圈L2上的電壓在線圈L1上產(chǎn)生反電壓，該反電壓與控制L1中電流I1的流動(dòng)的電源電壓相反。從而，線圈L1從變換器中牽引較小的電流，而感應(yīng)爐系統(tǒng)10產(chǎn)生相同的功率幅值，由此在保持相同的加熱和熔化功率情況下，可以使電源的電子部件小型化。
此外，在諧振電路中的電容器C2的電抗實(shí)質(zhì)改善了感應(yīng)線圈的低滯后功率因素以提供更高效率的線圈系統(tǒng)。
在附圖3(a)中使用具有串聯(lián)諧振電容器的電壓反饋半橋變換器，而附圖3(b)所示為本發(fā)明的感應(yīng)爐系統(tǒng)的更一般性的實(shí)例，在該實(shí)例中轉(zhuǎn)換器(電源)以元件21一般性地表示。在附圖3(a)中，本發(fā)明的這種實(shí)例構(gòu)造為半橋式轉(zhuǎn)換器，所示的電容器C1為在半橋上的分布電容，而在附圖3(b)中電容器C1一般示為單個(gè)電路元件。
本發(fā)明中的高效率線圈系統(tǒng)可以用于各種類型的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這些電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)例如有(但不限于)串聯(lián)諧振電壓反饋?zhàn)儞Q器和應(yīng)用脈沖寬度調(diào)制的變換器，均可使用提高了效率的線圈系統(tǒng)，通過附圖10所示的矢量圖可以進(jìn)一步理解本發(fā)明。在該附圖中，在有源線圈電路方面，矢量OV表示如在附圖3(a)至附圖3(c)所示的有源線圈L1中的電流I1。矢量OA表示有源線圈的電壓的電阻性分量I1R1(在附圖中沒有示出R1)。矢量AB表示有源線圈的電壓的電感性分量ωL1I1(這里ω等于2π乘以電源的工作頻率f)。矢量BC表示由無源線圈L2感應(yīng)到有源線圈L1上的電壓ωMI2。矢量CD表示在電源的變換器部分和有源線圈L1之間連接的串聯(lián)電容器C1上的電壓I1/ωC1。矢量OD表示變換器(在附圖3(a)中的端子3和4之間的電壓)的輸出電壓Vinv。
在無源線圈電路方面，矢量OW表示在無源線圈L2中的電流I2，該電流I2是由電流I1所產(chǎn)生的磁場(chǎng)所感應(yīng)的。矢量OF表示無源線圈電壓的電阻性分量I2R2(在附圖中沒有示出R2)。矢量FE表示無源線圈的電壓的電感性分量ωL2I2。矢量EG表示由有源線圈L1感應(yīng)到無源線圈L2上的電壓ωMI1。矢量GO表示連接在無源線圈L2上的電容器C2上的電壓I2/ωC2。
有源線圈電路由電壓源Vinv驅(qū)動(dòng)，而無源線圈環(huán)路并不連接到有源能量源。由于有源和無源線圈互相耦合，矢量BC加上矢量OB得到矢量OC，矢量OB表示在爐上不存在無源電容性線圈電路的情況下在有源線圈上的電壓(V′furn)，而OC表示具有本發(fā)明的無源電容性線圈電路的有源線圈上的電壓(Vfurn)。所得的爐電壓Vfurn比由矢量OB(如虛線所示)所表示的常規(guī)的爐具有更小的滯后功率因數(shù)角度(在x-軸和矢量OC之間的逆時(shí)針角度)。如附圖10所示，功率因數(shù)角度增大了Δ。
在本發(fā)明中，在無源線圈中的感抗基本被容抗(即ωL2.1/ωC2)所補(bǔ)償。在無源線圈電路中的未補(bǔ)償?shù)碾娮栊苑至縍2通過在兩個(gè)電路之間的互感反映到有源線圈電路中，并且使有效的有源線圈電路的電阻增加，因此改善了功率因素角度或者說線圈系統(tǒng)的效率。
變換器的輸出的功率因素角度ψ進(jìn)一步提高Δψ，如圖所示在矢量OJ(在不存在無源線圈電路的情況下的電阻性分量矢量OA和電容性分量矢量AJ的合成矢量(V′inv))和矢量OD(應(yīng)用本發(fā)明的無源線圈電路的電阻性分量矢量OH和電容性分量矢量HD的合成矢量(Vinv))之間的角度。
如附圖3(c)所示，在本發(fā)明高頻率線圈系統(tǒng)的另一實(shí)例中，線圈L1和L2可以完全或部分地重疊以增加在兩個(gè)線圈之間的互感M。
如附圖4所示的本發(fā)明的另一實(shí)例，線圈L1和L2分別具有大約144赫茲和166赫茲的不同的諧振頻率。對(duì)于線圈L1和L2的諧振相同的頻率逼近忽略了在附圖4中所示的兩個(gè)線圈的諧振的微小的頻率偏移。
在附圖4中，P1n曲線(以點(diǎn)劃線示出)說明了在線圈L1電路中的功率的幅值，而P2n曲線(以虛線示出)說明了在線圈L2電路中的功率的幅值。P∑n曲線(以實(shí)線示出)表示在線圈L1和線圈L2電路中的功率的總和。通過改變?cè)谥绷麟娏骱途€圈L1的諧振頻率(在本實(shí)例中大約為144赫茲)之間的電源的輸出頻率(fn)可以實(shí)現(xiàn)功率控制。
附圖5所示為對(duì)于本發(fā)明的一種實(shí)例電源頻率(fn)對(duì)在如附圖3(a)和附圖3(b)中所示的端子1和2之間的負(fù)載阻抗(Zn，歐姆)的幅值的影響。
附圖6所示為對(duì)于本發(fā)明的一種實(shí)例電源頻率(fn)對(duì)在如附圖3(a)和附圖3(b)中所示的端子1和2之間的負(fù)載電路的功率因數(shù)(Pfn)的影響。附圖6說明了在本發(fā)明的一種實(shí)例中通過在大約144赫茲的第一諧振頻率之下的范圍中運(yùn)行電源可以實(shí)現(xiàn)線圈負(fù)載功率因數(shù)的改善。
附圖7所示為對(duì)于本發(fā)明的一種實(shí)例電源頻率(fn)對(duì)在如附圖3(a)和附圖3(b)中所示的端子1和2之間的負(fù)載電抗(Xn，歐姆)的幅值的影響。
通過以具有不同的電抗值的電容器替換該無源電抗的電容器C2以改變?cè)谟删€圈L2和電容器C2所形成的并聯(lián)L-C諧振電路中的諧振點(diǎn)可以調(diào)節(jié)在爐缸中的熔化材料的電磁攪拌。在某些應(yīng)用中，L-C諧振電路位于爐缸的底部，通過選擇電容器C2以使由在爐缸的底部附近的過度的電磁攪拌所引起的擾動(dòng)減到最小，以避免從爐缸中消除耐熔材料，這些耐熔材料沉積在熔化材料的底部并污染它。電容器C2也可以是可調(diào)的電容器組，在這種電容器組中很容易調(diào)節(jié)電容器C2的電容。
附圖8(a)和附圖8(b)所示為本發(fā)明的感應(yīng)爐系統(tǒng)的一個(gè)可選實(shí)例，其中調(diào)諧電容器C2連接在線圈L的局部部分Lb上，而線圈L的末端(1和2)連接到在附圖8(a)中的電源20的輸出上或在附圖8(b)的電源21的輸出上。在本實(shí)例中，線圈L起在整個(gè)線圈上施加功率的自耦變壓器的作用。由局部線圈部分Lb和電容器C2形成的L-C諧振電路提高了電感線圈電路的總體效率。
附圖9(a)和附圖9(b)所示為本發(fā)明的感應(yīng)爐系統(tǒng)的另一個(gè)可選實(shí)例，其中調(diào)諧電容器C2連接在線圈L的末端上，線圈L具有連接到在附圖9(a)中的電源20的輸出上或在附圖9(b)的電源21的輸出上的局部部分Lb。在本實(shí)例中，線圈L起在整個(gè)線圈的局部部分上施加功率的自耦變壓器的作用。由感應(yīng)線圈L和電容器C2形成的L-C諧振電路提高了電感線圈電路的總體效率。
附圖11所示為本發(fā)明的另一實(shí)例，在該實(shí)例中爐缸90包括由感應(yīng)線圈所包圍的末端開口的絕熱材料。雖然所示的爐缸90基本為圓柱形，但是末端開口的爐缸也可以以其它的方式構(gòu)造，只要它允許導(dǎo)電材料92可以經(jīng)過爐缸即可。導(dǎo)電材料可以是(但不限于)鋼坯，該鋼坯穿過爐缸從而被感應(yīng)加熱或熔化。爐缸和導(dǎo)電材料也可以在除了在附圖11中所示的方向以外的其它方向上取向，例如在水平方向而不是垂直方向。在本實(shí)例中，線圈、并聯(lián)L-C諧振電容器和電源類似于在附圖3(a)中所示的線圈、并聯(lián)L-C諧振電容器和電源。這種末端開口的爐缸可以用于本發(fā)明的其它任何實(shí)例。
其它的有源和無源線圈結(jié)構(gòu)也都在本發(fā)明所公開的范圍內(nèi)。例如，在具有一個(gè)或多個(gè)重疊的線圈和/或一個(gè)或多個(gè)非重疊的線圈的各種結(jié)構(gòu)中可以使用多個(gè)有源和/或多個(gè)無源線圈電路。此外，在爐缸的高度范圍內(nèi)有源和無源線圈可以交替設(shè)置。例如，無源線圈可以設(shè)置在有源線圈的上面。
雖然在附圖中示出了一種類型的電源使用本發(fā)明的較高效率的線圈系統(tǒng)，但是其它的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(比如應(yīng)用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)的電源)也可以利用本發(fā)明的感應(yīng)爐系統(tǒng)的線圈的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的實(shí)例包括具體的電子部件。本領(lǐng)域的熟練人員可以通過替換對(duì)同類型的發(fā)明不必要的但產(chǎn)生所需的條件或完成本發(fā)明所需的結(jié)果的部件來實(shí)施本發(fā)明。例如，多個(gè)部件可以替換單個(gè)部件或反之亦然。
前述的實(shí)例并不限制所公開的發(fā)明的范圍。在附加的權(quán)利要求中進(jìn)一步闡述所公開的發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種感應(yīng)爐系統(tǒng)，包括爐缸；感應(yīng)線圈系統(tǒng)，該感應(yīng)線圈系統(tǒng)用于感應(yīng)加熱和熔化放置在爐缸中的導(dǎo)電材料，該感應(yīng)線圈系統(tǒng)包括包圍在爐缸的第一局部部分上的無源感應(yīng)線圈；與無源感應(yīng)線圈的端子相連以形成并聯(lián)L-C諧振電路的電容器；包圍在爐缸的第二局部部分上的有源感應(yīng)線圈，該有源感應(yīng)線圈相對(duì)于無源感應(yīng)線圈設(shè)置以在第一交流電流流經(jīng)有源感應(yīng)線圈時(shí)在有源和無源感應(yīng)線圈之間產(chǎn)生磁場(chǎng)；以及電源，該電源具有適合于連接到非感應(yīng)爐系統(tǒng)本身提供的外部功率源的輸入端，電源的交流電流輸出端與有源感應(yīng)線圈的端子相連以給有源感應(yīng)線圈輸送第一交流電流，由此第一交流電流產(chǎn)生可感應(yīng)加熱并熔化放置在爐缸中的導(dǎo)電材料的第一磁場(chǎng)，并且通過與無源感應(yīng)線圈的磁耦合，該第一交流電流在無源感應(yīng)線圈中感應(yīng)產(chǎn)生第二交流電流，該無源交流電流產(chǎn)生可感應(yīng)加熱并熔化爐缸中的導(dǎo)電材料的第二磁場(chǎng)，同時(shí)并聯(lián)L-C諧振電路的電阻反映到有源感應(yīng)線圈中以提高感應(yīng)爐系統(tǒng)的效率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應(yīng)爐系統(tǒng)，其中無源感應(yīng)線圈至少部分地與有源感應(yīng)線圈重疊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的感應(yīng)爐系統(tǒng)，其中電容器的電容是可調(diào)節(jié)的以改變第二磁場(chǎng)的磁攪拌特性。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一權(quán)利要求所述的感應(yīng)爐系統(tǒng)，其中爐缸是一種末端開口的絕熱材料型爐缸。
5.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的感應(yīng)爐系統(tǒng)，包括放置在爐缸中的導(dǎo)電材料。
6.根據(jù)引用權(quán)利要求4的權(quán)利要求5所述的感應(yīng)爐系統(tǒng)，其中該導(dǎo)電材料包括鋼坯。
7.一種感應(yīng)爐系統(tǒng)，包括爐缸；感應(yīng)線圈系統(tǒng)，該感應(yīng)線圈系統(tǒng)用于加熱和熔化放置在爐缸中的導(dǎo)電材料，該感應(yīng)線圈系統(tǒng)包括包圍在爐缸上的感應(yīng)線圈；電容器，該電容器連接在感應(yīng)線圈的局部部分上以與該感應(yīng)線圈的局部部分一起形成并聯(lián)L-C諧振電路；電源，該電源具有可連接到非感應(yīng)爐系統(tǒng)提供的外部功率源的輸入端，電源端交流電流輸出與感應(yīng)線圈的端子相連以給該感應(yīng)線圈輸送交流電流，由此該交流電流產(chǎn)生可感應(yīng)加熱并熔化放置在爐缸中的導(dǎo)電材料的磁場(chǎng)，同時(shí)并聯(lián)L-C諧振電路的電阻提高了感應(yīng)爐系統(tǒng)的效率。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的感應(yīng)爐系統(tǒng)，其中爐缸是一種末端開口的絕熱材料型爐缸。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的感應(yīng)爐系統(tǒng)，爐缸中放置有包括鋼坯的導(dǎo)電材料。
10.一種感應(yīng)爐系統(tǒng)，包括爐缸；感應(yīng)線圈系統(tǒng)，該感應(yīng)線圈系統(tǒng)用于加熱和熔化放置在爐缸中的導(dǎo)電材料，該感應(yīng)線圈系統(tǒng)包括包圍在爐缸上的感應(yīng)線圈；電容器，該電容器與感應(yīng)線圈的端子相連并與該感應(yīng)線圈一起形成并聯(lián)L-C諧振電路；電源，該電源具有一可連接到功率源的輸入端和一連接在感應(yīng)線圈的局部部分上以給該感應(yīng)線圈的局部部分輸送交流電流的交流輸出，由此該交流電流產(chǎn)生可感應(yīng)加熱并熔化放置在爐缸中的導(dǎo)電材料的磁場(chǎng)，同時(shí)并聯(lián)L-C諧振電路的電阻提高了感應(yīng)爐系統(tǒng)的效率。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的感應(yīng)爐系統(tǒng)，其中爐缸是一種末端開口的絕熱材料型爐缸。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的感應(yīng)爐系統(tǒng)，爐缸中放置有包括鋼坯的導(dǎo)電材料。
13.一種感應(yīng)加熱并熔化爐缸中的導(dǎo)電材料的方法，該方法包括如下的步驟以無源感應(yīng)線圈包圍爐缸的第一局部部分；將電容器連接到無源感應(yīng)線圈的端子上以形成并聯(lián)L-C諧振電路；以有源感應(yīng)線圈包圍爐缸的第二局部部分；給有源感應(yīng)線圈提供交流電流源以產(chǎn)生可感應(yīng)加熱并熔化導(dǎo)電材料的第一磁場(chǎng)并通過第一磁場(chǎng)與無源感應(yīng)線圈的磁耦合在無源感應(yīng)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)交流電流，由此感應(yīng)產(chǎn)生的交流電流感應(yīng)加熱并熔化導(dǎo)電材料，同時(shí)并聯(lián)L-C諧振電路的電阻反映到有源感應(yīng)線圈中以提高感應(yīng)爐系統(tǒng)的效率。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，包括使無源線圈與有源線圈至少部分地重疊的步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或權(quán)利要求14所述的方法，包括調(diào)節(jié)電容器的電容由此改變第二磁場(chǎng)的磁攪拌特性的步驟。
16.根據(jù)權(quán)利要求13至15中任一權(quán)利要求所述的方法，包括使導(dǎo)電材料通過爐缸的步驟。
17.一種感應(yīng)加熱并熔化放置在爐缸中的導(dǎo)電材料的方法，該方法包括如下的步驟以感應(yīng)線圈包圍爐缸；將電容器連接到感應(yīng)線圈的局部部分上以形成包括電容器和感應(yīng)線圈的局部部分的并聯(lián)L-C諧振電路；給感應(yīng)線圈提供交流電流源以產(chǎn)生可感應(yīng)加熱并熔化導(dǎo)電材料的磁場(chǎng)，同時(shí)并聯(lián)L-C諧振電路提高了感應(yīng)爐系統(tǒng)的效率。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，包括使導(dǎo)電材料通過爐缸的步驟。
19.一種感應(yīng)加熱并熔化放置在爐缸中的導(dǎo)電材料的方法，該方法包括如下的步驟以感應(yīng)線圈包圍爐缸；將電容器連接到感應(yīng)線圈的端子上以形成包括電容器和感應(yīng)線圈的并聯(lián)L-C諧振電路；給感應(yīng)線圈的局部部分提供交流電流源以產(chǎn)生可感應(yīng)加熱并熔化導(dǎo)電材料的磁場(chǎng)，同時(shí)并聯(lián)L-C諧振電路提高了感應(yīng)爐系統(tǒng)的效率。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，包括使導(dǎo)電材料通過爐缸的步驟。
全文摘要
一種感應(yīng)爐系統(tǒng)(10)具有包圍爐缸(13)的有源感應(yīng)線圈(L1)。無源感應(yīng)線圈(L2)也包圍著該爐缸(13)。無源感應(yīng)線圈(L2)與電容器(C2)并聯(lián)連接以形成L－C諧振電路。給有源感應(yīng)線圈(L1)提供交流電流源(20)以產(chǎn)生感應(yīng)加熱并熔化爐缸(13)中的導(dǎo)電材料(12)的磁場(chǎng)(M)。該磁場(chǎng)(M)也與無源感應(yīng)線圈(L2)磁耦合以在無源感應(yīng)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流(I2)。這種感應(yīng)的電流(I2)產(chǎn)生可感應(yīng)加熱并熔化爐缸中材料(12)的磁場(chǎng)。L－C諧振電路的電阻反映回到有源感應(yīng)線圈(L1)的電路中以提高感應(yīng)爐系統(tǒng)(10)的總體效率。爐缸可以是末端開口的以允許在加熱處理的過程中導(dǎo)電材料(12)能夠通過該爐缸(13)。
文檔編號(hào)F27D99/00GK1456024SQ02800049
公開日2003年11月12日 申請(qǐng)日期2002年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月8日
發(fā)明者O·S·費(fèi)什門, V·V·納多, V·A·佩薩克赫維希, J·H·莫蒂默 申請(qǐng)人:應(yīng)達(dá)公司