專利名稱：模塊式感應加熱器系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及感應加熱包括導電材料的物理目標的系統。本發明還涉及感應加熱這樣物理目標的方法以及該系統中使用的供電模塊。
背景技術：
專業應用工件加熱的技術領域的示例是滾動元件軸承和輪式鐵路設備的領域。在滾動元件軸承的領域中，要考慮在軸上安裝滾動元件軸承。通常的技術是加熱軸承以導致熱膨脹，以便便利在軸上滑動膨脹的軸承，并且將其適當地定位在軸上。就位后軸承冷卻時，軸承接觸且最終通過收縮配合(或過盈配合)機械地連接到軸上。在鐵路設備的領域中，要考慮機車的驅動輪或貨車的輪子。這樣的輪子通常由鋼制作，并且為實心的、加輻條的或者由多個箱形斷面(“箱斷面”)制作。可置換鋼胎配合到輪子上。輪胎形成了與輪子軌道的接觸表面，因此經受磨損。置換輪胎比更換整個輪子更不劃算。輪胎通過對其加熱而安裝，作為加熱的結果，其直徑擴大，從而輪胎可設置在輪子上。當輪胎冷卻時，它收縮，并且通過收縮配合保持在輪子上定位。用舊的輪胎可通過再一次對其加熱而去除。物理目標的感應加熱的方法和系統是已知的。感應加熱物理目標的必要條件是物理目標包括導電材料。加熱的操作基于在導電材料中感應電流。由于導電材料的有限的歐姆電阻系數，感應電流在導電材料中產生熱。導電材料的一定的位置上熱產生的比率與該位置上的電流密度大小的平方成比例，并且與該位置上的電阻系數成比例。要考慮具有導電材料且包括孔的物理目標，例如，滾動元件軸承。滾動元件軸承的孔由該軸承的內滾道的內徑決定。物理目標可通過采用物理目標作為變壓器的次級繞組而感應加熱。如所知，變壓器是通過感應連接導電體從一個電路到另一個電路傳輸電能的裝置。變壓器典型地具有高磁透性的鐵芯。初級線圈具有纏繞在鐵芯周圍的初級繞組。初級繞組通過可控的電流源驅動。初級線圈中的電流變化導致線圈內，即鐵芯內磁場的變化。纏繞在鐵芯周圍的次級繞組的次級線圈經受磁場變化，結果，通過次級線圈的端部感應電壓。 如果次級線圈例如通過在次級線圈的端部之間連接負荷而閉合，則在負荷中感應電流。滾動元件軸承安裝為替代傳統變壓器的次級線圈。變壓器的鐵芯通過滾動元件軸承的內滾道形成的孔。于是，電流感應在由滾動元件軸承的構造形成的閉合回路中。該回路的歐姆電阻系數導致以熱的形式的功率消耗，因此加熱滾動元件軸承，并且使其膨脹。商業上可購買的感應加熱器包括鐵芯、鐵芯周圍的初級繞組和給初級線圈提供電流的電源。鐵芯可取出，以便設置滾動元件軸承，從而裝配后鐵芯形成的回路和滾動元件軸承的內滾道的回路互鎖。例如，鐵芯由形狀為字母“U”的第一部分和形狀為字母“I”的第二部分制作。將“I”穿過“U”的端部拓撲地產生字母“0”一個回路。關于感應加熱器的操作利用有幾個問題需要考慮。一個問題是作為感應加熱的結果物理目標的殘留磁性。如果物理目標包括鐵磁材料，或者，如果導電材料自身是鐵磁的，則磁場的暴露可能導致不希望的物理目標的永磁性。其一個解決方法是例如通過在加熱過程的末端逐漸減小電流的大小控制初級線圈中的交互電流。作為選擇，通過連接到初級線圈的模式轉換電源控制電流。模式轉換電源通常以可變的工作周期在導通和切斷之間轉換半導體開關，其平均值是所希望的輸出功率。模式轉換電源以足夠高的頻率(大小量級=IOkHz-IOOkHz)運行，從而鐵芯中以及物理目標中產生低磁通密度。這避免了在物理目標已經感應加熱后對磁性的需要。模式轉換電源是已知的，不需要在此進一步詳細地討論。另一個問題涉及物理目標的物理和幾何參數。為了物理目標充分膨脹，其溫度必須升高的計算目標溫度的一定程度。優選地，該溫度在整個物理目標上是均勻的，或者僅微量的變化，以避免因一個部分膨脹遠大于另一個部分產生的過大應力。如果物理目標中感應產生的熱較大，與諸如通過輻射和周圍空氣對流的冷卻導致的熱損耗相比，目標溫度可能達到超過可實現的溫度范圍。作為后者，物理目標可包裝在絕緣材料中，以便減少通過輻射和對流的熱量損耗。是否到達目標溫度取決于轉換成熱的功率量、物理目標的熱容量、物理目標的尺寸、物理目標內熱傳輸率、表面暴露到周圍空氣的面積大小等。再一個問題是達到目標溫度的時間。例如，采用相同的感應加熱器，為了加熱大的鋼滾動元件軸承比小的需要更長的時間。例如，大的軸承的熱容量(即為了升高一個單位的溫度所需的熱量)高于小軸承的熱容量。結果，大軸承比小軸承需要輸入更多的能量。如果采用相同的感應加熱器，則加熱大軸承所需的時間長于加熱小軸承到相同溫度所需的時間。有一個問題是感應加熱器的功率越高操作使用中消耗的功率越大，它變得體積更大且更重，并且它在周圍移動和精確定位更加困難。如上所述的考慮，通過感應加熱器適當加熱物理目標的過程是精巧的技術，幾乎接近技術邊緣，尤其是相對于大的物理目標，例如容納承載工業尺寸風力渦輪機葉片的軸的滾動元件軸承。

發明內容
考慮到上面的問題，本發明人現在提出了一種模塊式感應加熱器系統，其采用多個感應加熱器，所述多個感應加熱器設置為與要加熱的物理目標相關。這可利用多個比單個傳統感應加熱器小的感應加熱器。通過使用多個感應加熱器加熱相同的物理目標不是簡單的練習。要解決的一個問題是相同物理目標內的各感應加熱器感應的各電流應當相對于極性、頻率和大小被適當控制，以避免它們的結合給出太低的凈結果，例如，零凈電流。這樣的效果通過比較利用多個感應加熱器到三相電力系統的情景可得到很好的理解，其中，如果負荷均勻地分布在各相位中，則中性導體不攜載凈電流。另一個問題如下。要考慮一對感應加熱器，其每一個具有自己的模式轉換電源。如上所述，采用這樣的電源使退磁步驟不必要。進一步假設電流的各極性、大小和頻率在各感應加熱器上被適當控制以避免感應電流產生零凈電流。現在，模式轉換電源以非常高的頻率在飽和/傳導和切斷之間轉換半導體功率開關。如果感應加熱器之一轉換的第二個部分早于其它的部分，則早轉換的感應加熱器感應的電流上的改變通過物理目標感應地連接到其它感應加熱器的初級線圈。結果是初級線圈當中的不希望的干擾，可能導致感應電流上的不可控制的震蕩，并且可能燒斷獲得早轉換感應加熱器感應的電流導致磁場的感應加熱器。幾乎不可能的是同步具有這樣好的精確性的模式轉換式電源的運行，當同時采用兩個或更多個感應加熱器時，可忽略不希望的干擾。甚至顯示，在相同的工藝中制造的一批半導體開關的每一個的導通時間和/或截止時間的變化大到足以導致問題，即使它們通常被控制。為此，實際上，加熱相同的物理目標不采用多個感應加熱器的構造。因此，本發明人提出了感應加熱包括導電材料的物理目標的模塊式系統。根據本發明的模塊式系統的第一基本實施例包括在第一鐵芯周圍用于在導電材料中感應第一電流的第一初級線圈和在與第一鐵芯不同的第二鐵芯周圍在導電材料中感應第二電流的第二初級線圈。該模塊式系統還具有連接到第一和第二初級線圈的電并聯裝置的供電模塊。因此，取代試圖控制不同的感應加熱器的不同的電源，本發明同步驅動第一和第二初級線圈。本發明采用單一的供電模塊驅動兩個或更多個初級線圈，每個初級線圈并聯地纏繞在不同的鐵芯周圍。結果，根據該基本構造，第一和第二電流同步。初級線圈繞組和線圈設置使得產生共同的磁場。結果，相對大的物理目標，例如，具有2米直徑的滾動元件軸承，根據本發明可通過采用多個小的感應加熱器被有效加熱，所述多個小的感應加熱器都由相同的電源并聯驅動。在本發明的系統的實施例中，供電模塊包括模式轉換電源。轉換電源具有構造為在導通和截止之間轉換的部件以產生驅動電流。驅動電流被供應到初級線圈的并聯設置。如上所述，采用模式轉換電源消除了對退磁步驟的需要。還是如上所述，模式轉換電源包括以可變工作周期受到控制的半導體功率開關，其平均值是所希望的輸出功率。在本發明中，單一的半導體功率開關用于保證通過并聯連接的初級線圈的電流受到精確地控制。在進一步的實施例中，供電模塊包括選擇性連接或斷開至少一個初級線圈與電源的構造裝置。所述構造裝置例如包括一個或更多個開關，用于選擇性連接和斷開特定的一個或更多個初級線圈。作為選擇，所述構造裝置包括一個或更多個插座，用于通過插入或去除連接到特定初級線圈的電源線的對應的插頭而選擇性連接或斷開特定的一個或更多個初級線圈。


本發明通過示例并且參考附圖更加詳細地說明，附圖中圖1是根據本發明的系統模塊圖；圖2a_2c是示出采用兩個感應加熱器用于加熱根據本發明的滾動元件軸承的各種空間構造的示意圖；圖3是對圖2的空間構造列出實驗結果的表格；圖4a_4d是示出采用三個感應加熱器用于加熱根據本發明的滾動元件軸承的各種空間構造的示意圖；圖5是對圖4a_4d的空間構造列出實驗結果的表格；圖6是采用四個感應加熱器用于加熱根據本發明的滾動元件軸承的空間構造的
5示意圖；以及圖7是圖6的空間構造的實驗結果的表格。遍及各附圖，類似或對應的特征由相同的參考標號表示。
具體實施例方式圖1是根據本發明的系統100的模塊圖。系統100構造為感應加熱包括導電材料 (這里未示出)的物理目標(這里未示出)。系統100包括初級線圈的多個線圈布置。在所示的示例中，系統包括第一線圈布置102、第二線圈布置104、第三線圈布置106和第四線圈布置108。第一、第二、第三和第四線圈布置102-108的每一個在所示的示例中都包括各自的一對初級線圈，纏繞在各自高磁透性的鐵芯(未示出)周圍。每對初級線圈纏繞在相關的鐵芯周圍，方式為它們在系統100的運行使用中加強彼此的磁場。取代采用一對初級線圈，線圈布置102-108的每一個可僅具有單個的初級線圈。清楚的是，本發明中對于一個或多個初級線圈的每一個都可采用任何實際數量的線圈布置。第一線圈布置102包括第一初級線圈110和第二初級線圈112。第二線圈布置104 包括第三初級線圈114和第四初級線圈116。第三線圈布置106包括第五初級線圈118和第六初級線圈120。第四線圈布置108包括第七初級線圈122和第八初級線圈124。初級線圈110-1M通過包括多個開關的構造裝置1 在第一供電線1 和第二供電線1 之間并聯電連接。第一初級線圈110通過第一開關130連接到第二供電線128。第二初級線圈112通過第二開關132連接到第二供電線128。第三初級線圈114通過第三開關134連接到第二供電線128。第四初級線圈116通過第四開關136連接到第二供電線128。第五初級線圈118通過第一開關138連接到第二供電線128。第六初級線圈120通過第六開關 140連接到第二供電線128。第七初級線圈122通過第七開關142連接到第二供電線128。 第八初級線圈1 通過第八開關144連接到第二供電線128。初級線圈110-1 和第一供電線1 之間的連接也可包括其間的開關。第一和第二供電線1 和1 連接到供電模塊146。供電模塊146操作為通過供電線1 和1 控制提供給線圈布置102-108的電流。供電模塊146自身例如從主電源系統148接收其電能。構造裝置129能選擇性地連接任何一個初級線圈110-124到第二供電線128或者選擇性地從第二供電線斷開初級線圈110-1M的每一個。因此，系統100具有模塊構造，從而能夠使用或去除一個或多個線圈布置102-108或者一個或多個初級線圈110-1M。初級線圈110-1M通過構造裝置1 連接到第二供電線1 的那些初級線圈在第一和第二供電線1 和1 之間并聯電連接。結果，通過初級線圈110-1 的相連接線圖的各電流完全同步。構造裝置1 是能構造系統100的特征，用于根據所需的初級線圈數操作使用。這樣，構造裝置1 是選擇性特征，并且，如果固定了初級線圈所需的數量，則可省略。在后者的情況下，初級線圈于是在第一和第二供電線126和1 之間永久地并聯連接。開關130-144可手動操作轉換。作為選擇，開關130-144可在控制電路接收用于構造系統100的使用者輸入時通過供電模塊146中的控制電路(未示出)受到控制。構造裝置1 如圖1所示設在供電模塊146的外部。作為選擇，構造裝置1 容放在供電模塊 146的殼體內。取代采用連接或斷開第一至第八初級線圈到第二供電線128的兩狀態開關130-144，可采用插頭和匹配插座。優選地，供電模塊146包括模式轉換電源150。如上所述，在足夠高的頻率下采用模式轉換電源操作時，去磁步驟是不必要的。而且，模式轉換電源150的操作基于以可變的工作周期轉換半導體功率開關(未示出)，其平均值是所希望的輸出功率。單一半導體功率開關的使用保證了精確同步那些在初級線圈110-1M當中通過連接裝置1 并聯連接在第一和第二電源線126和128之間的那些線圈中流過的電流。圖加-2(示出了采用上述方法為根據本發明的圖1的系統100加熱滾動元件軸承 208并且利用纏繞第一鐵芯212的第一初級線圈210和纏繞第二鐵芯216的第二初級線圈 214的各種空間構造202、204、206。第一初級線圈210和第二初級線圈214從相同的供電模塊146接收初級電流。在第一空間構造202中，第一初級線圈210和第二初級線圈214 設置為靠近滾動元件軸承208的內滾道的內邊緣。在第二空間構造204中，第一初級線圈 210和第二初級線圈214設置為靠近滾動元件軸承208的外滾道的外邊緣。在第三空間構造206中，第一初級線圈210設置為靠近滾動元件軸承208的外滾道的外邊緣，并且第二初級線圈214設置為靠近滾動元件軸承208的內滾道的內邊緣。第一初級線圈210的繞組和第二初級線圈214的繞組設置為使第一初級線圈210和第二初級線圈214感應的磁場彼此加強。圖3是表格300，列出了采用的三個空間構造202、204、206在特定類型的滾動元件軸承208上進行的實驗結果。提供給初級線圈的并聯裝置的功率用大寫字母 “P”表示。大寫字母“T”表示以分鐘和秒規定的時間周期中達到的最大溫度。該時間周期后滾動元件軸承208上的兩個位置之間存在的最大溫度差由“ ΔΤ”表示。在第一和第二空間構造202、204中，第一和第二初級線圈210、214 二者都設置為靠近滾動元件軸承208的內滾道或者靠近滾動元件軸承208的外滾道。在這些空間構造 202,204中，比其它滾道更加靠近初級線圈210、214的滾道之一可用作磁屏蔽。就是說，比其它滾道更加靠近初級線圈210、214的滾道防止初級線圈210、214產生的磁場到達滾動元件和其它滾道。圖4a_4d示出了采用用于圖1的系統100的上述方法并且利用纏繞在第一鐵芯 412周圍的第一初級線圈410和纏繞在第二鐵芯416周圍的第二初級線圈414以及纏繞在第三鐵芯420周圍的第三初級線圈418加熱滾動元件軸承208的四個空間構造402、404、 406、408。在第一構造402中，所有的三個初級線圈410、414和418設置為靠近滾動元件軸承208的內滾道。在第二構造404中，所有的三個初級線圈410、414和418設置為靠近滾動元件軸承208的外滾道。在第三構造406中，第一和第二初級線圈410、414設置為靠近滾動元件軸承208的內滾道，并且第三初級線圈418設置為靠近滾動元件軸承208的外滾道。在第四構造408中，第二和第三初級線圈414、418設置為靠近滾動元件軸承208的外滾道，并且第一初級線圈410設置為靠近滾動元件軸承208的內滾道。圖5是表格500，列出了也在參考圖2和3描述的實驗中采用的特定類型的滾動元件軸承208上進行的實驗結果，現在采用圖4所示的四個空間構造402、404、406、408。實驗結果顯示，讓三個初級線圈中的兩個設置為靠近滾動元件軸承208的外滾道，并且三個初級線圈的其中一個設置為靠近內滾道，對于構造408是有利的。實驗結論可在這樣的意義上得出，也就是說考慮到較短的加熱時間和與均勻溫度分布較小的偏差，優選的是設置為某些有效的初級線圈靠近滾動元件軸承208的外滾道， 并且其它的有效初級線圈靠近滾動元件軸承208的內滾道。這可解釋為，這樣的分布至少部分地克服了屏蔽效應。還顯示為有利的是讓第一數量的初級線圈靠近滾動元件軸承208 的外滾道，并且讓第二數量的初級線圈靠近滾動元件軸承208的內滾道，其中第一數量大于第二數量。這可通過考慮滾動元件軸承208的外滾道的材料量大于滾動元件軸承208的內滾道的材料量的實事來解釋。因此，滾動元件軸承208的內滾道和外滾道具有不同的熱容量。為了在給定的時間周期內加熱滾動元件軸承208的內滾道和外滾道到基本上相同的溫度，更多的熱量被輸送到較大的部分而不是較小的部分。應當注意的是，在圖4的第一構造402中獲得了 70°C的大溫差ΔΤ。滾動元件軸承208的內滾道直接靠近所有的初級線圈410、414、418。滾動元件軸承208的內滾道屏蔽了滾動元件軸承208的外滾道。滾動元件軸承208的內滾道比滾動元件軸承208的外滾道具有較低的熱容量。因此，滾動元件軸承208的內滾道達到較高的溫度遠快于滾動元件軸承208的外滾道。結果，滾動元件軸承208的內滾道的熱膨脹大于滾動元件軸承208的外滾道的熱膨脹。這意味著，滾動元件軸承208的諸如球的滾動元件隨著溫度的升高在內滾道和外滾道的表面上施加很大的壓力。因此，在空間構造402中加熱滾動元件軸承208時， 應當意識到損壞內滾道和外滾道的風險。還應當注意的是，如果滾動元件軸承208的外滾道加熱較快并且膨脹大于滾動元件軸承208的內滾道，則存在一個或多個滾動元件掉出滾動元件軸承208之外的風險。因此，重要的是保持內滾道和外滾道之間的溫差受到控制。圖6示出了另一個空間構造600，用于采用上述方法為圖1的系統100加熱滾動元件軸承208，現在采用四個初級線圈602、604、606、608，全部設置為靠近滾動元件軸承208 的外滾道。第一初級線圈602纏繞在第一鐵芯610周圍。第二初級線圈604纏繞在第二鐵芯612周圍。第三初級線圈606纏繞在第三鐵芯614周圍。第四初級線圈608纏繞在第四鐵芯616周圍。圖7是實驗結果的表格700，該實驗也在參考圖2-5描述的實驗中采用的特定類型的滾動元件軸承208上進行，現在采用圖6的構造，其中四個初級線圈全部設置為靠近滾動元件軸承208的外滾道。可見，對于這些示例中采用的特定的滾動元件軸承208，圖6的構造和空間構造看起來是優化的，在合理的時間內所獲得的目標溫度在外滾道和內滾道之間具有0°C的ΔΤ。因此，本領域的技術人員可根據物理目標的尺寸、形狀和熱容量并且根據初級線圈的功率級別改變鐵芯的數量、初級線圈的數量、在不同鐵芯周圍的纏繞和并聯驅動以及它們相對于物理目標的位置。如果物理目標的單位體積的熱容量在物理目標上從一個位置到另一個位置變化，則可考慮線圈相對于物理目標的不均勻空間分布。圖2-7所示的示例僅示出了每個鐵芯的單一初級線圈。應當清楚的是，每個單獨的鐵芯可采用兩個或多個初級線圈，所有鐵芯的所有初級線圈并聯連接并且由諸如具有模式轉換電源的單一電源模塊驅動。
權利要求
1.一種感應加熱包括導電材料的物理目標的系統，該系統包括第一初級線圈，其在第一鐵芯周圍，用于在該導電材料中感應第一電流； 第二初級線圈，其在與該第一鐵芯不同的第二鐵芯周圍，用于在該導電材料中感應第二電流；以及供電模塊，連接到該第一和第二初級線圈的電并聯裝置，用于并聯驅動該第一和第二初級線圈。
2.如權利要求1所述的系統，其中 該供電模塊包括模式轉換電源；該模式轉換電源具有構造為在導通和截止之間進行轉換的部件以產生驅動電流；并且該驅動電流被提供到該第一和第二初級線圈的電并聯裝置。
3.如權利要求1或2所述的系統，其中該供電模塊包括構造裝置，用于選擇性地將所述第一和第二初級線圈中的至少一個與該電源進行電連接或者與該電源斷開。
4.一種在權利要求2或3的系統中使用的供電模塊。
5.一種感應加熱包括導電材料的物理目標的方法，該方法包括 采用第一鐵芯周圍的第一初級線圈在該導電材料中感應第一電流；采用與該第一鐵芯不同的第二鐵芯周圍的第二初級線圈在該導電材料中感應第二電流；以及通過單一電源模塊驅動并聯連接的該第一和第二初級線圈。
6.如權利要求5所述的方法，其中 該供電模塊包括模式轉換電源；該模式轉換電源具有構造為在導通和截止之間轉換的部件以產生驅動電流；并且該驅動電流被提供到該第一和第二初級線圈的并聯裝置。
全文摘要
導電物理目標，例如，滾動元件軸承，采用第一初級線圈和第二初級線圈感應加熱，第一初級線圈設在第一鐵芯周圍在目標中感應第一電流，第二初級線圈設在與第一鐵芯不同的第二鐵芯周圍在導電材料中感應第二電流。第一和第二初級線圈并聯電連接，并且并聯連接通過單一模式轉換電源驅動。
文檔編號H05B6/14GK102474921SQ200980160463
公開日2012年5月23日 申請日期2009年7月15日 優先權日2009年7月15日
發明者B.普羅伍斯特, P.波特維爾, S.戴維 申請人:Skf私人有限公司