[发明专利]模块式感应加热器系统

说明书

技术领域

本发明涉及感应加热包括导电材料的物理目标的系统。本发明还涉及感应加热这样物理目标的方法以及该系统中使用的供电模块。

背景技术

专业应用工件加热的技术领域的示例是滚动元件轴承和轮式铁路设备的领域。

在滚动元件轴承的领域中，要考虑在轴上安装滚动元件轴承。通常的技术是加热轴承以导致热膨胀，以便便利在轴上滑动膨胀的轴承，并且将其适当地定位在轴上。就位后轴承冷却时，轴承接触且最终通过收缩配合(或过盈配合)机械地连接到轴上。

在铁路设备的领域中，要考虑机车的驱动轮或货车的轮子。这样的轮子通常由钢制作，并且为实心的、加辐条的或者由多个箱形断面(“箱断面”)制作。可置换钢胎配合到轮子上。轮胎形成了与轮子轨道的接触表面，因此经受磨损。置换轮胎比更换整个轮子更不划算。轮胎通过对其加热而安装，作为加热的结果，其直径扩大，从而轮胎可设置在轮子上。当轮胎冷却时，它收缩，并且通过收缩配合保持在轮子上定位。用旧的轮胎可通过再一次对其加热而去除。

物理目标的感应加热的方法和系统是已知的。感应加热物理目标的必要条件是物理目标包括导电材料。加热的操作基于在导电材料中感应电流。由于导电材料的有限的欧姆电阻系数，感应电流在导电材料中产生热。导电材料的一定的位置上热产生的比率与该位置上的电流密度大小的平方成比例，并且与该位置上的电阻系数成比例。

要考虑具有导电材料且包括孔的物理目标，例如，滚动元件轴承。滚动元件轴承的孔由该轴承的内滚道的内径决定。物理目标可通过采用物理目标作为变压器的次级绕组而感应加热。

如所知，变压器是通过感应连接导电体从一个电路到另一个电路传输电能的装置。变压器典型地具有高磁透性的铁芯。初级线圈具有缠绕在铁芯周围的初级绕组。初级绕组通过可控的电流源驱动。初级线圈中的电流变化导致线圈内，即铁芯内磁场的变化。缠绕在铁芯周围的次级绕组的次级线圈经受磁场变化，结果，通过次级线圈的端部感应电压。如果次级线圈例如通过在次级线圈的端部之间连接负荷而闭合，则在负荷中感应电流。

滚动元件轴承安装为替代传统变压器的次级线圈。变压器的铁芯通过滚动元件轴承的内滚道形成的孔。于是，电流感应在由滚动元件轴承的构造形成的闭合回路中。该回路的欧姆电阻系数导致以热的形式的功率消耗，因此加热滚动元件轴承，并且使其膨胀。

商业上可购买的感应加热器包括铁芯、铁芯周围的初级绕组和给初级线圈提供电流的电源。铁芯可取出，以便设置滚动元件轴承，从而装配后铁芯形成的回路和滚动元件轴承的内滚道的回路互锁。例如，铁芯由形状为字母“U”的第一部分和形状为字母“I”的第二部分制作。将“I”穿过“U”的端部拓扑地产生字母“O”：一个回路。

关于感应加热器的操作利用有几个问题需要考虑。

一个问题是作为感应加热的结果物理目标的残留磁性。如果物理目标包括铁磁材料，或者，如果导电材料自身是铁磁的，则磁场的暴露可能导致不希望的物理目标的永磁性。其一个解决方法是例如通过在加热过程的末端逐渐减小电流的大小控制初级线圈中的交互电流。作为选择，通过连接到初级线圈的模式转换电源控制电流。模式转换电源通常以可变的工作周期在导通和切断之间转换半导体开关，其平均值是所希望的输出功率。模式转换电源以足够高的频率(大小量级：10kHz-100kHz)运行，从而铁芯中以及物理目标中产生低磁通密度。这避免了在物理目标已经感应加热后对磁性的需要。模式转换电源是已知的，不需要在此进一步详细地讨论。

另一个问题涉及物理目标的物理和几何参数。为了物理目标充分膨胀，其温度必须升高的计算目标温度的一定程度。优选地，该温度在整个物理目标上是均匀的，或者仅微量的变化，以避免因一个部分膨胀远大于另一个部分产生的过大应力。如果物理目标中感应产生的热较大，与诸如通过辐射和周围空气对流的冷却导致的热损耗相比，目标温度可能达到超过可实现的温度范围。作为后者，物理目标可包装在绝缘材料中，以便减少通过辐射和对流的热量损耗。是否到达目标温度取决于转换成热的功率量、物理目标的热容量、物理目标的尺寸、物理目标内热传输率、表面暴露到周围空气的面积大小等。

再一个问题是达到目标温度的时间。例如，采用相同的感应加热器，为了加热大的钢滚动元件轴承比小的需要更长的时间。例如，大的轴承的热容量(即为了升高一个单位的温度所需的热量)高于小轴承的热容量。结果，大轴承比小轴承需要输入更多的能量。如果采用相同的感应加热器，则加热大轴承所需的时间长于加热小轴承到相同温度所需的时间。