Induktionsofen mit geschlossenem Eisenkern. Die vorliegende Erfindung betrifft einen Induktionsofen mit geschlossenem Eisenkern zum Schmelzen von Metallen. Der Ofen hat zwei oder mehr parallel geschaltete Schmelz kanäle, die eine gemeinsame Primärspule um schliessen. Der erfindungsgemässe Ofen eignet sich besonders zum Schmelzen von Alumi nium und seinen Legierungen.
Der Induktionsofen mit geschlossenem Eisenkern zum Schmelzen von Aluminium und seinen Legierungen ist ein bis heute noch nicht zufriedenstellend gelöstes Problem, weil gewisse, aus metallurgischen Gründen sich ergebende Forderungen einer elektrisch gün stigen Dimensionierung entgegenstehen.
Im Gegensatz zu den bisher in ähnlichen Ofen geschmolzenen andern Metallen haben nämlich Aluminium und seine Legierungen die Eigenschaft, Oxyde und andere chemische Verbindungen zu bilden, welche sieh bereits nach kurzer Zeit im Schmelzkanal ansetzen und diesen zu verstopfen drohen. Um eine Reinigung der Schmelzkanäle, wie sie sich daher als notwendig erwiesen hat, durchfüh ren zu können, müssen diese Kanäle verhält nismässig grosse Querschnitte erhalten.
Da nun ausserdem diese Leichtmetalle einen geringen spezifischen Widerstand haben, so ergibt sich für den als Sekundärkreis eines Transforma tors wirkenden, mit Metall gefüllten Schmelz kanal ein sehr kleiner Ohmscher Widerstand.
Praktisch liegen die Verhältnisse bei den heute üblichen Induktionsöfen für Leicht metalle so, dass dieser sekundäre Ohmsche Widerstand um ein Mehrfaches kleiner ist als die gesamte, auf die Sekundärseite um gerechnete Streureaktanz des Transformators, so dass diese Ofen mit einem sehr schlechten Leistungsfaktor arbeiten.
Besondere Schwierigkeiten ergeben sich nun, wenn die Leistung solcher Induktions öfen erhöht werden soll. Insbesondere bei den Schmelzöfen für die genannten Leichtmetalle besteht nämlich das Bedürfnis, die Leistun gen der Ofeneinheiten nach Möglichkeit zu steigern. Das geringe spezifische Gewicht dieser Metalle erfordert an sieh grosse Herd räume, die etwa das Dreifache ausmachen ge genüber denjenigen bei Schwermetallen. Die grossen Herdräume bedingen ihrerseits grosse strahlende Oberflächen und entsprechend grosse Strahlungsverluste. Man erstrebt grosse Ofenleistungen, damit die Strahlungsverluste klein werden im Verhältnis zur Ofenleistung.
Die Sehwierigli#eiten, die sich ergeben, wenn die Leistung solcher Induktionsschmelz öfen erhöht werden soll, gehen aus folgender Cberlegung hervor: Es hat sich herausgestellt, dass in einem Schmelzkanal von dem heute üblichen, eine Reinigung noch ermöglichenden Querschnitt nur eine gewisse Schmelzleistung angewendet -,werden darf.
Wird diese Leistung überschrit ten, so setzt sich der Kanal mit chemischen Verbindungen des Schmelzgutes so stark zu, dass eine Reinigung praktisch unmöglich wird. Um grössere Schmelzleistungen in einem Schmelzkanal anwenden zu können als bis her, müsste also der Schmelzkanal einen grö sseren Querschnitt erhalten.
Betrachten wir nun den Fall, dass an einem gegebenen Ofen, um die Anwendung einer grösseren Leistung zu ermöglichen, der Schmelzkanal erweitert wird. Der sekundäre \Widerstand des Transformators wird dann umgekehrt proportional zum Kanalquer schnitt abnehmen. Die gesamte Streureaktanz des Transformators hingegen ändert sich, wie die Erfinder durch weiter unten beschriebene Messungen feststellten, nur unwesentlich bei starken Veränderungen des Querschnittes des Schmelzkanals. Die gesamte, auf die Sekun därseite umgerechnete Streureaktanz ist auch, wie erwähnt, viel grösser als der sehundäre Widerstand.
Unter diesen Umständen ergibt sich aus der Theorie der Transformatoren, dass bei konstanter Primärspannung eine Ver grösserung des Schmelzkanalquerschnittes eine Verminderung nicht nur des Leistungsfaktors sondern auch der Leistung selbst zur Folge hat.
Um die Leistung des Ofens trotzdem zu erhöhen, kann nun die Primärspannung des Ofens vergrössert oder aber die primäre \Vin- dungszahl verkleinert werden. Diese Massnah men bedeuten eine Erhöhung der Windungs- spannung und erfordern eine Vergrösserung des Eisenquerschnittes im magnetischen Kreis. Auf den Leistungsfaktor haben sie praktisch keinen Einfluss. So würde also eine Leistungserhöhung durch eine Vergrösserung des Eisenquerschnittes und durch eine Ver schlechterung des Leistungsfaktors erkauft.
Ganz ähnliche ungünstige Verhältnisse ergeben sich, wenn man, anstatt den Schmelz kanal zu erweitern, einen zweiten Schmelz kanal gleichen Querschnittes in grosser Nähe des ersten anordnet. Eine derartige Anord nung mehrerer Schmelzkanäle ist früher schon vorgeschlagen worden. Allerdings wur den mit ihr ganz andere Zwecke verfolgt als in der vorliegenden Erfindung.
Die Erfinder zeigen, dass eine Vergrösse rung der Ofenleistung unter Beibehaltung des Eisenquerschnittes im magnetischen Kreis und ohne. eine wesentliche Verschlechterung des Leistungsfaktors dennoch möglich ist. Dieses Ergebnis wird beim Induktionsofen gemäss der Erfindung mit zwei oder mehr Schmelzkanälen dadurch erzielt, dass der Ab stand der einander zugekehrten Begrenzungs- flltehen zweier benachbarter Schmelzkanäle grösser ist als das Doppelte des Abstandes zwischen der innern Begrenzungsfläche eines Schmelzkanals und der äussern Begrenzungs fläche der Primärwicklung.
Der Erklärung des Prinzips der Erfin dung seien zwei vereinfachte Formeln aus der Theorie der Transformatoren vorausgestellt. Vernachlässigen wir, wie das bei der prinzi piellen Betrachtung der Vorgänge an der artigen eisengekoppelten Transformatoren zu lässig ist, den Magnetisierungsstrom, so gilt nach dem Steinmetz'schen Ersatzschema fol gende einfache Gleichung: 1) 3 - R, -I- R'2 -f- ,@ (L, -1- L'2) Daraus folgt:
EMI0002.0038
In diesen Formeln bedeuten:
= Impedanz des Transformators von der Primärseite.
P<I>,</I> = Primärer Ohmscher Widerstand. 1I, = Sekundärer Ohmscher Widerstand. L, = Primäre Streuinduktivität.
L2 = Sekundäre Streuinduktivität. co <I>= 2</I> a <I>f</I> = Kreisfrequenz.
w = Windungszahl und Übersetzungsver hältnis.
99 = Phasenwinkel zwischen Primärstrom und Primärspannung.
R'@ <I>=</I> w=P. ist der auf die Primärseite um gerechnete Sekundärwiderstand.
L'@ <I>=</I> w'Lz ist die auf die Primärseite um gerechnete sekundäre Streuinduktivi- tät. Die Erfinder haben nun zur Unter suchung der elektrischen Verhältnisse bei sol chen Schmelzöfen Modellversuche durchge führt mit einer Apparatur, welche die elek trisch wichtigen Teile eines Induktionsofens in geometrisch ähnlicher Verkleinerung wie dergab. Konzentrisch zu einer Primärspule wurden zwei ringförmige Metallkörper an geordnet, deren Formen denjenigen der Schmelzkanäle entsprachen. Sie seien im fol genden als Sekundärkörper bezeichnet. Diese beiden Körper konnten in der Richtung der Axe der Primärspule gegeneinander verscho ben werden.
Die Anordnung ist aus Fig. 3 ersichtlich. Mit diesem Transformatormodell haben die Erfinder Messungen im Leerlauf und bei Verwendung von ein und von zwei Sekundär körpern gemacht. Gemessen wurden auf der Primärseite Strom, Spannung und Leistung. Ausserdem wurde an einem Joch eine das Ei sen umschliessende Messwicklung angebracht, welche die Bestimmung der EMK ermög lichte, die dem gemeinsamen Fluss im Eisen entsprach. Auf diese Weise war nicht nur die Bestimmung der Reaktanz und der Resistanz des Transformators möglich, sondern es konn ten die primäre und die sekundäre Streu induktivität getrennt ermittelt werden.
Die Auswertung dieser Messungen ergab, dass bei den Abmessungen der Primärspule und des Schmelzkanals, wie sie bei Induk tionsöfen üblich sind, das sekundäre Streu feld stets viel stärker ist als das primäre. Dies kommt in den Gleichungen 1 und 2 da durch zum Ausdruck, dass L,2 <I>></I> L, wird.
Die die gesamte Reaktanz des Trans formators entscheidend beeinflussende Grösse ist also die sekundäre Streuinduktivität, im Gegensatz zu den bei gewöhnlichen Transfor matoren auftretenden Verhältnissen, bei denen L'2 meist annähernd gleich L1 ist.
Nach dieser wichtigen Feststellung kamen die Erfinder auf den Gedanken, die Reaktanz des Transformators dadurch beträchtlich zu verringern, dass ein Sekundärkörper von dem benachbarten so weit entfernt angeordnet wurde, dass die Streufeldlinien des einen Sekundärkörpers den andern im wesentlichen nicht mehr umschlossen. Dies ist in Fig. 3 veranschaulicht, in welcher das Streufeld eines Sekundärkörpers eingezeichnet ist. Ord net man nämlich, wie das zunächst nahe liegend wäre, die Sekundärkörper nahe bei einander an, so umfasst das Streufeld des einen grösstenteils auch den andern.
Dann er gibt sich für beide Sekundärkörper zusam men eine Streuinduktivität, die nicht viel kleiner ist als die eines einzelnen Sekundär körpers für sich. Distanziert man sie hin-. gegen in der vorher angegebenen Weise, so ist jeder Sekundärkörper im wesentlichen nur von seinem eigenen Streufeld umschlossen. Damit kann erreicht werden, dass die beiden Sekundärkörper zusammen in Parallelschal tung eine Streuinduktivität haben, die halb so gross ist wie die eines Sekundärkörpers für sich.
Diese Massnahme ist deshalb so vorteil haft, weil die sekundäre Streuinduktivität bei diesen Transformatoren den grössten Anteil an der gesamten Streuinduktivität hat. Be rücksichtigt man noch, dass, um einen guten Wirkungsgrad zu erzielen, bei diesen Induk tionsöfen immer 4) gewählt wird. so kann man Gleichung 1 auf die Form bringen: und Gleichung- 2 geht über in
EMI0004.0001
die beiden letzteren Beziehungen gelten na türlich nur annähernd.
Verwendet man nun statt eines Sekundär körpers zwei solche mit gleichen Abmessun- gen in grosser Distanz, so wird nach obigem L., und damit L'_ etwa halb so gross werden, wie bei einem Sekundärkörper allein. Da der Querschnitt verdoppelt wurde, sinkt auch T,_, bezw. R'_ auf den halben Wert.
Damit bleibt der Leistungsfaktor annähernd der gleiche, die primäre Impedanz jedoch ist nur noch halb so gross wie früher. Der Transformator nimmt bei der gleichen Primärspannung jetzt doppelt so viel Strom auf wie früher. Die Leistung hat sich also verdoppelt. Jeder Se kundärkörper nimmt jetzt fast so viel Lei stung auf wie vorher der einzige Sekundär körper aufnahm.
Fig. 4 zeigt nun in graphischer Darstel lung die experimentell ermittelte sekundäre Streuinduktivität (in 10-9 Henry) eines Transformatormodelles mit zwei Sekundär- hcrpern, in Funktion des Quotienten b; rt.
Hierbei bedeutet b den Abstand zwischen den einander zugekehrten Begrenzungsfldiehen der Sekundärkörper. Das Mass a bedeutet den Abstand zwischen der innern Begrenzungs fläche eines Sekundärkörpers und der äussern Begrenzungsfläche der Primärspule. Die bei den Masse sind in Fig. 3 eingezeichnet.
Die Erfinder sind der Ansicht., dass das Verhältnis dieser beiden Grössen für die Grösse der sekundären Streuinduktivität wesentlich ist.
In Fig. 4 bedeutet ferner die horizontale G,_rade bei der Ordinate 102 . 10-1, IIv 11un experimentell ermittelten Wert der sekun- kären Streuinduktivität bei Verwendung nur eines Sekundärkörpers. Der Wert 51 .10--9 Hy die Hälfte davon, ist ebenfalls durch eine horizontale Gerade gekennzeichnet.
Aus der graphischen Darstellung in Fig. 4 ergibt. sich: 1. die kombinierte Streuinduktivität von zwei Sekundärkörpern, die sehr nahe beiein ander liegen, ist nur um etwa 12 % kleiner als die eines Sekundärkörpers allein. Dies entspricht dem eingangs betrachteten Fall einer Erweiterung des Schmelzkanalquer- schnittes.Wird der Querschnitt auf das Dop pelte vergrössert, so ändert sich also die sekundäre Streuinduktivität nur unwesent lich. (Von 102 auf 89 .10-9 Hy.) 2.
Die kombinierte Streuinduktivität von zwei Sekundärkörpern fällt mit wachsendem Abstand und nähert sich einem Wert, der fast gleich der Hälfte der Streuinduktivität eines einzigen Sekundärkörpers ist. (54 an statt 51.10-9 Hv bei einem Verhältnis b/a <I>== 4.)</I> 3. Eine bedeutende Verbesserung erreicht man bereits bei b/a = 2, und die Verhält nisse werden noch günstiger, wenn b/a <I>> 2</I> wird.
Es sei noch erwähnt, dass die ebenfalls durch Messung bestimmte primäre Streu indnktivitä t sich bei allen diesen Versuchen nicht wesentlich änderte. Rechnete man die primäre Streuinduktivitä t durch Division mit dem Quadrat der Windungszahl w auf die Sekundärseite um, so ergab sich stets etwa ein Wert von 14 .10-9 Hy.
Damit sind die weiter oben auseinander gesetzten Überlegungen experimentell be tätigt. Erfindungsgemäss bietet also die Ver- \@en@iung von zwei Schmelzkanälen dann grosse Vorteile bezüglich aufgenommener Leistung und des Leistungsfaktors, wenn diese Kanäle so angeordnet werden, dass das Verhältnis b/cz <I>></I> 2 wird. Dieses Ergebnis lässt sich kaum durch einfache theoretische lletraelitun@rc,n finden, da bei den Induk tionsöfen die Ausbildung der Streufelder nicht durch die heute im Transformatorbau bekannten Berechnungsformeln erfasst werden kann.
Die Ergebnisse lassen sich sinngemäss auf Induktionsöfen mit mehr als zwei Schmelz kanälen, die eine gemeinsame Primärspule umschliessen, übertragen.
Beim Entwurf eines Induktionsofens ge mäss der Erfindung ist aber zweckmässiger weise darauf zu achten, dass die Schmelz kanäle nicht in zu grosse Nähe des Eisen- joches gelangen, da sich dadurch wieder grö ssere Streuinduktivitäten ergeben könnten. Das Fenster des Transformators ist also ent sprechend lang zu wählen. Aus Gründen der Materialersparnis wird man praktisch das Verhältnis b/a - 2 nicht zu sehr überschrei ten, da die Messungen der Erfinder ergaben, dass schon bei diesem Wert die erwähnten Vorteile in hohem Masse erreicht werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 und 2 in zwei Vertikalschnitten dargestellt. Der Ofen hat zwei Primärspulen 1, und jede derselben wird von zwei parallel geschalteten Schmelzkanälen umschlossen. Im vorliegenden Fall sind die beiden Primär spulen in der bekannten Scott-Schaltung mit einem Dreiphasennetz verbunden, so dass die an sie angelegten Spannungen um<B>90'</B> pha senverschoben sind.
Es sind zwei geschlossene Eisenkreise, bestehend aus den innern Kernen 3, den seitlichen Jochen 4 und den Längs- jochen 5 vorhanden, und jeder dieser :Kreise wird von einer Primärspule und den zwei zu gehörigen Schmelzkanälen umschlossen.
Die für die Dimensionierung des Ofens wichtigen Masse a und<I>b</I> sind auch aus Fig. 1 und 2 ersichtlich. Bei dieser Ausführung wurde b/a - 4 gewählt. Es ist auch dafür gesorgt, dass der Abstand der Schmelzkanäle vom seitlichen Joch 4 nicht zu klein wird.
Der Ofen hat noch folgende, an sich be kannte Teile, die nur der Vollständigkeit hal ber erwähnt seien. Das untere Gehäuse 6 hält die Primärspule und die feuerfeste Ausmaue- rung für die Schmelzkanäle zusammen. Daran schliesst sich nach oben ein Gestell 7, das die ganze Ofenkonstruktion und die zur Aufhängung notwendigen Teile trägt. Dar über befindet sich der Ofenkessel 8, der die obere Ausmauerung für den Schmelzherd enthält, sowie ein Deckel 9 zum Abdecken des Ofens und eine Giessöffnung 10.
Diese Ausführung ist für Ofenleistun gen von etwa 500 kW gedacht, d. h. für so grosse Leistungen wie sie bisher beim Schmel zen von Leichtmetallen nicht angewendet wurden. Für kleinere Leistungen ist eine ein phasige Ausführung ausreichend, bei der nur eine Primärspule und ein geschlossener Ei senkreis benötigt wird. Die Primärspule wird dann von zwei oder mehr Schmelzkanälen in Anordnung gemäss der Erfindung umschlos sen. Für ganz grosse Ofen dagegen wird eine dreiphasige Ausführung von Vorteil sein, unter Verwendung von drei Primärspulen u;nd drei geschlossenen Eisenkreisen. Jede Primärspule wird dann von zwei oder mehr Schmelzkanälen in Anordnung gemäss der Erfindung umschlossen.
Bei den dreiphasigen und den zweiphasigen (Scott-Schaltung) Aus führungen ist natürlich die Verwendung ge meinsamer Eisenjoche im magnetischen Kreis nach bekannten Regeln des Transformator baues immer möglich.
Bei jeder der oben erwähnten Ausfüh rungen kann durch die Anwendung des Prin- zipes der Erfindung der Ofen mehr Leistung aufnehmen als es bei den gleichen Abmes sungen bisher möglich war, ohne dass dabei der Leistungsfaktor schlechter würde, und ohne dass die Verwendung eines grösseren Eisenquerschnittes im magnetischen Kreis notwendig würde.