用于构件的感应加热的感应器和设备和为此的方法

摘要

感应器(10)用于感应加热金属构造的构件并且具有至少一个线圈(10’)，其中，近似环形地构造的线圈具有通道(13)，所述通道作为留空部从所述线圈的内周面(12)直至所述线圈的外周面(11)穿过所述线圈(10’)，以便可以使电磁辐射(17)从内部向外部通过所述通道(13)并且测量技术地感测。在此，通道(13)沿近似径向方向延伸。在包括这种感应器的设备(100)中设置为，高温计(16)关于所述通道(13)布置成，使得所述高温计(16)的镜头(16’)面向所述通道(13)的所述输出开口(13’)并且通过其光学轴线与所述通道(13)的纵向延伸方向共轴地定向。由高温计(16)通过通道(13)感测的辐射(17)和由此获取的温度作为测量参数给出关于热过程发展的信息。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于构件的感应加热的感应器、包括这种感应器的设备，并且还涉及一种方法，所述方法尤其用于运行这种设备。

背景技术

这种感应器典型地用于构件的热处理，所述构件例如可以是轴或偏心轮，在那里为了防磨损需要提升的结构强度或增大的组织硬度。在此，这种感应器通过在构件或工件中的磁场产生涡流，所述涡流导致构件中的温度提升。构件几何形状和在加热时出现的集肤效应(Skin-Effekt)尤其在构件的表面区域上导致不均匀的温度分布，如在图1A中参照在感应热处理阶段期间示出的构件和在图1B中参照相对应的随时间的温度发展说明的那样。由此引起靠近表面的过程区相对于远离表面的区域的温度升高，这导致在相应热处理的构件的微组织内部的不同结构强度。

发明内容

具有权利要求1的特征的感应器具有以下优点：通过根据本发明的感应器在由此处理的构件中可以调设出更均匀的温度分布并且因此可以实现或制造具有在质量上更均匀的结构强度的构件。为此，近似环形构造的线圈具有通道，该通道作为留空部从线圈的内周面直至所述线圈的外周面穿过线圈，以便可以使电磁辐射从内部向外部通过通道并且在测量技术上感测所述电磁辐射。由此可能的是，在感应器外部在测量技术上感测从在感应热处理期间接收在感应器的环形感应线圈的内部空间中的构件通过通道达到外部的热辐射并且将温度对应于所感测的热辐射，所述温度给出关于在靠近表面的过程区中的过程发展的信息并且因此不同于传统的感应器地允许审查过程质量，在传统的感应器中该过程区完全被遮住并且因此在测量技术方面是不能接近的。

符合目的地，通道近似沿径向方向延伸，其中，通道具有在内周面上的输入开口并且在其另外的端部处具有在外周面上的输出开口，使得发送的热辐射在通道的壁上的反射损失保持在尽可能低的水平。

优选地，通道近似直线地延伸并且此外具有近似圆形的内部横截面，以便实现优化的辐射引导。

本发明的扩展方案可以在于，通道关于感应器的纵轴线延伸方向在近似一半高度上走向。由此通道(沿轴向方向看)近似在感应器的下限界和上限界之间的中心处穿过感应器的环形区段，这提供了在测量技术上对过程区的审查可能性，该过程区相比于感应器的下限界和上限界位于具有较大场强的影响区域中，在所述下限界和上限界处场强自然明显降低。

在包括这种感应器的设备中设置为，高温计这样关于通道布置，使得高温计的镜头面向通道的输出开口。通过通道出来的热辐射可以达到高温计的镜头中并且映射到高温计的传感器上以用于探测。

为了实现优化的光量子收获率，根据本发明的有利构型，高温计的镜头通过其光学轴线与通道的纵向延伸方向共轴地定向。

本发明的有利的和优选的构型可以在于，高温计构造为比例高温计(Quotienten-Pyrometer)。在比例高温计、经常也被称为两色高温计中，入射的热辐射在两个不同的波长或波长区域中测量，使得为了确定温度可以取消产生热辐射的测量对象或构件的辐射系数的认知。

本发明的符合目的的构型设置为，过程计算装置与高温计处于信号和/或数据传输连接，以便从高温计在输出侧接收传输的测量信号和/或测量数据并且进行处理。此外，过程计算装置与用于产生用于感应器的电功率的发电机处于控制连接，由此热处理过程是可以控制的。为此，过程计算装置基于由高温计接收的温度测量信号和/或温度测量数据计算出用于控制感应热处理的参数。

尤其适用于运行所述设备的方法包括以下方法步骤：a)激活感应器，b)感测通过感应器的通道从接收在感应器中的构件的区域出来的热辐射，其中，由感测的热辐射获取局部对应于相应区域的温度，c)比较分别针对相应区域获取的温度与参考值，和d)当在比较时获取在所感测的温度和参考值之间的偏差时再调节过程参数，其中，按照所获取的偏差进行再调节。作为参考值使用由用于构件的温度分布模拟针对相应地基于根据方法步骤b)的感测的那个区域所提取的温度。在此，温度分布模拟基于由感应器产生的电磁场、通过构件感应出的涡流、由此在那里产生的热能和由此在构件中形成的温度分布的计算进行。

作为过程参数选择在感应器的激活期间供应给所述感应器的电功率和/或感应器的激活的持续时间和/或进给速度，通过感应器的所述进给速度在所述感应器的激活持续时间期间沿着其纵轴线、即相对于相应要处理的构件运动。根据本发明的方法能够有利地通过对于过程区的直接的测量技术的审查(通过构造在感应器中的通道)实现构件中的组织状态的非常精确的调设，因为在过程区中的不期望的温度升高是可以实时感测的并且可以通过再调节尽可能地并且实际上瞬时地减小。

符合目的地，在模拟中考虑相应要处理的构件的几何结构和/或材料特性，以便能够尽可能精确地对构件建模。

本发明的另外的有利扩展方案和构型通过在从属权利要求中列举的措施得出。

附图说明

本发明的实施例在下面的说明书和附图中详细阐释。后面的附图以示意性视图示出：

图1A处于感应的热处理阶段中的构件的3D温度分布视图的模拟，

图1B具有多个温度变化曲线的图表，其中，每个温度变化曲线示出对于构件的相应区域的沿着纵坐标画出的温度随时间的发展并且与在图1A中示出的3D温度分布视图相对应，

图2感应器的近似环形的线圈的强烈示意性的立体视图，所述感应器用于感应加热金属构件并且具有在径向从内部向外部穿过线圈的通道，

图3具有图1的感应器的根据本发明的设备的一部分的立体视图，在所述感应器的内部空间中接收有构件，

图4用于阐释根据本发明的设备的方框图，所述设备包括在图1中示出的感应器、用于电操控感应器的发电机、高温计和与高温计处于测量数据传输连接的过程计算单元，和

图5具有根据本发明的用于运行图4的设备的方法的主要方法步骤的流程图。

具体实施方式

在参照图2至5阐释根据本发明的感应器和根据本发明的设备连同适用于运行所述设备的方法的主要特性之前，应首先参照图1A和1B阐释根据现有技术的感应器的特征。

图1A以立体示图示出旋转对称构造的构件在典型的热处理阶段期间的温度分布，所述温度分布借助于基于由感应器的感应线圈产生的、在构件中感应出涡流的电磁场和由于构件中的涡流损失产生的热能的计算的模拟在考虑构件的几何形状和材料特性的情况下计算出。在构件的模拟的温度分布中构造不同的温度区，如损失温度区在构件的表面上的不同区域或位置31至35处显示出的那样，所述温度区部分地引起在构件中的不均匀的温度分布；在构件的靠近表面的区域中由于主要靠近表面起作用的涡流存在通常较高的温度，而与此相对地在构件的内部由于在模拟中考虑的热传导存在明显降低的温度。对此，图1B示出具有总共五个温度变化曲线31’-35’的图表，其中，对于各个温度变化曲线示出取决于沿着横坐标画出的时间t的用于在图2A中示出的构件的各个不同区域或位置31–35的温度T。由模拟得出，对于配属于构件的靠近表面的区域的温度变化曲线33’至35’，在热处理开始时的相应倾斜的上升沿(Anstiegsflanke)之后在时间t≈2s时(在时间轴上)相比于相对远离表面的区域31的温度变化曲线31’得到相应的明显的温度过高，所述温度过高具有>1100℃的温度峰值。

图2以强烈示意性的立体视图示出整体以10标出的感应器，所述感应器用于感应加热金属构件。感应器10具有线圈10’，所述线圈由于外周面11和与所述外周面(关于线圈10’的纵向中轴线10”)同轴布置的内周面12环形地或空心柱形地构造，以便可以在其内周面11内部接收旋转对称构造的构件并且感应加热。在感应加热阶段期间能够以测量技术感测存在于接收在线圈10’中的构件的表面上的温度，其方式是在线圈10’中构造通道13，所述通道沿径向方向从内向外穿过线圈10’，使得从构件的线圈10’的内部空间辐射出的热辐射可以向外穿过，在那里布置在通道13的输出开口13’的附近的高温计可以探测达到的辐射，以便由此获取温度。因此，直线沿径向方向延伸的通道13具有在外周面11上的输出开口13’并且在所述通道的另外的端部处具有在内周面12上的与输出开口13’相对置的输入开口13”。

在制造技术方面，为了构造通道13在缠绕线圈时在缠绕过程开始时例如将空心柱形的小管安置或布置在支撑体上并且必要时在缠绕过程结束时又移除。

图3以立体示图示出根据本发明的用于感应加热构件14的设备100的一部分，所述加热构件围绕其对称轴线可旋转地接收在感应器10的内部空间中。为此，构件14安装在可旋转构造的保持装置20上并且在热处理期间围绕其对称轴线或纵向中轴线旋转，由此实现构件14中的尽可能均匀的温度分布。在感应器10的激活持续时间期间，所述感应器通过电接线15’、15”与在图3中未示出的发电机电作用连接。相应设置的高温计(未在图3中示出)可以通过感应器10的通道13感测从直接邻接并且径向面向通道13的区域辐射在构件14的表面上的那个热辐射，并且由此获取存在于那里的温度。

图4以强烈示意性视图示出根据本发明的设备100，所述设备基本上包括：根据本发明的感应器10；用于产生用于感应器10的高频电功率的发电机15，所述电功率可以通过电连接导线15’、15”供应给感应器10的线圈10’；用于探测热辐射17的高温计16，所述热辐射从由感应器10的线圈10’的内部接收的构件14辐射出并且通过感应器10的通道13向外达到；和过程计算单元18，该过程计算单元通过信号和数据信号和数据传输导线19与高温计16的输出端连接，以便接收和处理高温计的温度测量数据。在此，高温计16这样布置或设置在感应器10的附近，使得所述高温计与其镜头或其入射透镜16’与通道13的纵向延伸方向对准，其中，高温计16的镜头16’和感应器10的输出开口13’面向彼此。高温计的由镜头16’和传感器(未示出)形成的测量轴线与通道13的纵向延伸方向共轴地走向。由此，高温计16的镜头16’拍摄从输出开口13’出来到传感器上的热辐射17，所述传感器感测辐射并且将所述辐射转化成电信号。在优选的实施例中，高温计构造为两色高温计，使得测量对象或构件的辐射系数在获取温度时是不重要的。因为构件在感应热处理期间借助于可旋转构造的保持装置20(图3)旋转，因此高温计16可以通过所感测的热辐射17扫描构件的在旋转期间在通道13的输入开口13”旁边经过的区域。

图5示出具有所述方法的主要方法步骤的流程图，所述方法用于运行所述设备100。在第一方法步骤210中激活感应器10，其方式是，由发电机15产生的电功率通过电连接导线15’、15”供应给感应器10。然后在方法步骤220中，从构件14通过通道13辐射出的热辐射17由高温计16在预先确定的时间段Δt内探测并且分析处理，即基于斯蒂芬波兹曼定律对应于相应的温度，所述温度对应于构件在表面上的在测量的时间点(沿径向方向看)相邻地面向通道13的输入开口的相应区域，并且转化成温度测量数据。

根据随后的方法步骤230，将由高温计16获取的温度测量数据传输给过程计算单元18，然后在紧接着的方法步骤240中在那里处理所传输的温度测量数据。

在另外的方法步骤250中，在过程计算单元18中将由高温计分别获取的、用于在构件表面上的(在相应测量时间点的)区域的温度与由构件的模拟温度分布的温度相比较，其中，由模拟的温度分布提取的温度对应于在表面上的相同区域，所述区域也基于相应的测量。

在随后的检测步骤260中获取，在比较时是否得出在参照探测的热辐射获取的温度和由模拟的温度变化曲线提取的温度之间的偏差ΔT。在否定的情况下、即实际上不存在偏差时，返回至步骤220，使得高温计针对下一个时间段感测辐射并且由此获取温度测量数据。在肯定的情况下、即存在偏差ΔT时，在随后的方法步骤270中基于所获取的温度偏差ΔT进行过程的再调节，其方式是，例如根据所述偏差ΔT在控制回路内部追踪发电机的电功率和/或处理持续时间和/或感应器的进给速度。紧接着再调节，在方法步骤280中返回至步骤220，直到达到预先确定的热处理持续时间。

有利地，在根据本发明的方法中由高温计16通过通道13感测的电磁辐射17和由此获取的温度作为测量参数给出关于热过程发展的消息。

总结而言，根据本发明的方法200包括以下方法步骤：a)激活210感应器10，b)感测通过感应器10的通道13从接收在感应器中的构件14的区域中出来的电磁辐射，其中，由所感测的辐射获取局部对应于相应区域的温度，c)将分别针对相应区域获取的温度与参考值进行比较220，其中，作为参考值使用由用于构件的温度分布模拟针对以相应于根据方法步骤b)的感测为基础的那个区域所提取的温度，其中，温度分布模拟基于由感应器10产生的电磁场、通过在构件中的场感应出的涡流、由此在那里产生的热能和通过热传导在构件中形成的温度分布的计算进行，和d)，当在比较时获取在感测的温度和参考值之间的偏差ΔT时，再调节280过程参数，其中，所述再调节按照所获取的偏差ΔT进行。

对于在构件中的温度分布的建模使用基于物理的模拟方法。该模拟方法基于电磁热场方程的有限元模拟。对于温度场的分类使用机器学习的基于数据的方法，如支持向量机或最近邻算法。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.用于感应加热金属构造的构件的感应器(10)，所述感应器具有至少一个线圈，其中，所述线圈近似环形地构造并且具有通道(13)，所述通道作为留空部从所述线圈的内周面至所述线圈的外周面穿过所述线圈，以便使辐射从内部向外部通过所述通道(13)，其特征在于，所述构件能够围绕所述构件的对称轴线或纵向中轴线能旋转地接收在所述感应器(10)的内部空间中。

2.根据权利要求1所述的感应器，其特征在于，所述通道(13)沿近似径向方向延伸。

3.根据权利要求1或2所述的感应器，其特征在于，所述通道(13)具有在所述内周面上的输入开口(13’)并且在所述通道的另外的端部处具有在所述外周面上的输出开口(13”)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的感应器，其特征在于，所述通道(13)近似直线地延伸。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的感应器，其特征在于，所述通道(13)具有近似圆形的内部横截面。

6.根据权利要求1所述的感应器，其特征在于，所述通道(13)关于所述感应器(10)的纵轴线延伸方向近似在一半高度上走向。

7.设备，包括根据上述权利要求中任一项所述的感应器，其中，高温计(16)关于所述通道(13)布置成，使得所述高温计(16)的镜头(16’)面向所述通道(13)的所述输出开口(13’)。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述高温计(16)的所述镜头(16’)通过其光学轴线与所述通道(13)的纵向延伸方向共轴地定向。

9.根据权利要求7或8所述的设备，其特征在于，所述高温计(16)构造为比例高温计。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的设备，其特征在于，过程计算装置(18)与所述高温计(16)处于信号和/或数据传输连接，以便从所述高温计(16)在输出侧接收所传输的测量信号和/或测量数据并且进行处理。

11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述过程计算装置(18)与用于产生用于所述感应器(10)的电功率的发电机处于控制连接。

12.根据权利要求10或11所述的设备，其特征在于，所述过程计算装置(18)基于从所述高温计(16)接收的温度测量信号和/或温度测量数据计算出用于控制感应热处理的参数。

13.尤其用于运行根据权利要求7至12中任一项所述的设备的方法，具有下列方法步骤：

a)激活(210)所述感应器(10)，

b)感测(220)通过所述感应器(10)的所述通道(13)从接收在所述感应器中的所述构件(14)的区域中出来的电磁辐射，其中，由所感测的辐射获取局部对应于相应区域的温度，

c)比较(240)分别针对相应区域获取的温度与参考值，并且，

d)当在比较时获取在所感测的温度和所述参考值之间的偏差时再调节(280)过程参数，其中，所述再调节按照所获取的偏差进行。其中，所述构件(14)安装在能旋转构造的保持装置(20)上并且在热处理期间围绕所述构件的对称轴线或纵向中轴线旋转，由此实现在所述构件(14)中的尽可能均匀的温度分布。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，作为参考值使用以下温度，所述温度由用于所述构件的温度分布模拟针对相应地基于根据方法步骤b)的感测(220)的那个区域提取出。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述温度分布模拟基于由所述感应器(10)产生的电磁场、通过在所述构件中的场感应出的涡流、由此在那里产生的热能和由此在所述构件中形成的温度分布的计算进行。

16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其特征在于，作为过程参数选择在所述感应器的激活期间供应给所述感应器(10)的电功率和/或所述感应器(10)的激活的持续时间和/或进给速度，通过该进给速度使所述感应器(10)在其激活持续时间期间沿着所述感应器的纵轴线(10”)运动。

17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其特征在于，在模拟中考虑相应要处理的构件的几何形状和/或材料特性。