[發明專利]一種混合磁路超導感應加熱裝置

有效

• 申請號: 202010096905.9
• 申請日: 2020-02-17
• 公開（公告）號: CN111225465B
• 公開（公告）日: 2022-02-01
• 發明（設計）人: 張東;肖立業;楊本康;劉博;黃璞;宋乃浩;靖立偉;張京業;林良真
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: H05B6/36
• 分類號: H05B6/36
• 代理公司: 北京瀚仁知識產權代理事務所(普通合伙) 11482
• 代理人: 宋寶庫;屠曉旭

本申請公開了一種混合磁路超導感應加熱裝置，包括：導磁鐵芯、環繞導磁鐵芯設置的超導線圈和圍繞導磁鐵芯周向分布的多個并聯的鐵軛，導磁鐵芯的上端設置有上導磁板，導磁鐵芯的下端設置有下導磁板；超導線圈通過電流引線與外部電源連接以使超導線圈承載電流，進而產生磁場；每個鐵軛的上端面/下端面與上導磁板/下導磁板側壁之間具有用于放置待加熱工件的第一氣隙；在待加熱工件放置于第一氣隙后，導磁鐵芯將超導線圈產生的磁場傳導至并聯的多個鐵軛，以形成多個串并聯混合的磁路。本申請提供的裝置能夠同時加熱多個待加熱工件，以及增加待加熱工件的加熱效率，混合磁路使得裝置具有對應于加熱工藝和功率的更好調節功能。

技術領域

本申請涉及超導電力電工裝備技術領域，尤其涉及一種混合磁路超導感應加熱裝置。

背景技術

感應加熱技術在鍛件穿透加熱、表面淬火加熱、中高頻焊接以及感應熔煉等工業生產中有著廣泛應用。在透熱處理方面的應用包括鋼管擴徑，鋼坯熱鍛，銅鋁等有色金屬的熱壓延加工；在工業熱處理方面的應用包括表面淬火、透熱淬火、回火和消除應力、退火和正火、焊縫退火、粉末金屬燒結等；在焊接方面的應用包括金屬管焊接、金屬板焊接等；感應加熱在金屬熔煉方面的應用包括黑色金屬，有色金屬熔煉、鑄造等。

感應加熱技術應用相關領域黑色金屬冶煉和壓延加工業，有色金屬冶煉和壓延加工業被列入六大高耗能行業。據統計，感應加熱設備消耗的電能總量占國家電能總消費量的1～5％，2015年我國電能總消費量為59202.87億千瓦時，其中感應加熱設備消耗量563.03～2960.14億千瓦時之間。目前大中型感應加熱設備應用中，加熱鋼鐵的有效電熱轉換效率在50-60％之間；銅鋁等非鐵磁性工件的有效電熱轉換效率在35-45％之間。

傳統感應加熱技術的原理是法拉第電磁感應定律和電流熱效應的焦耳－楞茨定律，交變的電流產生交變的磁場，交變的磁場在導體中感生渦流，利用渦流的焦耳熱來加熱導體。傳統的感應加熱系統主要包括交變電源、感應線圈和冷卻系統等。影響感應加熱設備有效電熱轉換效率的因素為線圈中的焦耳熱損以及加熱工件和線圈的材料特性。在線圈的焦耳熱損方面，感應線圈一般為銅線或銅管等常規金屬導體繞制，高頻、大電流導致導體自身焦耳熱非常巨大，例如感應熔煉爐感應線圈自身的焦耳熱占感應爐額定功率的20％以上，而像焊管等感應線圈匝數少的感應加熱設備，導體自身的焦耳熱所占的比重更大。例如在熱鍛、金屬加工與深加生產線上的感應加熱設備，線圈的焦耳熱要通過銅管內或線圈冷卻箱體內的強迫冷卻水帶走。

新型超導感應加熱技術的原理是：直流勵磁的超導主磁體產生強直流磁場，鋁質或銅質的工件在直流背景磁場中旋轉切割磁力線，進而在工件中形成渦流并產生焦耳熱將工件加熱到工藝溫度。新型超導感應加熱設備主要包括直流勵磁電源、超導主磁體系統和機械旋轉系統等。新型超導感應加熱設備運行過程中，工件中的感應電流產生阻礙旋轉的制動反向轉矩，機械能通過電磁感應的作用轉變成了熱能，超導主磁體系統中直流載流的超導線圈幾乎不存在損耗，其主要損耗為低溫冷卻系統損耗和旋轉電機損耗，而對于大功率的超導感應加熱設備中，旋轉電機損耗占主導，因此新型超導感應加熱設備的效率有望達到 80％～85％。此外新型超導感應加熱技術還具有加熱均勻，加熱可重復性好，無需大功率無功補償的優點。

利用超導材料能夠在直流條件下無阻載流的特性，歐洲專利1582091B1提出了一種新型直流超導感應加熱方式：它的特點是在超導線圈中通入直流電流，在空間中產生靜磁場，將被加工工件置于線圈所在平面，使得超導線圈產生的主磁通方向與工件軸線垂直，工件在靜磁場中繞軸線旋轉，激發出感應電流，從而產生熱量。美國專利US7339145B2提出一種可用于加熱高電導率、非鐵磁性材料的電磁加熱裝置，采用在靜磁場中旋轉工件的方式，工件位于線圈所在平面。

現有技術的不足主要包括：1、現有超導直流感應加熱技術中主磁體結構只能同時加熱有限的一個或兩個的工件；2、超導磁體的利用率低，其強磁場的優勢在超導感應加熱技術中沒有充分體現出來。

基于此，特提出本發明。

發明內容