專利名稱：：多頻感應(yīng)加熱或熔化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及感應(yīng)加熱或熔化，其中使用多個頻率通過電感應(yīng)來加熱或熔化工件。眾扠不多頻感應(yīng)加熱和熔化是一種已知技術(shù)。例如參見標(biāo)題為"高頻感應(yīng)加熱方法"的第2，444,259號美國專利。不同的頻率導(dǎo)致工件、感受器或置于坩堝內(nèi)的導(dǎo)電負載中的感應(yīng)渦流加熱深度不同；頻率越高，工件、感受器或?qū)щ娯撦d中電流的有效感應(yīng)渦流深度越淺?？梢?1)同時或順序?qū)⒍囝l電流提供給(2)圍繞工件、感受器或其中放置有導(dǎo)電材料的坩堝設(shè)置的一個或多個感應(yīng)線圈。針對導(dǎo)電材料，如放置在坩堝中的金屬合成物，希望組合低感應(yīng)頻率和高感應(yīng)頻率以在高頻熔化金屬而在低頻攪拌金屬。針對一些工件的幾何結(jié)構(gòu)，霈要組合低感應(yīng)加熱頻率和高感應(yīng)加熱頻率。例如對于冶煉硬化的齒輪輪齒，已知優(yōu)選感應(yīng)渦流在齒輪中的穿透深度較深的相對低頻(例如，3千赫茲至10千赫茲)來預(yù)加熱齒輪,而優(yōu)選感應(yīng)渦流在齒輪中的穿透深度較淺的相對高頻(例如,30千赫茲到100千赫茲)來進行最后的感應(yīng)加熱。本發(fā)明的一個目的是利用多個頻率之間的高效轉(zhuǎn)換裝置向工件提供多個頻率的感應(yīng)功率。
發(fā)明內(nèi)容在一方面,本發(fā)明是通過將調(diào)諧電容性元件接入逆變器電路或與逆變器電路斷開，或者重新布置逆變器電路中的調(diào)諧電容性元件以向感應(yīng)負載線圈提供不同頻率的功率，從而在兩個或多個頻率下感應(yīng)加煞或熔化工件的設(shè)備和方法。在另一方面，本發(fā)明包括具有第一和第二支路以及連接在第一和第二支路之間的對角支路的逆變器電路。在逆變器電路中設(shè)置有換流元件、至少一個諧振電容性元件以及至少一個調(diào)諧電容性元件。至少一個開關(guān)與至少一個感應(yīng)負載線圈一起設(shè)置在逆變器電路的對角支路中。至少一個開關(guān)用于在逆變器電路中選擇性插入或去除至少一個調(diào)諧電容性元件中的一個或多個，或者在逆變器電路中重新布置至少—個調(diào)諧電容性元件和至少一個諧振電容性元件，因此當(dāng)靠近流過至少一個感應(yīng)負載線圈的交流功率流產(chǎn)生的磁場放置工件時，改變該逆變器電路的諧振頻率，從而以不同的頻率感應(yīng)加熱或熔化該工件。在本說明書和權(quán)利要求書中闡述了本發(fā)明的其它方面。結(jié)合說明書和權(quán)利要求書，了實施本發(fā)明的一個或多個非限制性的方式。本發(fā)明不限于附圖中所示的布局和內(nèi)容。圖1是本發(fā)明的多頻感應(yīng)加熱或熔化設(shè)備的一個示例的簡化原理圖。圖2是本發(fā)明的多頻感應(yīng)加熱或熔化設(shè)備的另一示例的簡化原理圖。圖3是本發(fā)明的多頻感應(yīng)加熱或熔化設(shè)備的另一示例的簡化原理圖。圖4(a)是本發(fā)明的多頻感應(yīng)加熱或熔化設(shè)備的另一示例的簡化原理圖。圖4(b)是圖4(a)中所示多頻感應(yīng)加熱或熔化設(shè)備的另一示例的簡化原理圖，其中與調(diào)諧電容器相關(guān)聯(lián)的開關(guān)包括二極管電橋和開關(guān)元件。具體實施例方式圖1表示本發(fā)明的感應(yīng)加熱或熔化設(shè)備的一個示例。在本發(fā)明的該示例中，諧振橋式逆變器10包括換流元件、諧振電容器、調(diào)諧電容器以及開關(guān)元件。感應(yīng)負載線圈LC實質(zhì)上由該逆變器來供電。具有反向并聯(lián)二極管Dl的換流元件SD1和具有反向并聯(lián)二極管D2的換流元件SD2組成逆變器的第一支路。逆變器的第二支路包括諧振電容器RC1和RC2。調(diào)諧電容器TC1和TC2，以及開關(guān)S1、S2和S3與負載線圈一起形成連接在第一和第二支路的中點之間的逆變器對角支路。盡管利用電感符號來表示，但是感應(yīng)負載線圈LC還展現(xiàn)電路的電阻。在本發(fā)明的其它示例中，還可以用其它方式布置感應(yīng)負載線圈。例如，可以用磁耦合到變壓器副邊線圈的變壓器原邊線圈替換線圈LC,作為圍繞工件放置的線圈。在圖1中，以輸出頻率F工作的逆變器提供的流過負載線圈LC的交流電流在該線圈的周圍建立交流磁場。開關(guān)元件，即開關(guān)Sl、S2和S3，通過在有源電路中選擇性地插入、去除或重新連接調(diào)諧電容器提供用于重新配置逆變器電容量的裝置?？梢詫⒐ぜ蚋惺芷鞣诺皆摯艌龅母浇愿袘?yīng)加熱該工件或感受器，也可以將負載線圈放覽在坩堝的周圍，在坩堝中已經(jīng)放置了導(dǎo)電負載，如熔化的金屬，從而感應(yīng)加熱、熔化和/或攪拌該負載。為了便于引用，術(shù)語"工件"用于表示加熱的工件、感受器或放置在坩堝中的導(dǎo)電材料。此外，關(guān)于本發(fā)明的一個或多個感應(yīng)負載線圈的術(shù)語"圍繞工件"包括工件安放的布置，從而流過一個或多個感應(yīng)負載線圈的交流電流產(chǎn)生的磁場穿透該工件。理想地，為了從逆變器的輸出到負載線圈LC轉(zhuǎn)移的功率為最大值，逆變器的輸出頻率應(yīng)該處于或接近諧振頻率。對于LC電路，根據(jù)下式計算諧振頻率F:其中，L是電路的等效電感，C是諧振電路的等效電容(OJ。參考圖1,優(yōu)選但不限于調(diào)諧電容器TC1和TC2具有實質(zhì)上相同的電容值&，諧振電容器RC1和RC2具有實質(zhì)上相同的電容值Qc。利用這種配置，當(dāng)兩個調(diào)諧電容器和兩個諧振電容器全部串聯(lián)時(開關(guān)S1打開，開關(guān)S2處于位置1，開關(guān)S3處于位置2),可通過下式計算諧振頻率F時的等效電路電容C吣-w印4A11111111111下表示出了相對于上面計算出的Cs,，當(dāng)開關(guān)S1、S2和S3改變位置時，Q的變化以及諧振頻率F的變化<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>因此，在本發(fā)明的非限定性示例中，感應(yīng)加熱或熔化頻率可以在F、0.7F、0.5F之間切換，切換速度依賴于開關(guān)S1、S2和S3的切換速度，開關(guān)根據(jù)具體應(yīng)用要求可以是任何形式，例如電機械的或固態(tài)的。圖2表示本發(fā)明的感應(yīng)加熱或熔化設(shè)備的另一個示例，其中單個開關(guān)S4提供用于切換調(diào)諧電容器TC3和TC4以及諧振電容器RC3和RC4的電路結(jié)構(gòu)的裝置。當(dāng)開關(guān)S4處于圖中所示的打開位置時，調(diào)諧電容器TC3和TC4的串聯(lián)組合與諧振電容器RC3和RC4的串聯(lián)組合相并聯(lián)，當(dāng)開關(guān)S4處于閉合位置時，調(diào)諧電容器TC3和諧振電容器RC3的并聯(lián)組合與調(diào)諧電容器TC4和諧振電容器RC4的并聯(lián)組合相并聯(lián)，因此當(dāng)開關(guān)S4在打開和閉合位置之間變化時，等效負載電路電容與負載電路的諧振頻率一起改變。圖3表示本發(fā)明的感應(yīng)加熱或熔化設(shè)備的另一個示例。在該示例中，具有反向并聯(lián)二極管Di的換流元件sm和具有反向并聯(lián)二極管D2的換流元件SD2組成逆變器的第一支路；具有反向并嫉二極管D3的換流元件SD3和具有反向并聯(lián)二極管D4的換流元件SM組成逆變器的第二支路。調(diào)諧電容器TC5、諧振電容器RC5,以及開關(guān)S5和S6與負載線圈LC一起形成連接在該第一和第二支路的中點之間的逆變器對角支路。在一非限定性示例中，調(diào)諧電容器TC5與諧振電容器RC5具有實質(zhì)上相同電容值C,下表中表示相對于電容值C,當(dāng)開關(guān)S5和S6改變位置時，電容值C的變化以及諧振頻率F的變化<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>圖4(a)表示本發(fā)明的另一個感應(yīng)加熱熔化設(shè)備的示例。在該布置中，具有反向并聯(lián)二極管Dl的換流元件SD1和具有反向并聯(lián)二極管D2的換流元件SD2組成逆變器的第一支路,諧振電容器RC6和RC7組成逆變器的第二支路。調(diào)諧電容器TC6，以及開關(guān)S7和負載線圈LC—起形成連接在第一和第二支路的中點之間的逆變器對角支路。當(dāng)從逆變器提供的交流電流流過感應(yīng)負載線圈時，產(chǎn)生磁場。如上進一步所述，固定工件，從而由流過感應(yīng)負載線圈的交流電流產(chǎn)生的磁場穿透該工件，以感應(yīng)加熱或熔化該工件。在操作中，開關(guān)S7可以打開，如圖中所示，也可以閉合，從而分別在電路中包含調(diào)諧電容器，或者在電路中繞過調(diào)諧電容器。負載線圈的電路阻抗、調(diào)諧電容器(如果在有源電路中提供)和諧振電容器確定了從逆變器的輸出端看到的總負載P且抗。因此，通過閉合開關(guān)S7來短路調(diào)諧電容器TC6將增大電路的等效電容，從而降低電路的諧振頻率。相反，打開開關(guān)S7將減小電路的電容量，從而提高電路的諧振頻率。圖4(b)表示代替圖4(a)中開關(guān)S7的切換裝置的一非限定性示例。在圖4(b)中，用于短路調(diào)諧電容器TC6的切換裝置通過由二極管BD1、BD2、BD3和BD4形成的二極管電橋?qū)崿F(xiàn)，并且跨接在調(diào)諧電容器上。開關(guān)S8,例如晶體管，跨接在電橋的中心上，當(dāng)該開關(guān)閉合時短路調(diào)諧電容器。作為非限定性示例，當(dāng)使用圖4(a)或圖4(b)中的設(shè)備以大約3千赫茲到10千赫茲的低頻和大約30千赫茲到100千赫茲的高頻對工件進行雙頻感應(yīng)加熱時，調(diào)諧電容器TC6的電容量應(yīng)該選擇為比諧振電容器RC6和RC7的電容量小約100倍。盡管在本發(fā)明的上述示例中使用諧振逆變器，但是在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下還可以使用其他的逆變器布置和柘撲。在本發(fā)明的所有示例中，逆變器的輸出可以工作在固定頻率或可變頻率。在本發(fā)明的上述示例中使用的切換裝置包括晶體管或其他固態(tài)元件，典型的例如用絕緣柵雙極晶體管符號表示的換流元件，并且其可以用任何其他適當(dāng)?shù)拈_關(guān)元件來替換。本發(fā)明的示例包括引用具體的電器件。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以通過使用不一定是相同類型的但是可產(chǎn)生所期望的情況或?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明所期望的結(jié)果的器件進行替換來實施本發(fā)明。例如，可以用單個器件替換多個器件，反之亦然。上述示例不限制本發(fā)明的范圍。在所附權(quán)利要求書中進一步給出了所公開的發(fā)明范圍。權(quán)利要求1、用于在多個頻率感應(yīng)加熱或熔化工件的設(shè)備，所述設(shè)備包括逆變器電路，其包括至少兩個換流元件、至少一個諧振電容器及至少一個調(diào)諧電容器；感應(yīng)負載線圈，其從所述逆變器電路接收功率；以及至少一個開關(guān)元件，其用于在所述逆變器電路中選擇性地去除或插入所述至少一個調(diào)諧電容器中的至少一個或者在所述逆變器電路中重新布置所述至少一個諧振電容器和所述至少一個調(diào)諧電容器。2、如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述逆變器電路包括由一對所述至少兩個換流元件組成的第一支路、由一對所述至少一個諧振電容器組成的第二支路，以及由所述至少一個調(diào)諧電容器中的第一和第二調(diào)諧電容器、所述至少一個開關(guān)元件中的第一、第二和第三開關(guān)元件與感應(yīng)負載線圈組成的對角支路，所述對角支路連接在所述第--和第二支路的中點之間。3、如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述至少兩個換流元件包括形成所述逆變器電路的第一支路的一對換流元件；所述至少一個諧振電容器包括形成所述逆變器電路的第二支路的第一和第二諧振電容器；所述至少一個調(diào)諧電容器包括第一和第二調(diào)諧電容器，所述至少—個開關(guān)元件包括第一、第二和第三開關(guān)元件，所述第一和第二調(diào)諧電容器，所述第一、第二和第三開關(guān)元件，以及所述感應(yīng)負載線圈設(shè)置在所述逆變器電路的所述第一和第二支路中點之間的對角支路中，所述第一和第二調(diào)諧電容器每一個具有連接到所述逆變器電路的所述第二支路的中點的第一端子，所述第一開關(guān)元件具有連接到所述逆變器電路的所述第二支路的中點的第一端子，所述第一開關(guān)元件具有連接到所述感應(yīng)負載線圈的第一端子的第二端子，所述感應(yīng)負載線圈的第二端子連接到所述逆變器電路的所述第一支路的中點，所述第二開關(guān)元件具有用于將所述第一調(diào)諧電容器的第二端子選擇性地切換到跨過所述逆變器電路的所述第一支路的第一直流端子、所述第一開關(guān)元件的第二端子或者打開電路的裝置，所述第三開關(guān)元件具有用于將所述第二調(diào)諧電容器的第二端子選擇性地切換到跨過所述逆變器電路的切換部分的所述第一支路的第二直流端子、所述第一開關(guān)元件的所述第二端子或者打開電路的裝置。4、如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述逆變器電路包括由一對所述至少兩個換流元件組成的第一支路、由一對所述至少一個調(diào)諧電容器組成的第二支路以及由一對所述至少一個諧振電容器、所述至少一個開關(guān)元件中的第一開關(guān)元件和所述感應(yīng)負載線圈組成的對角支路，所述對角支路連接在所述第一和第二支路的中點之間。5、如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述至少兩個換流元件包括形成所述逆變器電路的第一支路的一對換流元件；所述至少一個調(diào)諧電容器包括形成所述逆變器電路的第二支路的第一和第二調(diào)諧電容器，所述至少一個諧振電容器包括第一和第二諧振電容器，所述至少一個開關(guān)元件包括第一開關(guān)元件，所述第一和第二調(diào)諧電容器、所述第一開關(guān)元件和所述感應(yīng)線圈負載設(shè)置在所述逆變器電路的所述第一和第二支路中點之間的對角支路中，所述第一開關(guān)元件的第--端子連接到所述逆變器電路的所述第二支路的中點，所述第一開關(guān)元件的第二端子連接到所述第一和第二諧振電容器的第一端子之間的公共點上，所述第一諧振電容器的第二端子跨過所述逆變器電路的所述第一支路連接到第一直流端子，所述第二諧振電容器的第二端子跨過所述逆變器電路的所述第一支路連接到第二直流端子，所述感應(yīng)線圈的第一端子連接到所述第一開關(guān)元件的第二端子，所述感應(yīng)線圈的第二端子連接到所述逆變器電路的所述第一支路的中點。6、如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述逆變器電路包括由第一對所述至少兩個換流元件組成的第一支路、由第二對所述至少兩個換流元件組成的第二支路與由所述至少一個諧振電容器中的第一諧振電容器、所述至少一個調(diào)諧電容器中的第一調(diào)諧電容器、所述至少一個開關(guān)元件中的第一和第二開關(guān)元件及所述感應(yīng)負載線圈組成的對角支路，所述對角支路連接在所述第一和第二支路的中點之間。7、如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述至少兩個換流元件包括第一和第二對換流元件，所述第一對換流元件形成所述逆變器電路的第一支路；所述第二對換流元件形成所述逆變器電路的第二支路；所述至少一個諧振電容器包括第一諧振電容器，所述至少一個調(diào)諧電容器包括第一調(diào)諧電容器，所述至少一個開關(guān)元件包括第一和第二開關(guān)元件，所述第一諧振電容器、所述第一調(diào)諧電容器、所述第一和第二開關(guān)元件以及所述感應(yīng)負載線圈設(shè)置在所述逆變器電路的所述第一和第二支路中點之間的對角支路中，所述第一諧振電容器具有連接到所述逆變器電路的所述第二支路中點的第一端子，所述第一諧振電容器的第二端子連接到所述第一調(diào)諧電容器的第一端子，所述第一開關(guān)元件的第一端子連接到所述第一調(diào)諧電容器的第一端子，所述第一開關(guān)元件的第二端子連接到所述第一調(diào)諧電容器的第二端子，所述第二開關(guān)元件連接到所述感應(yīng)線圈的第一端子，所述第二開關(guān)元件具有用于在所述第一調(diào)諧電容器的第二端子或所述第一諧振電容器的第二端子之間選擇性地切換所述負載線圈的裝置，所述感應(yīng)線圈的第二端子連接到所述逆變器電路的所述第一支路的中點。8、在多個頻率感應(yīng)加熱或熔化工件的設(shè)備，所述設(shè)備包括-感應(yīng)負載線圈；逆變器電路，其包括-包含一對換流元件的第一支路；包含一對諧振電容器的第二支路；以及對角支路，其包含與所述感應(yīng)負載線圈串聯(lián)的至少一個調(diào)諧電容器和與所述至少一個調(diào)諧電容器中的至少一個并聯(lián)的開關(guān)元件，所述對角支路連接在所述逆變器電路的所述第一和第二支路的中點之間。9、如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中切換裝置包括全部跨連在所述至少一個調(diào)諧電容器中的至少一個上的二極管電橋，以及跨接在所述二極管電橋中的每一個的中心上的電橋開關(guān)元件，以有逸擇地繞過全部連接到所述二極管電橋的所述至少一個調(diào)諧電容器。10、用于感應(yīng)加熱或熔化工件的方法，所述方法包括以下步驟構(gòu)成具有第一和第二支路以及對角支路的逆變器電路，逆變器包括至少兩個換流元件、至少一個諧振電容器以及至少一個調(diào)諧電容器；在所述逆變器電路的所述對角支路中插入感應(yīng)負載線圈；在所述逆變器電路的所述對角支路中插入至少一個開關(guān)元件；從所述逆變器電路向所述感應(yīng)負載線圈提供交流功率；以及選擇性地操作所述至少一個開關(guān)元件中的每一個，以改變所述至少一個調(diào)諧電容器和所述至少一個諧振電容器的等效電容。11、用于感應(yīng)加熱或熔化工件的方法，所述方法包括以下步驟-將所述工件至少部分放置在感應(yīng)線圈中，該感應(yīng)線圈設(shè)置在具有至少一個開關(guān)元件的逆變器電路的對角支路中，所述逆變器電路的所述對角支路位于第一和第二支路之間，所述逆變器包括至少兩個換流元件、至少一個諧振電容器以及至少一個調(diào)諧電容器；從所述逆變器電路向所述感應(yīng)線圈提供交流功率；以及選擇性地操作所述至少一個開關(guān)元件中的每一個，以改變所述至少一個調(diào)諧電容器和所述至少一個諧振電容器的等效電容來感應(yīng)加熱或熔化所述工件。全文摘要提供一種用于多頻感應(yīng)加熱工件的設(shè)備和方法。使用開關(guān)元件在電路中添加、去除或重新配置電容性元件以改變電路的諧振頻率，從而將該頻率下的感應(yīng)加熱或熔化功率從電源轉(zhuǎn)移到負載。文檔編號H05B6/08GK101189914SQ200680019787公開日2008年5月28日申請日期2006年5月18日優(yōu)先權(quán)日2005年6月15日發(fā)明者奧列格·S.·菲什曼申請人:應(yīng)達公司