专利名称：：多频感应加热或熔化的制作方法
技术领域：
：本发明涉及感应加热或熔化，其中使用多个频率通过电感应来加热或熔化工件。眾扠不多频感应加热和熔化是一种已知技术。例如参见标题为"高频感应加热方法"的第2，444,259号美国专利。不同的频率导致工件、感受器或置于坩埚内的导电负载中的感应涡流加热深度不同；频率越高，工件、感受器或导电负载中电流的有效感应涡流深度越浅。可以(1)同时或顺序将多频电流提供给(2)围绕工件、感受器或其中放置有导电材料的坩埚设置的一个或多个感应线圈。针对导电材料，如放置在坩埚中的金属合成物，希望组合低感应频率和高感应频率以在高频熔化金属而在低频搅拌金属。针对一些工件的几何结构，霈要组合低感应加热频率和高感应加热频率。例如对于冶炼硬化的齿轮轮齿，已知优选感应涡流在齿轮中的穿透深度较深的相对低频(例如，3千赫兹至10千赫兹)来预加热齿轮,而优选感应涡流在齿轮中的穿透深度较浅的相对高频(例如,30千赫兹到100千赫兹)来进行最后的感应加热。本发明的一个目的是利用多个频率之间的高效转换装置向工件提供多个频率的感应功率。
发明内容在一方面,本发明是通过将调谐电容性元件接入逆变器电路或与逆变器电路断开，或者重新布置逆变器电路中的调谐电容性元件以向感应负载线圈提供不同频率的功率，从而在两个或多个频率下感应加煞或熔化工件的设备和方法。在另一方面，本发明包括具有第一和第二支路以及连接在第一和第二支路之间的对角支路的逆变器电路。在逆变器电路中设置有换流元件、至少一个谐振电容性元件以及至少一个调谐电容性元件。至少一个开关与至少一个感应负载线圈一起设置在逆变器电路的对角支路中。至少一个开关用于在逆变器电路中选择性插入或去除至少一个调谐电容性元件中的一个或多个，或者在逆变器电路中重新布置至少—个调谐电容性元件和至少一个谐振电容性元件，因此当靠近流过至少一个感应负载线圈的交流功率流产生的磁场放置工件时，改变该逆变器电路的谐振频率，从而以不同的频率感应加热或熔化该工件。在本说明书和权利要求书中阐述了本发明的其它方面。结合说明书和权利要求书，了实施本发明的一个或多个非限制性的方式。本发明不限于附图中所示的布局和内容。图1是本发明的多频感应加热或熔化设备的一个示例的简化原理图。图2是本发明的多频感应加热或熔化设备的另一示例的简化原理图。图3是本发明的多频感应加热或熔化设备的另一示例的简化原理图。图4(a)是本发明的多频感应加热或熔化设备的另一示例的简化原理图。图4(b)是图4(a)中所示多频感应加热或熔化设备的另一示例的简化原理图，其中与调谐电容器相关联的开关包括二极管电桥和开关元件。具体实施例方式图1表示本发明的感应加热或熔化设备的一个示例。在本发明的该示例中，谐振桥式逆变器10包括换流元件、谐振电容器、调谐电容器以及开关元件。感应负载线圈LC实质上由该逆变器来供电。具有反向并联二极管Dl的换流元件SD1和具有反向并联二极管D2的换流元件SD2组成逆变器的第一支路。逆变器的第二支路包括谐振电容器RC1和RC2。调谐电容器TC1和TC2，以及开关S1、S2和S3与负载线圈一起形成连接在第一和第二支路的中点之间的逆变器对角支路。尽管利用电感符号来表示，但是感应负载线圈LC还展现电路的电阻。在本发明的其它示例中，还可以用其它方式布置感应负载线圈。例如，可以用磁耦合到变压器副边线圈的变压器原边线圈替换线圈LC,作为围绕工件放置的线圈。在图1中，以输出频率F工作的逆变器提供的流过负载线圈LC的交流电流在该线圈的周围建立交流磁场。开关元件，即开关Sl、S2和S3，通过在有源电路中选择性地插入、去除或重新连接调谐电容器提供用于重新配置逆变器电容量的装置。可以将工件或感受器放到该磁场的附近以感应加热该工件或感受器，也可以将负载线圈放覽在坩埚的周围，在坩埚中已经放置了导电负载，如熔化的金属，从而感应加热、熔化和/或搅拌该负载。为了便于引用，术语"工件"用于表示加热的工件、感受器或放置在坩埚中的导电材料。此外，关于本发明的一个或多个感应负载线圈的术语"围绕工件"包括工件安放的布置，从而流过一个或多个感应负载线圈的交流电流产生的磁场穿透该工件。理想地，为了从逆变器的输出到负载线圈LC转移的功率为最大值，逆变器的输出频率应该处于或接近谐振频率。对于LC电路，根据下式计算谐振频率F:其中，L是电路的等效电感，C是谐振电路的等效电容(OJ。参考图1,优选但不限于调谐电容器TC1和TC2具有实质上相同的电容值&，谐振电容器RC1和RC2具有实质上相同的电容值Qc。利用这种配置，当两个调谐电容器和两个谐振电容器全部串联时(开关S1打开，开关S2处于位置1，开关S3处于位置2),可通过下式计算谐振频率F时的等效电路电容C吣-w印4A11111111111下表示出了相对于上面计算出的Cs,，当开关S1、S2和S3改变位置时，Q的变化以及谐振频率F的变化<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>因此，在本发明的非限定性示例中，感应加热或熔化频率可以在F、0.7F、0.5F之间切换，切换速度依赖于开关S1、S2和S3的切换速度，开关根据具体应用要求可以是任何形式，例如电机械的或固态的。图2表示本发明的感应加热或熔化设备的另一个示例，其中单个开关S4提供用于切换调谐电容器TC3和TC4以及谐振电容器RC3和RC4的电路结构的装置。当开关S4处于图中所示的打开位置时，调谐电容器TC3和TC4的串联组合与谐振电容器RC3和RC4的串联组合相并联，当开关S4处于闭合位置时，调谐电容器TC3和谐振电容器RC3的并联组合与调谐电容器TC4和谐振电容器RC4的并联组合相并联，因此当开关S4在打开和闭合位置之间变化时，等效负载电路电容与负载电路的谐振频率一起改变。图3表示本发明的感应加热或熔化设备的另一个示例。在该示例中，具有反向并联二极管Di的换流元件sm和具有反向并联二极管D2的换流元件SD2组成逆变器的第一支路；具有反向并嫉二极管D3的换流元件SD3和具有反向并联二极管D4的换流元件SM组成逆变器的第二支路。调谐电容器TC5、谐振电容器RC5,以及开关S5和S6与负载线圈LC一起形成连接在该第一和第二支路的中点之间的逆变器对角支路。在一非限定性示例中，调谐电容器TC5与谐振电容器RC5具有实质上相同电容值C,下表中表示相对于电容值C,当开关S5和S6改变位置时，电容值C的变化以及谐振频率F的变化<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>图4(a)表示本发明的另一个感应加热熔化设备的示例。在该布置中，具有反向并联二极管Dl的换流元件SD1和具有反向并联二极管D2的换流元件SD2组成逆变器的第一支路,谐振电容器RC6和RC7组成逆变器的第二支路。调谐电容器TC6，以及开关S7和负载线圈LC—起形成连接在第一和第二支路的中点之间的逆变器对角支路。当从逆变器提供的交流电流流过感应负载线圈时，产生磁场。如上进一步所述，固定工件，从而由流过感应负载线圈的交流电流产生的磁场穿透该工件，以感应加热或熔化该工件。在操作中，开关S7可以打开，如图中所示，也可以闭合，从而分别在电路中包含调谐电容器，或者在电路中绕过调谐电容器。负载线圈的电路阻抗、调谐电容器(如果在有源电路中提供)和谐振电容器确定了从逆变器的输出端看到的总负载P且抗。因此，通过闭合开关S7来短路调谐电容器TC6将增大电路的等效电容，从而降低电路的谐振频率。相反，打开开关S7将减小电路的电容量，从而提高电路的谐振频率。图4(b)表示代替图4(a)中开关S7的切换装置的一非限定性示例。在图4(b)中，用于短路调谐电容器TC6的切换装置通过由二极管BD1、BD2、BD3和BD4形成的二极管电桥实现，并且跨接在调谐电容器上。开关S8,例如晶体管，跨接在电桥的中心上，当该开关闭合时短路调谐电容器。作为非限定性示例，当使用图4(a)或图4(b)中的设备以大约3千赫兹到10千赫兹的低频和大约30千赫兹到100千赫兹的高频对工件进行双频感应加热时，调谐电容器TC6的电容量应该选择为比谐振电容器RC6和RC7的电容量小约100倍。尽管在本发明的上述示例中使用谐振逆变器，但是在不脱离本发明的范围的情况下还可以使用其他的逆变器布置和柘扑。在本发明的所有示例中，逆变器的输出可以工作在固定频率或可变频率。在本发明的上述示例中使用的切换装置包括晶体管或其他固态元件，典型的例如用绝缘栅双极晶体管符号表示的换流元件，并且其可以用任何其他适当的开关元件来替换。本发明的示例包括引用具体的电器件。本领域的技术人员可以通过使用不一定是相同类型的但是可产生所期望的情况或实现本发明所期望的结果的器件进行替换来实施本发明。例如，可以用单个器件替换多个器件，反之亦然。上述示例不限制本发明的范围。在所附权利要求书中进一步给出了所公开的发明范围。权利要求1、用于在多个频率感应加热或熔化工件的设备，所述设备包括逆变器电路，其包括至少两个换流元件、至少一个谐振电容器及至少一个调谐电容器；感应负载线圈，其从所述逆变器电路接收功率；以及至少一个开关元件，其用于在所述逆变器电路中选择性地去除或插入所述至少一个调谐电容器中的至少一个或者在所述逆变器电路中重新布置所述至少一个谐振电容器和所述至少一个调谐电容器。2、如权利要求1所述的设备，其中所述逆变器电路包括由一对所述至少两个换流元件组成的第一支路、由一对所述至少一个谐振电容器组成的第二支路，以及由所述至少一个调谐电容器中的第一和第二调谐电容器、所述至少一个开关元件中的第一、第二和第三开关元件与感应负载线圈组成的对角支路，所述对角支路连接在所述第--和第二支路的中点之间。3、如权利要求1所述的设备，其中所述至少两个换流元件包括形成所述逆变器电路的第一支路的一对换流元件；所述至少一个谐振电容器包括形成所述逆变器电路的第二支路的第一和第二谐振电容器；所述至少一个调谐电容器包括第一和第二调谐电容器，所述至少—个开关元件包括第一、第二和第三开关元件，所述第一和第二调谐电容器，所述第一、第二和第三开关元件，以及所述感应负载线圈设置在所述逆变器电路的所述第一和第二支路中点之间的对角支路中，所述第一和第二调谐电容器每一个具有连接到所述逆变器电路的所述第二支路的中点的第一端子，所述第一开关元件具有连接到所述逆变器电路的所述第二支路的中点的第一端子，所述第一开关元件具有连接到所述感应负载线圈的第一端子的第二端子，所述感应负载线圈的第二端子连接到所述逆变器电路的所述第一支路的中点，所述第二开关元件具有用于将所述第一调谐电容器的第二端子选择性地切换到跨过所述逆变器电路的所述第一支路的第一直流端子、所述第一开关元件的第二端子或者打开电路的装置，所述第三开关元件具有用于将所述第二调谐电容器的第二端子选择性地切换到跨过所述逆变器电路的切换部分的所述第一支路的第二直流端子、所述第一开关元件的所述第二端子或者打开电路的装置。4、如权利要求1所述的设备，其中所述逆变器电路包括由一对所述至少两个换流元件组成的第一支路、由一对所述至少一个调谐电容器组成的第二支路以及由一对所述至少一个谐振电容器、所述至少一个开关元件中的第一开关元件和所述感应负载线圈组成的对角支路，所述对角支路连接在所述第一和第二支路的中点之间。5、如权利要求1所述的设备，其中所述至少两个换流元件包括形成所述逆变器电路的第一支路的一对换流元件；所述至少一个调谐电容器包括形成所述逆变器电路的第二支路的第一和第二调谐电容器，所述至少一个谐振电容器包括第一和第二谐振电容器，所述至少一个开关元件包括第一开关元件，所述第一和第二调谐电容器、所述第一开关元件和所述感应线圈负载设置在所述逆变器电路的所述第一和第二支路中点之间的对角支路中，所述第一开关元件的第--端子连接到所述逆变器电路的所述第二支路的中点，所述第一开关元件的第二端子连接到所述第一和第二谐振电容器的第一端子之间的公共点上，所述第一谐振电容器的第二端子跨过所述逆变器电路的所述第一支路连接到第一直流端子，所述第二谐振电容器的第二端子跨过所述逆变器电路的所述第一支路连接到第二直流端子，所述感应线圈的第一端子连接到所述第一开关元件的第二端子，所述感应线圈的第二端子连接到所述逆变器电路的所述第一支路的中点。6、如权利要求1所述的设备，其中所述逆变器电路包括由第一对所述至少两个换流元件组成的第一支路、由第二对所述至少两个换流元件组成的第二支路与由所述至少一个谐振电容器中的第一谐振电容器、所述至少一个调谐电容器中的第一调谐电容器、所述至少一个开关元件中的第一和第二开关元件及所述感应负载线圈组成的对角支路，所述对角支路连接在所述第一和第二支路的中点之间。7、如权利要求1所述的设备，其中所述至少两个换流元件包括第一和第二对换流元件，所述第一对换流元件形成所述逆变器电路的第一支路；所述第二对换流元件形成所述逆变器电路的第二支路；所述至少一个谐振电容器包括第一谐振电容器，所述至少一个调谐电容器包括第一调谐电容器，所述至少一个开关元件包括第一和第二开关元件，所述第一谐振电容器、所述第一调谐电容器、所述第一和第二开关元件以及所述感应负载线圈设置在所述逆变器电路的所述第一和第二支路中点之间的对角支路中，所述第一谐振电容器具有连接到所述逆变器电路的所述第二支路中点的第一端子，所述第一谐振电容器的第二端子连接到所述第一调谐电容器的第一端子，所述第一开关元件的第一端子连接到所述第一调谐电容器的第一端子，所述第一开关元件的第二端子连接到所述第一调谐电容器的第二端子，所述第二开关元件连接到所述感应线圈的第一端子，所述第二开关元件具有用于在所述第一调谐电容器的第二端子或所述第一谐振电容器的第二端子之间选择性地切换所述负载线圈的装置，所述感应线圈的第二端子连接到所述逆变器电路的所述第一支路的中点。8、在多个频率感应加热或熔化工件的设备，所述设备包括-感应负载线圈；逆变器电路，其包括-包含一对换流元件的第一支路；包含一对谐振电容器的第二支路；以及对角支路，其包含与所述感应负载线圈串联的至少一个调谐电容器和与所述至少一个调谐电容器中的至少一个并联的开关元件，所述对角支路连接在所述逆变器电路的所述第一和第二支路的中点之间。9、如权利要求8所述的设备，其中切换装置包括全部跨连在所述至少一个调谐电容器中的至少一个上的二极管电桥，以及跨接在所述二极管电桥中的每一个的中心上的电桥开关元件，以有逸择地绕过全部连接到所述二极管电桥的所述至少一个调谐电容器。10、用于感应加热或熔化工件的方法，所述方法包括以下步骤构成具有第一和第二支路以及对角支路的逆变器电路，逆变器包括至少两个换流元件、至少一个谐振电容器以及至少一个调谐电容器；在所述逆变器电路的所述对角支路中插入感应负载线圈；在所述逆变器电路的所述对角支路中插入至少一个开关元件；从所述逆变器电路向所述感应负载线圈提供交流功率；以及选择性地操作所述至少一个开关元件中的每一个，以改变所述至少一个调谐电容器和所述至少一个谐振电容器的等效电容。11、用于感应加热或熔化工件的方法，所述方法包括以下步骤-将所述工件至少部分放置在感应线圈中，该感应线圈设置在具有至少一个开关元件的逆变器电路的对角支路中，所述逆变器电路的所述对角支路位于第一和第二支路之间，所述逆变器包括至少两个换流元件、至少一个谐振电容器以及至少一个调谐电容器；从所述逆变器电路向所述感应线圈提供交流功率；以及选择性地操作所述至少一个开关元件中的每一个，以改变所述至少一个调谐电容器和所述至少一个谐振电容器的等效电容来感应加热或熔化所述工件。全文摘要提供一种用于多频感应加热工件的设备和方法。使用开关元件在电路中添加、去除或重新配置电容性元件以改变电路的谐振频率，从而将该频率下的感应加热或熔化功率从电源转移到负载。文档编号H05B6/08GK101189914SQ200680019787公开日2008年5月28日申请日期2006年5月18日优先权日2005年6月15日发明者奥列格·S.·菲什曼申请人:应达公司