技术领域
[0001] 本
发明涉及连续或不连续工件的感应热处理，其中
脉宽调制控制或振幅控制用于控制工件的感应热处理。
背景技术
[0002] 细长工件，如
驱动轴，需要对工件上的所选部件进行热处理。例如，在驱动轴的一端提供的第一部件，如小
齿轮，以及在驱动轴的另一端提供的第二部件，如通用
联轴器。齿轮和联轴器属于不同的物理结构，且需要不同的热处理模式
冶金硬化这些元件。此外，被热处理的部件在热处理之后需要回火，以缓解在部件的材料中的冶金应
力。
[0003] 一种热处理工件和工件上的部件的方法是通过电感应扫描(或累进)的热处理。虽然在其他方案中工件可以是静止的且一个或多个扫描电感(线圈)沿工件的长度方向移动，但是在该方法中工件通常移动穿过一个或多个扫描电感。交流电源施加在扫描电感上以在电感周围产生
磁场。磁场与工件磁耦合以
感应加热工件。随着工件穿过电感，提供给扫描电感的交流电源可以变化。例如，美国
专利3,743,808提出了通过对瞬时功率及瞬时速度与已知的
能量分配图进行比较，控制扫描电感的感应功率和/或扫描速度。工件沿电感移动的速度(扫描速度)可以用于控制与磁场耦合的工件横截面的加热
温度。
[0004] 工件的感应加热穿透深度(感应
电流穿透深度，δ)可以从下面公式计算：
[0005]
[0006] 其中δ的单位是米；ρ是工件的
电阻率，单位是欧姆米；μ是工件的相对磁导率；及F是感应电源供电
频率，单位是赫兹。因此穿透深度反比于所施加电流的频率的平方根。如果工件具有两个部件，第一部件需要加热到较浅的穿透深度(例如2.5毫米)，而第二部件需要加热到较深的穿透深度(例如4.5毫米)，传统的方法是使用具有固定输出频率的逆变器，例如10,000赫兹，实现较浅的穿透深度。从上式可以得出，用于工件第二部件的较深穿透深度的逆变器输出频率应当低于10,000赫兹，但是由于频率是固定的，第二部件的感应加热扫描必须减慢，从而通
过热传导到第二部件实现较深的热穿透。此外，由于扫描速度较慢，逆变器对感应线圈的输出功率必须降低，以避免第二部件表面过热。而且被热处理的部件需要回火，以降低部件中的
应力。通常，先在在第一遍扫描中用低功率和固定的高频率热处理部件，然后在第二遍扫描中用固定的低频率加热以对部件进行回火。
[0007] 本发明的目的是变化逆变器的输出频率，同时通过脉宽调制调整逆变器的输出功率等级，按照要求在对工件的感应扫描中以不同的穿透深度感应热处理和/或回火工件的各个部件。
[0008] 本发明的另一目的是控制电源的输出频率以通过控制穿透深度实现最佳感应加热。
[0009] 本发明的另一目的是在通过脉宽调制或振幅控制调节逆变器的输出功率级的同时按需改变逆变器的输出频率以对工件感应热处理和/或回火到变化的程度。
发明内容
[0010] 一方面，本发明是根据穿过扫描线圈移动的工件横截面的加热要求，为扫描感应线圈提供具有可变频率和占空比的交流电的装置和方法。
位置检测装置，如伺服
电机，可以用于提供处理器的输入，处理器比较输入的工件瞬时位置与存储在工件位置表中的值，每一个工件位置值可以与频率、功率等级和持续时间相关联，持续时间对应于在该位置要求施加的
热能。在本发明的
实施例中，处理器使用向逆变器的
开关门控
电路输出脉宽调制命令的
算法，从而逆变器的
电压脉宽减小从而导致逆变器输出的功率降低，以抵消在较低频率逆变器输出功率的增加。反之，逆变器的电压脉宽增大从而导致逆变器输出的功率升高，以抵消在较高频率逆变器输出功率的减少。
[0011] 另一方面，本发明为基于移动穿过线圈的工件截面的加热要求向感应线圈提供具有变化的频率和占空比或振幅控制的交流电的装置及方法。
[0012] 本发明的其他方面在该
说明书和所附
权利要求书中阐明。
附图说明
[0013] 结合附图阅读，可以更好地理解上述的发明内容以及以下的具体实施方式。为了说明本发明，在附图中表示了本发明的优选实施例的形式，但是本发明不限于在下列附图中公开的具体方案和装置：
[0014] 图1是本发明扫描感应加热装置的实施例的简化原理图。
[0015] 图2是与本发明扫描感应加热装置共同使用的电源和负载电路的实施例的简化原理图。
[0016] 图3(a)和图3(b)说明了应用脉宽调制使逆变器的输出从全功率变化到半功率。
[0017] 图4(a)说明了无脉宽调制时随逆变器的输出频率变化而变化的负载电流幅值。
[0018] 图4(b)说明了无脉宽调制时随逆变器的输出频率变化而变化的负载功率幅值。
[0019] 图4(c)说明了无脉宽调制时随逆变器的输出频率变化而变化的负载电阻。
[0020] 图4(d)说明了无脉宽调制时随逆变器的输出频率变化而变化的负载电路品质因数Q。
[0021] 图5(a)说明了逆变器输出频率是3,000赫兹及无脉宽调制时，逆变器
输出电压和负载电流之间的关系。
[0022] 图5(b)说明了逆变器输出频率是10,000赫兹及无脉宽调制时，逆变器输出电压和负载电流之间的关系。
[0023] 图5(c)说明了逆变器输出频率是30,000赫兹及无脉宽调制时，逆变器输出电压和负载电流之间的关系。
[0024] 图6说明了在本发明的实施例中使用脉宽调制时，逆变器输出电压和负载电流之间的关系。
[0025] 图7是说明本发明的感应功率控制方案的实施例的简化
流程图，用于在扫描期间随逆变器输出频率的变化控制扫描感应功率。
[0026] 图8是与本发明感应加热装置共同使用的电源和负载电路的另一例子的部分简化示意图，其中在逆变器输出和负载电路之间使用阻抗匹配装置。
[0027] 图9是与本发明感应加热装置共同使用的电源和负载电路的另一例子的简化示意图。
[0028] 图10是与本发明感应加热装置共同使用的电源和负载电路的另一例子的简化示意图。
具体实施方式
[0029] 在附图中表示了本发明的扫描感应加热装置的实施例。图1中逆变器10通过合适的导电体如汇流条向扫描电感(线圈)12提供单相交流电。逆变器的直流输入可以来自合适的直流电源。电感可以包括该技术领域公知的任何类型的电感，例如可以是单
匝或多匝电感，或者连接到一个或多个交流电源的多个独立电感组件。工件14由穿过电感移动工件的装置
支撑就位，例如其可以是具有延伸臂16a的螺杆传动组件16，以支撑工件的两端。可选地，工件可以是静止的，而沿工件移动电感，或者采用工件与电感二者的组合和配合运动。还可以提供用于旋转工件的装置，如电机18，用于随着工件沿电感移动旋转工件。位置检测装置，如伺服机构20，向处理器22提供位置输出
信号21。位置
输出信号指示在电感内工件横截面的Y轴位置(也就是说与电感中电流产生的磁场有效耦合的工件截面)。
[0030] 在本发明的一些例子中，阻抗匹配装置40可提供在逆变器10的输出和负载电路之间，如图8中所示。给逆变器的直流输入可以为如图2中所示或任何其它适当的方法。有源和/或无源电路元件可用于阻抗匹配装置。作为例子，但非限制，可使用定比
变压器或
自耦变压器、或具有多个抽头及抽头改变装置的变压器或自耦变压器，以在逆变器的输出和负载电路之间的阻抗匹配中提供另外的灵活性。或者，阻抗匹配装置可使用有源电路元件或有源和无源电路元件的组合，以在负载的阻抗变化时实现动态阻抗匹配。例如，一个或多个逆变器输出功率参数和/或负载电参数可被感测并输入给动态阻抗匹配电路以动态调节阻抗。阻抗匹配装置40可结合本发明的任何其它例子使用。
[0031] 工件可以具有一个或多个部件，如部件14a、14b和14c，其需要感应加热电源的不同电流穿透深度，用于在这些部件穿过电感时进行热处理和/或回火。这些部件之间的工件区域可以需要或不需要热处理。多个部件可以相互分离，如图1所示，或者相互邻接。
[0032] 处理器22处理来自位置检测装置的输出信号，以确定相对于感应线圈在输入的工件位置要达到的感应加热的功率等级、频率和持续时间，如下进一步所述。
[0033] 图2是与逆变器10共同使用的交流-直流电源的实施例的简化原理图，其说明了向逆变器提供直流电的方法。
整流器部分30包括在线路A、B和C上具有交流输入的全波桥式整流器32，交流输入由合适的电源提供，如公用电源。
滤波器部分34包括限流电抗器LCLR和直流滤波电容CFIL。逆变器部分10包括四个开关元件S1、S2、S3和S4，以及分别关联的反并联
二极管D1、D2、D3和D4。每一个开关元件可以是任何的合适的固态元件，如
绝缘栅双极晶体管(IGBT)。连接到逆变器10的输出的负载电路包括扫描电感LCOIL和工件14，当工件或电感相对运动时，工件具有的区域或部件与在电感周围产生的磁场耦合。工件和扫描电感的电阻(RCOIL)包括负载阻抗RLOAD。
[0034] 图3(a)说明了无脉宽调制时图2所示桥式逆变器的典型输出电压
波形(全VOUT)。逆变器开关S1和S4在第一周期T1导通，逆变器开关S2和S3在非重叠的第二周期T1导通，以产生所示全输出电压波形，其频率为1/2T1。图3(b)说明了占空比(α)为50％时桥式逆变器的典型输出电压波形(半VOUT)。逆变器的每一个开关连续导通相同的周期T1，如图
3(a)所示，但是开关S3和S4的导通周期超前半个周期(也就是说占空比等于50％)，以产生如图所示全输出电压的一半。以这种安排方式，负载每半个周期
短路一次。改变开关S3和S4同时导通周期的持续时间产生不同值的占空比。由于功率是正比于电压的平方，所以施加在电感上的功率将随着占空比的改变而改变。在本发明中，变频控制通过改变周期T1实现，同时通过改变占空比调整电压(功率)的幅值。
[0035] 具有可变输出频率的电源不使用本发明的脉宽调制控制时，对电源输出特性的影响如图所示，其具有用于特定工件的基准负载电路。对于在635伏(VOUT)下输出功率(P(fO))为100,000瓦和频率(fO)为10,000赫兹的逆变器，基准负载电路特性如下建立：
[0036] 逆变器负载电感LO＝30×10-6亨；
[0037] 逆变器负载电阻RO＝0.4欧；及
[0038] 负载电路品质因数QO＝(2·π·fO·LO)/RO＝4.712。
[0039] 基准峰值负载电流IO可从公式(1)计算得出，为772.45安：
[0040]
[0041] 图4(a)说明了随着逆变器的输出频率f增大，归一化到基准电流的电感电流I(f)减小，其可以从公式(2)计算：
[0042]
[0043] 图4(b)说明了随着逆变器的输出频率f增大，归一化到基准功率的感应加热功率减小，其可以从公式(3)计算：
[0044]
[0045] 图4(c)说明了随着逆变器的输出频率f增大，负载电阻R(f)增大，其可以从公式(4)计算：
[0046]
[0047] 图4(d)说明了随着逆变器的输出频率f增大，负载电路的品质因数Q增大，其可以从公式(5)计算：
[0048]
[0049] 图5(a)-5(c)说明了图4(a)-4(d)中具体实施例的一般化关系，其中没有使用本发明的脉宽调制控制。图5(c)的图形表示无脉宽调制控制时，运行在额定满功率和30,000赫兹的频率下，逆变器的输出电压和电流。
[0050] 在图5(a)中，逆变器的输出频率降低到3,000赫兹，无脉宽调制的电流(和功率)输出比较高。在本发明中，通过使用比较大的占空比，逆变器输出的脉宽调制控制可以用于降低逆变器的功率输出。
[0051] 在图5(b)中，逆变器的输出频率是10,000赫兹，输出功率低于无脉宽调制控制时3,000赫兹下的输出功率，但是仍然高于图5(c)中所示逆变器的额定全功率(电流)。在本发明中，逆变器输出的脉宽调整控制使用的占空比低于3,000赫兹时的占空比，从而保持额定值或低于额定值的逆变器功率输出。
[0052] 通常，在本发明中，脉宽调制控制用于改变任何运行频率下的逆变器输出功率，该运行频率是无脉宽调制控制时产生的频率。通常，占空比随着频率的减小而减小以降低逆变器的输出功率，且占空比随着频率的增大而增大以提高逆变器的输出功率。
[0053] 图6进一步说明了有脉宽调制控制时负载电流的特性。当逆变器输出电压非零时，负载电流ILOAD可从公式(6)计算：
[0054]
[0055] 当逆变器输出电压为零时，负载电流可从公式(7)计算：
[0056]
[0057] 其中，IINITIAL是当逆变器输出电压过零时的电流幅值。
[0058] 从图6可知，当输出电压为零时，占空比越小，在负载电流跌落之前的负载电流(和功率)的峰值越小。反之，当输出电压为零时，占空比越大，在负载电流跌落之前的负载电流(和功率)的峰值越大。
[0059] 图7说明了用于本发明的扫描感应加热方法的非限定性实施例的简化流程图。该流程图中确定的程序可以在计算机
软件中实现，该计算机软件可以用合适的
硬件执行。在步骤100输入代表电感12中的工件(WP)位置的工件扫描坐标(Y)。在步骤102输入用于位置Y的感应加热的功率(PY)、频率(FY)和时间(TY)值。这些值可以提前存储在存储装置中，例如基于用感应加热装置实验性测试工件所得的值的查询表。可选地，扫描感应装置的操作员可以手动输入这些值，或者使用其他的方法确定用于工件每一位置的感应热处理所需的频率、功率等级和可变时间值(如果需要)。步骤104从公式(8)计算用于逆变器的所需占空比(DCY)：
[0060] DCY(百分数)＝[PY/P(FY)]×100
[0061] 其中，P(FY)从公式(3)中按合适的基准负载电流计算，基准负载电路由需感应热处理的实际工件确定。
[0062] 步骤106控制电源开关器件的通断，以实现所需的输出频率和占空比。在该非限定性实施例中，步骤106向逆变器开关的门控电路输出逆变器的门控信号，以获得要求的频率FY和占空比DCY。步骤108确定实际测得的输出功率是否为设定的功率PY。实际测得的输出功率可以使用合适的检测装置输入。如果实际测得的输出功率不等于要求的设定功率，则在步骤110适当调整占空比，并重复步骤108。如果实际测得的功率等于要求的设定功率，则在步骤112检查设定时间TY是否已经期满。如果设定时间还没有期满，则重复步骤108。如果设定时间已经期满，则在步骤114向工件
定位系统输出
控制信号，以将工件前移到感应热处理的下一个递增位置并返
回执行步骤100。在本发明的另一实施例中，对于电感内工件上的所有位置，每一位置Y的感应加热时间是相同的；对于这种安排，频率控制和随着频率变化的占空比控制可用于感应加热电感的每一位置，因为每一个位置是以恒定的速度步进穿过电感。
[0063] 在本发明的另一实施例中，可以预先确定工件穿过电感的移动和定位，例如，感应扫描装置顺序热处理多个相同的工件。在这些安排中，在工件的每一位置的功率、频率、时间和占空比设置可以通过工件与本发明的感应扫描装置的试验测试预先确定，执行不需要进一步输入或计算任何或全部值，这些值用于感应加热装置热处理每一个连续的相同工件。在电感中工件零件或部件的递增或连续定位可以用工件或电感的不连续的步进移动实现，或同
时移动二者实现，既可以微小的步进，类似于工件或电感的连续运动，也可以大幅的视觉可辨别的步进运动。术语“所选零件”、“多个部件”和“区域”描述放置在电感内工件的截面，该电感用于以可变的频率和占空比进行热处理，当零件、部件和区域沿电感通过时，本发明包括变化的频率和/或占空比。随着零件、部件和区域的一部分通过电感，可以用变化的频率和占空比对每一个零件、部件和区域的该部分进行热处理。
[0064] 在本发明的其他实施例中，随着逆变器的输出频率在给定的工件位置变化，脉宽调制控制可以用于控制逆变器的输出功率，从而实现对工件的部件进行热处理和回火。进一步地，连续热处理部件，包括工件，不限于以固定在工件上的部件的顺序进行连续热处理。例如，参考图1中的工件14，部件14a、14b和14c固定，并按该顺序穿过电感12进行连续的热处理。可选地，例如部件14a、14c和14b可以固定，并按该顺序穿过电感12进行连续的热处理。
[0065] 在本发明的其它例子中，脉宽调制控制可用于在逆变器的频率变化时控制逆变器的功率输出，如在此所公开的，以优化各种类型的工件在进行各种类型的感应热处理时的感应加热效果，感应热处理例如但不限于
表面热处理、具有可变工件穿透深度一直到完全核心加热的穿透热处理、或材料应用热处理，例如通过感应加热实现施加到工件表面的涂层材料的粘合。工件可以是连续工件，例如各种尺寸的带、金属丝或管，或中空或实心；或可以是不连续工件如实心部分、管状部分、矩形或正方形
块或任何其它形状，这些工件要求完全或部分感应加热以实现工件冶金结构或特征的改变，或使能在涂覆、
铜焊或扩散时将材料施加到原始工件上。
[0066] 例如，连续工件例如但不限于金属丝可连续馈送穿过一个或多个电感器，该电感器直接或经阻抗匹配装置连接到逆变器的输出。可提供适当的装置用于馈送金属丝穿过一个或多个电感器，例如但不限于一个或多个电感器一侧上的金属丝供带盘及一个或多个电感器另一侧上的电源驱动的卷带盘。连续的金属丝可表示为通过一个或多个电感器的连续工件截面的连续前进，而脉宽调制控制用于随逆变器的频率变化控制逆变器的功率输出以对通过一个或多个电感器的每一前进的截面实现所希望类型的热处理。此外，在本发明的其它例子中，工件的一个或多个参数例如但不限于金属丝的每一前进的截面的截面直径可在馈送穿过一个或多个电感器之前动态地感测到，使得与标称截面直径的偏差可被感测到并用于随截面直径偏离标称直径而调节脉宽调制控制和频率，从而在前进的截面中实现所希望的感应热处理。通过该方法，例如，在工件的前进的截面的直径偏离标称值的同时，均匀感应加热的表面温度可保持一致。前进的截面的截面直径的感测例如可通过适当定位在金属丝周围的激光观测阵列完成。截面直径是工件的一个参数变化的代表，其可被感测以调节本发明的脉宽调制控制和频率。此外，金属丝移动穿过一个或多个电感器的速度可被改变以调节每一前进的截面与流过一个或多个电感器的电流产生的磁场耦合的时间段，从而对每一或前进的截面实现所希望的感应热处理。在本发明的其它例子中，一个或多个感应线圈也可独自或与工件的移动结合沿工件长度方向移动。
[0067] 对于不连续工件，一系列不连续工件可通过适当的传送装置馈送穿过一个或多个感应线圈，而每一不连续工件的每一前进的截面的热处理可以与上述连续工件的热处理类似的方式实现。在一些应用中，不连续工件可个别馈送穿过一个或多个感应线圈，或者工件可保持固定不动及一个或多个线圈可沿工件的长度方向移动，或者可使用工件和一个或多个感应线圈的协同移动。
[0068] 在本发明的其它例子中，振幅控制，，可用于在任何工作频率自没有振幅控制(或独自地或与脉宽调制控制结合)的情况改变逆变器的输出功率。
[0069] 实现振幅控制的一种方法在图9中所示的简化示意图中示出。整流器32a可由有源开关元件33a-33f组成，如
硅控整流器，适当整流器的直流输出电压的振幅(逆变器10的输入)可通过控制有源开关元件改变以提供与来自逆变器10的变频输出结合的逆变器输出振幅控制。
[0070] 或者，斩波调节器，由图10中的非限制性示例性斩波调节器电路42表示，可用于向逆变器10的输入提供调节的直流功率以在任何工作频率改变逆变器没有振幅控制情况的输出功率。
[0071] 或者，在本发明的任何上述例子中，振幅控制可代替脉宽调制控制。
[0072] 值得注意的是提供上述实施例仅是为了说明的目的，决不解释为限制本发明。同时本发明参考了不同的实施例进行描述，可以理解在此所使用的词语是描述和说明性的词语，而不是限定性的词语。进一步地，虽然在此参考了具体的装置、材料和实施例说明本发明，但是本发明不受在此公开的细节限制，而且本发明包含所附权利要求书的范围、所有功能相当的结构、方法和用途。本领域的技术人员，利用本发明说明的内容可以做出不脱离本发明各方面的范围和精神的大量
修改和变化。
