本申請要求2014年3月21日提交的美國臨時申請案第61/968,657號的利益，在此引用其全部內容并入本文中。
技術領域
本發明涉及用于同時感應加熱位于電感組件兩側的兩個分開的工件的雙面平板型電感組件。
背景技術：
在一些制造工藝中通過電感應同時加熱兩個分開的工件是有利的，例如，這兩個工件可以相互不同并且加熱之后被接合在一起。
美國專利第6,825,450 B2(Ribeiro等人)號公開了這種制造工藝的一個示例，其中，兩個分開的工件是活塞的上冠部，以及第二部分是活塞的下冠部，下冠部與上冠部互補，并且當將它們連接在一起時形成活塞。上冠部也可以稱為冠部，并且下冠部也可以稱為裙部。首先將上冠部和下冠部的互補側加熱，例如，通過電感應加熱，然后將它們接合在一起，例如，將上冠部和下冠部的互補側同時按壓并且扭轉在一起。美國專利第6,637,642 B1(Lingnau)號公開了一種這種接合工藝。同時加熱上冠部和下冠部以為后續焊接工藝在上冠部和下冠部上提供相似的加熱外形(profile)是有利的，焊接工藝將上冠部和下冠部接合在一起。
本發明的一個目的是提供雙面平板型電感組件，用于在制造工藝中同時感應加熱兩個分開的工件。
本發明的另一個目的是提供雙面平板型電感組件，用于在制造工藝中同時感應加熱兩個分開的工件的互補側或互補面，以及將電感組件迅速撤回遠離兩個分開的工件的互補側以便于接合加熱的互補側。
技術實現要素：
在一方面，本發明是一種雙面平板型電感組件(double-side flat inductor assembly)，用于當將雙面平板型電感組件放置在兩個分開的工件之間時，同時加熱這兩個分開的工件。
在另一方面，本發明是用于當將雙面平板型電感組件放置在兩個分開的工件之間時，同時加熱這兩個分開的工件的雙面平板型感應器組件，以及在兩個分開的工件之間插入和取出雙面平板型電感組件的裝置和方法。
在另一方面，本發明是一種高速的電感取出裝置和方法，將電感定位在工件感應加熱位置與工件非介入位置之間。
在附圖和權利要求中提出本發明的以上和其它方面。
附圖說明
如以下簡要概括的，提供附圖用于示例性理解本發明，并不是用于限制本發明。
圖1(a)是本發明的雙面平板型電感組件的一個示例的第一工件側面的側面主視圖。
圖1(b)是穿過圖1(a)中的線1-1的雙面平板型電感組件的橫截面圖。
圖2是圖1(a)中示出的雙面平板型電感組件的第一工件側面的側面立體圖。
圖3(a)是本發明的雙面平板型電感組件的一個示例的第二工件側面的側面主視圖。
圖3(b)是穿過圖3(a)中的線3-3的雙面平板型電感組件的橫截面圖。
圖4是圖3(a)中示出的雙面平板型電感組件的第二工件側面的側面立體圖。
圖5是圖1(a)至圖4中示出的雙面平板型電感組件的端部主視圖。
圖6是從本發明的雙面平板型電感組件的電感框架移除的第一工件電感的一個示例的側面主視圖，其中第二工件電感位于第一工件電感后面。
圖7是從其電感框架移除的第一工件電感和第二工件電感的一個示例的端部主視圖。
圖8是從本發明的雙面平板型電感組件的電感框架移除的第二工件電感的一個示例的側面主視圖，其中第一工件電感位于第二工件電感后面。
圖9是圖2中示出的雙面平電感組件的第一工件側面的側面立體圖，其中第一工件鄰近用于感應加熱的第一工件電感的面。
圖10是圖4中示出的雙面平電感組件的第二工件側面的側面立體圖，其中第二工件鄰近用于感應加熱的第二工件電感的面。
圖11是雙面平板型電感組件的第一側面和第二側面的一個示例的端部主視圖，其中第一工件和第二工件分別鄰近第一工件電感和第二工件電感的面。
圖12(a)和圖12(b)繪示了用于本發明的一個示例中的第一工件電感的一個示例。
圖12(c)和圖12(d)繪示了用于本發明的一個示例中的第二工件電感的一個示例。
圖13(a)是用于雙面平板型電感組件的本發明的雙面電感取出組件的一個示例的前主視圖。
圖13(b)是圖13(a)中示出的雙面電感取出組件的一個示例的后主視圖。
圖13(c)是圖13(a)中示出的雙面電感取出組件的一個示例的側視圖。
圖13(d)是圖13(a)中示出的雙面電感取出組件的一個示例的前立體圖。
圖14(a)是附接至圖13(a)至圖13(d)中示出的雙面電感取出組件的位于感應加熱位置的本發明的雙面平板型電感組件的一個示例的前主視圖。
圖14(b)是附接至圖14(a)中示出的電感取出組件的雙面平板型電感組件的前立體圖。
圖14(c)是附接至圖14(a)中示出的電感取出組件的雙面平板型電感組件的側面立體圖。
圖14(d)是附接至圖14(a)中示出的電感取出組件的本發明的雙面平板型電感組件的一個示例的前立體圖，其中第一工件和第二工件位于感應加熱位置。
圖14(e)是附接至圖14(a)中示出的電感取出組件的本發明的雙面平板型電感組件的側面主視圖，其中第一工件和第二工件位于感應加熱位置。
圖15(a)是附接至電感取出組件的一個示例的雙面平板型電感組件的前立體圖，其中電感組件和取出組件位于感應后加熱(induction post-heat)取出位置。
圖15(b)是附接至圖15(a)中示出的雙面電感取出組件的雙面平板型電感組件的側面視圖。
圖15(c)是附接至圖15(a)中示出的雙面電感取出組件的具有第一工件和第二工件的雙面平板型電感組件的后立體圖。
圖15(d)是附接至圖15(a)中示出的雙面電感取出組件的具有第一工件和第二工件的雙面平板型電感組件的側面主視圖。
圖16是表示附圖中示出的雙面電感取出組件的實施例的圖解電路圖。
具體實施方式
圖1(a)至圖12(d)繪示了本發明的雙面平板型電感組件10的一個實施例，雙面平板型電感組件10包括分別安裝在第一電感框架16和第二電感框架18上的第一工件電感12和第二工件電感14。為了方便，將該示例中的第一個工件90a也稱為裙部，相應地在一些附圖中將第一工件電感框架16標示為“SKIRT”(裙部)。類似地，將該示例中的第二工件90b稱為冠部，相應地在一些附圖中將第二工件電感框架18標示為“CROWN”(冠部)。根據特定應用中的需要配置電感框架，并且將其標示在一個實施例中的附圖中。
如在本發明的一個實施例中示出的，第一工件電感12包括第一電感端子部12a(也稱為裙部電感腳12a)、第一電感上立部12b(也稱為裙部電感腿12b)和第一電感線圈部12c(也稱為裙部線圈12c)。
如在本發明的一個實施例中示出的，第二工件電感14包括第二電感端子部14a(也稱為冠部電感腳14a)第二電感上立部14b(也稱為冠部電感腿14b)和第二電感線圈部14c(也稱為冠部線圈14c)。
第一電感上立部和第二電感上立部在其它實施例中是可選的，其是用于，如果需要將電感線圈部與電感端子部物理地分開時，則分別將第一電感線圈部電互連至第一電感端子部，將第二電感線圈部電互連至第二電感端子部。
在本發明的該實施例中，將第一電感線圈部12c和第二電感線圈部14c的每一個成形為螺旋卷繞的感應線圈(或電感)，有時將其稱為“扁平”線圈。螺旋卷繞的電感的匝之間的間隔可以基于被加熱的工件的幾何結構而改變。例如，線圈的所有匝之間的對稱間隔可以引起電磁環效應，被加熱處理的工件面的內部徑向區域產生的磁場比外部徑向區域的磁場更強。在本發明的一些實施例中，為了補償，外匝線圈可以比內匝線圈間隔的更緊密。例如，在圖1(a)中，第一電感線圈部的兩個外匝12c’和12c”彼此間隔更緊密，并且與單個內線圈匝12c”’間隔更遠，從而沿工件的表面(或面)提供更均勻的感應加熱，其中，相對于工件的表面在線圈位置具有減小的敏感度。在本發明的其它實施例中，可以提供其它的線圈匝設置以補償特定應用中第一工件或第二工件的選定區域。
通常可以將第一電感線圈段和第二電感線圈段(如本文中公開的)稱為平面定向的線圈段，其兩個平面定向的線圈段彼此相對地平面放置。從平面的偏移，例如，本文中描述的仿形(profiling)在平面定向的線圈段的術語的范圍內。盡管附圖中示出的電感線圈段的實施例是環形，但是在本發明的其它實施例中可以利用其它配置。在其它實施例中，可以將整個第一工件電感和整個第二工件電感稱為平面定向電感，其中兩個平面定向的電感彼此相對地平面放置。
將第一工件電感和第二工件電感合適地電接合在一起，例如，通過焊接在第一電感端子段12a和第二電感端子段14a之間形成串聯電路。將第一工件電感12和第二工件電感14電連接成串聯電路，如圖16圖解示出的，用于定向流過電感的電流，其允許由每個電感產生的磁通量相互補償，而不允許交流電流強度的最大強度向兩個電感的各自匝轉移，否則會導致第一(裙部)工件90a和第二(冠部)工件90b的各自區域的加熱效率急劇下降。
如圖16所示，第一電感上立段12b包括上立-線圈接口子段12b’。類似地，在圖8中，第二電感上立段14b包括上立-線圈接口子段14b’。在本發明的該實施例中，冠部電感腳14a優選地在電感組件的裙部SKIRT側與裙部電感腳12a的外表面齊平，從而利于連接至單相交流電源(圖中沒有示出)。
在本發明的該實施例中，如圖6、圖7和圖8所示，裙部線圈12c的內部線圈端子12c’通過電連接元件13電連接至冠部線圈14c的內部線圈端子14c’，如同以上所述，其可以如下實現：通過焊接第一電感線圈和第二電感線圈的內部線圈端子從而在裙部端子段12a和冠部端子段14a之間的裙部電感12和冠部電感14之間形成串聯電路，其被連接至合適的單相交流電源的輸出。通過合適的方式，例如通過焊接(即裙部電感12的內部線圈端子和冠部電感14的內部線圈端子之間形成焊接接頭)，可以實現將內部線圈端子12c’電連接至內部線圈端子14c’。串行電連接這兩個電感線圈的可替換裝置可以是，例如，連接在內部線圈端子或用于其它電感線圈配置的其它線圈端子之間的電電感。
將合適的中間電絕緣材料94(例如，由形成的)根據需要放置在：(1)裙部電感腳12a、裙部電感腿12b和裙部線圈12c之間；以及(2)冠部電感腳14a、冠部電感腿14b和冠部線圈14c之間，以提供裙部電感12和冠部電感14之間的電隔離元件。可以在本發明的其它實施例中利用任何其它類型的絕緣材料(介電的)，以提供裙部電感和冠部電感之間的電隔離。
在本發明的該實施例中，第一電感框架16和第二電感框架18的每一個由諸如酚醛板或電絕緣板等非導電材料形成。
本發明的該示例中，圖1(b)在橫截面中分別繪示了：內裙部集中器12d和內冠部集中器14d；裙部中央栓12e和冠部中央栓14e；以及裙部線圈12c和冠部線圈14c。如圖1(b)中所示，當裙部集中器和冠部集中器與各自的電感線圈段的內匝的加熱面(12cface或14cface)齊平時，在各自的電感線圈段上提供最大磁場強度。如果需要加熱處理的特定工件表面的內部面太熱，那么可以重新放置內部集中器或重新設定其尺寸，以減小電感線圈段的內匝的加熱效率，從而提供控制感應加熱處理的手段，從而可以調整徑向內工件面和外工件面之間加熱的失衡。例如，該實施例中使用的一個或多個L形集中器可以使其鄰近各自的加熱面的頂部縮短，以選擇性地減小用于特定加熱應用的磁場強度。在本發明的其它實施例中，集中器可以不是L形的，從而與特定感應加熱應用相適應。
圖3(b)在本發明的該示例的橫截面中分別繪示了：將裙部電感腳12a與冠部電感腳14a分隔開的電絕緣材料92和電絕緣材料92b。圖9和圖10也繪示了，本發明的實施例中冠部電感腳14a如何與位于圖9中的電感組件的裙部SKIRT側的裙部電感腳12a的外表面齊平，從而便于直接(圖中沒有示出)或通過本文中描述的取出組件連接至單相交流電源，同時裙部電感腳12a不延伸到冠部電感側，如由圖10中的冠部電感框架18中的開口空間18b指示的。
第一工件電感組件和第二工件電感組件的框架可以是例如螺栓(或者其它合適的緊固裝置)結構。
在本發明的該實施例中，圖9和圖10繪示了位于對其感應加熱的裙部線圈12c上的第一(裙部)工件90a，以及同時被感應加熱的位于冠部線圈14c上的第二(冠部)工件90b，在圖11中的端部視圖中，凹陷的裙部線圈和冠部線圈是不可見的。
在本發明的該實施例中，裙部電感線圈12c和冠部電感線圈14c分別凹陷在裙部電感框架16中和冠部電感框架18中，例如，由圖2和圖4中分別由框架凹陷區域16a和框架凹陷區域18a指示的。
在本發明的該實施例中，工件中的任何一個的幾何結構可以是不均勻的，并且在工件的各個徑向象限的質量具有實質變化。質量的這些變化在加熱期間會產生加熱不均衡。為了對此補償，可以在角徑向象限中對各個電感線圈段的加熱表面壓型，從而形成與變化的質量的不同工件象限相關聯的壓型段或壓型區域。因此，必須以指定方向將工件放置在感應加熱位置，以維持所需的電感線圈段。
可以將電感組件10連接至制動器裝置，其將電感組件移動到第一工件和第二工件之間的加熱位置(圖11中所示)以及向下的撤回位置(在負Z方向)，從而可以將面向裙部90a和冠部90b的被加熱的表面同時拉到一起(在X方向的反方向)并且關于X軸扭轉，以接合裙部90a和冠部90b。可替換地，在其它實施例中，可以使兩個工件中的一個保持靜止，并且移動另一個工件以將其向靜止的工件推壓。
在圖13(a)至圖13(d)的本發明的一個實施例中，繪示的制動器裝置為雙面電感取出組件30。主磁性裝置32a合適地安裝在諸如可由電介質形成的主安裝盤81的固定結構上。還可以將主供應電導體86a和86b安裝在主安裝盤81上(在該實施例中通過支柱81)。在該示例中將主供應電導體繪示為母線，并且可以是任何類型的合適的電導體。來自合適的單相交流電源的電源線纜82a和82b(在該實施例中由三根供應線纜和三根返回線纜)分別連接至電導體86a和86b。電源線纜可以是諸如母線等任何類型的合適電源電導體。
次磁性裝置32b電連接至次輸出電導體88a和88b。次磁性裝置和次輸出電導體連接至合適的取出制動器(附圖沒有示出)，如下進一步描述的，在該實施例中，該取出制動器在正Z方向或負Z方向線性地移動次磁性裝置和次輸出導電器。在本發明的其它實施例中，取出運動可以沿其它線性方向、旋轉方向或線性方向和旋轉方向的組合。
圖14(a)至圖14(e)繪示了電連接至圖13(a)至圖13(d)中所示的取出組件的雙面平板型電感組件10的一個示例。在該實施例中，第一電感端子段12a和第二電感端子段14a分別連接至取出組件30上的電導體88a和88b。
可選地，在該示例中，冷卻流體介質線纜84a、84b、84c和84d通過取出組件將冷卻流體介質供應至裙部電感和冠部電感，并且通過取出組件使冷卻流體介質從裙部電感和冠部電感返回。
圖13(a)至圖14(e)中示出了處于感應加熱位置的取出組件30和附接的雙面平板型電感組件10，其中工件處在合適位置以便感應加熱，如圖14(d)和圖14(e)所示，主磁性裝置與次磁性裝置對齊，用于在供應與返回電力磁性裝置以及電感供應和返回電力磁性裝置之間傳遞磁通量。電感取出制動器(圖中沒有示出)將次磁性裝置和附接有雙面平板型電感組件10的次輸出電導體向下移動至電感組件(感應后加熱)被取出的位置，在該位置上雙面平板型電感組件不干預生產工藝中(例如，當將兩個工件移動感到一起時)接合經過感應加熱之后的兩個工件。
圖16是用于附圖中所示的雙面電感取出組件的部件電路的一個示例。在該實施例中，主磁性裝置和次磁性裝置中的每個包括兩個電隔離的磁性裝置。當取出組件位于感應加熱位置時，并且通過電源線纜82a和82b提供交流電時，通過主磁性裝置和次磁性裝置之間的磁通量耦合可以形成至雙面平板型電感組件的供應和返回電路。當取出組件30將電感組件10移動到感應后加熱取出位置時，該位置上主磁性裝置和次磁性裝置之間沒有磁通量耦合，同時電感組件離開兩個感應加熱的工件之間的空間。與機械地移動(包括，例如母線作業和連接至電源的電力線纜)整個電感組件相比，取出電感組件的這種方法提供快速清除兩個感應加熱的工件之間的空間的方法，同時快速電磁地斷開對電感組件的電力供應。當取出組件30開始將電感組件10從感應加熱位置遷移至電感組件(感應后加熱)取出位置時，可以切斷圖16中的來自電源(power source，PS)的交流電輸出，并且在兩個位置之間遷移電感組件期間，停止對電感組件10上取出的電感12和14供電。
如果第一工件和第二工件具有一個或多個面向線圈的凸起，那么這些明顯線圈的凸起會阻止取出電感組件，可以在線圈平面中提供凹陷的線圈區域，諸如圖1(a)、圖1(b)和圖2中所示的V形缺口99，其用于提供撤回電感時的所需的空隙。根據面向線圈的工件的V形缺口的弧長度，在加熱期間可以在感應加熱位置旋轉線圈，以確保面向V形缺口的工件表面區域被充分加熱。在具有相對短的V形缺口區域(諸如區域99)的實施例中，當V形缺口小于90度時，周圍組件的感應渦流可以為與V形缺口位置對應的工件區域提供充分的加熱效應，從而不需要在加熱期間旋轉工件。
在該示例中，第一電感線圈段12c具有仿形區域，例如，在線圈頂部，其是在X方向上(即，感應線圈段的高度方向)的仿形(異型)區域99’。區域99’被提升到V形缺口99任一側的線圈段12c的法線面加熱平面之上，以補償線圈的V形缺口區域的減少的感應加熱。這樣的仿形可以用于配合鄰近被加熱工件的面的線圈段的面。在本發明的其它示例中，第一線圈段和第二線圈段可以是其它形狀和異型，以適配相應的第一工件和第二工件的形狀，從而通過相鄰加熱來加熱每個工件。
在本發明的該實施例中，為了提高在對第一工件和第二工件同時加熱的一對三匝線圈的外匝-中間匝以及中間匝-內匝之間存在遷移的遷移區域98(圖1(a)和圖2中)中的加熱均勻性，這里有仿形區域98’。在該示例中，在X方向上仿形區域98’，并將其提升到線圈段的加熱平面的法線面之上，以補償由于產生的減少的熱量導致的較低的加熱強度。
在以上方法中，主磁性裝置32a和次磁性裝置32b之間的電磁耦合允許電感從徑向遠離工件的方向(Z方向)撤回。例如，在該實施例中，可以滑動地將次磁性裝置緊鄰靜止的主磁性裝置安裝，使得次磁性裝置可以相對于主磁性裝置向下滑動。主磁性裝置和次磁性裝置之間沒有物理接觸，這允許形成閉環電路(附接有雙面電感)的次磁性裝置快速延伸至感應加熱位置以及撤回到感應后加熱(induction post-heat)撤回位置。圖16對此示意性地進行了繪示，其中主電路用粗體表示，并且連接至用非粗體表示的次電路，此時主磁性裝置和次磁性裝置之間有磁通量耦合。該動作允許移除電感組件，使得感應加熱之后，諸如將工件融合在一起的生產工藝可以在瞬間發生，從而最小化由于熱傳導、熱散發和熱對流引起的熱損耗。
每個主磁性裝置可以是利用流過的交流電產生磁通量的任何裝置，每個次磁性裝置可以是磁性耦合主交流磁通量的任何裝置，從而利用變壓器耦合實現主磁性裝置和次磁性裝置之間的功率傳輸，而主磁性裝置和次磁性裝置之間沒有物理接觸。例如，在本發明的一個實施例中，主磁性裝置和次磁性裝置的每個可以是兩個接合的磁性C形-芯，從而形成具有中心開口的閉合磁芯，電導體86a、86b、88a和88b的一部分放置在該中心開口中，使得當交流電流過主供應電導體86a和86b時產生磁通量，該磁通量與對應的次磁性裝置耦合，此時取出組件30已經將電感組件中的電感放置在感應加熱位置。也可以將每個主磁性裝置和次磁性裝置稱為線圈卷鐵芯。
在本文中，將術語裙部和冠部與其它工件對互換地使用，其中同時感應加熱兩個工件是有利的。此外，遵循同時加熱的工藝可以將工件的相對面接合在一起，但是只要工藝可以從同時感應加熱中獲益，就不限于該工藝。
可以將本發明的取出組件與其它配置以及生產工藝中的感應組件中的大量電感一起使用，在該生產工藝中將電感組件從感應加熱位置高速遷移至需要對工件進一步處理的工件非介入(non-interference)位置。
盡管本發明示例中描述的實施例利用一對串聯的三匝線圈，但是在其它實施例中，線圈匝數可以是單匝或任意多匝。在其它實施例中，一對線圈中的每個線圈的線圈匝數可以不同。
在以上描述中，為了解釋的目的，為了提供對示例和實施例的透徹理解，已經提出了幾個特定要求和幾個特定細節。然而，對本領域技術人員將明顯的是，在沒有這些特定細節中的一些的情況下也可以實現一個或多個其它示例或實施例。描述的特定實施例不是用于限定本發明而是為了描述本發明。
貫穿本說明書中的引用“一個示例或實施例”、“示例或實施例”、“一個或多個示例或實施例”或者“不同的示例或實施例”，例如，是指特定特征可以被包括在本發明的實踐中。在描述中，為了簡化本公開以及助于對各個發明方面的理解，有時將不同的特征組合在單個示例、實施例、附圖或對附圖的描述中。
已經利用優選示例和實施例描述了本發明。從這些清楚的描述中可以獲得等同、替換和修改，并且在本發明的范圍內。