کویل کوره القایی
کویل کورۀ القایی۱ (بوبین) را میتوان به عنوان بخش مرکزی کوره در نظر گرفت. نقش اصلی کویل، ایجاد میدان مغناطیسی لازم برای به‌وجود آمدن جریانهای گردابی۲ و به تبع آن تلفات فوکو۳ و در نتیجۀ آن، گرم شدن و ذوب قراضه و یا سنگ معدن فرآوری شده است. با توجه به حساسیت و نقش این قطعه، مشخصات الکتریکی و مکانیکی کویل تأثیر به‌سزایی بر چگونگی عملکرد و راندمان کوره خواهند داشت. از اینرو با توجه به تنوع در جنس و کیفیت قطعات به‌کار رفته در ساخت کویل، شرکت آرازترانس علاوه بر تولید قطعات و تجهیزات کوره های القایی، رنج وسیعی از انواع کویلهای کوره‌های القایی را مطابق طراحی خود و یا نقشۀ ارسالی از سوی خریداران در اختیار مشتریان قرار میدهد و در نتیجه، مشتری قادر به انتخاب طرح، مواد مورد استفاده و نوع عایقبندی بر طبق خواستۀ خود خواهد بود.
ساختار کلی یک کوره کوره‌القایی
یک کویل کامل کوره‌القایی بطور عمده متشکل از موارد زیر می‌باشد:
- یک یا چند بخش اکتیو۴ – که حامل جریان برق کوره برای ایجاد میدان مغناطیسی لازم برای ذوب و همین‌طور جریان آب برای خنک‌کاری می‌باشند، بخشهای اکتیو که لزوما از مواد مسی ساخته می‌شوند برای تقسیم جریان کل کویل و نیز پایین‌آوردن رآکتانس کلی کویل با یکدیگر بطور موازی اتصال داده می‌شوند.
- یک یا چند بخش غیراکتیو (کولینگ) ۵ – که صرفا حامل جریان آب بوده و جهت خنک‌کاری خاک کوره در دو انتهای آن و گاه بصورت تک حلقه غیر کامل بین بخشهای اکتیو جهت پرکردن فواصل بوجود آمده مورد استفاده قرار می‌گیرند. بخشهای کولینگ کویل عمدتا از فولاد زنگ‌نزن غیرمغناطیسی و یا از مواد مسی ساخته می‌شوند.
- یک یا دو تک‌حلقه اتصال کوتاه مسی در دو انتهای کویل۶ (در صورت وجود) – که جهت تعدیل و کاهش چگالی فلوی مغناطیسی در دو انتهای کویل مورد استفاده قرار می‌گیرند، این حلقه‌های اتصال کوتاه که موسوم به “حلقه فارادی” می‌باشند، لزوما در تمامی کویل‌ها وجود ندارند و وجودو یا عدم وجود آنها بستگی به نحوه طراحی کویل دارد.
- سیستم تثبیت‌کننده کویل – شامل تعدادی پیچ‌ومهره از جنس‌های فولادزنگ‌نزن مغناطیسی و برنج که بطور مستقیم در زوایای مختلف به حلقه‌های کویل جوشکاری شده و که توسط تعدادی ساپورت کامپوزیتی مهار شده‌اند.
- سیستم عایقبندی و ایزولاسیون کویل – که از مهمترین بخشهای کویل می‌باشد و ایزولاسیون الکتریکی بین حلقه‌ها و اجسام خارجی در اطراف کویل را تامین می‌نماید.
- اتصالات الکتریکی کویل به منبع تغذیه آن – که شامل اتصلات شینه‌ای از جنس مس و یا رزوه‌ای از جنس مس و یا برنج می‌باشد. و توان الکتریکی لازم را از منبع تغذیه به کویل می‌رساند.
انواع کویل کوره القایی به لحاظ نحوه پیچش
کویلهای کوره‌های القایی به لحاظ پیچش در دو شکل هلیکال۷ و آفست‌دار۸ پیچیده می‌شوند. کویلهای هلیکال شامل حلقه‌های مارپیچی هستند که بصورت حلزونی از ابتدا تا انتها پیچیده شده‌اند. این دسته از کویل‌ها بسبب زاویه‌دار بودن حلقه‌هایشان میدان مغناطیسی و حرارت اعمالی متوازن و یکنواختی را بر مواد تحت ذوب فراهم نمی‌کنند، از اینرو استفاده از این نوع از کویلهای کوره‌های القایی عمدتا در ابعاد و سطوح توان پایین تر مورد ساخت و استفاده قرار می‌گیرند و استفاده از آنها در ابعاد و مقیاس بزرگتر چندان مورد توصیه نمی‌باشد. همچینین وجود فواصل غیریکنواخت میان بخشهای اکتیو کویل و نیز عدم توازی بین دو سطح بالایی و پایینی کویل از دیگر مشکلات مونتاژ و بهره‌برداری از کویلهای هلیکال می‌باشد.
کویلهای آفست‌دار برخلاف انواع هلیکال از حلقه‌های مسطحی تشکیل شده‌اند که برای تشکیل طبقه در نقاط ابتدا و انتهای حلقه‌ها بشکل زانودار (آفست) پیچیده می‌شوند، لذا در تضاد با کویلهای هلیکال در این‌دسته از کویل‌ها، سطوح بالا و پایین کویل کاملا صاف و موازی بوده و همچنین میدان مغناطیسی و حرارت یکنواختی را بر مواد تحت ذوب اعمال می‌کند. از اینرو استفاده از این نوع از کویل‌ها خصوصا در توان‌ها و تناژهای بالا بیشتر مورد توصیه می‌باشد.
انواع کویل کوره القایی به لحاظ نحوه مونتاژ
همانطور که پیشتر نیز گفته شد کویلهای کوره‌القایی از یک یا چند بخش اکتیو تشکیل یافته‌اند که این بخشها با یکدیگر بصورت موازی قرار گرفته‌اند. حال بخشهای اکتیو مذکور به دو شکل می‌توانند با یکدیگر موازی شوند: متوالی و دونخ۹.
در کویلهای با اکتیوهای متوالی، بخشهای اکتیو کویل بصورت متوالی و به حالت هم‌محور، پشت سرهم در یک امتداد قرار گرفته و توسط ساپورتهای کویل در امتداد هم تثبیت می‌شوند و نهایتا یا با استفاده از شینه‌بندی روی کویل و یا با اتصالات کابلهای آبگرد مربوطه به لحاظ الکتریکی با یکدیگر موازی می‌شوند.
در این حالت معمولا میزان تزویج بین دو بخش اکتیو متوالی 20 تا 40 درصد می‌باشد.
در کویلهای با اکتیوهای دونخ(که معمولا در کویلهای با تعداد دو بخش اکتیو متداول می‌باش)، بخشهای اکتیو بصورت در هم تنیده با یکدیگر ادغام می‌شوند، به‌گونه‌ای که حلقه‌های آنها بصورت یک‌درمیان نسبت بهم قرار می‌گیرند. میزان تزویج بین دو بخش اکتیو کویل در این حالت نزدیک به 100 درصد می‌باشد.
گفتنی است که عموما کویلهای دو نخ بصورت هلیکال پیچیده می‌شوند.
شایان ذکر است که ارجحیت خاصی بین دو طرح یادشده در مونتاژ کویل وجود ندارد و بسته به محدویتهای فیزیکی، ابعادی و مشخصه‌های الکتریکی مطلوب در طراحی یکی از دو مدل مذکور برای مونتاژ کویل در نظر گرفته می‌شود.
اکتیوپارت کویل
همانطور که پیشتر نیز بدان اشاره شد، اکتیو پارت کویل بخش اصلی کویل کوره‌القایی می‌باشد که با عبور جریان الکتریکی متناوب میدان مغناطیسی لازم جهت ایجاد جریانهای گردابی در مواد تحت ذوب را تامین می‌کند، اکتیو پارت کویل کوره‌القایی از یک یا چند واحد مجزا (عموما بتعداد دو عدد) تشکیل می‌شود که این واحدها نهایتا بوسیله اتصالات منصوب برکویل و یا با کابلهای انتقال توان با یکدیگر موازی می‌گردند.
واحدهای اکتیو کویل از نورد مقاطع مسی تحت استانداردهای مشخص ساخته می‌شوند. جنس، عملیات حرارتی اعمال شده و شکل مقطع این مقاطع در عملکرد و بهره‌وری کویل نقش بسزایی ایفا می‌نماید. برای کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه به بخش مقاطع مسی مراجعه نمایید.
کولینگ پارت کویل
“کولینگ پارت” کویل کوره‌القایی بخشی از کویل می‌باشد که حامل جریان الکتریکی نبوده و صرفا جهت خنک‌کاری بخش تحتانی و فوقانی بوته مورد استفاده قرار می‌گیرد. کولینگ پارت لزوما در تمامی کویل‌ها وجود نداشته و در صورت وجود می‌تواند شامل یک و یا دو بخش در بالا، پایین ویا هر دو انتها باشد، همچنین در کویل‌هایی که بصورت هلیکال پیچیده شده‌اند گاه در حد فاصل بین بخشهای اکتیو کویل، برای خنک‌کاری خاک آن ناحیه از حلقه‌های کولینگ استفاده می‌شود.
جنس حلقه‌های کولینگ می‌تواند از مس و یا فولاد زنگ‌نزن باشد، همچنین مقطع مورد استفاده در آنها بصورت چهارگوش و یا گرد (عمدتا بصورت گرد خصوصا در صورت استفاده از فولاد زنگ‌نزن) می‌باشد. در صورت استفاده از مقاطع فولاد زنگ‌نزن بعنوان حلقه‌های کولینگ‌پارت کویل، توجه به سه نکته ضروری می‌باشد:
- لزوما بایستی از مقاطع بدون درز استفاده شود.
- آلیاژ مورد استفاده حتما بایستی غیرمغناطیسی باشد (ترجیحا گریدهای ۳۰۴ و ۳۱۶ استیل نگیر).
- حلقه‌های کولینگ حتما بایستی پس از نورد تحت عملیات حرارتی و تنش‌گیری قرار بگیرند، در غیر اینصورت شاهد فشار و دفرمگی در دو انتهای کویل خواهیم بود.
حلقه فارادی یا تک رینگ خنثی
“حلقه فارادی” یا نام دیگر آن تک‌رینگ‌خنثی، یک تک حلقه اتصال کوتاه‌شده از جنس مس بصورت آبگرد می‌باشد، که در صورت وجود بعنوان بالاترین حلقه و یا پایین‌ترین حلقه کویل در یکی از دو انتها و یا گاه در هر دو انتهای کویل نصب می‌شود. هدف از بکارگیری حلقه فارادی تعدیل فوران‌های شار مغناطیسی کویل در بخشهای ورودی و خروجی آن در دو انتهای کویل است، بعبارتی حلقه اتصال کوتاه فارادی که بدون اتصال به منبع توان کویل در بخشهای فوقانی و تحتانی کویل قرار دارد با عبور میدان مغناطیسی تولیدی توسط کویل از داخل آن بسبب قانون القای فارادی ولتاژ الکتریکی در دو سر آن القا شده و جریان الکتریکی در داخل آن جاری می‌شود که در اثر این جریان میدان مغناطیسی اینبار توسط تک‌رینگ اتصال‌کوتاه تولید می‌گردد که در جهت مخالف با میدان اصلی عبوری از آن می‌باشد و بدین ترتیب چگالی فلوی مغناطیسی در آن نواحی کمی تعدیل شده و فشار کمتری بر محیط فلزی اطراف و یوک‌های کوره وارد می‌نماید.
سیستم تثبیت‌کننده کویل
سیستم تثبیت کویل شامل امکانات و تجهیزاتی است که در ساخت کویل کوره‌القایی برای تثبیت و ممانعت از تغییر شکل و جابجایی حلقه‌های کویل در اثر نیروهای الکترومغناطیسی بوجود آمده استفاده می‌شود.
سیستم تثبیت کویل شامل تعدادی پیچ و مهره از جنس مواد غیرمغناطیسی و مواد کامپوزیتی نصب‌شده بر روی آنها می‌باشد.
ترکیب مورد استفاده شرکت آراز ترانس در تثبیت‌کننده‌ها شامل پیچ استیل نگیر و مهره برنجی می‌باشد، استفاده از پیچ و مهره تمام استیل خطر گیرپاچ کردن مهره‌ها را هنگام باز و بست کردن مجدد آنها داشته و استفاده صرف از پیچ و مهره برنجی موجب کاهش استحکام تثبیت‌کننده‌ها خواهد شد.
ایجاد اتصالات مورد نظر به دو شیوه میسر می‌باشد:
- جوشکاری مستقیم پیچ استیل به سطح حلقه‌ها و بستن مهره برنجی بر روی آن
- جوشکاری مهره برنجی بر سطح حلقه‌ها و بستن مهره استیل.
که بسته به نوع طراحی و ترجیح مشتری یکی از دو روش پیشنهادی بکار گرفته می‌شود.
جدا از اتصالات مطرح‌شده، برای تکمیل سیستم تثبیت کننده کویل در زوایای مشخصی از کویل نگهدارنده(ساپورت)های کامپوزیتی ویژه‌ای بر اتصالات مذکور نصب می‌گردند. ساپورتهای کامپوزیتی ترکیبی از الیاف شیشه و رزین اپوکسی می‌باشند، که بسته به گرید الیاف و رزین بکاررفته در ساختارشان خواص و ویژگی‌های متنوعی دارند. برای کسب اطلاعات بیشتر به بخش عایق‌های مورد استفاده در ایزولاسیون کویل کوره‌القایی مراجعه نمایید.
همچنین برای جلوگیری از اعمال حرارت‌های نامتعارف در مواقع اضطراری بر ساپورتهای کویل، استفاده از یک پلیت میکا بعنوان محافظ در پشت ساپورت‌ها توصیه می‌شود.
سیستم عایقبندی و ایزولاسیون کویل۱۰
شاید اساسی‌ترین موردی که در ساخت کویل بایستی لحاظ گردد، کیفیت سیستم عایقبندی و ایزولاسیون کویل می‌باشد، مطابق بررسی‌های صورت‌گرفته از طرف مسئولین واحد تحقیق و توسعه این شرکت بزرگترین عامل خرابی‌های کویل و توقفات پی‌درپی ذوب ضعف در سیستم عایقی و کیفیت ایزولاسیون کویل می‌باشد. از اینرو شرکت آرازترانس تبریز توجه ویژه‌ای که کیفیت و قابلیت اطمینان سیستم عایقبندی کویلهای خود نموده و در این راستا با در نظر گرفتن فاکتور زمان اجرا و هزینه سه متد عمده را برای عایقبندی کویلهای خود توصیه می‌نماید.
متد-۱ : شرکت Inductotherm آمریکا برای عایقکاری کویلهای ساخت شرکت خود اقدام به ابداع عایق ویژه‌ای نموده و نام Inducto-Flex2M را برای آن بهعنوان برند محصول برگزیده است.مهمترین ویژگی این عایق مخصوص که بهصورت رنگ پودری الکترواستاتیک با پایه اپوکسی می‌باشد، قابلیت عدم ترک‌خوردگی و کنده شدن از سطح کویل به هنگام مواجهه با انبساط‌ها و انقباض‌های شدید هادی‌های کویل حین کار است. تحمل بالای حرارت، قدرت عایقی بالا و خاصیت چسبندگی یکنواخت به سطح کویل حین پاشش با دستگاه ویژه از دیگر خصوصیات این عایق خاص می‌باشد. استفاده از این عایق بصورت تنها و بدون استفاده از سایر مواد کمکی برای عایقبندی کویل کفایت نموده و در صورت بهره‌برداری از کویل در شرایط استاندارد نیازی به استفاده از سایر مواد عایق ازقبیل عایق‌های مایع و نوارهای عایقی در کنار Inducto-Flex2M نمی‌باشد. حال با توجه به امکان دسترسی شرکت آرازترانس به این ماده عایقی امکان عایقبندی کویلهای ساخت این شرکت با استفاده از Inducto-Flex2M البته پس از سندبلاست کامل کویل (قبل از پاشش عایق پودری به منظور از بین بردن لایه‌های اکسید سطح) وجود داشته و عایقکاری کویل با استفاده از این ماده بهعنوان متد شماره 1 عایقکاری این شرکت معرفی می‌گردد.
متد-۲ : در متد شماره 2 در کنار عایقکاری اولیه کویل با استفاده از Inducto-Flex2M ازیک باند ایزولاسیون دولایه11و یک لایه وارنیش مایع ویژه اپوکسی12جهت بالابردن حاشیه امنیت بهره‌برداری از کویل استفاده می‌گردد. استفاده از این متد تنها زمانی پیشنهاد می‌گردد که بهره‌برداری از کویل در شرایط کاری غیراستاندارد و و پرخطر صورت گیرد، وگرنه در صورت بهره‌برداری از کویل در شرایط کاری مناسب و نرمال استفاده از Inducto-Flex2M به تنهایی کفایت خواهد نمود.
متد-۳ : در این متد که عایقکاری بدون استفاده از Inducto-Flex2M می‌باشد، پس از سندبلاست کامل کویل، سطح آن با استفاده از سه لایه رنگ ویژه اپوکسی کوتینگ شده سپس دولایه باند ایزولاسیون بر روی آن پیچیده می‌شود و بروی باند نیز یک لایه وارنیش مایع ویژه اپوکسی پاشیده می‌شود. استفاده از این شیوه برای عایقکاری کویل‌ها، عموما در کویلهای تعمیری و یا در مواقعی که احتمال بروز نشتی‌های فوق ریز وجود دارد، استفاده می‌شود
با توصیفات صورت گرفته در خصوص روش‌ها و متدهای عایقکاری کویل، بدیهی است که به لحاظ کیفیت و قابلیت اطمینان ترتیب متدها بصورت ۲،۱و۳ بوده و طبیعتا هزینه صرف شده بابت عایقکاری کویل در ترتیب مذکور بصورت صعودی می‌باشد.
برای کسب اطلاعات بیشتر در خصوص خواص هریک از عایق‌های مورد بحث به بخش سایرمواد عایقی مورد استفاده در کوره‌های القایی مراجعه نمایید.
اتصالات الکتریکی کویل به منبع تغذیه
اتصال کویل به منبع تغذیه آن -که توسط کابلهای آبگرد برقرار می‌شود- به دو شیوه میسر است:
- اتصالات شینه‌ای – در این حالت اتصال بین کویل و کابل‌آبگرد متصل بدان با استفاده از چفت و بسط شینه‌های مسی کویل و کابل برقرار می‌شود.
- اتصالات رزوه‌ای – در این حالت اتصال بین کویل و کابل‌آبگرد متصل بدان با استفاده از چفت و بست رزوه‌های کویل و کابل که مکمل یکدیگر هستند برقرار می‌شود.
بسته به امکانات و محدودیت‌های موجود یکی از دو روش فوق در ساخت کویل مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در زیر نمایش شماتیکی برای مقایسه دو شیوه مذکور آمده است:
در صورت استفاده از اتصالات رزوه‌ای جهت اتصال کویل برای کاهش فلوی مغناطیسی ایجاد شده توسط کابلهای آبگرد متصل به کویل، میتوان اتصالات فازهای همنام کویل را نسبت به‌هم بصورت ضربدری قرار داد.
۱ – Induction(Bobbin) Coil ۱۰ – Coil Insulation
۲ – Eddy Current ۱۱ – With 50% Overlap
۳ – Foucault Losses ۱۲ – Epoxy Based Varnish
۴ – Active Part ۱۳ – Nomex Tape
۵ – Cooling Part ۱۴ – Silicon Rubber Tape
۶ – Faraday Ring ۱۵ – Mica Tape
۷ – Helical Coil ۱۶ – Kapton Tape
۸ – Offset Coil ۱۷– Fiberglass Tape
۹ – Dual Turn Coil