用於感應加熱線的磁性表徵的系統和方法與流程

2023-04-25 13:42:42

本申請涉及磁性表徵，並且更具體地，涉及感應加熱線特別是螺旋地纏繞的感應加熱線的磁性表徵。

背景技術：

感應加熱組件採用電磁感應來產生熱。具體地，感應加熱組件包括導體以及沿著(極為接近)導體延伸的感應加熱線。當交流電流通過導體時，建立了交變磁場，該交變磁場經由渦電流和磁滯對感應加熱線加熱。

因此，感應加熱組件被用在需要加熱的各種應用中，諸如複合結構(例如，含有熱固性樹脂的碳纖維加強複合材料)的固化以及零件(例如，要熔焊的預熱零件)的加熱。例如，感應加熱組件能夠連接至絕緣基板(例如，矽橡膠)(例如，併入或分層堆放在絕緣基板上方)以形成感應加熱毯。當感應加熱組件在各種溫度下的磁特性是已知的時，可以控制供應給感應加熱組件的交流電流，使得所關聯的感應加熱毯供應所期望量的熱。

近來，已經製造了感應加熱線螺旋地纏繞導體(例如，環繞導體形成螺旋形線圈)的感應加熱組件。這種配置有利地將感應加熱線設置為與導體特別極為接近。

然而，與能夠使用已知設備(諸如愛普斯坦方圈)來精確地在磁性上表徵的直感應加熱線不同，螺旋地纏繞的感應加熱線的磁性表徵提出了挑戰。愛普斯坦方圈不提供螺旋地纏繞的感應加熱線的精確磁性表徵。此外，感應加熱線在纏繞之前的磁性表徵未能說明由於通過纏繞工藝引入的加工硬化而發生的磁性質的改變。

關於這些和其它考慮事項呈現了本文所做出的公開內容。

技術實現要素：

在一個實施方式中，所公開的用於感應加熱線的磁性表徵的系統可以包括：導體，該導體具有第一端以及與該第一端縱向相對的第二端，其中，所述感應加熱線沿著所述導體的一部分延伸並且與所述導體電隔離；交流電源，該交流電源與所述導體電連接以在所述第一端與所述第二端之間傳遞電流；電流傳感器，該電流傳感器被設置為感測所述電流；感測線，該感測線包括第一引線和相對的第二引線，其中，所述感測線限定具有第一極性的第一環路以及具有相反的第二極性的第二環路，所述第二環路在交叉處連接至所述第一環路，並且其中，所述感應加熱線貫穿所述第一環路；以及電壓傳感器，該電壓傳感器被設置為感測跨越所述第一引線和所述第二引線的電壓。

在另一實施方式中，所公開的用於感應加熱線的磁性表徵的系統可以包括：限定縱軸的導體，所述導體包括第一端以及與該第一端縱向相對的第二端，其中，所述感應加熱線沿著所述導體的一部分延伸並且與所述導體電隔離；交流電源，該交流電源與所述導體電連接以在所述第一端與所述第二端之間傳遞電流；電流傳感器，該電流傳感器被設置為感測所述電流；感測線，該感測線包括第一引線和相對的第二引線，其中，所述感測線限定：第一環路，該第一環路具有第一極性並且包括第一段和第二段，所述第二段與所述第一段間隔開，其中，所述感應加熱線的一部分被設置在所述第一段與所述第二段之間；以及第二環路，該第二環路具有與所述第一極性相反的第二極性，所述第二環路包括第三段和第四段，所述第四段與所述第三段間隔開；以及電壓傳感器，該電壓傳感器被設置為感測跨越所述第一引線和所述第二引線的電壓。

在又一實施方式中，公開了一種用於感應加熱線的磁性表徵的方法，所述感應加熱線螺旋地纏繞導體。所述方法可以包括以下步驟：(1)將感測線布置成第一環路和第二環路，所述第二環路在交叉處連接至所述第一環路，使得所述第一環路具有第一極性並且所述第二環路具有與所述第一極性相反的第二極性；(2)沿著所述導體設置所述感測線，使得所述感應加熱線貫穿所述第一環路；(3)在所述第二環路中設置間隔體(spacer)；(4)傳遞交流電流通過所述導體；(5)感測所述電流；(6)感測跨越所述感測線的電壓；以及(7)至少基於所感測到的電流和所感測到的電壓來表徵所述感應加熱線。

根據以下具體實施方式、附圖和隨附權利要求，所公開的用於感應加熱線的磁性表徵的系統和方法的其它實施方式將變得顯而易見。

附圖說明

圖1是所公開的磁性表徵系統的一個實施方式的示意側截面圖；

圖2是圖1的磁性表徵系統的一個部分的截面軸視圖；

圖3是圖1的磁性表徵系統的另一部分的截面軸視圖；

圖4是由圖1的磁性表徵系統收集的示例數據的圖形表示；

圖5是由圖4的示例數據生成的B-H曲線；

圖6是描繪了所公開的磁性表徵方法的一個實施方式的流程圖；以及

圖7A、圖7B、圖7C、圖7D和圖7E是描繪了所公開的用於組裝磁性表徵系統的方法的一個實施方式的示意側截面圖。

具體實施方式

參照圖1，所公開的磁性表徵系統的一個實施方式(通常標明為100)可以包括交流電源102、導體104、感應加熱線106、間隔體108、感測線110、電流傳感器112、電壓傳感器114和加熱設備116。磁性表徵系統100還可以包括處理器118(例如，計算機)以從電流傳感器112和電壓傳感器114接收信號數據並對該信號數據進行處理，並且輸出所期望的磁性表徵信息。

本領域技術人員將了解，在不脫離本公開的範圍的情況下，可以在磁性表徵系統100中包括另外的組件，諸如冗餘電流和/或電壓傳感器。此外，在不脫離本公開的範圍的情況下，可以從磁性表徵系統100中省去特定組件，諸如間隔體108和/或加熱設備116。

導體104可以沿著縱軸A伸長，並且可以包括第一端120以及與第一端120縱向相對的第二端122。導體104可以是一段導電材料，諸如單股線或多股絞合線。例如，導體104可以由諸如銅的導電金屬或金屬合金形成(或者可以包含導電金屬或金屬合金，諸如銅)。作為一個特定非限制性示例，導體104可以是利茲(Litz)線(參見圖2和圖3))，該利茲線可以包括多條細絲，其中每條細絲與其它細絲電絕緣。

如圖2所示，導體104可以具有直徑D1，所述直徑D1可以大於感應加熱線106的直徑D2和感測線110的直徑D3。在一個表達中，導體104的直徑D1可以從大約0.010英寸到大約0.10英寸變動。在另一表達中，導體104的直徑D1可以從大約0.020英寸到大約0.050英寸變動。在又一表達中，導體104的直徑D1可以是大約0.030英寸。

往回參照圖1，導體104的第一端120和導體104的第二端122可以與交流電源102電連接。因此，交流電流可以通過導體104，如由箭頭I所示。

交流電流I的頻率可以在交流電源102處可控。因為磁導率與交流電流頻率無關，所以可以控制交流電源102，使得交流電流I具有相對較低的頻率，從而經由電磁感應使熱產生最小化。例如，通過導體104的交流電流I可以具有至多大約100kHz的頻率，諸如至多大約50kH或至少大約25kHz。作為一個特定非限制性示例，通過導體104的交流電流I可以具有大約10kHz的頻率。

通過導體104的交流電流I可以由電流傳感器112(例如，安培計)感測。雖然電流傳感器112被示出與導體104串聯，但是可以在不脫離本公開的範圍的情況下使用各種其它配置(例如，鉗位型或電流變換器)。諸如經由可以為有線或無線的通信路徑126，可以從電流傳感器112向處理器118傳送指示交流電流I的信號。

通過導體104的交流電流I可以建立在方位上環繞導體104通過的磁場H。在圖1中，磁場H由點(從頁面出來的場)和「x」(進入頁面的場)來表示。磁場H與交流電流I成比例並且隨著交流電流I而使方向反轉(交替)。

感應加熱線106可以與導體104極為接近地沿著導體104一部分軸向地延伸，但是可以與導體104電隔離。如本文所討論的，感應加熱線106可以由鐵磁材料(諸如能夠纏繞導體104的鐵磁材料)形成(或者可以包含該鐵磁材料)。例如，感應加熱線106可以由鐵(Fe)、鎳(Ni)和/或鈷(Co)形成(或者可以包含鐵(Fe)、鎳(Ni)和/或鈷(Co))。因此，交變磁場H可以在感應加熱線106中產生磁響應。

如圖1和圖2所示，在一個特定構造中，感應加熱線106可以螺旋地纏繞導體104。因此，感應加熱線106可以被有效地配置為容納在導體104的一部分上方的螺旋形線圈。作為一個一般性示例，感應加熱線106可以環繞導體104以實現導體104的每英寸大約10至大約100匝。作為一個特定示例，感應加熱線106可以環繞導體104以實現導體104的每英寸大約50匝。

如圖2所示，在第一實現中，感應加熱線106可以具有直徑D2，所述直徑D2可以小於導體104的直徑D1。在第一實現的一個表達中，感應加熱線106的直徑D2可以是導體104的直徑D1的至多大約75％。在另一表達中，感應加熱線106的直徑D2可以是導體104的直徑D1的至多大約50％。在另一表達中，感應加熱線106的直徑D2可以是導體104的直徑D1的至多大約40％。在另一表達中，感應加熱線106的直徑D2可以從大約0.005英寸到大約0.050英寸變動。在另一表達中，感應加熱線106的直徑D2可以從大約0.010英寸到大約0.020英寸變動。在又一表達中，感應加熱線106的直徑D2可以是大約0.010英寸。

在第二實現中，感應加熱線106可以具有直徑D2，所述直徑D2可以與導體104的直徑D1基本上相同或者大於導體104的直徑D1。在第二實現的一個表達中，感應加熱線106的直徑D2可以是導體104的直徑D1的至少大約110％。在另一表達中，感應加熱線106的直徑D2可以是導體104的直徑D1的至少大約150％。

往回參照圖1，感測線110可以是具有第一引線130(在感測線110的第一端處)和第二引線132(在感測線110的相對第二端處)的一段伸長的導電材料。例如，感測線110可以是單股線或多股絞合線。感測線110可以由諸如銅的導電金屬或金屬合金形成(或者可以包含諸如銅的導電金屬或金屬合金)。

如圖2所示，感測線110可以具有直徑D3，所述直徑D3可以小於導體104的直徑D1。感測線110的直徑D3還可以小於感應加熱線106的直徑D2。在一個表達中，感測線110的直徑D3可以是導體104的直徑D1的至多大約50％。在另一表達中，感測線110的直徑D3可以是導體104的直徑D1的至多大約35％。在又一表達中，感測線110的直徑D3可以從大約0.006英寸到大約0.010英寸變動。

如本文所指出的，導體104可以是利茲線。因此，通過選擇具有顯著地小於導體104的直徑D1的直徑D3的感測線110，感測線110(或其至少一部分)可以被壓縮到導體104中，從而單獨產生以基本上類似於(例如，不顯著地大於)導體104的直徑D1的直徑保持實質上圓形(截面)的組合結構，如圖2所示。

往回參照圖1，感測線110可以被布置成兩個基本上相等的環路：第一環路140和第二環路142。第二環路142可以在交叉144處連接至第一環路140。例如，感測線110可以被配置為「數字8」。因此，第一環路140可以具有第一極性並且第二環路142可以具有第二極性，其中第二極性與第一極性相反。

由感測線110形成的第一環路140可以被設置為與導體104相鄰，並且可以包括感測線110的第一段146和感測線110的第二段148。第二環路142可以被設置為與導體104相鄰，並且可以包括感測線110的第三段150和感測線110的第四段152。第一引線130可以連接至第一段146，所述第一段146可以跨越交叉144連接至第四段152。第四段152的相反端可以連接至第三段150，所述第三段150進而可以跨越交叉144連接至第二段148。第二段148的相反端可以連接至第二引線132。

為了確保第一環路140具有與第二環路142相等且相反的極性，各個段146、148、150、152可以具有基本上相同的長度。第一段146和第二段148可以位於相對於導體104的相同軸向位置處，而第三段150和第四段152可以位於相對於導體104的相同軸向位置處，但是與第一段146和第二段148軸向地相鄰。此外，第一段146和第三段150可以被設置在相對於導體104的相同徑向位置處。此外，第二段148可以從第一段146向外(相對於導體104的縱軸A)隔開第一徑向距離R1，並且第四段152可以從第三段150向外隔開第二徑向距離R2，其中第一徑向距離R1基本上等於第二徑向距離R2。

如圖1和圖2所示，感應加熱線106可以貫穿由感測線110限定的第一環路140(在第一段146與第二段148之間)。因此，第一環路140的第一段146可以被設置在導體104與感應加熱線106之間，而第二段148可以被徑向地設置在感應加熱線106的外側。因此，感應加熱線106可以限定第一段146與第二段148之間的徑向距離R1。

如圖1和圖3所示，間隔體108可以貫穿由感測線110限定的第二環路142(在第三段150與第四段152之間)。因此，第二環路142的第三段150可以被設置在導體104與間隔體108之間，而第四段152可以被徑向地設置在間隔體108的外側。如此，間隔體108可以確保第三段150和第四段152之間的徑向距離R2與第一段146和第二段148之間的徑向距離R1基本上相同。

間隔體108可以由非鐵磁材料形成。例如，間隔體108可以由非鐵磁金屬(例如，銅)或非金屬(例如，玻璃纖維)形成(或者可以包含非鐵磁金屬(例如，銅)或非金屬(例如，玻璃纖維))。因此，沒有磁響應可由於交變磁場H而在間隔體108中被引發。

在一個特定實施方式中，間隔體108可以是螺旋地纏繞導體104的一段非鐵磁材料。像軸向地相鄰的感應加熱線106一樣，間隔體108可以被有效地配置為容納在導體104的一部分上方的螺旋形線圈。間隔體108的直徑D4(圖3)可以基本上等於感應加熱線106的直徑D2(圖2)。因此，間隔體108可以在第二環路142的第三段150與第四段152之間維持所期望的徑向距離R2。

往回參照圖1，跨越感測線110的第一引線130與第二引線132之間的電壓可以由電壓傳感器114(例如，電壓計)感測。諸如經由可以為有線或無線的通信路徑128，可以從電壓傳感器114向處理器118傳送指示跨越第一引線130和第二引線132的電壓的信號。

由通過導體104的交流電流I建立的交變磁場H在感應加熱線106中產生磁響應。感應加熱線106中的變化磁通量產生跨越第一引線130和第二引線132的電壓，如由法拉第感應定律所規定的。這個電壓可以由電壓傳感器114感測。

由通過導體104的交流電流I建立的交變磁場H(其還徑直穿過感測線110的段146、148、150、152)也產生跨越第一引線130和第二引線132的電壓。來自這個背景磁場H的該電壓能夠在感應加熱線106的磁響應的測量中導致顯著的不確定性。然而，因為感測線110的第一環路140與第二環路142同等地且相反地極化，所以由第一環路140和第二環路142產生的電壓在符號上將是相反的。

因此，當各個環路140、142的總長度和徑向距離R1、R2基本上相同時，在感測線110中通過不是由感應加熱線106貢獻的所施加的磁場H引發的電壓被抵消。如此，電壓傳感器114僅感測到感應加熱線106的磁響應。

參照圖4，可以通過(經由電流傳感器112(圖1)和電壓傳感器114(圖1))記錄電流I作為時間的函數並且記錄跨越引線130、132的電壓作為時間的函數來做出磁性表徵。可以在一個或更多個完整的頻率周期上收集電流I和電壓數據。所施加的磁場H與電流I成正比，並且與電流I同相。磁響應在感應加熱線106中的總磁通量方面與電壓的時間積分(在電壓對時間圖下面的面積)成比例。可以通過將磁通量除以第一環路140內部的給定截面中線的總面積來得到這些線中的平均磁場B。如圖5所示，可以通過標繪平均磁場B與所施加的磁場H的關係來得到B-H曲線。B-H曲線指示磁導率和磁滯，並且可用在設計計算中。

知道在不同溫度下的磁響應常常是有利的。因此，可以將導體104、感應加熱線106、間隔體108和感測線110放置在加熱設備116中，所述加熱設備116可以被控制到期望的測量溫度。例如，加熱設備116可以是(或者可以包括)烘箱或熔爐。可以通過控制加熱設備116的溫度在多個溫度下做出磁性表徵。

另外公開的是磁性表徵方法。所公開的磁性表徵方法可以被用來在磁性上表徵作為(或者可以成為)感應加熱組件的一部分的感應加熱線，所述感應加熱組件包括感應加熱線、導體和交流電源。在一個特定實施方式中，要在磁性上表徵的感應加熱線可以螺旋地纏繞導體(參見圖1和圖2)。

參照圖6，附加地參照圖1，所公開的磁性表徵方法的一個實施方式(一般地標明為200)可以在塊202處以將感測線110布置成第一環路140和第二環路142的步驟開始，其中，第二環路142在交叉144處連接至第一環路140。環路140、142二者的大小和形狀可以是基本上相等的，使得第一環路140具有第一極性並且第二環路142具有相反的第二極性。

在塊204處，可以沿著導體104設置感測線110，使得感應加熱線106穿過由感測線110限定的第一環路140。因此，感應加熱線106可以將感測線110的第二段148向外側與感測線110的第一段146隔開第一徑向距離R1。

在塊206處，可以將間隔體108設置在由感測線110限定的第二環路142中。間隔體108可以將感測線110的第四段152向外側與感測線110的第三段150隔開第二徑向距離R2，並且可以確保第二徑向距離R2基本上等於第一徑向距離R1。

在塊208處，交流電流I可以通過導體104。通過導體104的交流電流I可以建立在方位上環繞導體104的交變磁場H。交變磁場H可以在感應加熱線106中產生磁響應，該磁響應產生跨越感測線110的第一引線130和第二引線132的電壓。

在塊210處，可以感測通過導體104的交流電流I。例如，電流傳感器112可以被設置為感測通過導體104的交流電流I。

在塊212處，可以感測跨越感測線110的第一引線130和第二引線132的電壓。例如，電壓傳感器114可以被設置為感測跨越感測線110的第一引線130和第二引線132的電壓。

在塊214處，可以至少基於所感測到的通過導體104的交流電流I以及所感測到的跨越感測線110的第一引線130和第二引線132的電壓在磁性上表徵感應加熱線106。例如，可以通過標繪平均磁場B與所施加的磁場H的關係來得到B-H曲線並且/或者可以計算磁導率。可以在多個溫度下重複表徵步驟214。

參照圖7A、圖7B、圖7C、圖7D和7E，另外公開的是用於組裝磁性表徵系統的方法。如圖7A所示，組裝方法可以通過提供具有(從端到端)第一引線130、第一段146、第四段152、第三段150、第二段148和第二引線132的感測線110而開始。

仍然參照圖7A，感測線110的第三段可以沿著導體104設置(並且與導體104相鄰)。如圖7B所示，間隔體108可以螺旋地纏繞導體104的第一部分和感測線110的第三段150。如圖7C所示，感測線110的第四段152可以被鋪設在間隔體108上，從而形成第二環路142。第二環路142可以包括徑向地向外側與第三段150隔開的第四段152，同時間隔體108被設置在第三段150與第四段152之間。

仍然參照圖7C，在已形成第二環路142之後，感測線110的第一段可以沿著導體104設置(並且與導體104相鄰)。如圖7D所示，要在磁性上表徵的感應加熱線106可以螺旋地纏繞導體104的第二部分(與支撐間隔體108的第一部分相鄰)和感測線110的第一段。

如圖7E所示，感測線110的第二段148可以被鋪設在感應加熱線106上，從而形成第一環路140。第一環路140可以包括徑向地向外側與第一段146隔開的第二段148，同時感應加熱線106被設置在第一段146與第二段148之間。

此外，本公開內容包括根據以下條款的實施方式：

1.一種用於感應加熱線的磁性表徵的系統，該系統包括：

限定縱軸的導體，所述導體包括第一端以及與該第一端縱向相對的第二端，其中，所述感應加熱線沿著所述導體的一部分延伸並且與所述導體電隔離；

交流電源，該交流電源與所述導體電連接以在所述第一端與所述第二端之間傳遞交流電流；

電流傳感器，該電流傳感器被設置為感測所述交流電流；

感測線，該感測線包括第一引線和相對的第二引線，其中，所述感測線限定：

第一環路，該第一環路具有第一極性並且包括第一段和第二段，所述第二段與所述第一段間隔開，其中，所述感應加熱線的一部分被設置在所述第一段與所述第二段之間；以及

第二環路，該第二環路具有與所述第一極性相反的第二極性，所述第二環路包括第三段和第四段，所述第四段與所述第三段間隔開；以及

電壓傳感器，該電壓傳感器被設置為感測跨越所述第一引線和所述第二引線的電壓。

2.根據條款1所述的系統，其中，所述感應加熱線螺旋地纏繞所述導體的所述一部分。

3.根據條款1所述的系統，其中，所述第二段在所述第一段的外側隔開第一徑向距離，並且其中，所述第四段在所述第三段的外側隔開第二徑向距離。

4.根據條款3所述的系統，其中，所述第一徑向距離基本上等於所述第二徑向距離。

5.根據條款1所述的系統，其中，所述導體包括利茲線。

6.根據條款1所述的系統，其中，所述導體具有第一直徑，所述感應加熱線具有第二直徑並且所述感測線具有第三直徑，並且其中，所述第一直徑大於所述第二直徑和所述第三直徑。

7.根據條款1所述的系統，其中，所述交流電流具有至多大約50kHz的頻率。

8.根據條款1所述的系統，其中，所述感應加熱線包括鐵磁材料。

9.根據條款1所述的系統，該系統還包括設置在所述第三段與所述第四段之間的間隔體。

10.根據條款9所述的系統，其中，所述間隔體螺旋地纏繞所述導體，與所述感應加熱線軸向地相鄰。

11.根據條款9所述的系統，其中，所述間隔體包括非鐵磁材料。

12.根據條款1所述的系統，其中，所述第一段、所述第二段、所述第三段和所述第四段具有基本上相等的長度。

13.根據條款1所述的系統，其中，所述第一環路在交叉處連接至所述第二環路。

14.根據條款1所述的系統，其中：

所述第一段連接至所述第一引線，

所述第二段連接至所述第二引線，

所述第三段被設置在所述第二段與所述第四段之間，並且

所述第四段被設置在所述第一段與所述第三段之間。

15.根據條款1所述的系統，該系統還包括加熱設備，其中，所述感應加熱線被設置在所述加熱設備中。

16.一種用於感應加熱線的磁性表徵的方法，所述感應加熱線螺旋地纏繞導體，所述方法包括以下步驟：

將感測線布置成第一環路和第二環路，所述第二環路在交叉處連接至所述第一環路，使得所述第一環路具有第一極性並且所述第二環路具有與所述第一極性相反的第二極性；

沿著所述導體設置所述感測線，使得所述感應加熱線貫穿所述第一環路；

在所述第二環路中設置間隔體；

傳遞交流電流通過所述導體；

感測所述交流電流；

感測跨越所述感測線的電壓；以及

至少基於感測到的所述交流電流和感測到的所述電壓來表徵所述感應加熱線。

17.根據條款16所述的方法，其中，所述第一環路包括第一段和第二段，其中，所述第二環路包括第三段和第四段，並且其中，所述第一段、所述第二段、所述第三段和所述第四段具有基本上相等的長度。

18.根據條款16所述的方法，其中，設置所述間隔體的步驟包括將所述間隔體螺旋地纏繞所述導體。

19.根據條款16所述的方法，其中，表徵所述感應加熱線的步驟包括計算感測到的所述電壓的時間積分。

20.根據條款16所述的方法，其中，表徵所述感應加熱線的步驟包括生成B-H曲線。

因此，所公開的是一種用於感應加熱線(包括螺旋形(螺旋纏繞的)感應加熱線)的磁性表徵的系統和方法。重要地，所公開的系統和方法可以被用來精確地測量螺旋纏繞的感應加熱線在其將在實踐中使用(纏繞載流導體)的幾何形狀中的磁響應。感測線的存在可以最低限度地影響系統的幾何形狀，還抵消來自由載流導體產生的磁場的背景響應，從而使所測量到的響應主要(如果不是僅)成為感應加熱線的響應。

儘管已經示出並描述了所公開的用於感應加熱線的磁性表徵的系統和方法的多個實施方式，然而修改可以被本領域技術人員在閱讀本說明書時想到。本申請包括這些修改並且僅受權利要求的範圍限制。