CN201215437Y - 用于竖炉的旋转装料装置及包含该旋转装料装置的竖炉 - Google Patents

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CN201215437Y CNU2007203106018U CN200720310601U CN201215437Y CN 201215437 Y CN201215437 Y CN 201215437Y CN U2007203106018 U CNU2007203106018 U CN U2007203106018U CN 200720310601 U CN200720310601 U CN 200720310601U CN 201215437 Y CN201215437 Y CN 201215437Y
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Abstract

用于竖炉的旋转装料装置及包含该旋转装料装置的竖炉，通常包括用于将炉料分配到竖炉中的装料表面上的旋转分配装置。可旋转结构支撑旋转分配装置并且固定支撑物可旋转地支撑可旋转结构。根据本实用新型，装料装置配备有感应耦合装置，感应耦合装置包括固定于固定支撑物的固定感应器和固定于可旋转结构的旋转感应器。固定感应器和旋转感应器被径向间隙分隔开并且构成了旋转变压器，旋转变压器利用通过径向间隙的磁耦合能够实现从固定支撑物到可旋转结构的无接触电能传输以给设置在可旋转结构上并且连接于所述旋转感应器的电负载供电。

Description

用于竖炉的旋转装料装置及包含该旋转装料装置的竖炉
技术领域
本实用新型通常涉及用于竖炉(诸如冶金鼓风炉)的旋转装料装置。更具体地，本实用新型涉及实现从装料装置的固定部件到可旋转部件的电能转移。
背景技术
目前，许多冶金鼓风炉都配备有用于将炉料(charge material)送入炉中的旋转装料装置。BELL LESS TOP型装料装置为应用尤为广泛的实例。这样的旋转装料装置典型地包括安装在可旋转支撑物上的可变化的倾斜斜道。在大多数目前使用的这种类型的装料装置中，斜道倾斜度的变化通过高度发展的传动齿轮机构实现，此齿轮机构被构造成用来将机械功从固定部件传递到旋转部件，以改变斜道倾斜度。
在EP 0 863 215中提出通过布置在用于支撑斜道的旋转部件上的电动机驱动斜道。这种解决方法消除了对于用于改变斜道倾斜度的高度发展的机械传动装置的需要。然而确实需要用于将电能从固定部件传输到可旋转部件的装置(means)，以便于给可旋转斜道支撑物上的电动机提供能量。相信根据EP 0 863 215的解决方法因其不完善而没有广泛使用，因为这种电能传输既涉及到承受苛刻鼓风炉环境下的可靠性，还涉及到用于实现电能传输的装置的低养护要求。
滑动环(slip ring)装置(其一般可在发电机和电动机中发现)代表了用于实现将电能传输到可旋转部件上并从可旋转部件中输出的广为人知且普遍的装置。滑动环允许将实际上任何瓦数的电能传输到旋转部件。它们的主要缺点是滑动环要求频繁的养护(例如进行清洁)，并且由于磨损的原因还经常要求部件的更换。应该理解滑动环的磨损在竖炉(诸如鼓风炉)的灰尘和高温环境中更为明显。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供易于养护并且可靠的装置，用于实现将电能从竖炉的旋转装料装置中的固定部件传输到可旋转部件。
为了实现此目的，本实用新型提出了用于竖炉的旋转装料装置。
用于竖炉的旋转装料装置典型地包括旋转分配装置(distribution mean)，其用于将炉料分配到竖炉中的装料表面上。可旋转结构支撑旋转分配装置。可旋转结构又由固定支撑物以允许该结构旋转的方式支撑。
根据本实用新型，旋转装料装置包括电感耦合装置。此电感耦合装置包括固定地安装于固定支撑物的固定感应器和固定地安装于可旋转结构的旋转感应器。固定感应器和旋转感应器被径向间隙(gap)隔开。它们被构造成用于借助在径向方向上通过间隙而耦合的共享磁场实现从固定支撑物到可旋转结构的无接触的电能传输。因此，感应器构成旋转变压器。因此，耦合装置提供易于养护且可靠的装置，用于给布置在所述旋转结构上并连接于旋转感应器的电负载供电。
由于它的无接触设计，旋转变压器型感应耦合装置不会遭受由于摩擦而带来的磨损，并因此实际上是无需养护的。应该理解，适用于竖炉装料装置的已知圆形滑动环装置(arrangement)由于所需的用于炉料(配料)的中心通道的原因会有相当大的直径，由此它的磨损会更加明显。这个问题利用根据本实用新型的能量传输装置被消除了。尽管铁心(interferric)间隙可能造成能量传输效率的轻微减少(特别是当与滑动环装置比较时)，但是这个微小的缺点被可靠性和易于养护性的显著提高而大大弥补了。
与轴向相对的感应器(如用在用于例如单一传输装置(例如，VCR中)等弱电流装置的已知旋转变压器中的感应器)相反，本实用新型提出在径向方向(就是说，关于旋转轴与感应器的极面径向相对)上设置铁心间隙。在设置在竖炉上的装料装置的具体实例中，已经发现可旋转结构的运动容差范围通常在垂直方向中要大于径向方向。因此，感应器的径向相对关系使得铁心间隙最小。
对于增大的电感应，固定感应器优选地包括固定磁芯装置并且旋转感应器优选地包括旋转磁芯装置。术语装置用来阐明各个芯体不必需是整片芯体，这在后面将变的显而易见。
在本实用新型的实施例中，径向间隙将固定磁芯装置的至少一个(一般是两个或三个)磁极面与旋转磁芯装置的至少一个(一般是两个或三个)磁极面分隔开，以使固定磁极面和旋转磁极面以径向相对的关系设置。尽管理论上与其它感应器上的单极相对的一个感应器上的单极对于实现功能来说是足够的，优选地还是要限定出磁通量的返回路径。在一个直接的实施例中，径向间隙基本是垂直的，由此实际上在相对的面上不可能有任何炉灰沉积物。任何灰尘或其它潜在的沉积物可下落穿过间隙而不会影响能量耦合装置的功能。
在要求进出(例如用于养护目的)的部件以另外的方式被感应耦合装置阻塞的情况下，就提出这样一个设计，其中固定感应器和/或旋转感应器在旋转方向上是不连续的。在这种不连续(也就是不是完整的圆形)结构的情况下，固定感应器和旋转感应器优选地被构造成使得在可旋转结构旋转的过程中用于固定感应器和旋转感应器之间磁耦合的整个耦合表面是恒定的。对于这种关于不连续感应器的恒定耦合的必要但非充分的条件是固定感应器和旋转感应器中的至少一个具有相对于可旋转结构的旋转轴旋转对称的几何形状。在离开进入口时实现恒定耦合的一个可能性是这样一个实施例，其中固定感应器在它的周边中具有至少一个开口(aperture)并且旋转感应器包括至少一对分离区段(sector)。因此，两者都是不连续的。在这个实施例中，孔具有弧度β并且每对分离区段均被布置成使这对双区段之间的弧度δ是β的除数或者使β是δ的除数。
优选地，固定感应器和旋转感应器各自的每个芯线圈具有范围在50≤n≤500中的线匝数目n，优选地为100≤n≤200。
正如技术人员所理解的，感应耦合装置允许电负载(例如冷却回路泵的电动机，该电动机可操作地连接于分配斜道，其用以改变分配斜道的倾斜角度或用于使分配斜道关于它的纵轴旋转)、或设置在可旋转结构上的任何大瓦数(例如≥500W)的其它电负载的可靠且易于养护的供电。对于控制和/或测量信号的传输不需要使用感应耦合装置。替代地，可以在可旋转结构上设置无线电发射机、接收机或收发机以利用耦合装置从装载电源接收这种信号和/或将这种信号发送给装载电源。
本实用新型不限于应用于BELL LESS TOP型装料装置。本实用新型与其它类型的旋转装料装置结合使用也是有益的。将会进一步理解到通过所描述的感应耦合装置改进了的装料装置特别适合用于配备到鼓风炉上。技术人员还应该理解所公开的耦合装置能够方便地进行改型翻新以作为对现有装料装置的改进，而无需装料装置的显著结构变化。
附图说明
从下面参照附图对本实用新型的几个非限制性实施例的详细描述中，本实用新型进一步的细节和优点中将变得显而易见，其中：
图1是用于竖炉的旋转装料装置中的感应耦合装置的第一实施例的垂直截面图；
图2是根据本实用新型的感应耦合装置中的感应器和芯装置的基本变体的垂直截面图；
图3是根据本实用新型的感应耦合装置中的感应器和芯装置的三相变体的垂直截面图；
图4、图6、图8分别是沿着图5、图7、图9的示意性平面图的线IV-IV，VI-VI和VIII-VIII的垂直截面图，示出了感应耦合装置的另一实施例，图4-5、图6-7、图8-9分别显示了不同的旋转位置；
图10是沿着图11的示意性平面图的线X-X的垂直截面图，示出了了旋转装料装置中的感应耦合装置的又一实施例；
图12是旋转装料装置中的感应耦合装置又一实施例的平面图；
图13-19是示出了感应耦合装置的可能几何结构以及其它变体的示意性平面图；
图20是根据本实用新型的感应耦合装置的等效电路图。
在所有这些图中，使用相同的参考标号或具有增加了百位的参考标号来指示相同的或相应的元件。
具体实施方式
在图1中，参考标号10通常指旋转装料装置。旋转装料装置10典型地将安装在竖炉(未示出，特别是用于生产生铁的鼓风炉)的炉喉上。这个装料装置10包括用来将炉料分配到炉膛的装料表面上的旋转分配装置。作为旋转分配装置的部件，图1示出了可枢转的分配斜道12，其利用鸭嘴形的安装件14连接至可旋转结构16。可旋转结构16具有支撑形成轴B的轴的下部支撑平台17(见图4)，从而，分配斜道12悬吊在轴B上。
如图1中所见，旋转装料装置10还具有被构想成外壳18的固定支撑物。可旋转结构16借助于大直径的滚柱轴承20被可旋转地支撑在外壳18中。滚柱轴承20的外轴承圈(race)固定到可旋转结构16的顶端凸缘22上，而滚柱轴承20的内轴承圈固定到固定外壳18的顶板24上。滚柱轴承20被构造成使得可旋转结构16和随其的分配斜道12可绕着基本上垂直的轴A旋转，轴A通常与炉的中心轴一致。送料槽26位于轴A的中心上并且限定了穿过顶端凸缘22并穿过管状件23的通道，管状元件23将顶端凸缘22连接至可旋转结构16的支撑平台17。炉料(诸如矿和焦炭)可以通过送料槽26送到分配斜道12上。具有图1中所示冷却蛇管的冷却回路28被设置在可旋转结构16上以保护具体暴露在炉热中的部件。
根据由PAUL WURTH S.A.Luexmbourg研发出的BELL LESSTOP原理，装料装置10通过使分配斜道12绕轴A旋转以及通过改变分配斜道12绕轴B的枢转角度实现炉料的分配。轴B通常与轴A垂直。用于使分配斜道12旋转和枢转的机构的更多已知细节在图中未示出，并且在这里没有进一步地描述。例如在美国专利No.3’880’302中给出了对于这些细节的更详细的描述。为了便于理解，主要应该注意旋转装料装置10包括能够相对于它的固定支撑物旋转的可旋转结构16，固定支撑物在图1中对应于外壳18。
本领域的技术人员应理解，电力在可旋转结构(特别是如果是可靠的且易于养护的话)上的可用性不仅对于各种已知装置是有益的，而且还对创新的装置有益。如下为示例性装置：
根据EP0 863 215或US6,481,946的装料装置，其具有用以改变安装在可旋转结构上的分配斜道的枢转角度的致动器并且因此要求电力可用在可旋转结构上；
一个或多个冷却液泵，例如用于如图1所示的受压循环冷却回路28或用于由DE 33 42 572中所知的斜道悬吊轴的冷却回路，和/或用于由US 5,252,063中所知的斜道12自身的冷却回路；
由EP 1 453 983中可知的具有可绕斜道纵轴旋转的分配斜道的装料装置；
自动润滑装置；
任何其它一个(或多个)致动器和/或一个(或多个)传感器，其可有益地设在装料装置的旋转部件上。
理所当然地，致动器或传感器的测量或控制信号具有较低的瓦数(几mW或几W)并因此能够简单地通过无线电通信(例如使用合适的标准无线电设备)传输。相对地，用于许多装置的电力供应具有相当大的瓦数(对于电动机来说通常在1kW和以上的范围中)，因此要求适合的装置来实现从装料装置10的固定部分到旋转部分的电能传输。
在图1中，参考标号30表示感应耦合装置的第一实施例，其以截面图示意性地示出，此装置用来实现这种电能传输。感应耦合装置30能够利用穿过径向间隙32的磁耦合实现从固定支撑物18到可旋转结构16的无接触电能传输。
感应耦合装置30包括固定于固定支撑物(即，图1中的外壳18)的固定感应器34，和固定于可旋转结构16的旋转感应器16。在装料装置10的操作过程中，固定感应器34与外壳18一起保持不动，而旋转感应器36与可旋转结构16一起旋转。虽然在图1中没有示出，但是应该理解固定感应器34通过电源线电缆连接至固定回路，而旋转感应器36电缆连接至设置在可旋转结构16上的回路，以给电负载供电，所述电负载诸如用于斜道12的铰链吊挂式发动机(pivoting motor)，和/或用于冷却回路28的泵，和/或设置在可旋转结构16上的任何其它所需电力装置。如图1中的截面图所示，固定感应器34包括固定磁芯装置38和缠绕在磁芯装置38一部分上的绕组。类似地，旋转感应器36包括旋转磁芯装置40和缠绕在磁芯装置40一部分上的绕组。
在图1的实施例中，耦合装置30设置在送料槽26与管状件23之间。由于这种设置，两个磁芯装置38、40均能够围绕轴A布置成连续的(就是完全圆周的)直径相对较小的环(整圆周结构)。固定和旋转磁芯装置38、40各自的极面被径向间隙32分隔开，该间隙在每个磁芯装置38、40的磁极面之间形成基本垂直的铁心气间隙。此间隙在垂直截面中还可能是轻微倾斜的并且对于每个极面来说不需要处在直线中。然而要求小的径向间隙32以使旋转感应器36相对于固定感应器34能够自由旋转。
由于此径向间隙32，磁芯装置38、40极面的径向相对关系尤其还提供如下优点：
在可旋转结构16相对于外壳18典型地出现微小垂直位移(例如由于轴承20的磨损或由于炉压力的变化)的情况下的可靠操作；
磁芯装置38、40极面上的可能灰尘沉积物以及随后的阻塞和磨损的避免或至少减少；
(对于具有大轴向线圈长度的大尺寸感应器34、36)：相对于轴A在径向方向上的空间节约。
图2更详细地示出了感应耦合装置30的实施例。感应耦合装置30被设计成使用单相交流电(AC)。固定磁芯装置38和旋转磁芯装置40，各自包括基本为U形的或是C形的磁芯。磁芯装置38、40由铁磁材料(例如铁素体)或具有例如约为7000的高相对磁导系数μr(在小于0.1mT磁通量密度下)的合金(例如铁-硅)制成。还可使用获得40000或者甚至100000的非常高相对磁导系数值的PERMALLOY合金。高磁导系数使得可以限制磁场并因此增加每个感应器34、36的感应性。固定和旋转感应器34、36分别包括圆柱形线圈绕组44、46，每个线圈绕组都缠绕在相应磁芯装置38、40的垂直部分上，由此可实现相对于轴A在径向方向上的空间节约。
在旋转方向上(就是说在垂直于图2平面的平面中)，使用完整圆形线圈结构中的单电缆套筒开口(如图1实施例中可使用的)可使得绕组44、46基本绕轴A环绕整个周界。然而，为了实现每单位线圈长度的高绕组数量比(N/I，其中N：线匝的数量，I：绕组的线圈长度)并且由此增加感应性，一般优选的是，给定的线圈绕组仅覆盖各个磁芯装置38、40(或是其子部件)的弧长的一部分。例如这可通过磁芯装置38、40中适当位置处的径向电缆套筒开口而实现，从而用来限定绕组的弧长。在后一种情况中，每个磁芯装置38、40均具有多个这种绕组区段。所有绕组区段优选地具有相同的绕组数(N)。它们与其它绕组区段优选串联地分别连接至交流电源或负载上。
在每个感应器34、36中磁通量的方向(如图2中的箭头所示)是独立于旋转感应器36的旋转位置的。换言之，固定磁芯38的上极面48保持与旋转磁芯40的上极面相对，同时相应下极面48’、50’也是一样的。此外，感应耦合装置30被构造成使得穿过每个感应器34、36的磁通量密度在旋转感应器36的旋转过程中基本保持恒定。这就是说，电能的传输基本上独立于固定感应器34与旋转感应器36之间的相对旋转位置。当然，例如由于磁芯装置38、40中的电缆套筒开口而带来的可以忽略的变化除外。在径向间隙32中，磁通量还基本是径向的，如图2中的箭头所示。
其中有用的伪磁传导元件(缺乏绕组)可以插在磁芯装置38、40周界中的特定位置处，以便于通过使杂散场效应(stray fieldeffect)最小化而在旋转方向中保持均匀的磁通量密度。因为径向的内部磁芯装置(例如图1中的固定磁芯装置38或图4-9中的旋转磁芯装置)会具有稍小的直径，因此感应耦合装置30被设计成使具有最小磁通量横截面的磁芯不会饱和。
感应耦合装置类似于具有固定线圈绕组44和旋转绕组46的(磁芯型)变压器那样操作，固定线圈绕组44和旋转绕组46分别起主要和次要作用。因此，在旋转绕组46的抽头(tap)上可使用的电压取决于绕组比和磁通量密度。然而在感应耦合装置30中，电压通常独立于可旋转结构16的旋转位置。因为电压传输不是感应耦合装置30的基本目的，所以(固定线匝与旋转线匝的)绕组比可以等于1，正如在一对一变压器中一样。由于上极面与下极面48、50；48’、50’之间存在径向铁心空气间隙32，因此感应耦合装置30的传输效率小于具有连续磁芯的传统变压器的传输效率。该空气间隙32的宽度较小，通常在十分之几毫米或几个毫米之间(例如0.5-5mm)。铁心宽度取决于结合考虑了相关因素(诸如热膨胀和轴承20的间隙)的可靠允许旋转感应器36的自由旋转的最小值。
图2还示意性地示出了待设置在可旋转结构16上的负载(电机M)。能够依靠感应耦合装置30为任何类型的负载供电。还应该理解耦合装置30不仅在可旋转结构16以不同速度旋转的过程中提供恒定的电力传输，而且在装料装置10停顿的时候也可以提供恒定的电力传输。
图3示出了了替换的感应耦合装置130，其被设计成传统地用于高功率装置的对称三相系统。在图3的实施例中，耦合装置130包括固定和旋转磁芯装置138、140，固定和旋转磁芯装置138、140均具有基本为E形的垂直截面，每个均具有三个磁极面。固定和旋转感应器134、136分别包括一套三个的线圈144.1、144.2、144.3；146.1、146.2、146.3，一套中的每个线圈均在120°周相移动下操作，用于传输对称三相交流电。固定线圈144.1、144.2、144.3分别缠绕在固定磁芯装置138的三个水平分支的每个上，而旋转线圈146.1、146.2、146.3分别缠绕在旋转磁芯装置140的相对水平分支上。此感应耦合装置130的其它方面与上述和随后所述的方面类似。
图4-9示出了配备有装料装置10的感应耦合装置的又一实施例230。在下文中不再重复描述图4-9的装料装置10的那些细节，它们与在图1中描述的那些细节相对应。
图4-9的感应耦合装置230布置在固定外壳18的下部，这在图8中可见。与之前描述的耦合装置类似，感应耦合装置230包括具有磁芯装置238的固定感应器234和具有磁芯装置240的旋转感应器236。当与图1中的实施例相比时，磁芯装置238、240和它们的线圈绕组的尺寸被制定为用于传输较高瓦数的电能。因为耦合装置230在外壳18的下部中，所以旋转感应器236被直接支撑在平台17上，而固定感应器234固定于外壳18的壁。如图5、图7和图9所示，相对于轴A，固定线圈装置238在外侧面上而旋转磁芯装置240被布置在内侧面上。尽管没有详细地显示，磁芯装置238、240都具有各自的线圈绕组。
在图5、图和图9中可见，固定和旋转感应器234、236和它们各自的固定和旋转磁芯装置238、240在可旋转结构16的旋转方向上都是不连续的(不连续的圆周结构)。固定感应器234包括两个区段234.1、234.2，而旋转感应器236包括四个区段236.1、236.2、236.3和236.4组成。区段234.1、234.2；236.1、236.2、236.3和236.4相对于轴A旋转地对称布置。仅仅是固定和旋转磁芯装置238、240的相对面需要以高精度进行机加工以便获得圆形水平区段。还应该注意，在平面图中，径向间隙32是圆形的并且中心在轴A上。
如在图5、图7和图9中进一步可见的，磁芯装置238、240的周界中的各个孔容许接近可旋转结构16上的内部部件(例如为了进行养护维修)，而无需拆卸感应耦合装置230。例如，不仅向分配斜道12的支撑和驱动机构的两个半部(这两个半部用参考标号52、54示意性地示出)提供通道，而且还向冷却回路28或例如它的冷却泵(未示出)提供通道。在例如图5的旋转结构中，可通过外壳18中的通道门56、58到达布置在支撑平台17上的支撑和驱动机构的两个半部52、54。在例如图7的旋转结构中，可旋转结构相对于图5顺时针旋转90°以使得能够到达其它部件，例如在图6的左手侧所见的冷却回路28的部件。图9示出了可旋转结构16的中间旋转位置。由于结构的限制还可使用沿圆周断开的耦合装置230。
磁芯装置238、240中基本为U形的部件的垂直部分的高度容纳大量线圈绕组(未示出)用以实现强的电感应，这是因为电感应随着绕组数量的平方增加。图4-9的装置适合于高功率应用，例如要求>10kW电力供应的负载。
在图4、图6和图8的垂直截面图中可见，在给定的旋转周期中，固定磁芯装置238的给定极面部分并不是一直与旋转磁芯装置240的相应极面部分相对。通过与图5、图7和图9的比较中可以明白，用于通过径向间隙32的磁耦合的整个耦合面积在旋转感应器236的旋转过程中保持恒定，就是说，此耦合面积不依赖于旋转感应器236相对于固定感应器234的旋转位置。在这种背景下，术语耦合表面被定义为：在此表面上固定磁芯装置238的极面(见图2中的48、50；48’、50’)与旋转磁芯装置240的极面径向相对的表面，并且反之亦然，就是说通过此表面面积能够获得有效的磁耦合的表面面积。因此，在图4-9的实施例中，整个耦合面积是由区段234.1、234.2、234.3；236.1、236.2、236.3和236.4的相对部分(在图5、图7和图9用阴影示出)的弧度给出的这些分离面积分别乘以相应极面(见图2中的48、50；48’、50’)的总和垂直高度的合计。
由于整个耦合面积独立于旋转位置保持恒定，因此耦合磁通量以及因此被传输到可旋转结构16的电能也是独立于可旋转结构16的旋转位置的，与根据图4-9的固定和旋转感应器234、236的不连续结构无关。在感应耦合装置230具有合适直径的情况下，则利用图4-9的耦合装置230的不连续结构能够实现与(例如根据图1的)小直径连续结构程度类似的磁耦合。
图10-11显示了配备有装料装置10的感应耦合装置的又一实施例330。耦合装置330具有不连续的结构。下面仅描述与前述实施例不同的方面。
在图10中可见，感应耦合装置330布置在外壳18的中间高度处。这个位置能够减小装置直径以及因此降低材料成本、能够接近滚柱轴承20以使所要求的间隙32的宽度容差更小，并且还能够减少在炉灰和炉热中的暴露。与耦合装置230相反，在旋转方向上只有感应耦合装置330的旋转感应器336是不连续的，而固定感应器334被构造成绕轴A的完整圆环。耦合装置330的直径相较于图4-9的耦合装置的直径略微减小。如图11所见，旋转感应器336包括两个独立的圆弧形区段336.1、336.2。区段336.1、336.2仅由支撑和驱动机构的两个相对半部52、54位置处的开口分隔开。不连续旋转感应器336符合装料装置10的结构性空间限制并且更便于接近支撑和驱动机构52、54。从图11中显而易见，由于整个耦合面积相当大(相对部分用阴影示出)，感应耦合装置330允许相较于之前实施例的甚至是更高瓦数的无接触电能传输。应该理解示意性示出的耦合装置230、330的具体电设计可能与图2、图3、或者是技术人员很容易能考虑到的任何其它合适的电设计相对应。与图4、图6和图8中的元件238相似，图10-11中的元件338是指固定感应器334的磁芯装置238。
图12示出了耦合装置又一实施例430，其可以认为是图4-9中所示实施例的变体。与上述后一个实施例相反，耦合装置430具有构造成以轴A为中心的整圆环形式的固定感应器434。为了实现用于养护目的的可接近性，固定感应器434具有可移动区段434.1、434.3。例如可移动区段434.1、434.3可安装在铰链上以使其相对于固定安装的区段434.2、434.4是可转动的，如图16中所示的。当要求例如进入支撑和驱动机构部件52、54时，铰链连接的区段部分434.1、434.2被移入图16中所示的停放位置。在操作过程中，可移动区段434.1和434.3被定位成(见图16中的断开线)与固定区段434.2、434.4一起形成整个圆环。因为磁芯装置438、440中的磁通量方向垂直于旋转方向，所以磁芯装置在可移动区段434.1、434.3和固定区段434.2、434.4之间界面处的中断就不是紧要的。与图5、图7和图9中的元件236.1、236.2、236.3和236.4相似，图12中的元件436.1、436.2、436.3和436.4是指旋转感应器的区段。
因为用于竖炉的旋转装料装置的旋转速度相对较低(例如每分钟几转)，需要采用特殊的措施以利用不连续感应器实现恒定的电能传输。因此，在下文中将参照图13-19描述感应耦合装置的有关于可能的不连续圆周结构的更多细节。首先，应注意图13-19的每一个均示出了不连续感应耦合装置的一个例子，这些不连续感应耦合装置能够实现恒定的电能传输而无需考虑可旋转结构16的旋转。这些实例既不是详尽的也不是限制性的。
图13示意性地示出了在圆周上中断的几何结构，就是图4-9中所示的不连续圆形耦合装置230。如图1中所见，固定感应器234的两个区段234.1、234.2以及旋转感应器236的四个区段236.1、236.2、236.3和236.4均绕轴A旋转对称布置。固定感应器234具有m倍(m-fold)的旋转对称(还叫做“m级的离散旋转对称”)，其中m＝2(也就是2π/m＝π或180°旋转的对称)，而旋转感应器236具有n倍的旋转对称，其中n＝4(也就是2π/n＝π/2或90°旋转的对称)。固定区段234.1、234.2各自的弧度α是相同的并且近似等于π/2或90°。固定区段234.1、234.2之间的两个开口也具有近似为π/2或90°的相同的弧度β。区段236.1、236.2、236.3和236.4的弧度γ所需电磁耦合与入口空间(例如用于维修)之间的折衷值。γ的值自身对于实现恒定的感应耦合不是关键的。在具有给定的半径和对称等级的情况下，弧度α、β、γ分别确定开口、固定区段234.1和234.2以及固定区段236.1、236.2、236.3和236.4的弧长，由此除此以外就能够确定整个耦合面积了。
为了减少随后的描述，会使用“共轭区段”的表达方式来表示满足以下条件的给定旋转区段：它们是在圆周上最接近的对，其中在一个区段的共轭区段导致耦合减小的同时该一个区段导致耦合的增加，反之亦然。在图13的耦合装置230中，区段对(236.1、236.2)和区段对(236.3、236.4)均是共轭区段对。两个共轭区段(例如236.1和236.2)中心之间的弧度δ选择为开口(或多个开口)的弧度β的函数。在耦合装置230中，δ是β的除数，就是β＝kδ，其中k是非负整数。如图13中可见，k＝1或者δ近似等于π/2或90°。此外，两个共轭区段，例如(236.1、236.2)和(236.3、236.4)，应该具有相同的弧度γ并且相对于由它们的双区段确定的平面对称布置以确定δ。因此保证了整个耦合面积独立于旋转感应器234的旋转位置。事实上上述情况确保当在给定区段(比如234.2)处的耦合面积由于旋转减小或增加时，在它的共轭区段(比如234.1)处的耦合面积同时减小或增加同样的量。
图14示出了根据图4-9和13中的实施例的变体的耦合装置530，其中旋转感应器536仅包括一对共轭旋转区段536.1和536.2。如图14中可见，旋转感应器536不需要绕轴A旋转对称(假定1倍对称不是对称)。在特定结构中，固定感应器534或旋转感应器536中的任一个具有旋转对称就足够了，也如图15所示。与图5、图7、图9和图13中的元件234.1、234.2相似，图14中的元件534.1、534.2是指固定感应器534的区段。
图15示出了具有单对旋转区段636.1和636.2并且仅有一个固定区段634.1的耦合装置的又一实例630。在图15的耦合装置630中，旋转感应器636具有2倍旋转对称(也就是π或180°的对称)而固定感应器634不是旋转对称的(m＝1)。在图15的耦合装置630中，δ是β的除数(反之亦然)，就是β＝kδ，其中k＝1。
图16示出了耦合装置730，其中固定感应器734是4倍旋转对称的(m＝4)，而旋转感应器736不是旋转对称的(n＝1)。固定和旋转感应器734、736分别具有四个区段，734.1、734.2、734.3和734.4以及736.1、736.2、736.3和736.4。在耦合装置730中，α＝β＝γ＝π/4并且因此β＝kδ，其中k＝1。另外，旋转区段736.1、736.2、736.3和736.4的弧度γ可能增加或减小而不影响电磁耦合独立于旋转这个事实。然而在每对共轭区段(736.1、736.2)和(736.3、736.4)中，两个区段的弧度γ(就是弧长)应该是相等的并满足γ≤β。
图17示出了耦合装置的又一替换实施例830，其中固定感应器834是3倍旋转对称的(m＝3，就是120°的旋转对称)，而旋转感应器836是4倍旋转对称的(n＝4)。固定感应器834包括三个分离的区段834.1、834.2和834.3，而旋转感应器836包括四个独立的旋转区段836.1、836.2、836.3和836.4。区段绕轴A旋转对称布置。在耦合装置830中，α＝β＝2π/3而δ＝π。应注意耦合装置830中的共轭旋转区段是径向相对的那些区段，即，区段(836.1、836.3)和(836.2、836.4)是分别共轭的。因此在图17的实施例中，β是δ的除数(并非反之亦然！)，即，δ＝kβ，其中k＝3。事实上，在这个特定实施例中，δ≥β而在前面的实施例中δ≤β。
图18示出了耦合装置930，它是图17的实施例的变体，其中它在旋转感应器936中仅具有一对共轭区段936.1、936.2。从图17和18的比较中可以看出，所用的共轭对的实际数量不是确定的只要仍然满足旋转独立耦合的条件即可。例如，可以向图17的耦合装置830添加又一共轭对(未示出)，这通过在不影响旋转独立性的情况下将两个径向相对的区段以45°插在区段对(836.1、836.2)与(836.3、836.4)之间来实现。与图17中的元件834.1、834.2和834.3相似，图18中的元件934.1、934.2和934.4是指固定感应器的区段。
图19示出了耦合装置的又一实施例1030。在这个耦合装置中，旋转感应器1036具有与图13中的旋转感应器相同的结构，就是说它包括四个分离的区段1036.1、1036.2、1036.3和1036.4(其中δ＝π/4)，并且绕其旋转轴A以4倍的方式旋转对称布置(n＝4)。另一方面，固定感应器1034形成在弧度α＝3π/4的一片中并因此不是旋转对称的(m＝1)。由于存在弧度β＝π/4的开口，因此固定感应器1034是不连续的。如前面的实施例中一样，在旋转感应器1036的旋转过程中，利用通过径向间隙32的磁耦合从固定感应器1034到旋转感应器1036的电能传输也基本上保持恒定。
从上面对耦合装置的可能几何布置的描述中可以理解，许多具有不连续磁芯装置的不同结构的感应器都是可能的，它们都使得整个耦合面积在旋转感应器的旋转过程中保持恒定。因此利用通过径向间隙32的磁耦合的电能传输独立于支撑旋转感应器的可旋转结构16的旋转位置(除了在区段边缘处发生的小变化)。
现在转而参考图20所示的感应耦合装置的等效电路图，将详细描述一些电力设计方面的考虑。在图20中(使用相位符号)：
U1：施加到固定感应器的电压；
R1：固定感应器的绕组电阻；
X1：固定感应器的漏电抗(leakage reactance)；
U’2＝ntr 2·U2：参照固定感应器的旋转感应器的电压；
R’2＝ntr 2·R2：参照固定感应器的旋转感应器的绕组电阻；
X’2＝ntr 2.X2：参照固定感应器的旋转感应器的漏电抗；
Xmu＝磁化互电抗；
z’mot＝R’mot+jX’mot：参照固定感应器的负载(例如电机)阻抗；
R’mot＝ntr 2.Rmot：参照固定感应器的负载电阻；
X’mot＝ntr 2·Xmot：参照固定感应器的负载电抗；
其中ntr是固定线匝与旋转线匝的绕组比。
如将会理解的，感应耦合装置基本上类似于旋转变压器的感应耦合装置。因此，Xmu对于感应耦合装置的设计是非常重要的参数。事实上：
Xmu = 2 π · f · n 2 1 R core + R gap - - - ( 1 )
其中f是交流频率，n1是固定感应器绕组的线匝数量，并且Rcore、Rgap分别是磁芯磁阻和径向间隙32的磁阻。因为磁芯材料的磁导系数比径向间隙32的磁导系数大几千倍，所以在等式(1)中Rcore相对于Rgap是可忽略的。因为径向间隙32的磁阻是直接与间隙32的宽度(也就是径向延伸)成比例的，所以这个宽度应该最小化以保证高的互电抗Xmu。除了要使Xmu尽可能地大，还要使R1、R2和X1、X2尽可能地小，这是用于优化感应耦合效率的度量。
利用图20的等效电路图，能够利用如下公式基于有效的能量比计算感应耦合装置的有效效率：
η = R ′ mot R ′ mot + R ′ 2 + R 1 · ( R ′ 2 + jX ′ 2 + jXmu + R ′ mot + jX ′ mot jXmu ) 2 - - - ( 2 )
基于被载荷消耗的有效能量比的视在效率(apparent efficiency)与原始侧消耗的视在能量(有效的+无功的)的比也是相对度量参数。它由如下公式计算：
η s = R ′ mot · I ‾ 2 2 U ‾ 1 · I ‾ 1 - - - ( 3 )
其中
Figure Y200720310601D00233
和
Figure Y200720310601D00234
分别是固定/旋转侧的视在(有效的+无功的)电压和电流。
对于1mm的径向间隙宽度，已发现铁-硅磁芯是优选的，1mm2横截面的绕组铜线载荷为1kW，每个绕组的线匝数量在110<n1，2<160的范围内。应该注意η和ηs对于给定设计通常不能都是优化的，ηs一般在高于η的较高线匝数下具有最大值。因此，选择能够获得最大η的最小线匝数量，使阻抗性的热损失最少。因为电抗是AC频率的函数，所以应该理解(2)是AC频率的函数，在该AC频率下为固定感应器供电。已经发现在上述示例设计中，η和ηs迅速增加到150Hz。超过了这个值，η依然增加但是它的增加幅度降低了，而ηs可能在较高的频率下显著下降。为了最小化无功损失(Xmu，磁芯损失)，频率应该在100Hz<f<200Hz的折衷范围中。对于固定感应器绕组和旋转感应器绕组两者的线匝数n1，2＝125和频率f＝150Hz的情况，以下的值针对不同宽度的铁心径向间隙32可以用数字确定：
 
e[mm] 0.5 1 2 5
η 69.7 61.3 44.8 17.6
ηs 46.7 35.6 22.6 9.2
如将会被理解的，径向间隙32的铁心宽度e通常会在0mm<e<2mm的范围中。在使用较大绕组线的横截面、使用较高磁导系数的磁芯材料(例如PERMALLOY)、能够实现较小的铁心宽度e和/或技术人员可容易地理解的多种其它度量的代价下，能够获得高于70％的有效效率值。如将会被理解的，能够在需要的地方与感应耦合装置结合使用任何补充部件。耦合装置可以辅以能量存储装置和整流器或者辅以电源控制器。应该理解不要求用超出文中公开的机电设计的电力装置实现对布置在可旋转结构16上的负载提供基本恒定的电能供应。
尽管感应耦合装置在理论上可用于组合的信号和能量传输，但是认为使用无线电设备进行信号传输是优选的。因此，可在可旋转结构16上设置无线电发射器、接收器或收发器以从连接于旋转感应器的负载处接收控制和/或测量信号和/或将其传输到负载处。负载和无线电设备均可通过耦合装置供能。
最后，应该理解，之前描述的具有感应耦合装置的改进的竖炉装料装置可接收设置在可旋转结构上的任何类型的电负载。由于耦合装置的高功率电容，具有高于500W的额定电力消耗的一个或多个负载能够方便地并可靠地在装料装置的旋转部件上操作，而无需考虑操作条件。由于它的无接触设计，感应耦合装置不会遭受磨损并且因此实质上不需要养护，尽管竖炉的操作条件很恶劣。

Claims (15)

1.一种用于竖炉的旋转装料装置，包括：
旋转装料分配装置；
可旋转结构，其支撑所述旋转装料分配装置；和
固定支撑物，其可旋转地支撑所述可旋转结构；
其特征在于，所述旋转装料装置还包括感应耦合装置，所述感应耦合装置包括固定感应器和旋转感应器，所述固定感应器固定于所述固定支撑物，所述旋转感应器固定于所述可旋转结构，
所述固定感应器和所述旋转感应器被径向间隙分隔开并且构成旋转变压器。
2.根据权利要求1所述的装料装置，其特征在于，所述固定感应器包括固定磁芯装置并且所述旋转感应器包括旋转磁芯装置，并且所述径向间隙将所述固定磁芯装置的至少一个磁极面与所述旋转磁芯装置的至少一个磁极面分隔开，以使所述固定磁极面和所述旋转磁极面以径向相对的关系布置。
3.根据权利要求2所述的装料装置，其特征在于，所述径向间隙是竖直的。
4.根据权利要求3所述的装料装置，其特征在于，所述固定感应器和/或所述旋转感应器在旋转方向上是中断的。
5.根据权利要求4所述的装料装置，其特征在于，所述固定感应器和所述旋转感应器被构造成使得在所述可旋转结构的旋转过程中所述固定感应器与所述旋转感应器之间的磁耦合的整个耦合面积是恒定的。
6.根据权利要求5所述的装料装置，其特征在于，所述固定感应器和所述旋转感应器中的至少一个相对于所述可旋转结构的轴旋转对称。
7.根据权利要求6所述的装料装置，其特征在于，所述固定感应器在其圆周中具有至少一个开口，因此所述固定感应器是中断的，所述开口具有弧度β，并且，所述旋转感应器包括至少一对分离区段，所述分离区段被布置成使一对双区段之间的弧度δ是β的除数或者使β是δ的除数。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的装料装置，其特征在于，所述固定感应器和所述旋转感应器分别包括至少一个感应器绕组，每个绕组的线匝数量n的范围为50≤n≤500。
9.根据权利要求1到7中任一项所述的装料装置，其特征在于，所述装料装置进一步包括形成所述旋转装料分配装置的一部分的分配斜道和操作性地连接于所述分配斜道以改变所述分配斜道的倾斜角度的铰链吊挂式发动机，所述铰链吊挂式发动机作为负载连接于所述旋转感应器以通过所述感应耦合装置被供电。
10.根据权利要求1到7中任一项所述的装料装置，其特征在于，所述装料装置进一步包括形成所述旋转装料分配装置的一部分的分配斜道和操作性地连接于所述分配斜道以使所述分配斜道绕其纵轴旋转的电机，所述电机作为负载连接于所述旋转感应器以通过所述感应耦合装置被供电。
11.根据权利要求1到7中任一项所述的装料装置，其特征在于，所述装料装置进一步包括冷却回路，所述冷却回路具有设置在所述可旋转结构上的泵，所述泵作为负载连接于所述旋转感应器以通过所述感应耦合装置被供电。
12.根据权利要求1到7中任一项所述的装料装置，其特征在于，所述装料装置进一步包括设置在所述可旋转结构上的电负载，所述负载具有≥500W的额定电力消耗并且所述负载连接于所述旋转感应器以通过所述感应耦合装置被供电。
13.根据权利要求12所述的装料装置，其特征在于，所述装料装置进一步包括设置在所述可旋转结构上的无线电发射器、接收器或收发器。
14.一种竖炉，其特征在于，所述竖炉包括根据前面权利要求中任一项所述的装料装置，所述装料装置安装在所述竖炉的炉喉上。
15.根据权利要求14所述的竖炉，其特征在于，所述竖炉为鼓风炉。
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