电磁成形过程中线圈温升过高会缩短其使用寿命,优化线圈结构可以在不影响成形效果的情况下降低温升。华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心等单位的研究人员王紫叶等,在年第18期《电工技术学报》上撰文,以管件电磁成形所使用的螺线管线圈为研究对象,利用电磁场—机械结构场—温度场耦合有限元模型,针对线圈绕制工艺的特点,详细探讨线圈层数、匝数、高度、宽度、匝间距以及层间距这六种结构参数对线圈温升及成形效果的影响。
仿真结果表明,合适的结构参数均能抑制线圈温升,同时保持工件成形效果,但六种结构参数的影响程度并不相同。该结果为管件电磁成形线圈的结构优化设计提供了建议,为提高线圈使用寿命指明了方向。
电磁成形(ElectromagneticForming,EMF)是一种在线圈中通以脉冲大电流产生脉冲强磁场,进而在金属工件中感应涡流,磁场和涡流共同作用产生洛伦兹力,从而驱动材料发生塑性变形的高速率成形技术。其具有高效率、低损耗等优势,可广泛应用于航天航空、船舶以及汽车等领域,但由于成形线圈在电磁成形过程中产生大量焦耳热引起线圈温升过高,使线圈使用寿命大大缩短,造成电磁成形设备使用寿命有限,使该技术无法满足工业生产大规模长时间持续运行的要求,严重限制了电磁成形技术的发展。
目前,国内外学者针对成形线圈的研究主要从线圈材料、绕制工艺、结构设计和安装位置这四个方面展开。其中,成形线圈的结构设计研究最为丰富,不仅包括各式各样的线圈整体结构设计,还有线圈的局部结构优化。
但遗憾的是,绝大部分关于成形线圈的结构研究,是为了改善电磁成形效果,实现工件成形要求,而对于线圈在电磁成形过程中的温升研究极少,仅有邱磊与刘良云以抑制线圈温升为目的,探讨了单层平板线圈匝间距与高度对线圈温升的影响,验证了优化线圈结构能有效抑制线圈温升。
线圈温升作为影响其使用寿命的重要因素之一,是学者研究的重要方向。关于这一瓶颈,还有CaoQuanliang等和QiuLi等分别利用放电电路中的续流回路、晶闸管开关改变放电电流波形,抑制电流振荡衰减,减小线圈焦耳热,降低线圈温升。QiuLi等通过在驱动线圈旁放置额外的散热线圈,以耦合散热的方法减少驱动线圈温升。
上述研究虽已为线圈温升抑制提供了方向,但秉承温升越低越好的原则,解决方法还不够多。虽有学者验证了优化单层平板线圈部分结构参数可抑制线圈温升,但仅针对单层平板线圈,且仅考虑了两个结构参数对线圈温升的影响,不够全面与详细。故可通过详细研究线圈结构参数对线圈温升的影响情况,优化线圈结构,抑制线圈温升,延缓线圈因温升而加速老化,避免线圈绝缘破坏甚至烧毁,延长线圈使用寿命,促进电磁成形技术更广泛地应用于工业化生产。
鉴于此,华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心等单位的研究人员,围绕电磁成形过程中线圈发热的问题展开研究,提出了一种以优化线圈结构来抑制线圈温升的新思路。
他们以螺线管线圈为研究对象,针对线圈绕制工艺的特点,利用电磁场—机械结构场—温度场耦合模型,详细探讨线圈结构对线圈温升的影响,总结线圈高度、宽度、层数、匝数、匝间距和层间距这六种结构参数对线圈温升的影响规律,并简要讨论线圈结构优化对成形效果的影响,继而综合考虑线圈温升与成形效果以比较各结构参数的影响程度,为优化线圈结构设计提供参考建议。
图1模型求解流程仿真结果如下:1)增加线圈层数与匝数能通过增大其受热面积的方式减小线圈温升;2)增大线圈宽度和高度也能增大其受热面积,抑制线圈温升,且一般能减少线圈焦耳热,提高能量转化率;3)线圈匝间距和层间距对线圈温升的影响较小,温升抑制效果较差,线圈温升随匝间距、层间距增加呈先减后增趋势。
研究结果表明,优化线圈结构可有效抑制线圈温升,且不同结构参数对线圈温升及成形效果的影响不同。本研究成果为提高线圈使用寿命指明了方向。
本文编自年第18期《电工技术学报》,论文标题为“电磁成形过程中线圈温升及结构优化”,作者为王紫叶、杨猛等。