（材料加工工程专业论文）基于吸引力原理电磁成形装置的研究.pdf

哈尔滨工业火学工学坝上学位论文 摘要 电磁成形属于高能率成形技术，它是利用磁场力使金属变形的一种成形 工艺。以排斥力作为工件成形力的成形工艺和理论已经得到了一定的研究， 在这方面也取得了一系列的科研成果，并且基于此原理制作的电磁成形设备 也得到了较为广泛地应用。而关于电磁吸引力成形在国内外都缺乏研究，并 且此类设备的丌发至今依然空缺，因此丌展相关的理论及试验研究对电磁成 形的进一步发展具有重要意义。 本文从电磁吸引力的产生原理出发，讨论了加工线圈中电流的波形对工 件受力方向的影响，为有限元模拟和设备的设计提供了理论依掘。 利用a n s y s 有限元分析软件对平板线圈一板坯电磁吸引力系统的磁场 和磁场力进行了模拟。模拟结果表明，如果线圈中加载电流的变化规律符合 理论要求，那么板坯受到的磁场力的轴向分量为朝向线圈方向。 对基于吸引力原理电磁成形设各进行了设计和元器件参数的计算。充电 部分采用逆变充电电源，其中包括电网侧整流滤波部分、逆变主回路、高频 脉冲变压器、输出整流部分等。放电部分包括电流缓升模块和电流陡降模 块，设计了专门用于吸引力放电回路的延时控制装置，分析了回路中元器件 参数变化对电流的影响。 组装一套基于吸引力原理的电磁成形实验装置，应用平板线圈进行吸引 力验证性试验，通过观察板坯运动验证了电磁吸引力装置的可行性。 关键词 电磁成形；磁场力；吸引力：有限元；逆变充电 堕查堡三些查兰三兰堡尘兰竺鎏兰 a b s t r a c t e l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n gi sak i n do fh i g h e n e r g y - r a t ef o r m i n gt e c h n o l o g y ， i nw h i c ht h em e t a lw o r kp i e c ecanb ed e f o r m e db yt h em a g n e t i cf o r c e t h e f o r m i n gp r o c e s sa n dt h e o r yb a s e do nt h er e p u l s i o ni n t e r a c t i o nh a v eb e e ns t u d i e d f o rs e v e r a ld e c a d e s t h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n ge q u i p m e n t sb a s e do n t h i s t h e o r yh a v eb e e nu t i l i z e dw i d e l y b u te l e c t r o m a g n e t i ca t t r a c t i o nf o r m i n gi so f l e s sr e s e a r c he i t h e ri n t e r i o r l yo ro v e r s e a s t h ee l e c t r o m a g n e t i ca t t r a c t i o nf o r m i n g e q u i p m e n th a sn everb e e nd e v e l o p e d s oi t sv e r ys i g n i f i c a n ta n dn e c e s s a r yt o p r o c e e dt h er e s e a r c ho nt h et h e o r ya n dt h ee q u i p m e n t i nt h i st h e s i s ，a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fe l e c t r o m a g n e t i ca t t r a c t i o nf o r m i n g ， t h ei n f l u e n c eo ft h ew a v e f o r mo ft h ec u r r e n ti nc o i lo dt h ef o r c ed i r e c t i o na c t i n g o nt h ew o r kp i e c ew a sd i s c u s s e d ，w h i c hp r o v i d e dt h e o r yb a s i st ot h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sa n de q u i p m e n td e s i g n t h ef e ms o f t w a r ea n s y sw a su s e dt o s i m u l a t et h em a g n e t i cf i e l da n dm a g n e t i cf o r c e so ft h ee l e c t r o m a g n e t i ca t t r a c t i o n s y s t e mw i t hf l a tc o i l t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a ti ft h ec u r r e n ti nt h ec o i l m e e t st h et h e o r e t i c a lr e q u i r e m e n t s ，t h ea x i sm a g n e t i cf o r c ep o i n t i n gt ot h ec o i l canb eo b t a i n e d t h e e l e c t r o m a g n e t i c a t t r a c t i o n f o r m i n ge q u i p m e n t i sd e s i g n e d ，t h e p a r a m e t e r so ft h ec o m p o n e n t si nt h ee q u i p m e n ta r ec a l c u l a t e d t h ec h a r g i n gp a r t u s e si n v e r t e rp o w e rs o u r c e ，w h i c hi n c l u d e si n p u t t i n gc o m m u t a t i n gp a r t ，i n v e r t e r p a r t ，h i g hf r e q u e n c yp u l s et r a n s f o r m e ra n do u t p u t t i n gc o m m u t a t i n gp a r t t h e d i s c h a r g i n gp a r ti n c l u d e st h es l o wr i s i n gc u r r e n tm o d u l ea n dq u i c kr i s i n gc u r r e n t m o d u l e at i m ed e l a y i n gc o n t r o le q u i p m e n ti sd e s i g n e dt ob e u s e di nt h e d i s c h a r g i n gp a r t o n ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n tw a sa s s e m b l e d ，b yu s i n gt h i se q u i p m e n t ，t h e e x p e r i m e n t sw i t hf l a t c o i lw e r ep e r f o r m e d b yo b s e r v i n gt h em o v e m e n to ft h e f i a tw o r kp i e c et o w a r dt h ec o i l ，t h ef e a s i b i l i t yo ft h ee l e c t r o m a g n e t i ca t t r a c t i o n f o r m i n ge q u i p m e n ti sv e r i f i e d k e y w o r d se l e c t r o m a g n e t i cf o r m i n g ；m a g n e t i cf o r c e ；a t t r a c t i o n ；f i n i t ee l e m e n t i n v e r t e rp o w e rs o u r c e 哈尔滨丁业大学t 学顺士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 电磁成形工艺是2 0 世纪6 0 年代初困内外兴起的新型的金属塑性加工方 法，它利用瞬问的高压脉冲磁场使金属产生塑性变形，属于高能率加工范畴。 早在2 0 世纪2 0 年代，人们在脉冲磁场中做实验时偶然发现，形成脉冲磁 场的金属线圈易被胀大、胀破，这一现象启发了人们对电磁成形原理的思考 。尽管人们早就发现了这个原理，却没有立刻得到应用。直到1 9 5 8 年，美 国通用电力公司设计的第一台电磁成形机问世，这标志着电磁成形技术的诞生 2 1 。1 9 6 2 年，美国的b r o w e r 和h a r v e y 将这种技术应用于金属成形，并对这一 技术申报了专利，注册商标为m a g n e f o n n 3 1 。从此以后，电磁成形技术引起了 各国工业的重视，并逐渐用于工业生产。6 0 年代中期，出现了储能为5 0 k j 、 2 0 0 k j 和4 0 0 k j 的电磁成形机。7 0 年代中期已有4 0 0 多台电磁成形机运行于各 生产线上，15 0 多家工厂使用了这种工艺，多数机器用于大批量生产，有的机 器已运行了5 0 0 万次。到8 0 年代，电磁成形已在美国、前苏联、日本等国家 的工业生产中得到广泛应用，特别是美国和前苏联，生产设备已实现系列化和 标准化，并出现一些专用电磁成形设备1 4 l 。 电磁成形是将强脉冲电磁力作用于会属毛坯使其产生塑性变形的一种高能 率成形二 艺。浚工艺适用于管材的胀形、缩径、冲孔、翻边、切断、焊接：板 材的冲孔、压印或压花、成形：组装件的装配；粉术的压实和成形等忙j 。它具 有生产率高、工艺重复性好、工装简单等一系列优点，因而深受塑性加工界的 重视。因其相对于传统的金属压力加工方法具有一系列独特的优点，故广泛应 用于航空、航天、汽车、电子、仪器、仪表、军工等领域。如导弹卡箍成形， 仪器舱校形，扭矩轴、控制杆及连接杆装配，冷却系统管道成形及装配：汽车 空气调节储存器、高压软管、振动吸尘盖、油冷却器、热交换器、搅拌轮、汽 油注入管及电机外壳附件的装配；万向接头架、驱动连杆、凸轮、齿轮等与驱 动轴或万向轴管的连接：熔断器、绝缘器、照明夹具等电子元件的装配1 67 j ； 核i , j k 中燃料棒的成形装配；弹壳组装等。电磁铆接已被广泛用于波音7 3 7 、 7 4 7 、7 6 7 ，图15 4 等大型客机的机翼大梁的装配l 。 哈尔滨工业大学丁学坝l 。学位论义 1 2 电磁成形设备概述 就设备而言，电磁成形机是一台冲击大电流发生器【9 1 。可以说，电磁成形 工艺是冲击大电流技术在金属压力加工领域中的应用。 电磁成形设备基本由四部分组成：直流充电电源系统：储能系统，由数台 脉冲电容器组成：放电回路系统，由高压放电开关、工作线圈等组成；控制回 路系统，由操作台、仪表、控制元件、触发电路等组成【1 0 - 1 5 1 。其中直流高压电 源装置是设备的核心。设备原理图如图1 1 所示。普通市电通过升压变压器7 升压，经整流元件l 整流变为高压脉动直流，再经限流电阻2 对脉冲电容器组 6 进行充电，当到达设定电压时停止充电。需要放电时，接通高压开关3 ，脉 冲电容器6 对成形线圈5 放电，线圈上流过瞬时强脉冲电流，在线圈周围建立 高能强脉冲磁场，对磁场中的导电毛坯4 产生磁场力，通过磁场力使令属坯料 达到预期的形变”“1 7 1 。 一整流元什；2 一限流电阻；3 一高乐开关；4 一金属坯料 5 一成形线圈；6 - - 脉冲电秤器绢；7 一升压变压器 图1 1电磁成形机原理幽 1 3 电磁成形原理概述 电磁成形的基本原理是利用磁场力使金属坯料变形，从而实现对： 件的加 工。线圈与坯料之划的磁场力是由流经工作线圈电流的快速变化而产生的。当 工作线圈中的电流迅速增大或突然衰减时，由于电磁场的作用，会属坯料中就 会产生相应的感应脉冲电流，同时也会形成相应的感应脉冲磁场。于是坯料与 堕! ：篓。! ；些尘兰：! ：兰! ! ；耋丝里兰 工作线圈之间，放电磁场与感应磁场相互作用而使坯料受到很大的磁场力。如 果坯料受力达到屈服点，就会引起塑性变形。 电磁力可以分为排斥力和吸引力两种，因此理论上采用电磁成形剥坯料进 行加工时，工作线圈与坯料之i 剐的作用力方式也可分为排斥力与吸引力两种情 况。 1 3 1 线圈对工件的作用力为排斥力 也就是电磁力使工件变形的方向背离线圈，其原理如一f i 8 2 0 1 ：来自电网的 交流电经变压器及整流器后变为高压直流并向电容器充电。当电容器储能达到 预定值后，导通高压丌关，强脉冲电流通过工作线圈瞬时释放。以管坯缩径为 例，原理图如图1 2 所示。管坯缩径加工是一种应用最多，效率最高的加工方 式。成形时线圈在最外边，然后是管坯，心部可放模具或其他工件。当工作线 圈3 通过强脉冲电流时，线圈空间就产生一均匀的强脉冲磁场，同时在金属坯 料外表面产生感应脉冲电流( 涡流) 。此感应电流在管坯空间产生感应脉冲磁 场，放电瞬间在管坯内部的空间，放电磁场与感应磁场方向相反而相互抵消。 管坯与线圈之间，放电磁场与感应磁场方向相同而线性叠加，从而得到加强， 产生脉冲磁场力。其结果是使管坯外表面受到很大的磁场压力的作用，当脉冲 压力超过坯料的屈服极限时，坯料即发生缩径变形。 23 雕圈稠 i 一脉冲电容器；2 一高压开关：3 i 作线罔：4 一磁力线：5 一管坯 幽i - 2 管坯缩径原理图川 如果将线圈放到管坯的内部可以实现管坯的胀形加工，如图1 3 所示，放 电时，管坯内表面的感应电流与线圈内的放电电流方向相反而相互抵消，在线 圈与管坯之间方向相同而加强。其结果是使管坯内表面受到强大的磁场力，驱 堕垒堡三些盔主三兰丝兰耋堡篁兰 动管坯发生胀形变形。采用这种方法进行加工时，由于是将线圈放到管坯的内 部，用小线圈来加工大工件，所以其变形能力比自u 者要弱得多。并且因为般 不容易制作出直径太小的线圈，因此被加工的管坯内径必须较大才能使该工艺 成为可能【2 2 】。 1 一模具或 j 什；2 一管坯；3 一i ：作线圈 2 图1 - 3 管坯胀形原理幽口“ 当采用平板线圈时，可以对板料进行加工，如图1 4 所示。当电容器对工 作线圈2 放电时，其周围产生脉冲磁场，并且其轴向分量穿过板料工件平面 而产生感应电流，感应电流产生感应磁场，于是产生的电磁力作用于工件1 ， 当达到材料屈服极限时，工件就会产生背离线圈的变形【2 ”。当工件接触到模具 时，其变形受到限制，工件就会按照模具形状产生预期的变形。 匝互互亟亟汪亘至卜z 1 一i 什；2 一线圈：3 一模j 1 _ 幽1 4 扳料成形原理剀i 2 j l 3 在电磁成形实际应用中，经常采用集磁器( f i e l ds h a p e r ) 来控制磁场的分 m j 并保护成形线圈不受损坏2 6 l 。集磁器的原理如图1 5 所示。 1 口口口口口 2 卜，：，：一 i 。 - - 4 田口田田四 3 1 一线圈：2 集蹴器：3 一i ：r i 幽1 5 集磁器原理剧 当加工线圈1 中通入脉冲电流时，在集磁器中产生方向相反的感应电流。 由于集磁器侧壁有一条间隙，集磁器中感应电流沿陔间隙流动并经过集磁器的 内表面构成回路。因为集磁器的内表面要小得多，从而泼表面的电流密度要大 得多，即在很小范围内产生很强大的磁场。于是，集磁器可以把磁场集中于局 部的加工区域，使工件在局部产生变形。同时，由于集磁器承担了绝大部分的 磁场力，可以保护成形线圈不受损坏。 采用电磁成形工艺时，坯料必须为导体，并且导体的电阻率应陔尽可能的 小，以便使感应电流较大、效率高。对此，金、银、铜、铝、低碳钢及有关合 金均能满足。其他电阻率高的材料，需要在工件表面涂一层导电性能好的材 料，然后进行电磁成形加工【2 8 】。另外，工件必须是闭合的无缝，否则无法形成 感应电流回路。 1 3 2 线圈对工件的作用力为吸引力 也就是电磁力使工件变形的方向朝向线圈，其原理如下1 29 】：先在线圈内通 过一个增长较慢的电流，建立起磁场并扩散到工件内部。然后将供给线圈的电 源通过高压丌关突然短路，这时磁场突然衰减，工件内产生感应电流，它与线 圈中衰减的电流方向一致，线圈和工件f b j 产生很强的吸引力，使工件变形。 还可以通过利用辅助线圈进行吸引力成形。当主线圈磁场衰减时，在辅助 线圈中产生和工件中感应电流方向相同的感应电压，当感应电压达到一定数值 堕堡堡；! ；些叁耋! ；兰竺! ! 兰堡耋兰 时，辅助线圈出于其高压丌关短路而成为通路，于是在工件和辅助线圈中通过 方向相同的感应电流，使它们相互产生吸力而使工件变形。 当采用吸引力成形法对工件进行加工时，为了使工件得到同样的变形，工 件与线圈f f , j n x 位置则与采用排斥力成形法时刚好相反。例如：对管件进行胀 形，采用排斥力加工原理时，由于排斥力是工件成形的作用力，因此必须将线 圈放置在管件内部j 而采用吸引力加工原理时，吸引力是工件成形的作用力， 所以线圈必须放置在管件外部。当对直径较小的管件进行胀形时，因为一般不 容易制作出直径太小的线圈，所以采用排斥力成形法就无法对其加工。而当采 用吸引力成形法时，线圈在管件外部，因此可以实现对小直径管件胀形的加 工，从而解决这个问题。诸如此类的许多排斥力电磁成形原理无法实现的加工 工艺都可以通过采用吸引力成形原理进行解决。由此可见，电磁吸力成形是十 分具有实验研究价值和实际应用价值的。 1 4 电磁成形的国内外发展现状 电磁成形这一加工成形技术起始于上世纪6 0 年代，7 0 年代沉寂了一段时 间，8 0 年代中期丌始复苏，现在已在国外得到了广泛应用，国内也已经将 其应用于民用和军工。 1 4 1 电磁成形在国外的发展现状 1 9 5 8 年，美国通用电力公司在f | 内瓦举行的第二次国际和平利用原子能的 会议上展出了世界上第一台电磁成形机口“。1 9 6 2 年，美国的布劳尔 ( b r o w e r ) 和哈维( h a r v e y ) 经过改进和完善发明了可用于工业生产的电磁成 形机，并申报了专利，这标志着电磁成形技术真证开始走向实用化和工业化。 从此， 1 磁成形引起了各工业国的广泛关注和高度重视美国、苏联、同本、 西德、英国、加拿大、法国等国家纷纷丌展了这方面的理论、工艺及应用的研 究，并取得了不少成果口“。其中，美国和苏联处于遥遥领先的地位。6 0 年代 中期，出现了储能为5 0 、2 0 0 、4 0 0 k j 的电磁成形机；7 0 年代中期，已有4 0 0 多台电磁成形机运行在各种生产线( 如胀形、缩径、装配、压印和冲裁) 上， 使用这j j l | l 新工艺和设备的工厂超过1 5 0 个，且多数设备用于大批量生产，有的 已运行了5 0 0 万次之多p ”。这些设备的脉冲电流一般在1 0 0 k a - - 4 0 0 k a ，放电 周期多在1 0 0 9 s 左右p 。到8 0 年代中期，电磁成形已在美国、苏联、日本的 工业生产中得到了广泛的应用。美国和苏联生产的设备均已系列化、标准化。 哈尔滨工业人学丁学坝十学位论文 如美囡m a x u ，e l l 公司生产的各种m a g n e f o r m 设备已遍布美国、日本的十几家 大公司的1 5 0 多个生产厂家”1 ；且苏联除了生产通用的电磁成形机外，还制造 了一些专用的电磁成形设备，如m i , i y 2 0 i i t i 型电磁成形机就是专门为加工钛 合金而设计制造的，它具有给工件加热的装置，这时期，设备的最大能量为 5 0 0 k j 。表1 - 1 为部分国外电磁成形机设备的参数。 表1 - 1部分国外电磁成形机设备参数3 6 最火储能充电电压 电容网络电压 设桥艰号( 所属国家) ( k j )( k v )( l l f )( v ) m h y 15 ( 俄罗斯)1 55 2 01 2 0 02 2 0 m h y 2 0 1 ( 俄罗斯) 2 02 19 02 2 0 3 8 0 m o m 一2 ( 俄罗斯) 1 25 1 2 0 02 2 0 c 3 f i h 装置f 俄罗斯) 3 071 4 4 0 2 2 0 r - 1 ( 德国) 5 51 9 ，13 0 2 2 0 e h n a g( 捷克) 7 51 0 1 5 03 8 0 m a g n e f o r m ( 美国) 68 】8 02 2 0 m a g n e f o r m ( 美国) 1 2 82 2 02 2 0 1 4 2 电磁成形在国内的发展状况 国内用于电磁成形的设备有进口的原装机，也有国内部分单位自行开发设 计与制造的。6 0 年代初期，中国科学院电工研究所曾组织力量系统地研究过电 磁成形工艺及设备，但文革期间被搁置，原有设备至今已不存在。7 0 年代末， 哈尔滨工业大学又丌始再次组织力量进行泼设备与工艺的设计、研究及开发工 作，并于1 9 8 7 年研制成功了7 2 k j 的电磁成形机【j7 l 。1 9 8 0 年以后，曾有哈工 大、上海交大、中科院电子所和鞍山静电设计研究院等单位先后从苏联、美困 进口了一些电磁成形机。9 0 年代中期，哈工大与兄弟单位合作，分别给一些科 研单位丌发制造出若干台电磁成形设备；兵器部5 9 所、中南工大，东北大学 等单位也通过合作，研制并拥有了国产的电磁成形机。并且哈尔滨工业大学在 过去研制的7 2 k j 电磁成形机的基础上又分别于1 9 9 0 年、1 9 9 5 1 9 9 6 年再次 研制出1 4 4 、3 6 k j 中型及1 2 k j 的小型电磁成形设备 3 8 】。总的来说，国产设备 虽然成本比进口低，但结构不甚合理且庞大，设备能量小，很少有超过4 0 k j ， 远远不能满足现实需要。 晗匀 滨工业大学 ：学硕j j 学位论文 1 5 电磁成形的特点及发展趋势 电磁成形的主要特点如下4 】： 1 工艺过程易于实现自动化，生产效率高。由于电磁成形的原理是利用 磁场力而不是机械接触，因此，不存在机械惯性，在生产过程中生产率仅由 装卸工件的时1 1 b j 决定； 2 具有良好的可控性和重复性。通过在电磁成形过程中对放电能量的准 确控制可以实现对工件成形力的精确控制。同时，由于可控性好和分散性小， 决定了其优良的重复性； 3 所需模具简单。只需一个凹模或一个凸模即可实现对工件的加工； 4 由于电磁成形没有机械接触，因此事先经过喷漆、喷涂或电镀的工件 也日以采用这种工艺进行加工： 5 电磁成形的零件精度高、残余应力低、回弹小； 6 有利于提高材料的成形极限。 f 邑磁成形技术是独特的具有很大潜力的新的金属压力加工方法，具有广闶 的市场前景，因而今后对电磁成形设备的需求会越来越多和苛刻，这也反映了 金属压力加工行业的发展方向 4 3 1 。该技术及设备涉及到很多学科和技术，是一 个系统工程，随着相关学科和技术的发展，不同领域人员的努力与协作，尤其 是采用超导材料及技术制作电容器、导线和电路，高电压技术，新材料的发展 与应用，计算机的采用等，必将大大提高设备的能量及其利用率，加以设备结 构的改进和优化，在不久的将来将会有大型精良的电磁成形设备投放市场，加 快电磁成形技术及设备的发展。 1 6 选题意义及研究内容 目的国内外对电磁成形的研究都集中在以排斥力为成形力的原理及相关内 容上，在这方面也取得了一系列的科研成果，并且基于此原理制作的电磁成形 设备也得到了较为广泛的应用。关于电磁吸引力成形在国内外都缺乏研究，并 且此类设备的开发至今依然空缺。而以这种原理为基础的加工工艺可以弥补传 统电磁成形工艺的许多不足，实现电磁成形技术在更广泛领域的应用。因此开 展相关的理论及试验研究对电磁成形的进一步发展具有重要意义。 本课题主要研究内容为： 1 研究电磁吸引力原理并采用有限元方法对平板线圈一板坯电磁吸引力 喻尔滨t 业j 人学丁学坝l ：学位论文 系统的磁场力进行模拟； 2 设计基于电磁吸引力原理的电磁成形装置，其中包括： a ) 基于逆变原理的充电回路设计及其元器件参数的计算 b ) 放电回路设计及其元器件的参数计算； c ) 控制部分的设计： 3 进行验证性试验检验电磁吸引力原理的可行性。 哈尔滨工业人学工学坝卜学位论文 第2 章电磁吸引力的理论分析及有限元模拟 2 1 引言 电磁成形广泛运用于金属压力加工领域，是目前应用最广泛的高速率成形 方法( h i g hv e l o c i t yr a t ef o r m i n g ) 之一。采用传统电磁成形工艺加工工件 时，工件成形力是加工线圈与工件之间的电磁排斥力，也就是说工件的运动或 变形方向均为背离线圈方向。 基于排斥力原理的电磁成形设备及工艺都得到了比较成熟的运用，但在一 些特殊情况下，也显示出了一定的局限性，如线圈位置和大小等原因而无法实 现对一些特殊工件的加工。如果从另一方向考虑，依靠线圈与工件间的电磁力 对工件进行吸引力加工成形，即工件的运动或变形方向为朝向线圈方向，则电 磁成形的应用范围将更为广泛，如汽车覆盖件表面凹痕的整形( 无需拆卸汽车 零部件) ，小管径会属管的胀形( 传统电磁成形工艺由于无法制作小径线圈而 无法实现) 。 电磁成形的研究涉及到电学、磁学、电动力学等多学科内容，本章对电磁 吸引力的实现进行理论分析，并利用有限元分析软件a n s y s 对平板线圈电磁 吸引力系统进行了有限元分析以验证电磁吸引力原理。首先对电磁吸引力系统 进行预处理，确定a n s y s 模拟所需的参量：然后对平板线圈一平板件的吸引 磁场力系统进行模拟，得到其磁场力的大小与分布。 2 2 磁场力方向的理论分析 电磁吸引力与电磁排斥力的主要区别为二者的方向不同，本节通过对线圈 与工件之间电磁作用力方向的研究分析了电磁吸引力的产生机理及影响因素， 并与电磁排斥力的产生机理进行了对比。 2 2 1 产生排斥力的机理 电磁成形是利用磁场力使金属坯料变形的成形方法，因此磁场力的方向决 定了工件变形和运动的方向。 堕堡堡三些查兰三兰丝竺耋堡尘兰 研究管坯电磁胀形中管件的受力方r n ，对加工线圈放电，线圈中的电流由 零丌始上升，线圈空间就会产生一均匀磁场，如果将管状金属坯料套在线圈 外，则磁场就会扩散到工件内部，如图2 1 所示。 磁力线 图2 1 线圈磁场扩散到管坯的原理幽 同时，在管坯内部将会产生感应电流。法拉第电磁感应定律为式2 - 1 所 不o ：一堕f 2 - 1 ) d 式中卜感应电动势： 以，广_ 一磁通量。 可知管坯内部回路中感应电动势的大小与穿过陔回路的磁通量的变化率 d 或l d t 成正比。而穿过管坯的磁通量鸥，与线圈中的电流i 成正比，因此管坯 内部回路中感应电动势与线圈中电流的变化率d i d t 成t f 比，亦即管坯内部回路 中感应电流i 正比于线圈中通过电流的变化率d i d t 。由楞次定律可知感应电流 i 。的方向与线圈中电流i 的方向相反。 由于管坯内部产生了感应电流，则线圈产生的磁场将对管坯产生作用力， 力的大小取决于线圈中的电流变化率d i d t 。由于i 与i 反向，则力的方向为背 离线圈方向排斥力。 堕尘鎏：些查兰三兰堡尘兰丝丝苎 时间。 图2 2 电流一时间芙系不恿幽 若d i d t 很大( 如图2 2 中曲线1 ) ，则相当于在工作线圈中通过了一个强 脉冲电流，放电时管坯内的感应电流f 将产生强感应磁场，管坯外部的感应磁 场与线圈产生的磁场方向相反而相互抵消，在线圈与管坯之间方向相同而加 强。其结果使管坯内表面受到强大的磁场力，如果管坯受力到达屈服点，则发 生背离线圈方向的变形。形成电磁排斥力的原理如图2 - 3 所示。 排斥力 感麻 l b 流 鸳 f l 一 。f 卜_一 萋 + 名 i ( - 一一 _ l少 名 - 少 羞 一一(- 一一一 。- 少 、l一( 、 少 i r _ 一巧 幽2 3 形成电磁排斥力的原理倒 2 2 2 产生吸引力的机理 1 i l i 感应 t磁场 图2 1 中，若流过线圈电流的d i d t 很小( 如图2 2 中曲线2 ) 即流过线圈 的电流缓慢上升，这时管坯内的感应电流i 。很小，于是管坯内表面受到的磁场 力很小，远不足以达到屈服点。那么无论电流f 值升高到多大也无法使管坯发 生变形。这时可以忽略管坯内的感应电流及其产生的感应磁场，认为管坯内部 喻尔滨工业人学丁学坝一l 学位论文 及周围始终处于线圈产生的均匀磁场中。 当电流上升到一定值厶时，令其以很大的变化率衰减( 即令d i d t 变为负 值并且其绝对值很大，电流变化曲线如图2 - 4 所示) ，这时磁场也突然衰 减。 = 爆 扭 幽2 - 4 产生吸引力的电流变化曲线 由楞次定律可知管坯内部将产生感应电流f “，其方向与线圈中衰减的电流 i 方向一致，并且感应电流i “同时产生感应磁场。在管坯内部空间，感应磁场 与线圈产生的磁场方向相反而相互抵消，在管坯外部空阳j 方向相同而加强。其 结果使管坯外表面受到强大的磁场力吸引力，如果管坯受力到达屈服点， 则发生朝向线圈方向的变形。形成电磁吸引力的原理如图2 5 所示。 感应 磁场 多 l i 一 - i 石 名 名 名 名 名 名 一一- f 少 l 2 0 00 蚰00 6 0 00 10 m20 m30 m 4 0 mj0 m t i m e ( s ) 图4 1 0 功率管保护电路中电容_ i i 端的电压波形 竺尘堡；! 些：兰! ；兰! ! ：兰i 兰堕兰 图4 1 1 功率管保护电路中电容两端电乐波形振荡波的放大部分 4 5 本章小结 本章对电磁成形装置的充电系统逆变电源进行了设计，并计算了各元 器件的参数。主要包括： 1 根据实验室现有条件和实验要求确定电源的技术指标： 2 设计电网侧整流滤波电路，计算各元器件参数，并对合闸限流保护部 分进行了设计； 3 对高频脉冲变压器进行了设计，对磁芯尺寸、导线截面积、绕组匝数 等各参数进行了计算； 4 确定了逆变主回路中的主功率管和逆变桥电容参数，并设计了主功率 管保护电路： 5 选择s g 3 5 2 4 p w m 控制芯片作为控制电路的核心部分，采用闭环控制 方式调节占空比； 6 设计输出整流电路，并计算参数： - 7 采用e w bm u l t i s i m 仿真软件对电路进行了仿真，检验了逆变电源回路 中各部分的功能及元器件参数的匹配。 喻尔滨丁业_ 人学1 _ 学坝一卜学位论史 5 1 引言 第5 章放电系统的研究 放电系统是基于吸引力原理电磁成形设备的核心部分，也是区别基于排斥 力原理电磁成形设备的关键部分。线圈对工件产生吸引力还是排斥力完全取决 于放电回路的设计。本文第2 章已经对产生电磁吸引力的原理进行了论述，采 用有限元模拟其可行性，并通过分析磁场和磁场力模拟结果对线圈的加载电流 进行了优化。本章根据第2 章的理论研究结果和模拟结果对放电系统进行设 计，并且研究放电回路元器件参数对放电电流的影响及各参数相互匹配对放电 电流的影响，进行放电控制装嚣的设计。 5 2 放电回路的设计 通过第2 章对电磁吸引力原理的分析，可知放电回路的主要作用是首先使 流过加工线圈的电流以很小的电流变化率缓慢增大，当电流上升到一定值，再 使其以极大的电流变化率突然减小。通过控制电流的变化过程，来控制线圈产 生的磁场以及工件中的感应磁场，最终实现工件受到的磁场力方向为朝向线圈 方向。 根据放电时放电回路中电流的两个变化阶段，可以将放电系统划分为两个 模块：其一为电流缓升模块，另一个为电流陡降模块。 5 2 1 电流缓升模块的设计及元器件参数对电流的影响 设计这部分回路的主要目的是使加工线圈中的电流值缓慢增加。本课题以 脉冲电容器作为储能元器件，以线圈( 电感) 作为加工元件。需要将电容器中 储存的电能通过由线圈电感和其他元器件构成的电流缓升模块缓慢释放出来。 所以电流值的缓慢变化可以等效为电容器中储存能量的缓慢释放，由于电容储 能矿= c u j ，而电容值c 是固定的，因此也可以等效为电容器两端电压的缓 慢降低。考查电容的放电特性，电容两端电压与回路电流的关系： 哈尔演t 业火学t 学坝士学位论文 f - c 竺兰，可知电流的大小与电压对时间的变化率成f 比。电容器的电容量 讲 和额定电压都有一定的限度，所以在电容器两端电压坼一定的情况下，放电 时间l 越长，回路中的电流幅值就会越小。也就是说延长电容放电时间的回路 必然限制电流的幅值。而在电流陡降回路中，电流的下降过程必须有足够大的 陡度，要求电流的幅值必须达到一定的要求。所以在提高电流增长时间的同 时，不能过度牺牲电流的幅值。设计电流缓升模块时，电路中元器件的参数需 要有个较好的配合，以实现电流的变化规律满足上述要求。 电容器对电感放电的方式共有三种：l c 振荡电路，r l c 欠阻尼振荡电路 和r l c 过阻尼非振荡电路。 l c 振荡是r l c 电路的一种理想状态，整个回路只有电容和电感组成，电 阻为零。实际上，理想的l c 电路是无法实现的，线路中总有一些损耗，而电 容和电感中也有寄生电阻，因此对l c 回路不做讨论。 r l c 欠阻尼振荡电路与r l c 过阻尼非振荡电路均由电阻、电容和电感组 成，二者主要区别在于电路中的电阻值r 、电容量c 和电感值上的关系不同， 从而引起回路中的电流变化规律的不同。如果回路中的电阻只与电容c 和电 感l 满足关系r 2 c ，则称这种r l c 电路为r l c 过阻尼非振荡电路。当r = 2 4 l c 时，为临界状态。 下面分别讨论r l c 欠阻尼振荡电路和r l c 过阻尼电路储能电容的放电特 征及各参数对放电电流的影响。 5 2 1 1r l c 欠阻尼振荡电路的研究在图5 1 中，充电后的电容器从电源断 丌，丌关k 闭合后，电容器c 经电阻r 和电感l 放电。 幽5 - ir l c 欠阻尼振荡电路原理幽 哈尔演工业人学工学倾，卜学位论文 回路中的电流变化规律满足式5 1 。 ， f = 一萼8 “s i n ( c o 。，) ( 5 一1 ) d l 式中i 放电电流； 上放电回路的电感量； j r 放电回路的电阻； g 一放电回路的电容量； a 放电回路的衰减系数，“= r 2 l ： 一 盯 广放电回路的角频率，= ；一n2 ，其中= 、寺； - 山。 坼r 电容两端的初始电压。 式5 1 中，电流f 为一振幅按指数衰减的正弦函数，它按角频率d 难负交 替变化，其波形示意图如图5 2 所示。图中电流的幅值在其振荡的第一个四分 之一周期时达到最大值，此后按指数衰减。从图中可以看出，如果提高电流的 振荡周期，则电流的时间变化率d i d t 将会减小。如果电流的振荡周期足够大。 那么在第一个四分之一周期的时间内，电流就会以很缓慢的速度上升到一定的 幅值。而由于电流的时间变化率足够小，加工线圈对工件的感应磁场也就很 小，工件就受到一个很小的排斥力。 图5 - 2r l c 欠阻尼振荡电流波形示意图 回路中电流的振荡周期满足式5 - 2 。 哈尔滨工业人学工学硕一i ：学位论史 ( 5 - 2 ) 由于在第一个四分之一周期内电流值始终处于上升状态，没有出现振荡， 并且当心t 4 时，电流的幅值最大。所以只需对电流变化的第一个四分之一 周期进行研究。 由式5 2 可以看出，电流的振荡周期与回路中的电容值、电感值和电阻值 有关，并且电容值c 和电阻值r 越大，电流的振荡周期丁就越大。因此通过 提高回路中的电容值和电阻值可以提高电流的振荡周期。由于实验室现有电容 器的总电容量有限一3 1 0 0 9 f ，只能通过调整回路中的电感值和电阻值来调 节电流的振荡周期和幅值，并协调二者关系。从式5 1 和式5 2 中可以看出， 电容值提高，回路中电流的幅值和周期均提高，将实验室现有电容器全部运用 c = 3 1 0 0 9 f 。由于本课题的研究目的是验证电磁吸引力原理的可行性，对能量 的要求不高，因此下面实验中电容的充电电压均为u c o = 1 0 0 0 v 。 1 电感值固定时改变电阻值对电流变化规律的影响不改变回路中的电感值， 即回路中只使用加工线圈作为电感，并不串接其他电感。加工线圈的电感值在 2 0 州左右，为了实现r l c 欠阻尼振荡，电阻r 必须限定在r 2 4 l c ，即 电阻值r 必须小于0 1 6 n 。图5 3 为l = 2 0 9 h 时电阻r 对电流变化周期和幅值 的影响的三维曲线。 图中电阻值r 的取值范围为o o l f f 2 - o 1 6 q ，随着电阻值的增大，曲线对应 的电流变化时间不断增大，而电流的幅值不断减小。当r = 0 1 6 q 时电流上升的 时帕 最长约为4 5 m s ，但电流的幅值最小接近于零。可见电容中储存 的能量大部分消耗在线路中的电阻上，所以这个电阻参数是不可取的。当 r = 0 0 i f 2 时电流的幅值最大约为1 2 0 0 0 a ，但电流上升的时间最短约 为o 4 m s 这种电流变化规律接近于l c 振荡，不能很好的起到延长电流值上 升时削的作用，因此也不可取。 电阻值在r = 0 0 8 m o 1 n 范围内变化时，电流的幅值为 f 。= 6 0 0 0 a 8 0 0 0 a ，电流值的上升时间为r 4 = 2 3 m s 。这时电流的幅值和上 升时间均满足要求。 由于加工线圈的电感很小，而为了得到r l c 振荡电路，线路中的各元器 件参数必须满足r 2 上c 这就大大限定了电阻的取值。由于小阻值高功率 坠尘堡三些查兰三兰堡；! 兰竺篁兰 的电阻没有现成的产品，必须自己设_ i = - t - n 作电阻箱，而电阻箱的制作工艺十分 复杂，成本很高，制作周期长，并且回路中线路损耗和元器件的寄生电阻对其 影响很大，所以不宜采用。 耋 o o o i i 6 0 0 0 “ 奇- 4 0 0 0 图5 - 3l = 2 0 9 h 时电阻r 对电流变化周期利幅值的影响 2 采用扼流圈时，改变电阻值对电流变化规律的影响为了能够应用较大阻值 的电阻，并且满足r l c 振荡的条件r 2 上c 。回路中电流的变化规律如式5 3 。 持错lpp ( 5 - 。) ( ，一，) 式中f _ 放电电流； 三放电回路的电感量； r 放电回路的电阻； c _ 放电回路的电容量： ，f f r 一电容两端的初始电压。 p ，= 一d + a 。一2 ( 5 4 ) 式中a “= r 2 l ； 厅 一2 、瓦。 p ，= 一一d 。一j ( 5 - 5 ) 哈尔滨工业大学工学硕卜学位论文 电流的变化规律示意图如图5 5 所示。由图可见，电流i 没有发生振荡， 恒为负值，在整个暂态过程中，电容一直处于放电状态。放电电流从零丌始， 经过极大值，然后逐渐趋于零。图中放电电流从零上升到极大值的时间比较 短，但经过极大值后，电流的下降速度极为缓慢，经过较长时间后电流值的下 降量并不大，可以认为电流在上升到幅值后在一段时间内近似地处于平直状 态。电流的这种变化规律不但有利于对放电时间的控制，并且有利于线圈磁场 向工件的扩散，十分符合电流缓慢上升模块对电流变化的要求。 图5 - 5r l c 过阻尼电路电流示意图 电流f 上升到极大值所对应的时间可由5 - 6 式确定。 f 。，：上抽丝( 5 - 6 ) p t p2p l 图5 - 6 为电感值l = 1 0 0 9 h 时，改变电阻值尺对电流上升到极大值的时间 。和电流幅值，的影响曲线。如图所示，与r l c 欠阻尼振荡电路不同，随着 电阻的增大，电流极大值的变化趋势与峰值时间的变化趋势相同，而在r l c 欠阻振荡电路中二者的变化趋势是相反的。r l c 过阻尼电路电流的这种变化趋 势更利于回路中元器件参数的选择，并且有利于线圈电磁场充分扩散到工件 中。图中，电阻值的变化范围为o 5 f 2 2 f 2 ，随电阻值增大，电流的最大值从 1 7 0 0 a 逐渐减小到4 0 0 a ，而电流的最大值对应的时间也从4 8 0 | t s 逐渐减小到 2 5 0 9 s 。 塑! 鎏! ：! ；些奎兰! ：兰堡；! 耋皇堕兰 刀弋。 图5 - 6l = 1 0 0g h 时，电阻值r 对t 。年i ，。的影响 当电阻值为r = i y 2 ，电感值l = 1 0 0 9 h 时，电流的变化规律如图5 - 7 所 幽5 7 月= 1 n ，l = 10 0 9 h 时的电流变化规律 图中电流上升到最大值9 2 0 a 耗时3 5 0 9 s ，当时间变化到i m s 时电流下降 一sl*￥ 堕垒鎏三些查兰三兰竺j ：兰些丝垒 到7 7 0 a ，与最大值只相差1 5 0 a ，并且在0 8 m s 1 2 m s 之间电流值只上下浮动 5 0 a 左右。这种电流变化规律非常有利于缓慢放电回路和快速放电回路之间换 路时的控制。从缓慢放电模块丌始运行到转换为快速放电回路的时间极短 ( 1 m s 左右) ，无法实现精确控制，误差较大。而r l c 过阻尼电路电流缓降特 性，可以允许较大误差的控制。因此采用r l c 过阻尼电路作为缓慢放电回路 是比较适合的