CN105047356A - 一种用于磁脉冲成形的螺线管线圈 - Google Patents
一种用于磁脉冲成形的螺线管线圈 Download PDFInfo
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Abstract
一种用于磁脉冲成形的螺线管线圈，它涉及一种螺线管线圈。本发明为解决由于脉冲大电流通过线圈产生的焦耳热累积，高温导致线圈的绝缘材料失效，从而使线圈损坏，难以适用于批量生产的问题。本发明方案一包括匝线、匝线用绝缘套和绝缘加固套，匝线从上到下缠绕形成筒状结构，筒状结构的内部为线圈加工区，芯轴与匝线间隙设置，管坯设在芯轴和匝线间的间隙内，匝线上套装有匝线用绝缘套，匝线外套装有绝缘加固套，绝缘加固套内有多条冷却通道，每条冷却通道从上至下贯通绝缘加固套的纵向长度，方案二与方案一不同处是冷却通道沿绝缘加固套的圆周方向设置，方案三是匝线内加工有空腔，匝线的空腔为冷却通道。本发明用于磁脉冲成形工艺中。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于磁脉冲成形的螺线管线圈，属于用于把金属零件或制品或金属零件与非金属零件的简单装配或拆卸的机械领域。
背景技术
磁脉冲成形是利用脉冲磁场力驱动板材或管材变形的零件成形制造技术。在成形过程中，工件变形速率达到几十——几百米/秒，因此，磁脉冲成形属于典型的高速率成形技术之一。磁脉冲成形得到广泛的应用，具有如下技术优势：1)变形速率高，难变形材料成形极限显著提高；2)使用单面模具，模具结构简单；3)工艺参数简单，室温成形，成形精度高，首末件尺寸一致性好。鉴于上述成形技术特点，磁脉冲成形技术适合于小批量、多样化的生产需求，易于进行自动化生产。
磁脉冲成形系统主要包括磁脉冲成形设备——用于储存和释放电能，线圈——是主要成形加工工具、用于实现电能向磁场能和变形机械能转化，工件——被加工部分、用于实现加工目的。磁脉冲成形技术的加工能力主要取决于磁脉冲成形设备能量水平、线圈寿命和放电回路系统参数的优化设计。其中，线圈是主要因素，在磁脉冲成形加工过程中，它承受作用于变形工件的等值、反方向的脉冲作用力、焦耳热作用，因此需要足够的结构强度和散热能力，否则在批量生产过程中，脉冲大电流通过线圈产生的焦耳热累积，导致线圈产生足够的温升，如几十次连续充放电后，线圈从室温升高到150摄氏度。如没有采取有效的措施强制冷却，使线圈温度降低到允许范围内，则线圈绝缘材料会失效、线圈会损坏。
目前，在磁脉冲成形技术研究中，每天几十次的放电成形加工，仅通过线圈自身散热即可达到降温要求。而在脉冲强磁场领域，通常把线圈置于液氮等冷却介质中降温冷却，但这种方式不适于磁脉冲成形生产要求。目前，轻量化、多功能化结构件的生产需要对磁脉冲成形技术提出新要求，即需要该技术具备快速反应特点，同时又要满足小批量、多样化的要求。因此，除了强度、能量转化效率等要求外，还需要线圈克服焦耳热导致的系列问题。否则，持续磁脉冲成形加工过程产生的快速温升将将导致结构强度、绝缘能力降低，进而导致线圈失效和损毁，最终使成形生产链条破坏。因此，急需发明新的线圈结构，以满足上述生产对线圈的技术需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于磁脉冲成形的螺线管线圈，以解决由于脉冲大电流通过线圈产生的焦耳热累积，高温导致线圈的绝缘材料失效，从而使线圈损坏，难以适用于批量生产的问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种用于磁脉冲成形的螺线管线圈，它包括匝线、匝线用绝缘套和绝缘加固套，所述匝线从上到下缠绕形成筒状结构，所述筒状结构的内部为线圈加工区，所述芯轴位于匝线内并与匝线间隙设置，管坯设置在芯轴和匝线之间的间隙内，匝线上套装有匝线用绝缘套，匝线外套装有绝缘加固套，所述绝缘加固套内加工有多条冷却通道，每条冷却通道从上至下贯通绝缘加固套的纵向长度。
一种用于磁脉冲成形的螺线管线圈，它包括匝线、匝线用绝缘套和绝缘加固套，所述匝线从上到下缠绕形成筒状结构，所述筒状结构的内部为线圈加工区，所述芯轴位于匝线内并与匝线间隙设置，管坯设置在芯轴和匝线之间的间隙内，匝线上套装有匝线用绝缘套，匝线外套装有绝缘加固套，所述绝缘加固套内加工有至少一条冷却通道，冷却通道沿绝缘加固套的圆周方向设置。
一种用于磁脉冲成形的螺线管线圈，它包括匝线、匝线用绝缘套和绝缘加固套，所述匝线从上到下缠绕形成筒状结构，所述筒状结构的内部为线圈加工区，所述芯轴位于匝线内并与匝线间隙设置，管坯设置在芯轴和匝线之间的间隙内，匝线上套装有匝线用绝缘套，匝线外套装有绝缘加固套，匝线内加工有空腔，匝线的空腔为冷却通道。
本发明具有以下有益效果：
本发明为内嵌冷却通道的线圈结构，在满足结构强度的前提下，通过冷却通道相邻于匝线或与匝线结合在一起的方式，实现线圈放电过程产生的焦耳热得以有效去除，从而有效控制线圈工作温度，实现高频率、长时磁脉冲成形制造，通过冷却通道的设置可使本发明的温度在70摄氏度以下。本发明结构简单、易加工，制造成本低，适用于管材磁脉冲成形与连接制件的批量生产，具备对市场需求做出快速反应的能力。
附图说明
图1是方案一的主视结构剖面图；
图2是方案一的俯视结构示意图；
图3是图1中A处的放大图；
图4是冷却通道6与外接管7之间的连接关系示意图；
图5是方案二的主视结构剖面图；
图6是方案三的主视结构剖面图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式包括匝线1、匝线用绝缘套3和绝缘加固套4，所述匝线1从上到下缠绕形成筒状结构，所述筒状结构的内部为线圈加工区，所述芯轴2位于匝线1内并与匝线1间隙设置，管坯5设置在芯轴2和匝线1之间的间隙内，匝线1上套装有匝线用绝缘套3，匝线1外套装有绝缘加固套4，所述绝缘加固套4内加工有多条冷却通道6，每条冷却通道6从上至下贯通绝缘加固套4的纵向长度。
本发明与芯轴2、磁脉冲成形设备9配合设置实现磁脉冲成形过程，芯轴2和磁脉冲成形设备9均为已有构件。匝线1为矩形截面高导电率铜合金导线，匝线1截面积介于6-100mm2。匝线1外覆盖的匝线用绝缘套3，通常由聚酰亚胺膜和玻璃丝缠绕固化而成，其绝缘强度取决于绝缘层中聚酰亚胺膜厚度，绝缘能力大于5kV/0.05mm。匝线1与匝线用绝缘套3通过手工或机械工具绕制成螺线管形，匝线1的匝数介于3-50匝。由于在磁脉冲成形过程中，匝线1同样受到高强脉冲磁压力作用，为确保本发明的形状、增加本发明的刚度，在匝线1外周和两端涂绕足够厚度的高强绝缘材料，即匝线1外套装有绝缘加固套4，以实现匝线1绝缘和加固的目的。绝缘加固套4由高强纤维绝缘材料浸渍树脂基液体绝缘材料后，在线圈匝线1外绕制固化而成的套体。所谓高强纤维绝缘材料包括玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维等其他材质。本发明用于进行管材缩径成形或缩径连接，当转换线圈和管坯相对位置，则可用来实现管坯胀形或胀形连接。本实施方式中的磁脉冲成形设备9包括电容器C、电阻R、开关K，通过导线与线圈2的两个接线端连接。
具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式中所述多条冷却通道6沿匝线1从上到下缠绕形成筒状结构的圆周方向均匀设置。
冷却通道6为金属管，利于导热，内部通冷却介质，如压缩气体或液体冷却介质，通常为冷却水。金属管壁刚度要足够，以抗得住脉冲磁压力的冲击作用下不发生塑性变形。如此设置可使冷却通道6更加耐用，其冷却效果更加均匀。其他结构及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1、图2和图4说明本实施方式，本实施方式中所述一种用于磁脉冲成形的螺线管线圈还包括多个外接管7，每两个冷却通道6之间通过外接管7连通形成串联式冷却管路或并联式冷却管路。本实施方式中冷却通道6的端部通过外接管7密封连接，实现通道串联和并联。当多个冷却通道6各自连接有一个外接管7时，多个冷却通道6之间形成并联冷却通道，当多个冷却通道6通过多个外接管7连通为一条冷却通道时，该冷却通道为串联冷却通道，其它能够实现串并联冷却管路的方式均可应用在本发明中。由此根据实际发热情况，调节冷却效果，增强本发明的灵活性。同时本发明中外接管7与外部冷却设备相配合设置，外部冷却设备为气泵或冷却水循环系统。其他结构及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图5说明本实施方式，本实施方式中包括匝线1、匝线用绝缘套3和绝缘加固套4，所述匝线1从上到下缠绕形成筒状结构，所述筒状结构的内部为线圈加工区，所述芯轴2位于匝线1内并与匝线1间隙设置，管坯5设置在芯轴2和匝线1之间的间隙内，匝线1上套装有匝线用绝缘套3，匝线1外套装有绝缘加固套4，所述绝缘加固套4内加工有至少一条冷却通道6，冷却通道6沿绝缘加固套4的圆周方向设置。
本发明与芯轴2、磁脉冲成形设备9配合设置实现磁脉冲成形过程，芯轴2和磁脉冲成形设备9均为已有构件。匝线1为矩形截面高导电率铜合金导线，匝线1截面积介于6-100mm2。匝线1外覆盖的匝线用绝缘套3，通常由聚酰亚胺膜和玻璃丝缠绕固化而成，其绝缘强度取决于绝缘层中聚酰亚胺膜厚度，绝缘能力大于5kV/0.05mm。匝线1与匝线用绝缘套3之间通过手工或机械工具绕制成螺线管形，匝线1的匝数介于3-50匝。由于在磁脉冲成形过程中，匝线1同样受到高强脉冲磁压力作用，为确保本发明的形状、增加本发明的刚度，在匝线1外周和两端涂绕足够厚度的高强绝缘材料，即匝线1外套装有绝缘加固套4，以实现匝线1绝缘和加固的目的。绝缘加固套4由高强纤维绝缘材料浸渍树脂基液体绝缘材料后，在匝线1外绕制固化而成的套体。所谓高强纤维绝缘材料包括玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维等其他材质。本发明用于进行管材缩径成形或缩径连接，当转换线圈和管坯相对位置，则可用来实现管坯胀形或胀形连接。
具体实施方式五：结合图5说明本实施方式，本实施方式中当绝缘加固套4内加工有一条冷却通道6时，冷却通道6以螺线管形式沿筒状结构的轴向方向布置；当绝缘加固套4内加工有多条冷却通道6时，多条冷却通道6沿筒状结构的圆周方向依次从内至外辐射布置，每条冷却通道6以螺线管形式沿筒状结构的轴向方向设置，冷却通道6的横截面为圆形或矩形，冷却通道6为非金属管，冷却通道6靠近匝线1设置。
本实施方式中冷却通道6为螺线管形式，如此设置的冷却通道6具有足够的刚度，以抵抗脉冲磁压力，避免发生失稳变形。当绝缘加固套4内加工有一条冷却通道6时，冷却通道6为螺旋线通道，冷却通道6布置形状与匝线1的布置形状相同；
当绝缘加固套4上加工有多条冷却通道6时，多条冷却通道6均为直线形通道，多条冷却通道6均靠近匝线1设置。其他结构及连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图5说明本实施方式，本实施方式中所述一种用于磁脉冲成形的螺线管线圈还包括至少一个外接管7，当外接管7的个数为一个时，冷却通道6通过外接管7连通形成冷却管路；当外接管7的个数为多个时，冷却通道6通过外接管7连通形成串联式冷却管路或并联式冷却管路。
本实施方式中在冷却通道6的端部通过外接管7密封连接，实现通道串联和并联，由此根据实际发热情况，调节冷却效果，增强本发明的灵活性。
当冷却通道6均为直线形通道时，外接管7连通在第一冷却通道6-1和第二冷却通道6-2时，第一冷却通道6-1和第二冷却通道6-2通过外接管7形成串联冷却管路，该串联冷却管路上设置有外部冷却设备；当第一冷却通道6-1和第二冷却通道6-2各自连接有外接管7时，第一冷却通道6-1和第二冷却通道6-2之间形成并联冷却管路，串联冷却管路和并联冷却管路上均设置有外部冷却设备。外部冷却设备为气泵或冷却水循环系统。同理于其它冷却通道6的连接方式。
当冷却通道6为一条螺旋线通道时，第三冷却通道6-3和第二冷却通道6-2分别为该冷却通道6的首端接头和尾端接头，该该冷却通道6通过一条外接管7即可形成冷却管路，冷却管路上设置有外部冷却设备。外部冷却设备为气泵或冷却水循环系统。其它能够实现串并联冷却管路的方式均可应用在本发明中。其他结构及连接关系与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：结合图6说明本实施方式，本实施方式包括匝线1、匝线用绝缘套3和绝缘加固套4，所述匝线1从上到下缠绕形成筒状结构，所述筒状结构的内部为线圈加工区，所述芯轴2位于匝线1内并与匝线1间隙设置，管坯5设置在芯轴2和匝线1之间的间隙内，匝线1上套装有匝线用绝缘套3，匝线1外套装有绝缘加固套4，匝线1内加工有空腔，匝线1的空腔为冷却通道6。
本发明通过连接磁脉冲成形设备9实现磁脉冲成形工艺，匝线1为矩形截面高导电率铜合金导线，匝线1截面积介于6-100mm2。匝线1外覆盖的匝线用绝缘套3，通常由聚酰亚胺膜和玻璃丝缠绕固化而成，其绝缘强度取决于绝缘层中聚酰亚胺膜厚度，绝缘能力大于5kV/0.05mm。匝线1与匝线用绝缘套3之间通过手工或机械工具绕制成螺线管形，匝线1的匝数介于3-50匝。由于在磁脉冲成形过程中，匝线1同样受到高强脉冲磁压力作用，为确保本发明的形状、增加本发明的刚度，在匝线1外周和两端涂绕足够厚度的高强绝缘材料，即匝线1外套装有绝缘加固套4，以实现匝线1绝缘和加固的目的。绝缘加固套4由高强纤维绝缘材料浸渍树脂基液体绝缘材料后，在线圈匝线1外绕制固化而成的套体。所谓高强纤维绝缘材料包括玻璃纤维、碳纤维和芳纶纤维等其他材质。本发明用于进行管材缩径成形或缩径连接，当转换线圈和管坯相对位置，则可用来实现管坯胀形或胀形连接。
本实施方式中的匝线1的空腔为冷却通道6，冷却通道6和匝线1结合在一起，使本发明放电产生的焦耳热直接被冷却通道6中的冷却介质带走，冷却效率显著提高，同时使本发明的结构形式简化。本发明中匝线1为空心矩形界面管，其管壁通过脉冲大电流，其内的空腔通以冷却介质，如压缩空气或冷却水等。
具体实施方式八：结合图6说明本实施方式，本实施方式中所述一种用于磁脉冲成形的螺线管线圈还包括外接管7，冷却通道6通过外接管7连通形成冷却管路。本实施方式中外接管7与外部冷却设备相配合设置，外部冷却设备为气泵或冷却水循环系统。其他结构及连接关系与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：结合图1、图2、图5和图6说明本实施方式，本实施方式中所述芯轴2替换为模具。当本发明与模具配合时，则管坯5在脉冲磁压力作用下发生缩径变形，变形区发生在模具对应凹进去的区域。成形结束后，将模具拆除，以获得缩径管件。当本发明与芯轴2配合时，则为了在脉冲磁压力作用是实现管坯5和芯轴2的连接接头，芯轴2不可拆除，为了获得管-轴连接件。本发明使用灵活，根据具体的加工要求选择使用芯轴或模具即可。
利用本发明进行磁脉冲成形工艺原理如下：
磁脉冲成形设备9通过本发明释放振荡而衰减的脉冲电流，电流在匝线1周围激发脉冲强磁场进而使管坯5外表面产生感应电流，根据楞次定律可知，磁力线被约束在管坯5与匝线1之间的间隙内。由于磁力线具有扩张的特性，管坯5外壁受到幅值巨大的脉冲磁压力，在模具内凹处，该磁场力驱动管坯5的管壁发生塑性变形并高速运动，管壁一直被加速直至与芯轴2发生碰撞，形成内凹的局部成形特征。如果把芯轴2替换为棒状或管状接头，则通过上述过程，实现管与棒或管与管间的连接。上述通过本发明的脉冲电流幅值可达几百千安培，电流波形周期可达几百微秒，因此每次放电要产生显著焦耳热。由于线圈匝线外覆盖的绝缘层及整体匝线外涂绕绝缘加固层均为热的不良导体材料。因此，在进行频繁加工条件下，如每分钟几件的生产频率，累计焦耳热导致线圈内形成显著温升现象，通过冷却通道6内通入冷却气体或冷却液体使焦耳热得以消除，从而实现降温的效果。
结合具体实施方式七和八说明以下实施例：
实施例一，本发明为螺线管线圈时，磁脉冲成形设备9的额定放电能量20kV、电容量100微法。实际放电电压15kV，每分钟充放电4次。匝线1的截面5mm*10mm，匝线1的壁厚1.5mm，共10匝，匝线1内设置有管坯5，管坯5的内径52mm。管坯5的外径50mm，管坯5的壁厚1mm，管坯5由铝合金制成；待连接芯轴2的外径48mm，待连接区沟槽场30mm，深5mm，不锈钢。
匝线1内冷却通道6通以冷却水，流速0.5m/s。通过热电偶测量匝线用绝缘套3的温度，在上述工作条件下，匝线用绝缘套3的温度为38摄氏度，满足长时工作要求。
Claims (9)
1.一种用于磁脉冲成形的螺线管线圈，其特征在于：它包括匝线(1)、匝线用绝缘套(3)和绝缘加固套(4)，所述匝线(1)从上到下缠绕形成筒状结构，所述筒状结构的内部为线圈加工区，所述芯轴(2)位于匝线(1)内并与匝线(1)间隙设置，管坯(5)设置在芯轴(2)和匝线(1)之间的间隙内，匝线(1)上套装有匝线用绝缘套(3)，匝线(1)外套装有绝缘加固套(4)，所述绝缘加固套(4)内加工有多条冷却通道(6)，每条冷却通道(6)从上至下贯通绝缘加固套(4)的纵向长度。
2.根据权利要求1所述的一种用于磁脉冲成形的螺线管线圈，其特征在于：所述多条冷却通道(6)沿匝线(1)从上到下缠绕形成筒状结构的圆周方向均匀设置。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于磁脉冲成形的螺线管线圈，其特征在于：所述一种用于磁脉冲成形的螺线管线圈还包括多个外接管(7)，每两个冷却通道(6)之间通过外接管(7)连通形成串联式冷却管路或并联式冷却管路。
4.一种用于磁脉冲成形的螺线管线圈，其特征在于：它包括匝线(1)、匝线用绝缘套(3)和绝缘加固套(4)，所述匝线(1)从上到下缠绕形成筒状结构，所述筒状结构的内部为线圈加工区，所述芯轴(2)位于匝线(1)内并与匝线(1)间隙设置，管坯(5)设置在芯轴(2)和匝线(1)之间的间隙内，匝线(1)上套装有匝线用绝缘套(3)，匝线(1)外套装有绝缘加固套(4)，所述绝缘加固套(4)内加工有至少一条冷却通道(6)，冷却通道(6)沿绝缘加固套(4)的圆周方向设置。
5.根据权利要求4所述的一种用于磁脉冲成形的螺线管线圈，其特征在于：当绝缘加固套(4)内加工有一条冷却通道(6)时，冷却通道(6)以螺线管形式沿筒状结构的轴向方向布置；当绝缘加固套(4)内加工有多条冷却通道(6)时，多条冷却通道(6)沿筒状结构的圆周方向依次从内至外辐射布置，每条冷却通道(6)以螺线管形式沿筒状结构的轴向方向设置，冷却通道(6)的横截面为圆形或矩形，冷却通道(6)为非金属管，冷却通道(6)靠近匝线(1)设置。
6.根据权利要求5所述的一种用于磁脉冲成形的螺线管线圈，其特征在于：所述一种用于磁脉冲成形的螺线管线圈还包括至少一个外接管(7)，当外接管(7)的个数为一个时，冷却通道(6)通过外接管(7)连通形成冷却管路；当外接管(7)的个数为多个时，冷却通道(6)通过外接管(7)连通形成串联式冷却管路或并联式冷却管路。
7.一种用于磁脉冲成形的螺线管线圈，其特征在于：它包括匝线(1)、匝线用绝缘套(3)和绝缘加固套(4)，所述匝线(1)从上到下缠绕形成筒状结构，所述筒状结构的内部为线圈加工区，所述芯轴(2)位于匝线(1)内并与匝线(1)间隙设置，管坯(5)设置在芯轴(2)和匝线(1)之间的间隙内，匝线(1)上套装有匝线用绝缘套(3)，匝线(1)外套装有绝缘加固套(4)，匝线(1)内加工有空腔，匝线(1)的空腔为冷却通道(6)。
8.根据权利要求7所述的一种用于磁脉冲成形的螺线管线圈，其特征在于：所述一种用于磁脉冲成形的螺线管线圈还包括外接管(7)，冷却通道(6)通过外接管(7)连通形成冷却管路。
9.根据权利要求1、4或7所述的一种用于磁脉冲成形的螺线管线圈，其特征在于：所述芯轴(2)替换为模具。
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