CN113418804B - 一种能够产生高幅值长脉宽方波的电磁加载线圈 - Google Patents

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Abstract

一种能够产生高幅值长脉宽方波的电磁加载线圈，包括软磁材料制成的磁路、主动线圈、次级线圈和垫块。磁路的内表面与主动线圈的外表面紧密贴合。主动线圈位于磁路内，并与磁路贴合。次级线圈位于该主动线圈内，并与主动线圈贴合。通过软磁材料的聚磁与磁饱和效应，减缓电磁力衰减程度，使产生的方波应力波形有更长的平台段。主动线圈与次级线圈产生的磁场相反，使次级线圈和主动线圈之间产生电磁斥力，电磁斥力在次级线圈中表现为压缩应力波，此时应力波的波形为幅值衰减的直角梯形形式，通过降低整体幅值来减缓应力波的衰减程度。次级线圈压缩应力波在一个变截面体中多次来回反射叠加，最终得到与通入主动线圈的方波电流波形相对应的方形应力波。

Description

一种能够产生高幅值长脉宽方波的电磁加载线圈
技术领域
本发明涉及电磁加载发生装置的一个部件结构，具体说是一种能够产生高幅值长脉宽方波的电磁式应力波发生器的线圈结构。
背景技术
在材料的动态加载实验中，往往要用到Hopkinson杆实验系统对材料进行动态加载。该方法的加载原理是：将试样置于入射杆和透射杆之间，通过驱动撞击杆高速撞击入射杆来产生压缩或拉伸应力波对试样进行加载。通过粘贴在入射杆和透射杆上距杆端部一段距离的应变片记录下应力波信号。
Hopkinson杆实验产生的加载应力波一般为方波的形式，对于传统的Hopkinson杆加载系统，目前产生加载应力波的普遍方式是通过气枪驱动撞击杆高速运动撞击入射杆，这种方法的缺点是：由于撞击杆每次击发时的初始位置不尽相同，撞击速度与气压的对应关系很难确定，因此无法准确地控制入射波的幅值，所以需要尝试多次实验才能得到所需的应变率。其次提高入射波幅值需要提高气枪的气压，而提高入射波的宽度则需要提高撞击杆的长度，而撞击杆的增大又导致其需要更大的气压来驱动，这就导致Hopkinson杆的撞击杆发射系统的体积变得很大，并且带来由于气枪内的高压导致的安全性问题，因此传统Hopkinson杆在实际实验中往往难以实现高幅值长脉宽的应力波加载。
西北工业大学在201510051071.9的发明专利中公开了一种“电磁式应力波发生器的主线圈及充电/放电的方法”，该装置基于电磁感应的原理能够实现长脉宽低幅值的正弦形应力波加载，但这种方法无法产生长脉宽高幅值方波波形的应力波。Nie和Suo等人在2018年发表的题为“Aversatile split Hopkinson pressure bar usingelectromagnetic loading”的文章中提出了在使用整形片将电磁Hopkinson杆产生的正弦型应力波转化为近似方波的整形方法，但这种方法操作复杂，不同脉宽幅值的应力波需要使用不同厚度尺寸的整形片，并且由于是利用整形片材料塑性好的特点来达到整形的效果，因此整形后的应力波上升沿和下降沿均很长导致应力波平台段脉宽较窄，无法应用于多种加载情况。因此，本发明的目的就是设计一种可以产生高幅值长脉宽方波的电磁加载线圈。
发明内容
为解决现有技术难以产生应力波为高幅值长脉宽方波的情况，本发明提出了一种能够产生高幅值长脉宽方波的电磁加载线圈。
本发明包括磁路、主动线圈、次级线圈和垫块；所述磁路的内表面与主动线圈的外表面紧密贴合；所述主动线圈位于磁路内，并使该主动线圈的外圆周表面与该磁路的内圆周表面贴合，使该主动线圈的下端面与该磁路凹槽的底表面贴合；所述次级线圈位于该主动线圈内，并使该次级线圈的外表面与主动线圈的内表面紧密贴合；所述次级线圈的内表面与垫块的外表面紧密贴合，并使该次级线圈与垫块之间干涉配合；所述磁路、主动线圈、次级线圈和垫块均同轴。
所述磁路为“凹”字形结构，在该磁路底端的中心有贯通孔，使该磁路的内表面呈阶梯状；所述磁路的外径为110～380mm，高度为30mm，内径为90～360mm，壁厚10mm；磁路贯通孔直径为20mm。
所述主动线圈为中空回转体，采用铜带绕制或者线切割制成的线圈，线圈的匝数为16～64匝；该主动线圈的上端面为凹槽状，该凹槽的内壁为锥面或凸弧面或凹弧面；所述主动线圈外径为90～360mm，最小轴向长度4～16mm，最大轴向长度20～260mm；主动线圈内孔与所述磁路1底端的中心孔同径。
当采用铜带绕制时，用铜带绕制成主动线圈的坯体；将该坯体的上端面加工成为凹槽状，并使该凹槽的内壁面为锥面或凸弧面或凹弧面；得到采用铜带绕制的主动线圈；所述铜带的厚度为2mm，宽度与该主动线圈的最大轴向长度相同；
当采用线切割时，以上端面有凹槽的回转体铜块作为主动线圈的坯体，通过线切割将该坯体加工成为主动线圈；线切割时，根据设计要求对该坯体进行线切割，切割方向平行于该坯体的中心线；各匝线圈纵截面的面积平均为15mm2。
当所述主动线圈上端面凹槽的内表面为锥面时，该锥面的锥度为25°～55°；
当所述主动线圈上端面凹槽的内表面为凸弧面时，该凸弧面的半径为55～300mm；
当所述主动线圈上端面凹槽的内表面为凹弧面时，该凹弧面的半径为40～500mm。
所述次级线圈的下端面为与所述主动线圈上端面配合的锥面；该次级线圈的上端面为凹槽状，该凹槽的内表面为锥面或凸弧面或凹弧面。该次级线圈的外径为85～355mm，内径壁厚为4～16mm，轴向长度为20～130mm。
当次级线圈的上端面凹槽的内表面为锥面时，该内表面由锥段和水平段组成，其中：该锥段的下端与水平段相接，该锥段的锥度与与之配合的主动线圈上端面凹槽的锥度相同；该水平段的长度与所述主动线圈中心孔的直径相同；
当次级线圈的上端面凹槽的内表面为凸弧面时，该凸弧面由凸弧段和水平段组成，其中：凸弧段的半径与与之配合的主动线圈上端面凹槽的凸弧面的半径相同；该水平段的长度与所述主动线圈中心孔的直径相同；
当次级线圈的上端面凹槽的内表面为凹弧面时，该凹弧面由凹弧段和水平段组成，该凹弧面的半径与与之配合的主动线圈上端面凹槽的凹弧面的半径相同；该水平段的长度与所述主动线圈中心孔的直径相同。
所述垫块被安放在该次级线圈上端面的凹槽内，并与该次级线圈的表面贴合；垫块的外径为85～355mm，壁厚为4～16mm，轴向长度为17～114mm。
本发明中所述高幅值是指产生的应力波传播到直径为14mm材料为TC4的Hopkinson杆上后，杆上应力波幅值为400Mpa以上。所述长脉宽是指500us～1000us。
主动线圈接入方波电流激励，电流流经主动线圈，由于方波电流的特征以及电磁感应原理，开始时主动线圈会由于流经电流突变产生感应磁场，在进入方波电流平台段的时间内，由于电流不随时间变化，理论上感应磁场会消失。但是，由于线圈的自感和互感效应，线圈中的电流波形是幅值随着时间衰减，类似于直角梯形的波形，因此主动线圈中还会产生不断变化的感应磁场，由于感应磁场是不断变化的，因此次级线圈当中会产生电流涡流，次级线圈中的涡流方向与主动线圈中的电流方向相反，二者产生的脉冲磁场也相反，从而使次级线圈和主动线圈之间产生极强的电磁斥力，电磁斥力在次级线圈中表现为一个应力波。此时，得到的应力波形是应力幅值渐渐衰减的直角梯形的形式。本发明通过设计的包裹在主动线圈外侧用软磁材料制成的磁路，可以通过其本身的聚磁和磁饱和效应，通过降低整体幅值来减缓电磁力的衰减幅度，从而得到方波形式的应力波，如图5所示，为有磁路和无磁路时，所得应力波波形对比图，横坐标为时间，单位为ms，纵坐标为应力，单位为Mpa。从图中可以看出，加磁路可以减缓使得到的应力波波形呈现方波的形式。
与现有技术相比较，本发明取得的有益效果是：
在本发明中，设计了用软磁材料制成的磁路，通过软磁材料的聚磁与磁饱和效应，能够减缓电磁力衰减程度，使产生的方波应力波形有更长的平台段。将主动线圈设计成中间凹陷的碗状多匝线圈，次级线圈设计成与主动线圈相配合的凸形结构，使得主动线圈在接入方波电流脉冲后，能够产生方波形式的应力波。由于主动线圈接入的电流脉冲激励是随时间变化的，因此会在次级线圈当中产生涡流，电流和涡流的瞬时变化会在主动线圈和次级线圈上产生感应磁场，次级线圈中的涡流方向与主动线圈中的电流方向相反，二者产生的磁场也相反，从而使次级线圈和主动线圈之间产生电磁斥力，电磁斥力在次级线圈中表现为压缩应力波，此时应力波的波形为幅值衰减的直角梯形形式，利用本发明设计的软磁材料制成的磁路，通过降低整体幅值来减缓应力波的衰减程度。再通过本发明设计的凸形次级线圈，根据应力波的传播原理，使次级线圈中的压缩应力波在一个变截面体中来回反射叠加，经过多次反射叠加，最终得到与通入主动线圈的方波电流波形相对应的方形应力波。
图6是在主动线圈中通入幅值22000A，脉宽1000us的矩形电流后得到的应力波波形图，横坐标为时间，单位为ms，纵坐标为应力，单位为Mpa。从图中可以看出，在通入所述矩形电流激励后，能够得到幅值为450Mpa，脉宽1000us的方波。相对于现有技术只能产生幅值200Mpa，脉宽800us的正弦形应力波而言，本发明的脉宽和幅值可随电流激励的脉宽和脉宽幅值的改变而变化，产生高幅值长脉宽的方波形应力波。由于以上优点，本发明应用于霍普金森杆实验中可以方便得对材料进行高幅值长脉宽的方波加载，并可应用于材料的中应变率实验以及其他方波加载实验。
附图说明
图1是具有锥面主动线圈的电磁加载线圈的结构示意图。
图2是具有凸弧面主动线圈的电磁加载线圈的结构示意图。
图3是具有凹弧面主动线圈的电磁加载线圈的结构示意图。
图4是图1的俯视图。
图5是在主动线圈中通入幅值22000A，脉宽500us的矩形激励电流，有磁路和无磁路线圈得到的应力波波形图，其中横坐标代表时间，单位为ms，纵坐标表示应力大小，单位为Mpa。
图6是在主动线圈中通入幅值22000A，脉宽1000us的矩形激励电流后得到的应力波波形图，其中横坐标代表时间，单位为ms，纵坐标表示应力大小，单位为Mpa。
图7是在主动线圈中通入幅值为22000A，脉宽分别为500us、700us和1000us的矩形激励电流，得到的应力波波形图，其中横坐标代表时间，单位为ms，纵坐标表示应力大小，单位为Mpa。
图中：1.磁路；2.主动线圈；3.次级线圈；4.垫块；5.无磁路线圈得到的应力波波形图；6.有磁路线圈得到的应力波波形图；7.电流激励脉宽为1000us时的应力波波形图；8.电流激励脉宽为700us时的应力波波形图；9.电流激励脉宽为500us时的应力波波形图。
具体实施方式
本实施例是一种能够产生长脉宽方波的电磁加载线圈，将通过九个实施例具体说明其技术方案。
本发明包括磁路1、主动线圈2、次级线圈3和垫块4。以图1中的锥形线圈结构为例，所述磁路1的内表面与主动线圈2的外表面紧密贴合。所述主动线圈2位于磁路1内，并使该主动线圈的外圆周表面与该磁路的内圆周表面贴合，使该主动线圈的下端面与该磁路凹槽的底表面贴合。所述次级线圈3位于该主动线圈2内，并使该次级线圈的外表面与主动线圈的内表面紧密贴合；所述次级线圈3的内表面与垫块4的外表面紧密贴合，并使该次级线圈与垫块4之间干涉配合。所述磁路1、主动线圈2、次级线圈3和垫块4均同轴。
所述磁路1采用软铁制成，为“凹”字形结构，在该磁路底端的中心有贯通孔，使该磁路的内表面呈阶梯状。所述磁路的外径为110～380mm，高度为30mm，内径为90～360mm，壁厚10mm。磁路贯通孔直径为20mm。
所述主动线圈2为中空回转体，采用铜带绕制或者线切割制成的线圈，线圈的匝数为16～64匝。该主动线圈的上端面为凹槽状，该凹槽的内壁为锥面或凸弧面或凹弧面。所述主动线圈外径为90～360mm，最小轴向长度4～16mm，最大轴向长度20～260mm；主动线圈内孔与所述磁路1底端的中心孔同径。
当采用铜带绕制时，用等宽的铜带绕制成主动线圈的坯体，再根据要求将该坯体的上端面加工成为凹槽状，并使该凹槽的内壁面为锥面或凸弧面或凹弧面。得到采用铜带绕制的主动线圈。所述铜带的厚度为2mm，宽度与该主动线圈的最大轴向长度相同。
当采用线切割时，以上端面有凹槽的回转体铜块作为主动线圈的坯体，通过线切割将该坯体加工成为主动线圈。线切割时，根据设计要求对该坯体进行线切割，切割方向平行于该坯体的中心线。各匝线圈纵截面的面积平均为15mm2。
当所述主动线圈2上端面凹槽的内表面为锥面时，该锥面的锥度为25°～55°。
当所述主动线圈2上端面凹槽的内表面为凸弧面时，该凸弧面的半径为55～300mm。
当所述主动线圈2上端面凹槽的内表面为凹弧面时，该凹弧面的半径为40～500mm。
所述次级线圈3采用铜制成。该次级线圈的下端面为与所述主动线圈2上端面配合的锥面；该次级线圈的上端面为凹槽状，该凹槽的内表面为锥面或凸弧面或凹弧面。所述次级线圈3的外径为85～355mm，内径壁厚为4～16mm，轴向长度为20～130mm。
当次级线圈3的上端面凹槽的内表面为锥面时，该内表面由锥段和水平段组成，其中：该锥段的下端与水平段相接，该锥段的锥度与与之配合的主动线圈2上端面凹槽的锥度相同；该水平段的长度与所述主动线圈2中心孔的直径相同。
当次级线圈3的上端面凹槽的内表面为凸弧面时，该凸弧面由凸弧段和水平段组成，其中：凸弧段的半径与与之配合的主动线圈2上端面凹槽的凸弧面的半径相同；该水平段的长度与所述主动线圈2中心孔的直径相同。
当次级线圈3的上端面凹槽的内表面为凹弧面时，该凹弧面由凹弧段和水平段组成，该凹弧面的半径与与之配合的主动线圈2上端面凹槽的凹弧面的半径相同；该水平段的长度与所述主动线圈2中心孔的直径相同。
所述垫块4采用TC4制成，其结构与与之配合的次级线圈3的结构相同，被安放在该次级线圈上端面的凹槽内，并与该次级线圈的表面贴合。本实施例中，该垫块的外径为85～355mm，壁厚为4～16mm，轴向长度为17～114mm。
工作时，将Hopkinson杆的入射杆一端与垫块内表面水平段紧密贴合，装置各部分与Hopkinson的入射杆同轴，将所述主动线圈与外接矩形脉冲电流电路连接，并通入幅值为22000A，脉宽分别为500us、700us和1000us的矩形脉冲电流。所述电流的幅值和脉宽是由外接的LC电路控制，所得应力波波形如图7所示。

Claims (9)

1.一种能够产生高幅值长脉宽方波的电磁加载线圈，其特征在于，包括磁路、主动线圈、次级线圈和垫块；所述磁路的内表面与主动线圈的外表面紧密贴合；所述主动线圈位于磁路内，并使该主动线圈的外圆周表面与该磁路的内圆周表面贴合，使该主动线圈的下端面与磁路凹槽的底表面贴合；主动线圈的上端面为凹槽状，该凹槽的内壁为锥面或凸弧面或凹弧面；所述次级线圈位于该主动线圈的凹槽内，并使该次级线圈的下端面与主动线圈的上端面紧密贴合；所述次级线圈的上端面为凹槽，并使该次级线圈上端面的形状与垫块下端面的形状相适配；该次级线圈的上端面与垫块的下端面紧密贴合，并使该次级线圈与垫块之间干涉配合；所述磁路、主动线圈、次级线圈和垫块均同轴。
2.如权利要求1所述能够产生高幅值长脉宽方波的电磁加载线圈，其特征在于，所述磁路为“凹”字形结构，在该磁路底端的中心有贯通孔，使该磁路的内表面呈阶梯状；所述磁路的外径为110～380mm，高度为30mm，内径为90～360mm，壁厚10mm；
磁路贯通孔直径为20mm。
3.如权利要求1所述能够产生高幅值长脉宽方波的电磁加载线圈，其特征在于，所述主动线圈为中空回转体，采用铜带绕制或者线切割制成的线圈，线圈的匝数为16～64匝；所述主动线圈外径为90～360mm，最小轴向长度4～16mm，最大轴向长度20～260mm；主动线圈内孔与所述磁路底端的中心孔同径。
4.如权利要求3所述能够产生高幅值长脉宽方波的电磁加载线圈，其特征在于：
当采用铜带绕制时，用铜带绕制成主动线圈的坯体；将该坯体的上端面加工成为凹槽状，并使该凹槽的内壁面为锥面或凸弧面或凹弧面；得到采用铜带绕制的主动线圈；所述铜带的厚度为2mm，宽度与该主动线圈的最大轴向长度相同；
当采用线切割时，以上端面有凹槽的回转体铜块作为主动线圈的坯体，通过线切割将该坯体加工成为主动线圈；线切割时，根据设计要求对该坯体进行线切割，切割方向平行于该坯体的中心线；各匝线圈纵截面的面积平均为15mm2。
5.如权利要求3所述能够产生高幅值长脉宽方波的电磁加载线圈，其特征在于，当所述主动线圈上端面凹槽的内表面为锥面时，该锥面的锥度为25°～55°；
当所述主动线圈上端面凹槽的内表面为凸弧面时，该凸弧面的半径为55～300mm；当所述主动线圈上端面凹槽的内表面为凹弧面时，该凹弧面的半径为40～500mm。
6.如权利要求1所述能够产生高幅值长脉宽方波的电磁加载线圈，其特征在于，所述次级线圈的下端面为与所述主动线圈上端面配合的锥面；该次级线圈的上端面为凹槽状，该凹槽的内表面为锥面或凸弧面或凹弧面。
7.如权利要求6所述能够产生高幅值长脉宽方波的电磁加载线圈，其特征在于，所述次级线圈的外径为85～355mm，内径壁厚为4～16mm，轴向长度为20～130mm。
8.如权利要求6所述能够产生高幅值长脉宽方波的电磁加载线圈，其特征在于，当次级线圈的上端面凹槽的内表面为锥面时，该内表面由锥段和水平段组成，其中：该锥段的下端与水平段相接，该锥段的锥度与与之配合的主动线圈上端面凹槽的锥度相同；该水平段的长度与所述主动线圈中心孔的直径相同；
当次级线圈的上端面凹槽的内表面为凸弧面时，该凸弧面由凸弧段和水平段组成，其中：凸弧段的半径与与之配合的主动线圈上端面凹槽的凸弧面的半径相同；该水平段的长度与所述主动线圈中心孔的直径相同；
当次级线圈的上端面凹槽的内表面为凹弧面时，该凹弧面由凹弧段和水平段组成，该凹弧面的半径与与之配合的主动线圈上端面凹槽的凹弧面的半径相同；该水平段的长度与所述主动线圈中心孔的直径相同。
9.如权利要求1所述能够产生高幅值长脉宽方波的电磁加载线圈，其特征在于，所述垫块被安放在该次级线圈上端面的凹槽内，并与该次级线圈的表面贴合；垫块的外径为85～355mm，壁厚为4～16mm，轴向长度为17～114mm。
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