DE19919301A1

DE19919301A1 - Dividable winding reel for generation of strong pulse magnetic field for compression of metal pipes, has electric contact surfaces between parts of reel formed such that effective contact surfaces are enlarged

Info

Publication number: DE19919301A1
Application number: DE1999119301
Authority: DE
Inventors: Hans Beerwald; Moritz Beerwald; Artur Henselek
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-04-28
Filing date: 1999-04-28
Publication date: 2000-11-02

Abstract

Contact rails are made longer in comparison with effective coil length to form electric contact surfaces between parts of reel in such a way that effective contact surfaces are enlarged. The pulse current, between the effective region of the reel and at least one of the contact pairs of rails, is inductively coupled with a multi-turn coil so that the components of the reel need not be disassembled when opening the reel.

Description

Die Erfindung betrifft eine teilbare Einwindungsspule zur Erzeugung starker Magnetfeld impulse, deren Flußdichte bis etwa 30 Tesla beträgt. Magnetfeldimpulse dieser Stärke bei Impulsdauern von einigen 10^-5 Sekunden werden insbesondere für die impulsmagnetische Kompression von Metallrohren benötigt. (R. Winkler: Hochgeschwindigkeitsbearbeitung, VEB Verlag Technik Berlin, 1973, S. 408-455 und Neubauer, Stroppe, Wolf Hoch geschwindigkeitstechnologie der Metallverarbeitung, VEB Verlag Technik Berlin, 1988, S. 155-166).The invention relates to a divisible winding coil for generating strong magnetic field pulses whose flux density is up to about 30 Tesla. Magnetic field pulses of this strength with pulse durations of a few 10 ^-5 seconds are required in particular for the pulse-magnetic compression of metal pipes. (R. Winkler: High speed processing, VEB Verlag Technik Berlin, 1973, pp. 408-455 and Neubauer, Stroppe, Wolf High speed technology of metal processing, VEB Verlag Technik Berlin, 1988, pp. 155-166).

Die impulsmagnetische Kompression von Rohren aus elektrisch gut leitfähigen Metallen wie Aluminium oder Kupfer wird benutzt zum Fügen und Kalibrieren dieser Rohre. Hierfür werden gewöhnlich magnetische Drücke von etwa 200 MPa angewandt, wozu ein magnetisches Feld von bis zu 2.10⁷ A/m benötigt wird, was einem Strom von 20 Kiloampere pro Millimeter axialer Spulenlänge entspricht.The pulsed magnetic compression of pipes made of electrically conductive metals such as aluminum or copper is used to join and calibrate these pipes. Magnetic pressures of around 200 MPa are usually used for this, for which a magnetic field of up to 2.10 ⁷ A / m is required, which corresponds to a current of 20 kiloamps per millimeter of axial coil length.

Das Fügen von Rohren zur Herstellung geschlossener Rohrrahmen erfordert teilbare Spulen. Wegen der durch den Skineffekt bedingten hohen Stromdichten von über 30 000 A/mm² kommt es bei teilbaren Spulen leicht zum Verschweißen der Kontaktflächen. Aus diesem Grunde haben sich bisher bei der industriellen Anwendung des impulsmagnetischen Fügens teilbare Kompressionsspulen, wie z. B. noch
im U.S. Patent 5,442,846, Fig. 2;
in WO 98/23400 (PCT), Fig. 12 und Fig. 13;
und in DE 44 36 615 A1, Fig. 3 bis Fig. 6 angegeben, nicht bewährt.The joining of pipes to produce closed pipe frames requires divisible coils. Because of the high current densities of over 30,000 A / mm ² due to the skin effect, the contact surfaces can easily be welded on divisible coils. For this reason, compressible coils, such as z. B. still
in U.S. Patent 5,442,846, Fig. 2;
in WO 98/23400 (PCT), Fig 12 and Fig. 13.;
and specified in DE 44 36 615 A1, Fig. 3 to Fig. 6, not proved successful.

Mehrwindige Spulen teilbar zu gestalten stößt auf größere Schwierigkeiten, weshalb sich hier auf eine teilbare Einwindungsspule beschränkt wird. Aufgabe der Erfindung ist es, eine teilbare Einwindungsspule so zu gestalten, daß das Verschweißen der Kontakte vermieden wird.To make multi-winded coils divisible encounters greater difficulties, which is why here is restricted to a divisible single-winding coil. The object of the invention is a To design divisible winding coil so that the welding of the contacts avoided becomes.

Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß die Kontaktflächen zwischen den Teilen der Einwindungsspule so ausgebildet werden, daß die wirksamen Kontaktflächen vergrößert sind, indem man die Kontaktschienen im Vergleich zur aktiv wirkenden Spulenlänge länger macht und diese mittels niederinduktiver Bandleitungen, die sich kreissegmentförmig, trapezförmig oder abrupt zur Hochfeldzone hin verengen, in die Einwindungsspule integriert.This object is achieved according to the invention in that the contact surfaces between the Parts of the winding coil are formed so that the effective contact surfaces are enlarged by comparing the contact rails to the active ones Coil length makes longer and this by means of low-inductive ribbon cables Circular segmental, trapezoidal or abruptly narrow towards the high field zone, into the Integrated winding coil.

Mit der Erfindung wird erreicht, daß die Stromdichte an den Kontakten reduziert wird und so die Gefahr des Verschweißens der Kontakte vermindert wird. Alle bekannten sonstigen Methoden, wie z. B. die Auswahl des Kontaktmaterials, das Einfügen spezieller Kontaktfederleisten oder dünner Graphitfolien können natürlich auch bei der erfindungsgemäßen Spule zusätzlich angewandt werden.With the invention it is achieved that the current density at the contacts is reduced and so the risk of welding the contacts is reduced. All known other Methods such as B. the selection of the contact material, the insertion of special Contact spring strips or thin graphite foils can of course also be used in the coil according to the invention can also be applied.

Die Erfindung ermöglicht erstmalig die Herstellung teilbarer Kompressionsspulen, die für die industrielle Produktion geschlossener Rahmen aus Aluminiumrohren geeignet sind und die auch die Herstellung räumlicher Rahmen (space frames) aus Aluminium mittels impulsmagnetischen Fügens ermöglichen.For the first time, the invention enables the production of divisible compression coils for the industrial production of closed frames made of aluminum tubes are suitable and also the production of aluminum space frames enable pulse magnetic joining.

Bei impulsmagnetischen Umformanlagen ist es üblich, die Arbeitsspule auszuwechseln. Für schnelles Auswechseln ist der Anschluß der Arbeitsspule gewöhnlich als Bandleiter ausgeführt, der mit einer Klemmvorrichtung an den Impulsgenerator angeschlossen wird. Bandleiter und Klemmvorrichtung sind stets um ein Vielfaches breiter als die einzelnen Spulenwindungen und bei einer Einwindungsspule somit um ein Vielfaches breiter als die axiale Länge des Wirkbereichs der Einwindungsspule. Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, mit ähnlichen Klemmvorrichtungen die beiden Teile der teilbaren Einwindungsspule zu kontaktieren. Während bei einem normalen Bandleiteranschluß jeweils zwei Kontakte benötigt werden, braucht bei der erfindungsgemäßen Spule an jeder Trennstelle nur ein Kontakt geschlossen zu werden.In the case of pulse magnetic forming systems, it is common to replace the work coil. For quick replacement is usually the connection of the work spool as a strip conductor executed, which is connected to the pulse generator with a clamping device. The tape conductor and clamping device are always many times wider than the individual ones Coil windings and thus with a single winding coil many times wider than that axial length of the effective range of the single-winding coil. The invention is based on the idea from, with similar clamping devices to the two parts of the divisible single-winding coil to contact. While with a normal strip conductor connection, two contacts each are needed, only needs one at each separation point in the coil according to the invention Contact to be closed.

Die Impulsspannung, die von einer Einwindungsspule benötigt wird, um im Spalt zwischen Werkstück und Spule und in den entsprechenden Eindringtiefen die notwendige Flußdichte in etwa 10^-5 Sekunden zu erzeugen, beträgt bei Rohrdurchmessern von einigen Zentimetern nur einige hundert Volt. Aus technischen Gründen ist es einfacher einen schnellen Stoßstrom generator im Spannungsbereich von 3000 bis 10 000 Volt zu bauen. Das ist auch der Grund für die häufige Anwendung von Mehrwindungsspulen bei magnetischen Umformanlagen. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die erfindungsgemäße teilbare Spule so gestaltet, daß zwischen dem Wirkbereich der geteilten Einwindungsspule und mindestens einem der Kontaktschienenpaare der Impulsstrom induktiv mit einer Mehrwindungsspule so eingekoppelt wird, daß die Bestandteile der Einwindungsspule die Mehrwindungsspule umschließen, so daß beim Öffnen der Einwindungsspule die Mehrwindungsspule nicht demontiert zu werden braucht.The pulse voltage required by an induction coil to generate the necessary flux density in the gap between the workpiece and the coil and in the corresponding penetration depths in about 10 ^-5 seconds is only a few hundred volts for tube diameters of a few centimeters. For technical reasons it is easier to build a fast surge current generator in the voltage range from 3000 to 10,000 volts. This is also the reason for the frequent use of multi-turn coils in magnetic forming systems. In a further embodiment of the invention, the divisible coil according to the invention is designed so that the pulse current is inductively coupled with a multi-turn coil between the effective range of the split single-turn coil and at least one of the contact rail pairs so that the components of the single-turn coil enclose the multi-turn coil, so that when the single-turn coil is opened the multi-turn coil does not need to be dismantled.

Eine symmetrischere Anordnung erhält man nach dieser Lehre mit zwei Mehrwindungs spulen, wie es im kennzeichnenden Teil des 3. Patentanspruchs beschrieben ist.According to this teaching, a more symmetrical arrangement is obtained with two multi-turns coil as described in the characterizing part of the third claim.

Die Teile der teilbaren Einwindungsspulen müssen gegen den gewollten magnetischen Druck fest zusammengepreßt werden, wozu bei industrieller Produktion beispielsweise eine hydraulische Presse geeignet ist.The parts of the divisible single-thread coils must be against the desired magnetic pressure be firmly pressed together, for example in industrial production hydraulic press is suitable.

Bei den teilbaren Einwindungsspulen nach Ansprüchen 1 bis 3 ist in den Bereichen der verbreiterten niederinduktiven Bandleitern der magnetische Druck so schwach, das er für eine Umformung von Metallen nicht in Frage kommt. Von diesem Gedanken ausgehend läßt sich auch die teilbare Einwindungsspule zum Herstellen geschlossener Rohrrahmen kontaktlos ausführen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß man zwei antiparallele Ströme mit Bandleitern kreisförmig führt, wobei die Breite der Bandleiter an der Stelle des kreisförmigen Umlaufs, an der sich die Hochfeldzone befindet, verengt ist und an dieser Stelle sowie an der radial gegenüberliegenden 2 bis 5 mal breiteren Stelle die Bandleiter mit Leiterschleifen versehen sind, so daß das zu bearbeitende Rohr radial zwischen die beiden Bandleiter gelegt werden kann und die Bandleiter das Rohr an den beiden genannten Stellen eng umschließen. In the divisible single-winding coils according to claims 1 to 3 is in the areas of widened the low inductive band conductors, the magnetic pressure so weak that it was for a Forming metals is out of the question. Starting from this thought, also the divisible winding coil for making closed tubular frames without contact To run. This object is achieved by using two anti-parallel currents Leads conductors circular, with the width of the ribbon conductors at the location of the circular Circulation where the high field zone is located, is narrowed and at this point as well as at the the ribbon conductors with conductor loops are located radially opposite 2 to 5 times wider are provided so that the pipe to be machined is placed radially between the two strip conductors can be and the tape conductors tightly enclose the tube at the two points mentioned.

Bei dieser Anordnung läßt sich nicht vermeiden, daß das zu bearbeitende Rohr an zwei nicht dicht beieinander liegenden Stellen dem Magnetfeldimpuls ausgesetzt ist. Ähnlich wie bei der oben beschriebenen Stromverdünnung zu den Kontakten hin läßt sich in diesem Fall auch durch Verbreitern der Bandleiter der Strom in der zweiten Magnetfeldzone so erniedrigen, daß der magnetische Druck auf das Werkstück hier keine unerwünschte Wirkung zeigt. So bewirkt eine Verbreiterung der zweiten Magnetfeldzone um einen Faktor 3 einen 9-fach niedrigeren magnetischen Druck. Das Werkstück wird dabei meist nur eine leichte elastische Verformung erfahren.With this arrangement, it cannot be avoided that the pipe to be machined is not on two close to each other is exposed to the magnetic field pulse. Similar to the Current dilution to the contacts described above can also be done in this case by widening the band conductors to lower the current in the second magnetic field zone so that the magnetic pressure on the workpiece has no undesirable effect here. So causes the second magnetic field zone to widen by a factor of 3 a 9-fold lower magnetic pressure. The workpiece is usually only a slight elastic Experience deformation.

Eine Einwindungsspule mit kontaktloser Einkopplung des Stromes in die zweite Halbschale ist z. B. in der PCT-Publikation WO 98/23400 beschrieben. Mit dieser bekannten teilbaren Einwindungsspule läßt sich zwar in vielen Fällen die Benutzung eines Feldformers umgehen, aber die Herstellung geschlossener Rohrrahmen ist damit nicht möglich.A winding coil with contactless coupling of the current into the second half-shell is z. B. in the PCT publication WO 98/23400. With this known divisible Single-winding coil can be avoided in many cases using a field shaper, but the production of closed tubular frames is not possible.

Bei der praktischen Ausführung der teilbaren Spule nach Patentanspruch 4 verwendet man besser zwei dickwandige Rohre aus einer festen Kupferlegierung mit hoher elektrischer Leitfähigkeit (z. B. CuCrZr), benutzt die Stirnflächen als Bandleiter und koppelt den Strom induktiv mit einer Mehrwindungsspule in das System ein, wie im Anspruch 5 beschrieben.In the practical implementation of the divisible coil according to claim 4 is used better two thick-walled tubes made of a solid copper alloy with high electrical Conductivity (e.g. CuCrZr), uses the end faces as a strip conductor and couples the current inductively with a multi-turn coil in the system as described in claim 5.

Beispiele erfindungsgemäßer Einwindungsspulen sind in den folgenden Zeichnungen dargestellt:Examples of winding coils according to the invention are shown in the following drawings shown:

Fig. 1 zeigt eine teilbare Einwindungsspule, die direkt an den Stoßstromgenerator angeschlossen wird. Die Hochfeldzone 1, die eigentliche Einwindungsspule, besitzt drei Spalte. Der untere Spalt 2 dient der Stromzuführung. Er wird mit dem sich verbreiternden niederinduktiven Bandleiter 3 an den Hochstrom-Impulsgenerator angeschlossen. Das abnehmbare Oberteil 4 der Einwindungsspule wird mit dem Unterteil 5 über die beiden kreisbogenförmigen Kontaktschienenpaare 6 und 6a elektrisch kontaktiert. Die Flächen von Ober- und Unterteil zwischen Spalt und Kontaktschienenpaar bilden jeweils einen kreissegmentförmigen niederinduktiven Bandleiter 7 und 7a. Die Dicke der Isolierschicht der Bandleiter beträgt 0,2 mm. Nicht eingezeichnet sind die Vorrichtungen, die die Bandleiter zusammenpressen. Fig. 1 shows a divisible single-winding coil, which is connected directly to the surge current generator. The high field zone 1 , the actual winding coil, has three gaps. The lower gap 2 is used for power supply. It is connected to the high-current pulse generator with the widening, low-inductance band conductor 3 . The removable upper part 4 of the winding coil is electrically contacted with the lower part 5 via the two circular contact pairs 6 and 6 a. The surfaces of the upper and lower part between the gap and the pair of contact rails each form a low-inductance band conductor 7 and 7 a in the form of a segment of a circle. The thickness of the insulating layer of the strip conductors is 0.2 mm. The devices that press the strip conductors together are not shown.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer teilbaren Einwindungsspule nach Anspruch 3:
Die Hochfeldzone 8, die eigentliche Einwindungsspule, hat eine Länge von 15 mm und einen inneren Durchmesser von 20,5 mm. Sie ist vorgesehen für das Fügen von Rohren mit 20 mm Außendurchmesser. Sie hat nur die zwei Spalte 9 und 9a, die für die Teilbarkeit der Einwindungsspule notwendig sind und über die auch der Strom zugeführt wird. Die Flächen von Oberteil 10 und Unterteil 11 zwischen Spalt 9 bzw. 9a und Kontaktstreifen 12 bzw. 12a bilden jeweils den niederinduktiven Bandleiter. Der mit den Spulen 13 und 13a induktiv eingekoppelte Strom wird über die Schlitze (Bandleiter) 14 und 14a im Unterteil 11 den durch Ober- und Unterteil gebildeten Bandleitern zugeführt. Aus Stabilitätsgründen sind die beiden als Schlitze ausgeführten Bandleiter 14 und 14a nach außen versetzt angebracht worden. Außerdem ist es von Vorteil, den Weg zwischen Spalt 9 und Kontaktstreifen 12 nicht zu kurz zu machen, damit eine gleichmäßige Stromverteilung entlang der Kontaktstreifen gewährleistet ist. Die beiden Mehrwindungsspulen 13 und 13a besitzen jeweils acht Windungen aus glasseideumsponnenem Kupferband 12 × 1 mm. Die Bohrungen 15 und 15a im unteren Kupferblock 11 haben einen Durchmesser von 75 mm. Der Spulenkern besteht aus Hartgewebe. Die Füllung mit ferromagnetischem Material würde eine Erhöhung des Sekundärstromes in diesem Beispiel um bis zu 15% bewirken. Die Kontaktstreifen 12 und 12a sind CuBe-Bandspiralen, die Impulsströme bis 60 Kiloampere pro Zentimeter zulassen. Fig. 2 shows an embodiment of a dividable single turn coil according to claim 3:
The high field zone 8 , the actual winding coil, has a length of 15 mm and an inner diameter of 20.5 mm. It is intended for joining pipes with an outer diameter of 20 mm. It has only the two columns 9 and 9 a, which are necessary for the divisibility of the winding coil and through which the current is also supplied. The surfaces of upper part 10 and lower part 11 between gap 9 and 9 a and contact strips 12 and 12 a each form the low-inductance band conductor. The inductively coupled current with the coils 13 and 13 a is fed through the slots (ribbon conductors) 14 and 14 a in the lower part 11 to the strip conductors formed by the upper and lower part. For stability reasons, the two strip conductors 14 and 14 a constructed as slots have been mounted displaced outwardly. It is also advantageous not to make the path between the gap 9 and the contact strip 12 too short, so that a uniform current distribution along the contact strip is ensured. The two multi-turn coils 13 and 13 a each have eight turns of 12 × 1 mm glass-wound copper tape. The holes 15 and 15 a in the lower copper block 11 have a diameter of 75 mm. The coil core consists of hard tissue. Filling with ferromagnetic material would increase the secondary current in this example by up to 15%. The contact strips 12 and 12 a are CuBe tape spirals that allow pulse currents of up to 60 kiloamperes per centimeter.

In diesem Beispiel werden sie nur mit Impulsströmen bis 40 kA/cm belastet. Die Hochfeldzone, die in diesem Ausführungsbeispiel in der Mitte der Anordnung liegt, kann natürlich auch an der vorderen Stirnseite liegen. Nicht eingezeichnet ist der hinter der Anordnung liegende Bandleiter zum Anschluß der beiden Mehrwindungsspulen an den Stromimpulsgenerator; auf richtige Polung der beiden Flußrichtungen zueinander ist zu achten.In this example, they are only loaded with pulse currents up to 40 kA / cm. The High field zone, which in this embodiment lies in the middle of the arrangement naturally also lie on the front face. The one behind the is not shown Arrangement lying band conductor for connecting the two multi-turn coils to the Current pulse generator; correct polarity of the two directions of flow to one another respect, think highly of.

Fig. 3 dient der Erläuterung des Patentanspruchs 4:
Dem Unterteil 15 wird über das Bandleitersystem 16 der Impulsstrom zugeführt. Unterteil 15 und Oberteil 17 sind mit Schleifen 18, 18a und 19, 19a versehen und auf den einander zugewandten Flächen elektrisch isolierend dünn beschichtet. Ober- und Unterteil werden aufeinandergelegt und zwischen den Schleifen 18, 18a und 19, 19a das Werkstück 20 eingelegt. Ober- und Unterteil müssen fest gegen den entstehenden magnetischen Druck zusammengepreßt werden. Fig. 3 is illustrative of the patent claim 4 is used:
The lower part 15 is supplied with the pulse current via the strip conductor system 16 . The lower part 15 and upper part 17 are provided with loops 18 , 18 a and 19 , 19 a and thinly coated in an electrically insulating manner on the surfaces facing one another. The upper and lower parts are placed one on top of the other and the workpiece 20 is inserted between the loops 18 , 18 a and 19 , 19 a. The upper and lower parts must be pressed firmly against the magnetic pressure that arises.

In dieser Anordnung fließen die Ströme in den beiden Teilen 15 und 17 auf den einander zugewandten Flächen, wobei das magnetische Feld und damit auch der magnetische Druck zwischen den beiden Flächen im schmalen Leiterteil viel stärker ist als im breiten. Deshalb wird nur im Bereich der Schleife 18, 18a das eingelegte Werkstück 20 verformt. Abweichend von der Zeichnung sollte der mittlere Radius der Anordnung merklich größer sein als die mittlere Breite des Ringbandleiters, um eine möglichst gleichmäßige Stromverteilung über die Bandleiterbreite zu erzielen.In this arrangement, the currents flow in the two parts 15 and 17 on the mutually facing surfaces, the magnetic field and thus also the magnetic pressure between the two surfaces being much stronger in the narrow conductor part than in the broad part. Therefore, the inserted workpiece 20 is deformed only in the area of the loop 18 , 18 a. In a departure from the drawing, the average radius of the arrangement should be noticeably larger than the average width of the ring strip conductor in order to achieve the most uniform possible current distribution over the strip conductor width.

Claims

1. Divisible winding coil for generating strong magnetic field pulses with flux densities up to about 30 T, which consists of at least two parts, in particular for the pulsed magnetic compression of metal pipes for joining pipes to closed frames, characterized in that the electrical contact surfaces between the parts of the winding coil so are designed so that the effective contact areas are enlarged by making the contact rails longer in comparison to the active-acting coil length and integrating them into the winding coil by means of low-inductance ribbon cables that narrow in the shape of a segment of a circle, trapezoidal or abruptly towards the high field zone.

2. Divisible single-winding coil according to claim 1, characterized in that between the effective range of the divided single-winding coil and at least one of the Contact rail pairs of inductive pulse current with a multi-turn coil so is coupled in that the components of the single-winding coil the multi-winding coil enclose so that the multi-turn coil does not open when the single-winding coil needs to be dismantled.

3. Divisible single-winding coil according to claim 2, characterized in that two Multi-turn coils that are about 5 to 10 times longer than the axis length of the work area the winding coil, in the area of the trapezoidal or abruptly widened ribbon conductor the pairs of contact rails are inserted, the secondary current over their entire length generate outside around itself.

4. Divisible winding coil for generating strong magnetic field pulses with flux densities up to about 30 T, which consists of two parts, in particular for the pulsed magnetic compression of metal pipes for joining pipes to closed frames, characterized in that two antiparallel currents with strip conductors ( 15 ; 17th ) leads in a circular manner, the width of the strip conductors being narrowed at the point of the circular circulation at which the high field zone ( 18 ) is located and at this point and at the radially opposite point 2 to 5 times wider the strip conductors with conductor loops ( 18 ; 19 ) are provided so that the pipe ( 20 ) to be machined can be placed radially between the two strip conductors and the strip conductors tightly enclose the pipe at the two points mentioned.

5. Divisible arrangement according to claim 4, characterized in that the anti-parallel Currents on the end faces of two thick-walled copper pipes are carried there have such recesses that the pipe to be machined radially between the two End faces can be placed and the wall thickness at the recess on which that too machining pipe to be pressed is reduced by a factor of 3 to 5 and the current is inductively coupled with a multi-turn coil by at least one of the two thick-walled tubes the multi-turn coil is wound and this tube with one Longitudinal slot is provided.