DE2535157C2

DE2535157C2 - Induktor zur Magnetimpulsbearbeitung metallischer Rohrhalbzeuge

Info

Publication number: DE2535157C2
Application number: DE19752535157
Authority: DE
Inventors: Boris Anatolievi&ccaron; Novosibirsk Jablo&ccaron;nikov
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-08-06
Filing date: 1975-08-06
Publication date: 1982-08-26
Also published as: DE2535157A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Induktor zur Magnetimpulsbearbeitung metallischer Rohrhalbzeuge, enthaltend eine Spule aus untereinander parallelen isolierten Flachleilern, die aus einer Ringscheibe oder zumindestens als ein Sektorteil einer Ringscheibe ausgestanzt sind.

Aus »The Review of Scientific Instruments«, Volume 27, Nr. 5, Seite 199 ist eine Spule aus untereinander parallelen isolierten Flachleitern bekannt, die aus einer Ringscheibe ausgestanzt sind, wobei mit den Flachleitern die einzelnen, hintereinander geschalteten Windungen einer eingängigen Spule gebildet sind, wie sie beispielsweise auch aus der DD-PS 76 950 bekannt ist Bei der Bearbeitung von Rohrhalbzeugen für relativ große Durchmesser erweist sich die hohe Induktivität einer eingängigen mehrwindigen Spule, wie sie beispielsweise auch aus der DD-PS 78 987 bekannt ist, als nachteilig, denn man muß zur Gewährleistung einer hinreichend hohen Frequenz der Eigenschwingungen des Entladungskreises, der in der Regel, außer aus der Spule, auch noch aus einem Kommutator und einer Kondensatorbatterie besteht, die Kapazität der Letzteren wesentlich herabsetzen. Dies fordert den Einsatz von Kondensatorbatterien mit sehr hoher Spannung, um den nötigen Energievorrat zu sichern. Bei einer Steigerung der Arbeitsspannung der Kondensatorbatterie wächst jedoch die Durchschlaggefahr der Isolation. Darüber hinaus ist die Kühlung der Spule durch die Herausführungen auf deren Endabschnitte beschränkt und um den Mittelteil der Spule auch zu kühlen, müssen besondere Maßnahmen getroffen werden, z. B. die ganze Wicklung mit einer verschließbaren Nut zum Durchlauf eines Kühlmittels versehen sein, wie es aus der DD-PS 78 987 bekannt ist. Außerdem besteht bei aus untereinander parallelen isolierten Flachleitern, die aus einer Ringscheibe ausgestanzt sind und als einzelne Windungen einer eingängigen Spule zusammengesetzt sind, bei den hohen Stromdichten, welche Impulsmagnetfeldern von einer Feldstärke über 100 kOe entsprechen, an den Stoßstellen der einzelnen Windungen die Gefahr der Entstehung elektrischer Lichtbögen, weiche die Isolation beschädigen und die Spule unbrauchbar machen können.

Der im Anspruch 1 angebenen Erfindung liegt -die Aufgabe zugrunde, einen Induktor zu schaffen, welcher im Vergleich zu der bekannten Ausführung bei den gleichen geometrischen Spu'enabmessungen und den

ίο gleichen Stärken der sie bildenden Flachleiter und Isolatoren dank einer entsprechenden Formänderung der Flachleiter und deren Verlbindungsart bei der Spulenbildung eine wesentlich geringere Induktivität aufweist

Die im Anspruch 1 aufgeführten Lösungsmaßnahmen bieten die Möglichkeit, unter Einhaltung der hohen Ferligungsgerechtigkeit des Induktors seine Induktivität bis auf einen Wert, der gleich dem Induktivitätsbereich eines Abschnittes eines hohlen rohrförmigen Stromlt.ters ist, herabzusetzen. Die maximale Induktivität des erfindungsgemäßen Induktors entspricht der Induktivität eines Einwindungsinduktors mit geometrischen Abmessungen der Windung, welche den Spulen-" abmessungen des gegebenen Induktors gleich sind. Das läßt sich dadurch erklären, daß man aus einem flachen Metallblech einen flachen Leiter nur in Form einer einzigen Windung ausstanzen kann. Die herstellungsmöglichkeit von Induktoren mit einer in den genannten Grenzen veränderlichen Induktivität erschließt neue Einsatzbereiche der Magnetimpulsbearbeitung metallischer Halbzeuge von großen Durchmessern. Die Verwendung dieser Induktoren ermöglicht die Einhaltung der erforderlich hohen Frequenz des Impulsmagnetfeldes bei der Bearbeitung dünnwandiger Halbzeuge von prinzipiell unbeschränkten Durchmessern. Die Arbeitsspannung der Kondensatorbatterie bleibt dabei gering (5-1OkV). Der maximale Durchmesser der zu bearbeitenden Halbzeuge wird dann praktisch nur durch die Erstehungskosten und Abmessungen der entsprechenden Kondensatorbatterie beschränkt.

Der Hauptvorzug des erfindungsgemäßen Induktors ist seine leichte Wärmeabfuhr von der Spule mit Hilfe der Wärmeleitung durch die Herausführungen. Im Vergleich zum bekannten Induktor gleicher Abmessungen ist die Wärmeabfuhr von der Spule des vorliegenden Induktors, beispielsweise mit einer aus flachen Leitern in Form einer vollen Ringscheibe ausgeführten Spule /7²-mal intensiver, wobei η die Zahl der flachen Leiter für den Induktor bezeichnet. Dank diesem Vorzug kann man beim vorgeschlagenen Induktor in den meisten Fällen ohne besondere Kühlung der Spule auskommen.

Ein weiterer Vorzug des vorgeschlagenen Induktors ist die geringe Spannung in der Isolation zwischen den flachen Leitern. Im Vergleich zum bekannten Induktor liegen beispielsweise in der erfindungsgemäßen Bauart bei der Erzeugung von Impulsmagnetfeldern gleicher Amplitude und Dauer an der Isolation zwischen den flachen Leitern n-fach geringere Spannungen vor. (Wie vorstehend werden hierbei gleiche geometrische Spulenabmessungen der verglichenen Induktoren sowie die konstruktiven Maße der sie bildenden flachen Leiter und der Isoliereinlagen zwischen ihnen vorausgesetzt) Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Nach Anspruch 2 ist vorgeschlagen, in unmittelbarer Nähe der Enden der flachen Leiter seitens der sie begrenzenden Außen- bzw. Innenkreise paarweise die

ίο

is

20

25

Herausführungen einstückig mit den Flachleitern auszubilden.

Man kann auch nach Anspruch 3, vorsehen, daß an die eben herausgeführten Enden der Flachleiter an deren Außen- oder Innenumfang elektrische Anschlüsse (Herausführungen) auf übliche Weise befestigt sind.

Im folgenden wird die Erfindung durch Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert

Es zeigt

Fi g. 1 eine Seitenansicht der Spule eines sechsgängigen Induktors,

F i g. 2 eine Vorderansicht der Spule eines sechsgängigen Induktors,

F i g. 3 einen flachen Leiter in Form einer schraubenartig gebogenen ganzen Ringscheibe mit Herausführungen, die an den Enden dieses Leiters von der Außenseite des ihn begrenzenden Kreises angeordnet sind und als ein Stück mit diesem Leiter hergestellt sind,

Fig.4 eine Isoliereinlage zwischen den flachen Leitern und

Fig.5 eine Gesamtansicht des zusammengebauten Induktors im Schnitt

Der erfindungsgemäße Induktor zur Magnetimpulsbearbeitung metallischer Rohrhalbzeuge enthält eine Spule, bestehend aus flachen Leitern 1 (Fig. 1, 2), welche beispielsweise aus Kupfer hergestellt sind. Der flache Leiter 1 ist als volle Ringscheibe ausgeführt, mit einem Radialschnitt, an dessen Rändern seitens des äußeren, die Ringscheibe begrenzenden Kreises, Herausführungen 2 vorgesehen sind. Falls der Induktor zur von der Achse ausgehenden Radialverformung meißnischer Rohrhalbzeuge durch Magnetimpulsbearbeitung bestimmt ist, so muß er innerhalb dieser Halbzeuge angeordnet sein. In diesem Falle werden die Herausführungen 2 der flachen Leiter 1 zweckmäßig am Innenkreis, welcher die Ringscheibe umgrenzt, angeordnet Es ist offensichtlich, daß die Herausführungen 2 im letzteren Falle einstückig mit den flachen Leitern I nur bei großen Außendurchmessern des Induktors hergestellt werden können, bei kleinen Außendurchmessern können die Herausführungen 2 gesondert ausgeführt und dann an die flachen Leiter 1 elektrisch und mechanisch zur Stromzuführung und Kühlung angeschlossen werden. Bei der Herstellung des Induktors werden die Herausführungen 2 in der Regel, um den Zusammenbau des Induktors zu erleichtern und für seine Verbindung mit den Stromleitern, unter einem rechten Winkel zur Fläche des Leiters 1 abgebogen. Die flachen Leiter 1 können höchstens als eine volle Ringscheibe ausgeführt sein. Es muß darauf hingewiesen werden, daß man aus flachen Leitern 1 in Form einer vollen Ringscheibe prinzipiell eine Mehrwindungsspule, z. B. durch Zusammenschweißen der einzelnen Ringscheiben, hintereinander herstellen kann. Doch is* ein derartiges Herstellungsverfahren einer Induktorspule technologisch überaus kompliziert und ihre Leistungsfähigkeit infolge der ungleichmäßigen mechanischen Kennwerte des Metalls in der Schweißzone gering. Darum ist es zweckmäßig, die erfindungsgemäßen Induktoren nur aus flachen Leitern 1 in Form einer vollen Ringscheibe oder zumindest als ein Sektorteil einer Ringscheibe herzustellen. Im letzteren Fall kann der Sektorteil beispielsweise drei Viertel, eine Hälfte (2 - 2"), ein Viertel (2 - 2') usw. einer vollen Ringscheibe (2—2'") betragen (in Fig.3 sind die möglichen Ausführungsvarianten gestrichelt angegeben).

Für eine annähernde praktische Bewertung der minimal erforderlichen Größe des Sektorteils der Ringscheibe kann man die folgende Formel benutzen:

5 dabei ist

35

40

45

50

55

60 κ der Winkel (in Radianten), welcher den Sektorteil der Ringscheibe umgrenzt,

R der Radius des Kreises, welcher den Sektorteil der Ringscheibe ohne Heraiisführungen begrenzt (Formierkreis der Arbeitsfläche der Induktorspule) und

/ die Länge der Induktorspule.

Die Größe der als Sektorteile einer Ringscheibe und nach der Gleichung 1 ausgeführten flachen Leiter 1 gewährleistet einen Druck des durch die Spule des Induktors erzeugten impulsmagnetfeldes, der etwa lOfach stärker ist als der Druck des Impulsmagnetfeldes, welches durch einen als Zylinder mit gleichen Außenmaßen ausgebildeten Induktor erzeugt wird, d. h. wenn Innen- und Außendurchmesser des Vergleichszylinders den Durchmessern der erfindungsgemäß aufgebauten Induktorspule entsprechen.

Für den Zusammenbau der Spule werden die flachen Leiter 1 schraubenförmig mit einer Steigung gebogen, welche einer Windung oder Teilwindung in Spulenlänge entspricht (Fig.3).

Zwischen den flachen Leitern 1 sind Isoliereinlagen 3 (Fig. 1, 2, 4, 5) untergebracht, welche der Form der flachen Leiter 1 m t Ausnahme der Abschnitte der entsprechenden Herausführungen 2 gleich sind, welche bei den Isoliereinlagen 3 in allen Fällen fehlen. Die Isoliereinlagen 3 werden aus flachen Tafeln, z. B. aus Glastextolit gestanzt.

Die flachen Leiter 1 werden mit bzw. ohne Herausführungen 2 gemeinsam mit den Isoliereinlagen 3 als mehrgängige Spirale (F i g. 1 und 2) zusammengebaut. Die oberen bzw. unteren Enden der flachen Leiter 1 und entsprechend auch der Isoliereinlagen 3 sind in gleichen Winkelabständen angeordnet.

Für den Zusammenbau des Induktors werden die Herausführungen 2 um einen rechten Winkel zur Fläche der Sektorzone der Ringscheibe (F i g. 5) gebogen.

Der zusammengebaute Induktor ist in Fig. 5 dargestellt, wobei die flachen Leiter 1 mit den Herausführungen 2 und den Isoliereinlagen 3 durch einen Außenisolator 4 und von den Seiten durch stirnseitige Isolierscheiben 5 umfaßt sind. An die stirnseitigen Isolierscheiben 5 stoßen kegelförmige Metallscheiben 6 an. Die Herausführungen 2 werden zu den kegelförmigen Metallscheiben 6 hingebogen, an weiche sie beispielsweise angeschweißt werden. An der Außenseite des äußeren Isolators 4 ist ein elektrodynamischer Entlastungsschirm 7 angeordnet. Das zu bearbeitende metallische Rohrhalbstück 8 wird innerhalb des Induktors untergebracht.

In der gegebenen Konstruktion des Induktors kann man die Stromzuleiter zur Verbindung mit dem Impulsstromgenerator (in der Zeichnung nicht dargestellt) rohrförmig bzw. als flache Schienen mit kegelförmigen öffnungen zum Kontakt mit den Herausführungen 2 des Induktors ausführen.

Vor Arbeitsbeginn wird der Induktor an die StrcTizuleiter angeschlossen, wobei er über die Stromleiter zuvor axial (beispielsweise durch Bolzenklammern) zusammen gedrückt wird. Dank dieser axialen Zusammendrückung wird ein einwandfreier Kontakt der Herausführungen 2 mit den Stromzuleitern

H-hi =

Sr, Si

vom Impulsgenerator erreicht, womit die Arbeitsbedin- hängigkeit: gungen der Spule verbessert werden.

Der Induktor arbeitet folgendermaßen:

An die Herausführungen 2 wird Impulsstrom vom Impulsgenerator zugeführt. Dieser Strom fließt durch die flachen Leiter 1 und erzeugt um diese Leiter ein wobei Impulsmagnetfeld, welches im rohrförmigen Halbzeug 8 sowie im elektrodynamischen Entlastungsschirm 7 entgegengesetzt gerichtete Ströme erzeugt. Der dabei zwischen den flachen Leitern 1 und dem Rohrhalbzeug 8 entstehende Druck des Impulsmagnetfeldes bewirkt eine radiale Verformung dieses Halbzeugs 8 auf dessen Achse zu. Der zwischen den flachen Leitern 1 und dem elektrodynamischen Entlastungsschirm 7 entwickelte Druck des Impulsmagnetfeldes kompensiert dabei teilweise die in diesen Leitern 1 wirkenden Gegenkräfte, welche bei der Verformung der Rohrhalbzeuge S entstehen. Dadurch wird auch die mechanische Beanspruchung des Isolators 4 entsprechend klein. wobei

Die in den flachen Leitern 1 sich entwickelnde Wärme wird in ihnen durch die Herausführungen 2 an die Stromzuleiter abgeführt, deren Kühlung beispielsweise mit Wasser kein Problem darstellt. Die Wärmeübertragung durch die Wärmeleitfähigkeit eines Leiters ist bekanntlich proportional der Querschnittsfläche dieses Leiters 1 und umgekehrt proportional seiner Länge. Darum erfolgt die Wärmeübertragung durch einen kurzen Leiter mit großem Querschnitt intensiver, als durch einen langen Leiter mit kleinem Querschnitt. Als Beispiel hierzu vergleichen wir den Widerstand der dem Wärmefluß einer Spule entgegensteht, die aus flachen Leitern 1 des oben beschriebenen sechsgängigen Einwindungsinduktors (d.h. eines Induktors, dessen flacher Leiter 1 in Form einer vollen Ringscheibe ausgeführt ist) zusammengesetzt ist, mit dem gleichen Widerstand eines entsprechenden eingängigen Sechswindungsinduktors. Wie zuvor wird auch hier vorausgesetzt, daß die geometrischen Maße sowie die Stärke der Ringscheiben und Isoliereinlagen, welche ihre Spulen bilden, entsprechend gleich sind. Nun leuchtet es ein, daß der Wärmfluß im bekannten Induktor sämtliche flachen Leiter 1 hintereinander passiert d.h. daß die Gesamtlänge eines äquivalenten Leiters 6Z> beträgt, wobei b die mittlere Länge eines flachen Leiters bezeichnet

Der Querschnitt dieses äquivalenten Leiters ist gleich dem Querschnitt eines realen flachen Leiters, welchen wir durch S bezeichnen. Die Kühlung des bekannten Induktors kann auf die betrachtete Weise nur durch die beiden Herausfuhrungen 2 erfolgen.

Im erfindungsgemäßen Induktor sind die flachen Leiter 1 für den Durchgang des Wärmeflusses parallel miteinander verbanden, d. h. daß die gesamte Länge des äquivalenten Leiters gleich b bleibt während sein Querschnitt 65 beträgt Die Kühlung des erfindungsgemäßen Induktors erfolgt durch zwölf Herausführungen 2. Folglich ist der Widerstand der Wärmeabfuhr von der Spule im erfindungsgemäßen Induktor 36fach geringer als bei der bekannten Bauart Demnach reicht die Kühlung des Induktors durch die Wärmeabfuhr über die flachen Leiter 1 völlig aus. Durch einfache Berechnung läßt sich leicht nachweisen, daß die Spannung an der Isolation zwischen den flachen Leitern 1 des vorliegenden Induktors bedeutend niedriger ist als bei der bekannten Konstruktion. Angenommen, es wird die Erzeugung von Impulsmagnetfeldern von der gleichen Amplitude H, der Frequenz ω mit Hilfe eines Schwingkreises LC verlangt, dann gilt die Ab-

U\L\ entsprechend die erforderliche Spannung am vorliegenden sechsgängigen Einwindungsinduktor und seine Induktivität und

U2L2 entsprechend die erforderliche Spannung am bekannten eingängigen Sechswindungsinduktor und seine Induktivität bezeichnen.

Bekanntlich ist

die Zahl der flachen Leiter bezeichnet (im gegebenen Fall ist π=6)

Setzt man die Gleichung (3) in die Gleichung (2) ein, so erhält man durch entsprechende Transformation:

Aus der gleichen Zahl der Isoliereinlagen 3 über die Spulenlänge in beiden Fällen folgt, daß die Spannung an einer Isoliereinlage 3 in der Spule des vorliegenden Induktors etwa n-mal kleiner ist als in der bereits bekannten Ausführung. Diese Feststellung ist für die Erhöhung der Lebensdauer des Induktors von äußerst wichtiger Bedeutung.

Der beschriebene Induktor wurde betriebsmäßig im Laufe von drei Jahren für eine Magnetimpulsschweißung rohrförmiger Halbzeuge aus Schwermetall geprüft Die zu verformenden Halbzeuge waren Kupfer- und Stahlrohre von 1,0 bis 2,5 mm Wandstärke und mit einem Durchmesser von 30 bis 130 mm. Die Induktorspule wurde aus Kupfer hergestellt Der Induktor zur Bearbeitung von Halbzeugen bis 50 mm Durchmesser wurde mit flachen Leitern sowohl in Form einer vollen Ringscheibe als auch mit 0,6, 0,75 und 0,5 Sektorteilen einer Ringscheibe geprüft Die Zahl der Leiter schwankte von 6 bis 12. Der Induktor zur Bearbeitung von Halbzeugen von 130 mm Durchmesser wurde mit 18 Sektorteilen in der Größe eines Drittels einer Ringscheibe als flache Leiter hergestellt Die Spannung an den Kondensatorbstterier. überstieg 5 kV nicht

Im Laufe dsr Arbeit zeigten die erfindungsgeniäßen Induktoren ausgezeichnete Betriebseigenschaften. Es wurden durch sie Ströme bis 3 - 10⁶A ohne wesentliche negative Folgen durchgelassen. Dabei ist zu beachten, daß man sogar bei der Erzeugung magnetischer Impuisfelder von besonders hoher Feldstärke, d. h. wenn das Kupfer zu schmelzen begann und die flachen Leiter sich sogar etwas verformten, keinen einzigen Fall eines Durchschlags der Isolation zwischen den flachen Leitern feststellen konnte. Das läßt sich hauptsächlich dadurch erklären, daß zwischen den flachen Leitern 1 in der Arbeitszone der Spule keinerlei Kontakte bestehen. Die parallele Verbindung der genannten Leiter erfolgt an der Stelle ihres Kontaktes mit den äußeren Stromzuleitern. Infolgedessen kann sogar die Bildung von Bogenentladungen zwischen den Herausführungen

2 und den Stromzuleitem im Falle eines mangelhaften Kontaktes zwischen ihnen zu keinem Durchschlag der Isolation 3 zwischen den flachen Leitern 1 und zu einer Beschädigung des ganzen Induktors führen. Darüber hinaus ist der vorliegende Induktor außerordentlich fertigungsgerecht und von geringen Herstellungskosten, weshalb er sich sogar in den Fällen wirtschaftlich verwenden läßt, wenn besonders starke Magnetfelder erzeugt werden sollen, d. h. wenn die Lebensdauer des Induktors höchstens 1000 Arbeitsspiele betragen soll.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

130234/196

Claims

Patentansprüche:

1. Induktor zur Magnetimpulsbearbeitung metallischer Rohrhalbzeuge, enthaltend eine Spule aus untereinander parallelen isolierten Flachleitern, die aus einer Ringscheibe oder zumindestens als ein Sektorteil einer Ringscheibe ausgestanzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule mehrgängig aus elektrisch parallelen Windungsabschnitten zusammengesetzt ist, die durch die Flachleiter (1) gebildet werden, wobei die Flachleiter (1) in gleichen Winkelabständen angeordnet und vom eben auslaufenden unteren Ende in Länge der Spule bis zum eben auslaufenden oberen Ende in Form einer Schraubenfläche gebogen sind.

2. Induktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Enden der Flachleiter (i) ebene Heranführungen (2) einstückig mit den Flachleitern (1) ausgebildet sind.

3. Induktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die eben herausgeführten Enden der Flachleiter (1) an deren Außen- oder Innenumfang elektrische Anschlüsse (Herausführungen 2) auf übliche Weise befestigt sind.