JP2018001239A - 磁場発生コイル - Google Patents

Abstract

【課題】磁場発生コイルを組み替えることなく、接合させる金属の種類や板厚に適した電流波形を実現することができる磁場発生コイルを得る。
【解決手段】電磁接合に用いられる磁場発生コイルであって、互いに対向する磁場集中部に逆方向の電流が流れるコイル本体と、磁場集中部の周囲を固定する絶縁性の固定部材と、コイル本体の周囲に設けられ、コイル本体のインダクタンスを調整可能な磁性体であるインダクタンス調整部材とを備える。
【選択図】図１１

Description

この発明は、電磁接合に用いられる磁場発生コイルに関する。

近年、固相接合の一種である電磁接合が、爆発圧接の代替技術として検討されている。爆発圧接および電磁接合は、ともに異種または同種の金属同士を原子レベルで接合することにより、高強度接合を可能とする技術である。

ここで、爆発圧接は、火薬の爆発力により可動側の接合部材を高速で固定側の接合部材に衝突させることにより、接合界面を溶融させて接合させる技術である。

一方、電磁接合は、爆発圧接の火薬の代わりに電磁力を用いて可動側の接合部材を高速で固定側の接合部材に衝突させることにより、接合界面を溶融させて接合させる技術である。すなわち、電磁接合は、火薬を使う必要がないことがメリットである。

このような電磁接合として、溶接電流を流すコイルと固定具との間に、アルミニウム系板材がコイル側、鉄系材料が固定具側となるように、アルミニウム系板材と鉄系材料とを間隔を設けて重ねて置き、コイルに電流を流してアルミニウム系板材に渦電流と電磁力とを発生させ、これらを利用してアルミニウム系板材を鉄系材料に溶接する電磁溶接方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この電磁溶接方法を用いた電磁接合によれば、異種または同種の金属同士を接合することができるので、特許文献１の表３および表４に記載されているように、非常に多くの組み合わせでの接合が可能となる。

また、電磁接合は、例えば真空遮断器と同様の構成によって実現される（例えば、特許文献２参照）。すなわち、磁場発生コイルと、磁場発生コイルを励磁することにより渦電流を発生させる渦電流発生金属とを用いて、磁場発生コイルと渦電流発生金属との間に電磁力を発生させることで、渦電流発生金属を駆動させている。

特開２００７−２１６２７０号公報 特開２００６−２３６７７３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の電磁溶接方法を用いた電磁接合では、異種または同種の金属同士を電磁力によって接合させる場合において、接合させる金属の種類や板厚によって、接合に必要なエネルギー、すなわち最適な電流波形が異なる。

ここで、電流波形は、磁場発生コイルの回路定数に大きく依存するため、接合させる金属の種類や板厚に応じて、最適な電流波形を実現すべく磁場発生コイルを組み替える必要があるが、磁場発生コイルの組み替えには、手間と時間がかかるという問題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、磁場発生コイルを組み替えることなく、接合させる金属の種類や板厚に適した電流波形を実現することができる磁場発生コイルを得ることを目的とする。

この発明に係る磁場発生コイルは、電磁接合に用いられる磁場発生コイルであって、互いに対向する磁場集中部に逆方向の電流が流れるコイル本体と、磁場集中部の周囲を固定する絶縁性の固定部材と、コイル本体の周囲に設けられ、コイル本体のインダクタンスを調整可能な磁性体であるインダクタンス調整部材とを備えたものである。

この発明に係る磁場発生コイルによれば、互いに対向する磁場集中部に逆方向の電流が流れるコイル本体と、磁場集中部の周囲を固定する絶縁性の固定部材と、コイル本体の周囲に設けられ、コイル本体のインダクタンスを調整可能な磁性体であるインダクタンス調整部材とを備えている。
そのため、磁場発生コイルを組み替えることなく、接合させる金属の種類や板厚に適した電流波形を実現することができる。

この発明の実施の形態１に係る電磁接合装置の全体構成を示す斜視図である。 図１に示した電磁接合装置の平面図である。 図２に示した電磁接合装置を、Ｉ−Ｉ線で切断した断面図である。 この発明の実施の形態１に係る電磁接合装置におけるコイル本体の回路を示す構成図である。 この発明の実施の形態１に係る電磁接合装置におけるコイル本体が形成する磁束を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係る電磁接合装置における渦電流発生金属を通過する磁束を示す構成図である。 この発明の実施の形態１に係る電磁接合装置における渦電流発生金属に発生する渦電流および磁束を示す構成図である。 この発明の実施の形態１に係る電磁接合装置において、コイル本体の周囲を固定部材で固定した状態を示す斜視図である。 図８に示した電磁接合装置の要部を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る電磁接合装置において、コイル本体に流れる電流を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る電磁接合装置において、コイル本体の周囲にインダクタンス調整部材を設けた状態を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る電磁接合装置において、コイル本体の周囲にインダクタンス調整部材を設けた状態を示す別の斜視図である。 この発明の実施の形態２に係る電磁接合装置を示す断面図である。 この発明の実施の形態２に係る電磁接合装置を示す別の断面図である。 この発明の実施の形態３に係る電磁接合装置を示す斜視図である。 この発明の実施の形態３に係る電磁接合装置を示す別の斜視図である。

以下、この発明に係る磁場発生コイルの好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
まず、電磁接合の簡単な原理について説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る電磁接合装置の全体構成を示す斜視図である。図１において、この電磁接合装置は、コイル本体１、渦電流発生金属２、接合金属３および接合金属固定部材４を備えている。なお、図１では、コイル本体１が磁場発生コイルを構成している。

図２は、図１に示した電磁接合装置の平面図である。また、図３は、図２に示した電磁接合装置を、Ｉ−Ｉ線で切断した断面図である。ここで、図２に示されているように、コイル本体１の幅が狭くなっている箇所を磁場集中部１ａと称する。すなわち、コイル本体１は、磁場集中部１ａ、コイル本体１の端部の電流折り返し部１ｂおよび電源と接続される電源接続周辺部１ｃから構成されている。

また、図３に示されているように、コイル本体１の磁場集中部１ａの上部に、微小ギャップ１００を介して渦電流発生金属２が配置されている。さらに、渦電流発生金属２の上部に、微小ギャップ１０１を介して接合金属３が配置され、接合金属３の上部に接合金属固定部材４が配置されている。なお、磁場集中部１ａと渦電流発生金属２との間の微小ギャップ１００を、絶縁物かつ非磁性のスペーサ等を配置して実現してもよい。

図４は、この発明の実施の形態１に係る電磁接合装置におけるコイル本体の回路を示す構成図である。図４において、コイル本体１には、スイッチ５およびコンデンサ６が接続されている。スイッチ５がオンになると、コンデンサ６に蓄えられた電荷がコイル本体１に流れる。なお、電流の向きは、図３および図４に示された矢印の通りである。

図５は、この発明の実施の形態１に係る電磁接合装置におけるコイル本体が形成する磁束を示す断面図である。図５において、コイル本体１にパルス電流を流すことにより、コイル本体１には、矢印で示す磁束７が形成される。ここで、パルス電流は、コンデンサ６の放電波形になるため、減衰振動波形となる。

なお、図５では、磁場集中部１ａが形成する磁束７のみを示し、電流折り返し部１ｂが形成する磁束については、図示を省略している。また、電流折り返し部１ｂは、渦電流発生金属２と接合金属３との接合箇所に影響を与えないように、接合箇所から離しておく必要がある。

図６は、この発明の実施の形態１に係る電磁接合装置における渦電流発生金属２を通過する磁束を示す構成図であり、図５の渦電流発生金属２を視点Ａから見たものである。図６において、コイル本体１にパルス電流を流すことにより、渦電流発生金属２には、コイル本体１が形成する磁束７が、矢印で示すように通過する。すなわち、渦電流発生金属２に対して、中央部は磁束７が入る方向であり、両端部は磁束７が出る方向である。

図７は、この発明の実施の形態１に係る電磁接合装置における渦電流発生金属２に発生する渦電流および磁束を示す構成図であり、図５の渦電流発生金属２を視点Ａから見たものである。図７において、渦電流発生金属２には、図６に示したように、コイル本体１が形成する磁束７が通過するため、渦電流発生金属２には、コイル本体１が形成する磁束７を打ち消すための渦電流８が矢印方向に発生する。

また、渦電流発生金属２に渦電流８が発生することにより、渦電流発生金属２には、渦電流８に起因する矢印方向の磁束９が発生する。ここで、渦電流発生金属２に対して、渦電流８に起因する磁束９は、コイル本体１が形成する磁束７を打ち消す方向の磁束の向きとなる。

このとき、渦電流発生金属２に流れる渦電流８と、コイル本体１が形成する磁束７とによって発生するローレンツ力によって、渦電流発生金属２には、次式（１）で表される大きさの電磁力が、図３の紙面上方向に作用する。以下、図３の紙面上方向を単に上方向と称する。

Ｆ＝Ｊ×Ｂ ・・・（１）

なお、式（１）において、Ｆは渦電流発生金属２とコイル本体１との間に作用する電磁力を示し、Ｊは渦電流８の電流密度を示し、Ｂはコイル本体１が形成する磁束７の磁束密度を示している。

この電磁力により、渦電流発生金属２は、上方向に駆動し、接合金属３と衝突する。また、接合金属３は、接合金属３の上部に配置された接合金属固定部材４で固定されているので、上方向に駆動することができない。

そのため、渦電流発生金属２が高速で接合金属３に衝突することで、渦電流発生金属２と接合金属３との間には、火花のようなメタルジェットが発生し、渦電流発生金属２と接合金属３とが接合される。ここまでが、電磁接合の簡単な原理である。

続いて、上記構成の電磁接合装置の課題について説明する。渦電流発生金属２を上方向に高速で駆動させるために、渦電流発生金属２に高い電磁力を与える必要があるので、コイル本体１には、反作用として、図３の紙面下方向の電磁力が作用する。以下、図３の紙面下方向を単に下方向と称する。

また、コイル本体１は、図４に示されているように、電流が折り返す構造となっているので、磁場集中部１ａで互いに逆方向の電流が流れ、互いが離れようとする電磁力も作用する。すなわち、コイル本体１にパルス電流を流すことにより、コイル本体１が下方向および図３の紙面左右方向に広がろうとして、コイル本体１が変形する恐れがある。

そこで、コイル本体１の変形を抑制するために、コイル本体１の周囲を絶縁性の固定部材で固定することが考えられる。図８は、この発明の実施の形態１に係る電磁接合装置において、コイル本体の周囲を固定部材で固定した状態を示す斜視図である。また、図９は、図８に示した電磁接合装置の要部を示す斜視図である。図９では、コイル本体１の磁場集中部１ａを抽出して示している。

図８、図９において、コイル本体１の変形を抑制するために、コイル本体１は、Ｕ字形状の固定部材１０で囲まれている。また、固定部材１０は、絶縁性の材料で構成されている。なお、図８、図９では、コイル本体１および固定部材１０により磁場発生コイルが構成されている。

ここで、コイル本体１と渦電流発生金属２との対向部には、以下の理由により、固定部材１０が配置されていない。すなわち、コイル本体１と渦電流発生金属２との間に固定部材１０を配置すると、コイル本体１と渦電流発生金属２との間の距離が大きくなり、パルス電流を流した際に、渦電流発生金属２を通過する磁束７が小さくなって、結果的に渦電流８が小さくなる。

そのため、コイル本体１と渦電流発生金属２との間に固定部材１０を配置すると、渦電流発生金属２に作用する電磁力が小さくなる。したがって、コイル本体１と渦電流発生金属２とのギャップを小さくして、渦電流発生金属２に効率的に電磁力を作用させるために、コイル本体１と渦電流発生金属２との対向部以外の位置に、固定部材１０が配置されている。

次に、電磁接合に適した電流波形について説明する。図１０は、この発明の実施の形態１に係る電磁接合装置において、コイル本体に流れる電流を示す説明図である。図１０では、図５に示したスイッチ５をオンにしたときに、コイル本体１に流れる電流を示している。

図１０において、ｔ０がスイッチ５をオンにした時点を示し、ｔ１が一波目の電流ピークの時点を示し、ｔ２が一波目の電流ゼロの時点を示し、ｔ３が二波目の電流ピークの時点を示している。なお、電流源は、コンデンサ６を使用しているため、電流ピークが徐々に減衰しながら、コンデンサ６の電荷がなくなるまで放電が継続する。

ここで、電磁接合に利用されるのは、電流の一波目、すなわちｔ０〜ｔ２の時間領域である。具体的には、ｔ０から電流が上昇を始めるとともに、渦電流発生金属２は、電磁力を得て上方向に駆動する。その後、ｔ１の時点付近で渦電流発生金属２が接合金属３に衝突することが望ましい。

このとき、例えばｔ２の時点付近で渦電流発生金属２と接合金属３とが衝突する場合には、ｔ１の時点に比べて電流値が低減しているため、渦電流発生金属２の加速度が低減している。よって、ｔ１の時点付近で渦電流発生金属２を接合金属３に衝突させるように電流波形を調整することが重要である。

また、渦電流発生金属２および接合金属３の種類や板厚が変化すると、渦電流発生金属２に作用する電磁力が変化する。電磁力が変化すると、渦電流発生金属２が接合金属３に衝突するまでの時間が変化し、ｔ１の時点付近で渦電流発生金属２を接合金属３に衝突させることができなくなることがある。そこで、ｔ１の時点付近で渦電流発生金属２が接合金属３に衝突するように、コイル本体１に流すパルス電流を変化させる必要がある。

ここで、電磁接合で金属同士を接合させるには、コイル本体１に流すパルス電流の最大電流値とパルス電流幅とが重要になる。パルス電流幅とは、電流の立ち上がりから最初の電流ゼロの時点までの時間幅のことであり、図１０のｔ０〜ｔ２の時間幅である。また、パルス電流の最大電流値が大きくなれば、渦電流発生金属２に流れる渦電流８が大きくなり、電磁力も大きくなる。

なお、コイル本体１に接続されたコンデンサ６の充電電圧を変化させることにより、パルス電流の最大電流値を変化させることができるが、最大電流値を大きくする場合には、コンデンサ６の耐電圧性能を向上させる必要があり、高コスト化につながるため、コンデンサ６の充電電圧は、小さい方が望ましい。

一方、パルス電流幅を変化させる場合について、電流の立ち上がりから最初の電流ゼロの時点までのパルス電流幅は、回路のインダクタンスを主要因として決定されるので、コイル本体１の形状や回路構成が決まった後では、変化させるのが困難である。

そのため、渦電流発生金属２および接合金属３の種類や板厚に応じてコイル本体１を作成し、ｔ１の時点付近で渦電流発生金属２が接合金属３に衝突するように、コイル本体１を組み替える必要がある。

そこで、コイル本体１に流すパルス電流のパルス電流幅を変化させるために、コイル本体１の周囲に、コイル本体１のインダクタンスを調整可能な磁性体であるインダクタンス調整用鉄心１１を設けることが考えられる。図１１は、この発明の実施の形態１に係る電磁接合装置において、コイル本体の周囲にインダクタンス調整部材を設けた状態を示す斜視図である。図１１では、コイル本体１の磁場集中部１ａを抽出して示している。

図１１において、コイル本体１の周囲に、インダクタンス調整部材であるインダクタンス調整用鉄心１１が配置されている。また、インダクタンス調整用鉄心１１は、磁性体で構成されている。なお、図１１では、コイル本体１、固定部材１０およびインダクタンス調整用鉄心１１により磁場発生コイルが構成されている。

ここで、磁場発生コイルの回路のインダクタンスは、インダクタンス調整用鉄心１１とコイル本体１との距離や、インダクタンス調整用鉄心１１の断面積によって変化させることができる。

そのため、渦電流発生金属２および接合金属３の種類や板厚に適したインダクタンス調整用鉄心１１をコイル本体１の周囲に配置することにより、回路のインダクタンスを変化させて、コイル本体１を組み替えることなくコイル本体１に流すパルス電流のパルス電流幅を変化させることができる。

このとき、図１１に示されているように、コイル本体１とインダクタンス調整用鉄心１１との間に、絶縁物である固定部材１０を配置することにより、コイル本体１とインダクタンス調整用鉄心１１との電気的導通をなくすことができる。

図１２は、この発明の実施の形態１に係る電磁接合装置において、コイル本体の周囲にインダクタンス調整部材を設けた状態を示す別の斜視図である。図１２では、図１１と同様に、コイル本体１の磁場集中部１ａを抽出して示している。

図１２において、コイル本体１の周囲に配置されたインダクタンス調整用鉄心１１は、３分割されている。このように、インダクタンス調整用鉄心１１を、渦電流発生金属２および接合金属３の種類や板厚に応じて組み合わせてもよい。なお、インダクタンス調整用鉄心１１は、３分割である必要はない。

また、コイル本体１にパルス電流を流すことにより、インダクタンス調整用鉄心１１にも電磁力が作用するため、コイル本体１とインダクタンス調整用鉄心１１との距離が近い場合には、より強固な固定方法が必要になるので、望ましくはない。ただし、回路のインダクタンスを変化させるという効果には変わりがない。

また、インダクタンス調整用鉄心１１を配置することで、回路のインダクタンスを大きくすることはできるものの、回路のインダクタンスを小さくすることはできない。そのため、コイル本体１については、インダクタンスをできるだけ小さくすることが望ましい。すなわち、図１０に示したｔ０〜ｔ２の時間を長くすることはできるが、短くすることはできない。

以上のように、実施の形態１によれば、互いに対向する磁場集中部に逆方向の電流が流れるコイル本体と、磁場集中部の周囲を固定する絶縁性の固定部材と、コイル本体の周囲に設けられ、コイル本体のインダクタンスを調整可能な磁性体であるインダクタンス調整部材とを備えている。
そのため、磁場発生コイルを組み替えることなく、接合させる金属の種類や板厚に適した電流波形を実現することができる。

実施の形態２．
図１３は、この発明の実施の形態２に係る電磁接合装置を示す断面図である。図１３では、図２に示したＩ−Ｉ線で電磁接合装置を切断した断面と同じ位置における断面を示している。

図１３において、コイル本体１の下部にインダクタンス調整用鉄心１１が配置され、インダクタンス調整用鉄心１１は、ギャップ調整機構である鉄心調整機構１２により、コイル本体１とインダクタンス調整用鉄心１１とのギャップを調整できるようになっている。

鉄心調整機構１２は、例えばボルトのような形状で、ボルトを回すことで、コイル本体１とインダクタンス調整用鉄心１１とのギャップを調整することができる。さらに、ボルト形状にすることで、ギャップ調整とインダクタンス調整用鉄心１１との固定を兼ねることができる。

なお、図１３では、図１２に示した下部のインダクタンス調整用鉄心１１の調整方法を示しているが、図１２に示した側面のインダクタンス調整用鉄心１１についても、同様の調整が可能である。また、ここでは、鉄心調整機構１２がボルト形状であるとしたが、任意に位置を変化させることができ、固定できるものであれば何でもよい。

図１４は、この発明の実施の形態２に係る電磁接合装置を示す別の断面図である。図１４では、図２に示したＩ−Ｉ線で電磁接合装置を切断した断面と同じ位置における断面を示している。

図１４において、コイル本体１は、Ｕ字形状の固定部材１０で囲まれており、固定部材１０に設けられた図示しないねじ穴部には、ボルト形状のインダクタンス調整用鉄心１１が締めこまれている。

ここで、インダクタンス調整用鉄心１１を上下に動かすことにより、コイル本体１とインダクタンス調整用鉄心１１とのギャップを調整し、回路のインダクタンスを調整することができる。なお、インダクタンス調整用鉄心１１は、磁性体である鉄製のボルトであってもよい。

また、この鉄製のボルトの締めこみ深さやボルトの本数を調整することで、回路のインダクタンスを調整することができる。さらに、インダクタンス調整用鉄心１１自体をボルト形状にすることで、インダクタンス調整用鉄心１１自体の固定も容易となる。

実施の形態３．
上記実施の形態１、２では、コイル本体１の幅が狭くなっている磁場集中部１ａにインダクタンス調整用鉄心１１を配置した構成を示したが、この実施の形態３では、磁場集中部１ａ以外にインダクタンス調整用鉄心１１を配置した構成を示す。

図１５は、この発明の実施の形態３に係る電磁接合装置を示す斜視図である。図１５において、コイル本体１の電源接続周辺部１ｃの周囲に、Ｕ字形状のインダクタンス調整用鉄心１１が配置されている。

また、図１６は、この発明の実施の形態３に係る電磁接合装置を示す別の斜視図である。図１６において、図１５と同様に、コイル本体１の電源接続周辺部１ｃの周囲に、Ｕ字形状のインダクタンス調整用鉄心１１が配置されている。なお、図１６では、電源接続周辺部１ｃ毎にインダクタンス調整用鉄心１１を配置した構成を示している。

図１５、１６に示したように、磁場集中部１ａ以外にインダクタンス調整用鉄心１１を配置することにより、コイル本体１の断面積が大きくなり、電流密度が低くなって、高密度の磁束をインダクタンス調整用鉄心１１が受けることがなくなるので、インダクタンス調整用鉄心１１の固定が容易になる。

また、渦電流発生金属２と接合金属３とは、磁場集中部１ａで接合するため、磁場集中部１ａ以外にインダクタンス調整用鉄心１１を配置することにより、渦電流発生金属２と接合金属３との接合に与える影響を低減することができる。

１ コイル本体、１ａ 磁場集中部、１ｂ 電流折り返し部、１ｃ 電源接続周辺部、２ 渦電流発生金属、３ 接合金属、４ 接合金属固定部材、５ スイッチ、６ コンデンサ、７ 磁束、８ 渦電流、９ 磁束、１０ 固定部材、１１ インダクタンス調整用鉄心、１２ 鉄心調整機構、１００、１０１ 微小ギャップ。

Claims (5)

1. 電磁接合に用いられる磁場発生コイルであって、
   互いに対向する磁場集中部に逆方向の電流が流れるコイル本体と、
   前記磁場集中部の周囲を固定する絶縁性の固定部材と、
   前記コイル本体の周囲に設けられ、前記コイル本体のインダクタンスを調整可能な磁性体であるインダクタンス調整部材と、
   を備えた磁場発生コイル。
2. 前記固定部材は、前記コイル本体と前記コイル本体に対向する渦電流発生金属との対向部を除いて、前記コイル本体の周囲に配置されている
   請求項１に記載の磁場発生コイル。
3. 前記コイル本体と前記インダクタンス調整部材とのギャップを調整可能なギャップ調整機構をさらに備えた
   請求項１または請求項２に記載の磁場発生コイル。
4. 前記インダクタンス調整部材は、前記コイル本体と前記インダクタンス調整部材とのギャップを調整可能な形状を有している
   請求項１または請求項２に記載の磁場発生コイル。
5. 前記インダクタンス調整部材は、前記コイル本体の前記磁場集中部以外の位置に設けられている
   請求項１から請求項４までの何れか１項に記載の磁場発生コイル。

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