JP4744339B2

JP4744339B2 - 電磁成形コイル

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Publication number: JP4744339B2
Application number: JP2006103022A
Authority: JP
Inventors: 裕彦福元; 秀豪金橋; 美速今村; 法孝江口
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2006-04-04
Filing date: 2006-04-04
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2026-04-04
Also published as: JP2007275909A

Description

本発明は、導電体の管及び板等を電磁成形する際に使用される電磁成形コイルに関する。

電磁力を利用して導電体を塑性加工する電磁成形は、板状及び管状等多様な形状に柔軟に対応できるため、様々な分野への適用が検討されている。電磁成形とは、高電圧で蓄えられた電荷を電磁成形コイルに瞬時に放電させ、その周囲に極めて短時間で強力な磁場を形成し、この磁場の中に被加工材を配置することにより、被加工材と電磁成形コイルとの間に反発力を発生させて成形を行うものである（例えば特許文献１）。

図５（ａ）は、従来技術の電磁拡管成形を模式的に示す縦断面図、図５（ｂ）は同じく横断面図である。導線２３をコイル状に巻回して形成されたコイル２４に樹脂を含浸することにより、コイル２４の周りが樹脂２５によって被覆されている。これらによって電磁成形コイル２６が形成され、この外側に、この電磁成形コイル２６を取り囲むようにして導電性の材料からなる筒状の成形管２７が配置されている。

コイル２４にパルス電圧を印加することによってコイル２４の導線２３に瞬発的な電流を流すと、この電流によって発生する電磁場の変化により、導電体である成形管２７に誘導電流が発生し、この誘導電流と電磁場との相互作用によって成形管２７に、図５の矢印２８で示す向きに瞬発的な電磁力が作用する。この電磁力は成形管２７を外側に押し広げるように作用するため、成形管２７が拡管成形される。

特開２００４−３５１４５５号公報

しかしながら、上述の従来技術においては、以下のような問題点がある。拡管成形の際、成形管２７に瞬発的な電磁力を作用させるとき、同時にコイル２４の導線２３には、導線２３内に流れる電流とコイル２４自身が形成する磁束密度との相互作用（フレミングの左手の法則）により、中立軸に向かう径方向（図５の矢印２９で示す向き）の電磁力（向心力）が作用する。この電磁力（向心力）によってコイル２４自体が破損する虞がある。また、コイル２４が破損しなくても、変形すること等により成形管２７の成形精度に影響する虞がある。

コイル２４に樹脂２５を含浸していない場合、拡管成形の際に成形管２７に瞬発的な電磁力を作用させると、図５の矢印２９で示す向きの電磁力（向心力）によって導線２３同士が接触し、導通する虞がある。コイル２４は、導通が起こると同時にスパークし、弾くように大きく変形し、破損する。

また、コイル２４の導線２３の間を樹脂２５で絶縁している場合でも、拡管成形の際に成形管２７に瞬発的な電磁力を作用させると、図５の矢印２９で示す向きの電磁力（向心力）によって樹脂が圧壊又は剥離を起こす等の原因で絶縁破壊することがある。この結果、導線２３同士が接触し、コイル２４は、導通が起こると同時にスパークし、弾くように大きく変形し、破損する。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、電磁成形コイルによって導電体の管及び板等を電磁成形する際に、コイルの導線自体に作用する電磁力を低減することによってコイルの破損及び変形を防止し、成形精度が高い電磁成形コイルを提供することを目的とする。

本発明に係る電磁成形コイルは、導線をコイル状に巻回して形成された電磁コイル本体と、この電磁コイル本体の内側に配置された筒状又は中実状の導電体と、を有し、筒状の被成形体が前記電磁コイル本体の外側に、この電磁コイル本体を取り囲むように配置され、前記電磁コイル本体の前記導線にのみ通電し、前記電磁コイル本体により前記被成形体が拡管されることを特徴とする。

本発明に係る他の電磁成形コイルは、導線をコイル状に巻回して形成された電磁コイル本体と、この電磁コイル本体の外側に電磁コイル本体を取り囲むように配置された筒状の導電体と、を有し、筒状の被成形体が前記電磁コイル本体の内側に配置され、前記電磁コイル本体の前記導線にのみ通電し、前記電磁コイル本体により前記被成形体が縮管されることを特徴とする。

本発明に係る更に他の電磁成形コイルは、導線をコイル状に巻回して形成された電磁コイル本体と、この電磁コイル本体における被成形体が配置される側の反対側に配置された板状の導電体と、を有し、前記電磁コイル本体の前記導線にのみ通電することを特徴とする。

前記導電体は、前記被成形体と同種の材質からなり、前記導電体と前記電磁成形コイルとの間の距離が前記電磁成形コイルと前記被成形体との間の距離と同一であることが好ましい。

また、前記導電体は、アルミニウム、銅、非磁性のステンレス鋼、チタン又は鋼であることが好ましい。

前記導電体の肉厚又は厚さは、前記被成形体の肉厚又は厚さよりも大きいことが好ましい。

本発明によれば、電磁成形コイルによって導電体の管又は板等を成形加工する際に、コイルの導線自体に作用する電磁力を低減し、コイルの破損及び変形を防止することができる。この結果、成形精度の高い電磁成形加工を行うことができる。

次に、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る電磁成形コイルによる電磁拡管成形を模式的に示す縦断面図、図１（ｂ）は同じく横断面図である。導線１をコイル状に巻回して形成された電磁コイル（コイル２）に樹脂を含浸することにより、コイル２の周りが樹脂３によって被覆されている。このコイル２の内側には筒状の導電体である芯管４が配置されている。換言すれば、金属の巻枠（ボビン）（芯管４）に導線１がコイル状に巻回されてコイル２を形成し、これらが樹脂３で被覆されている。これらによって電磁成形コイル（拡管用環状コイル）５が形成され、この外側に、この拡管用環状コイル５を取り囲むようにして導電性の材料からなる筒状の被成形体（成形管６）が配置されている。これにより、拡管用環状コイル５によって成形管６を拡管する。

芯管４の材料としては、例えばアルミニウム、銅、非磁性のステンレス鋼、チタン又は鋼等の良導電性材料が好適である。また、芯管４の肉厚又は厚さは、成形管６の肉厚又は厚さよりも大きく、電磁力で変形しないように高強度及び高剛性を有するものを使用することが好ましい。

次に、本発明の第１実施形態に係る電磁成形コイルによる電磁拡管成形方法について説明する。コイル状に巻回された導線１からなるコイル２にパルス電圧を印加することによって導線１に瞬発的な電流を流すと、この電流によって発生する電磁場の変化により、導電体である成形管６に誘導電流が発生し、この誘導電流と電磁場との相互作用によって成形管６に対し、成形管６を外側に押し広げる向き（図１の矢印７で示す向き）に瞬発的な電磁力が作用する。この瞬発的な電磁力によって成形管６が拡管成形される。

また、このとき同時にコイル２の導線１には、導線１内に流れる電流とコイル２自身が形成する磁束密度との相互作用（フレミングの左手の法則）により、成形管６に作用する電磁力と逆向き（図１の矢印８で示す向き）に電磁力（向心力）が作用する。更に、このとき同時にコイル２の内側に導電体の芯管４が配置されていることによりコイル２の導線１には外周に向かう向き（図１の矢印９で示す向き）（遠心力）にも電磁力が作用する。

コイル２の内側に配置された芯管４及びコイル２の外側に配置された成形管６の２つの管の作用によって、コイル２の導線１には、向心力と遠心力とが同時に作用する。この２つの力の差し引きで、コイル２の導線１に作用する電磁力を打ち消し合い、結果としてコイル２の導線１に作用する力が低減される。これによって、コイル２の変形及び破損を防止することができる。

次に、本発明の電磁成形コイルのシミュレーション結果について説明する。本発明の第１実施形態に係る電磁成形コイル（拡管用環状コイル）５によって成形管６を拡管成形する場合において、計算モデルとして、コイル２の外径を８０ｍｍ、内径を７５ｍｍ、成形管６の材質はアルミニウムで外径を９０ｍｍ、内径を８７ｍｍとし、芯管４の外径を６５ｍｍ〜７５ｍｍに変化させたときに成形管６に作用する電磁力Ｐ_１及びコイル２の導線１に作用する電磁力Ｐ_２を、成形管６の内周面とコイル２の外縁との距離をδ_１、芯管４の外周面とコイル２の内縁との距離をδ_２とし、このδ_１とδ_２の比であるδ_１／δ_２をパラメータとしてシミュレーションした。

図２は上述のδ_１／δ_２をパラメータとして成形管６に作用する電磁力Ｐ_１及びコイル２の導線１に作用する電磁力Ｐ_２をシミュレーションした結果に基づいて、δ_１／δ_２をパラメータとしたときのＰ_１及びＰ_２／Ｐ_１の値を示すグラフである。

Ｘ軸はδ_１／δ_２の比を示しており、原点においてはδ_２が無限大、即ち芯管４を配置しないときのＰ_１及びＰ_２／Ｐ_１の値を示している。また、Ｘ軸がプラス方向に向かうにつれて、芯管４がコイル２に接近していくため、芯管４が配置されているためにコイル２の導線１に作用する電磁力が大きくなる。

図２より、成形管６に作用する電磁力Ｐ_１はコイル２の内側に芯管４を配置することによって減少するが、それ以上の割合でコイル２の導線１に作用する電磁力Ｐ_２を減少させることができることが分かる。例えば、成形管６とコイル２の外径との距離δ_１＝３ｍｍに対して、コイル２の外径と芯管４の外径との距離δ_２＝４ｍｍとすると、δ_１／δ_２の値は０．７５となり、このときコイル２の導線１に作用する電磁力Ｐ_２はほぼゼロまで下がることが分かる。

芯管４と成形管６が同じ材質からなる場合、コイル２の導線１に作用する電磁力Ｐ_２を最小にできる芯管４の配置位置は、導線１を対称軸として成形管６と鏡面対称位置近辺であり、言い換えれば、成形管６の外径とコイル２の外径との距離δ_１と管４の外径とコイル２の外径との距離δ_２の比δ_１／δ_２の値が１になる位置の近辺である。

例えば２次元の場合、つまり上述のコイル２の代替として平面型コイル、成形管６の代替として平板の成形体、芯管４の代替として平板とし、成形体と平板とが同じ材質からなる場合には、平板を平面型コイルの導線を対称軸として成形体と鏡面対称の位置に配置すると、平面型コイルの導線を対称軸として鏡面対称の電磁力が平面型コイルの導線に作用し互いに打ち消し合うことから、平面型コイルの導線に作用する電磁力が理論上ゼロとなる。成形体及び電磁成形コイルが円筒形を有する場合においては、成形管６と芯管４とが同一材料からなる場合であっても、径の影響があるために、コイル２の導線１に作用する電磁力Ｐ_２を最小にできる芯管４の配置位置は、導線１を対称軸として成形管６と鏡面対称位置ではなく、鏡面対称位置から外れた位置になる。

コイル２の内側に芯管４を配置することによって、コイル２の導線１に作用する電磁力Ｐ_２が低減され、コイル２の変形及び破損を防止することができるが、同時に成形管６に作用する電磁力Ｐ_１が減少する。成形管６を拡管成形加工するための電磁力Ｐ_１が足りない場合には、コイル２に印加するパルス電圧を上げなければならないが、印加電圧を上限に設定しても電磁力Ｐ_１が足りない場合には、コイル２の導線１に作用する電磁力Ｐ_２の低減を犠牲にして、芯管４の位置を設定することが望ましい。

上述のように、拡管用環状コイル５の外側に、この拡管用環状コイル５を取り囲むようにして導電性の材料からなる筒状の成形管６を配置して拡管成形加工を行う際、拡管用環状コイル５のコイル２の内側に、導電性材料からなる芯管４を、その配置位置を調整して配置することによって、コイル２の導線１に作用する電磁力が低減され、コイル２の変形及び破損を防止することができる。

次に、本発明の第１実施形態に係る電磁成形コイルの変形例について説明する。上述の第１実施形態においては、コイル２の内側に筒形の導電体である芯管４を配置したが、本変形例は芯管４の代わりに中実状の導電体を挿入する点が異なり、それ以外は第１実施形態と同様の構造を有している。筒形の導電体である芯管４の代わりに中実状の導電体を挿入しても、コイルの導線にかかる電磁力は同様の挙動を示すため、本変形例の電磁成形コイルも第１実施形態と同様の効果が得られる。

次に、本発明の第２実施形態に係る電磁成形コイルについて説明する。第１実施形態においては拡管成形の場合について述べたが、本実施形態においては縮管成形の場合について説明する。図３（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る電磁成形コイルによる電磁縮管成形を模式的に示す縦断面図、図３（ｂ）は同じく横断面図である。図３において、図１と同一構成物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

拡散成形の場合においては、樹脂３によって被覆されたコイル２の内側に筒状の導電体である芯管４が配置され、これによって形成された拡管用環状コイル５の外側に、この拡管用環状コイル５を取り囲むようにして成形管６が配置されるのに対し、縮管成形の場合においては、樹脂３によって被覆されたコイル２の外側にコイル２本体を取り囲むように筒状の導電体（管１０）が配置され、これによって形成された電磁成形コイル（縮管用環状コイル）１１の内側に、筒状の被成形体（成形管６）が配置される。これにより、縮管用環状コイル１１によって成形管６を縮管する。

管１０の材料としては、例えばアルミニウム、銅、非磁性のステンレス鋼、チタン又は鋼等の良導電性材料が好適である。また、管１０の肉厚又は厚さは、成形管６の肉厚又は厚さよりも大きく、電磁力で変形しないように高強度及び高剛性を有するものを使用することが好ましい。

次に、本発明の第２実施形態に係る電磁成形コイルによる電磁縮管成形方法について説明する。コイル状に巻回された導線１からなるコイル２にパルス電圧を印加することによって導線１に瞬発的な電流を流すと、この電流によって発生する電磁場の変化により、導電体である成形管６に誘導電流が発生し、この誘導電流と電磁場との相互作用によって成形管６に対し、成形管６を内側に押し縮める向き（図３の矢印１２で示す向き）に瞬発的な電磁力が作用する。この瞬発的な電磁力によって成形管６が縮管成形される。

また、このとき同時にコイル２の導線１には、導線１内に流れる電流とコイル２自身が形成する磁束密度との相互作用（フレミングの左手の法則）により、成形管６に作用する電磁力と逆向き（図３の矢印１３で示す向き）に電磁力（遠心力）が作用する。更に、このとき同時にコイル２の外側に導電体の管１０が配置されていることによりコイル２の導線１には内周に向かう向き（図３の矢印１４で示す向き）にも電磁力（向心力）が作用する。

コイル２の外側に配置された管１０及びコイル２の内側に配置された成形管６の２つの管の作用によって、コイル２の導線１には、向心力と遠心力とが同時に作用する。この２つの力の差し引きで、コイル２の導線１に作用する電磁力を打ち消し合い、結果としてコイル２の導線１に作用する力が低減される。これによって、コイル２の変形及び破損を防止することができる。

管１０と成形管６が同じ材質からなる場合、コイル２の導線１に作用する電磁力Ｐ_２を最小にできる管１０の配置位置は、上述の第１実施形態と同様に、導線１を対称軸として成形管６と鏡面対称位置近辺であるが、径の影響があるために、鏡面対称位置から外れた位置になる。

コイル２の外側に管１０を配置することによって、コイル２の導線１に作用する電磁力Ｐ_２が低減され、コイル２の変形及び破損を防止することができるが、同時に成形管６に作用する電磁力Ｐ_１が減少する。成形管６を縮管成形加工するための電磁力Ｐ_１が足りない場合には、コイル２に印加するパルス電圧を上げなければならないが、印加電圧を上限に設定しても電磁力Ｐ_１が足りない場合には、コイル２の導線１に作用する電磁力Ｐ_２の低減を犠牲にして、管１０の位置を設定することが望ましい。

上述のように、縮管用環状コイル１１の内側に、導電性の材料からなる筒状の成形管６を配置して縮管成形加工を行う際、縮管用環状コイル１１のコイル２の外側に、導電性材料からなる管１０を、その配置位置を調整して配置することによって、コイル２の導線１に作用する電磁力が低減され、コイル２の変形及び破損を防止することができる。

次に、本発明の第３実施形態に係る電磁成形コイルについて説明する。第１及び第２実施形態においては被成形物が中空の管である場合について述べたが、本実施形態においては被成形物が板状である場合について説明する。図４（ａ）は、本発明の第３実施形態に係る電磁成形コイルによる電磁成形を模式的に示す縦断面図、図４（ｂ）は同じく横断面図である。図４において、図１と同一構成物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

導線１６が平面状に巻回されることによって形成された平面コイル１７に樹脂を含浸することにより、平面コイル１７の周りが樹脂３によって被覆されている。この平面コイル１７における被成形体が配置される側の反対側に、板状の導電体（平板１５）が配置され、これによって電磁成形コイル（板成形用平面コイル１８）が形成されている。平面コイル１７のもう一方の側には被成形体（成形板１９）が対向するように配置されている。これにより、板成形用平面コイル１８によって成形板１９を成形する。

平板１５の材料としては、例えばアルミニウム、銅、非磁性のステンレス鋼、チタン又は鋼等の良導電性材料が好適である。また、平板１５の肉厚又は厚さは、成形板１９の肉厚又は厚さよりも大きく、電磁力で変形しないように高強度及び高剛性を有するものを使用することが好ましい。

次に、本発明の第３実施形態に係る電磁成形コイルによる電磁成形方法について説明する。平面コイル１７にパルス電圧を印加することによって導線１６に瞬発的な電流を流すと、この電流によって発生する電磁場の変化により、導電体である成形板１９に誘導電流が発生し、この誘導電流と電磁場との相互作用によって成形板１９に対し、成形板１９を外側に押し広げる向き（図４の矢印２０で示す向き）に瞬発的な電磁力が作用する。この瞬発的な電磁力によって成形板１９が電磁成形される。

また、このとき同時に平面コイル１７の導線１６には、導線１６内に流れる電流と平面コイル１７自身が形成する磁束密度との相互作用（フレミングの左手の法則）により、成形板１９に作用する電磁力と逆向き（図４の矢印２１で示す向き）に電磁力が作用する。更に、このとき同時に平面コイル１７に対して成形板１９と逆側に導電体の平板１５が配置されていることにより平面コイル１７の導線１６にはこの矢印２１で示す向きの電磁力の反対の向き（図４の矢印２２で示す向き）にも電磁力が作用する。

平面コイル１７の片側に配置された成形板１９及び平面コイル１７のもう一方の側に配置された平板１５の２つの板の作用によって、平面コイル１７の導線１６には、２つの互いに逆方向の力が同時に作用する。この２つの力の差し引きで、平面コイル１７の導線１６に作用する電磁力を打ち消し合い、結果として平面コイル１７の導線１６に作用する力が低減される。これによって、平面コイル１７の変形及び破損を防止することができる。

平板１５と成形板１９が同じ材質からなる場合、平面コイル１７の導線１６に作用する電磁力Ｐ_２を最小にできる平板１５の配置位置は、上述のように、導線１６を対称軸として成形板１９と鏡面対称位置である。

平面コイル１７に対し成形板１９と反対側に平板１５を配置することによって、平面コイル１７の導線１６に作用する電磁力Ｐ_２が低減され、平面コイル１７の変形及び破損を防止することができるが、同時に成形板１９に作用する電磁力Ｐ_１が減少する。成形板１９を電磁成形加工するための電磁力が足りない場合には、平面コイル１７に印加するパルス電圧を上げなければならないが、印加電圧を上限に設定しても電磁力Ｐ_１が足りない場合には、平面コイル１７の導線１６に作用する電磁力Ｐ_２の低減を犠牲にして、平板１５の位置を設定することが望ましい。

上述のように、板成形用平面コイル１８によって板成形を行う際、板成形用平面コイル１８の平面コイル１７に対し成形板１９と反対側に、導電性材料からなる平板１５を、その配置位置を調整して配置することによって、平面コイル１７の導線１６に作用する電磁力が低減され、平面コイル１７の変形及び破損を防止することができる。

（ａ）は本発明の第１実施形態に係る電磁成形コイルの縦断面を示す模式図、（ｂ）は同じく横断面を示す模式図である。成形管６に作用する電磁力Ｐ_１及び導線１に作用する電磁力Ｐ_２をシミュレートした結果を示すグラフである。（ａ）は本発明の第２実施形態に係る電磁成形コイルの縦断面を示す模式図、（ｂ）は同じく横断面を示す模式図である。（ａ）は本発明の第３実施形態に係る電磁成形コイルの縦断面図を示す模式図、（ｂ）は同じく横断面を示す模式図である。（ａ）は従来技術において導電体の管を電磁成形により拡管成形する電磁成形コイルの縦断面を示す模式図、（ｂ）は同じく横断面を示す模式図である。

符号の説明

１；導線
２；コイル
３；樹脂
４；芯管
５；拡管用環状コイル
６；成形管
７；成形管にかかる電磁力
８；導線にかかる電磁力
９；導線にかかる電磁力
１０；管
１１；縮管用環状コイル
１２；成形管にかかる電磁力
１３；導線にかかる電磁力
１４；導線にかかる電磁力
１５；平板
１６；導線
１７；平面コイル
１８；板成形用平面コイル
１９；成形板
２０；成形管にかかる電磁力
２１；導線にかかる電磁力
２２；導線にかかる電磁力
２３；導線
２４；コイル
２５；樹脂
２６；電磁成形コイル
２７；成形管
２８；成形管にかかる電磁力
２９；導線にかかる電磁力

Claims

導線をコイル状に巻回して形成された電磁コイル本体と、この電磁コイル本体の内側に配置された筒状又は中実状の導電体と、を有し、筒状の被成形体が前記電磁コイル本体の外側に、この電磁コイル本体を取り囲むように配置され、前記電磁コイル本体の前記導線にのみ通電し、前記電磁コイル本体により前記被成形体が拡管されることを特徴とする電磁成形コイル。
導線をコイル状に巻回して形成された電磁コイル本体と、この電磁コイル本体の外側に電磁コイル本体を取り囲むように配置された筒状の導電体と、を有し、筒状の被成形体が前記電磁コイル本体の内側に配置され、前記電磁コイル本体の前記導線にのみ通電し、前記電磁コイル本体により前記被成形体が縮管されることを特徴とする電磁成形コイル。
導線をコイル状に巻回して形成された電磁コイル本体と、この電磁コイル本体における被成形体が配置される側の反対側に配置された板状の導電体と、を有し、前記電磁コイル本体の前記導線にのみ通電することを特徴とする電磁成形コイル。
前記導電体は、前記被成形体と同種の材質からなり、前記導電体と前記電磁成形コイルとの間の距離が前記電磁成形コイルと前記被成形体との間の距離と同一であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電磁成形コイル。
前記導電体が、アルミニウム、銅、非磁性のステンレス鋼、チタン又は鋼であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電磁成形コイル。
前記導電体の肉厚又は厚さは、前記被成形体の肉厚又は厚さよりも大きいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電磁成形コイル。