ПЛОСКИЙ СПИРАЛЬНЫЙ ИНДУКТОР СИЛЬНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ (ВАРИАНТЫ)
FLAT SPIRAL INDUCTOR OF STRONG MAGNETIC FIELD (OPTIONS)

Изобретение относится к устройствам для магнитно-импульсной обработки материалов (МИОМ), такой как прессование порошков, штамповка листовых заготовок и т.д., использующим ток высокой частоты и большой амплитуды для генерации сильного импульсного магнитного поля с индукцией выше 10 Тл, точнее к конструкции индуктора (катушки индуктивности) этих устройств.
Описание аналогов
Известны способы магнитно-импульсной обработки материалов, в основе которых лежит бесконтактное возбуждение внешним сильным импульсным магнитным полем индуктора (плоской катушки) электромеханических усилий в проводящем теле, непосредственно подвергающемся их действию или передающем эти усилия на прессуемый материал в случае магнитно-импульсного прессования [Миронов В.А. Магнитно-импульсное прессование порошков // Рига: Зинатне, 1980, 196 с.].
Аналогом плоского индуктора для МИОМ авторы считают типовую конструкцию индуктора, описанную Голенковым В.А. с соавторами [В.А. Голенков, A.M. Дмитриев и др. Специальные технологические процессы и оборудование обработки давлением. - М.: Машиностроение, 2004, 464 с.], состоящего из спирали индуктора, токовводов, изоляции и кожуха (бандажа).
Недостатком конструкции аналога является зона контакта токовводов со спиралью индуктора. Неравномерное распределение тока в зоне контакта токоввод/спираль индуктора приводит к разрушению зоны контакта при высоких энергиях разряда (например, батареи конденсаторов) в течение нескольких десятков импульсов.
Наиболее близким аналогом устройства - прототипом авторы считают конструкцию индуктора по патенту РФ №2417861 [Плоский индуктор для магнитно-импульсного прессования изделий из наноразмерных порошков: пат. 2417861 Рос. Федерация: МПК7 В22F 3/02 / Иванов В.В., Ноздрин А.А., Паранин С.Н.; заявитель и патентообладатель Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук. - №2009129314/02; заявл. 29.07.2009; опубл. 10.05.2011, Бюл. №13. - 7 с.], состоящего из спирали индуктора, размещенного в центре спирали потенциального токоввода и размещенного на конце периферийного витка спирали нулевого токоввода, изоляции и кожуха (бандажа), отличающегося от предыдущего аналога, в частности, конструкцией зоны контакта потенциального токоввода со спиралью.
0
На Фиг. 1 схематично показан вид зоны потенциального токоввода со стороны спирали и продольный разрез этой области для конструкции по указанному патенту РФ №2417861. На Фиг. 1 потенциальный токоввод имеет цилиндрическое утолщение 1.1, продолжением которого является полуцилиндр 1.2, по высоте превышающий высоту шины индуктора 1.4 для снижения плотности магнитного потока в центральной зоне, в котором сделан паз 1.3 для укладки шины в форме полувитка, имеющий глубину, равную высоте шины. С внутренней стороны полуцилиндра изготовлена выборка, обеспечивающая плавный (по касательной) переход от массивного полувитка к шине. При этом в паз шина укладывается удвоенной толщины витка (на Фиг. 1 не показано) для обеспечения прочности шины в зоне соединения токоввод-спираль. Толщину шины примем для дальнейших рассуждений равной h.
К недостаткам конструкции прототипа можно отнести трудности изготовления катушек больших размеров малой индуктивности, т.е. катушки с малым числом витков (большим шагом намотки). В этом случае для уменьшения потока рассеяния между витками спирали требуется использование весьма толстой шины, что затрудняет ее намотку. В противном случае ухудшается однородность магнитного поля в зазоре между индуктором и заготовкой, а также снижается эффективность генерации магнитного поля заданной амплитуды. Это требует использования накопителя большей энергии, пропускания через индуктор большего разрядного тока, что снижает его ресурс. Все вышеизложенное составляет суть технической проблемы.
Технической задачей изобретения является конструкция индуктора, лишенная части недостатков прототипа.
Поставленная задача решается благодаря тому, что спираль индуктора изготавливается многопроводной, из нескольких проводов, изолированных друг от друга: двух-, трех-, четырехпроводной и т.д., с использованием одного размещенного в центре многопроводной спирали потенциального токоввода. Использование многопроводной схемы позволяет изготавливать катушки малой индуктивности большой площади, снизить токовую нагрузку на соединения токоввод-шина за счет увеличения их количества и использовать для намотки как минимум вдвое более тонкие шины (провода) по сравнению с прототипом. В этом случае шины могут быть выполнены, например, из высокопрочного нанокомпозита на основе Cu-18% Nb, имеющего прочность на разрыв более 1,2 ГПа при высокой удельной электропроводности около 70% IACS (International Annealed Copper Standard).
Поскольку исходящие из общего центрального потенциального токоввода шины (провода) имеют близкие электрические потенциалы, толщина изоляционных зазоров между ними в пределах одного витка спирали может быть снижена по сравнению с изоляцией между близлежащими шинами двух соседних витков. При этом по каждой шине витка протекает одинаковый ток, равный по амплитуде разрядному току, поделенному на количество проводов, и происходит равномерное распределение тока по проводам витков спирали, что улучшает однородность поля в зазоре между спиралью индуктора и заготовкой по сравнению с прототипом. На периферийном витке многопроводной спирали шины оканчиваются нулевыми токовводами по количеству проводов в витке с равномерным распределением по периметру периферийного витка. При этом для периферийных нулевых токовводов может быть использован общий токовый коллектор, например, фланцевого типа. Наличие нескольких нулевых токовводов, равномерно распределенных по периметру периферийного витка, способствует более равномерному распределению электромеханических усилий в плоскости спирали, обусловленных взаимодействием протекающего по шинам спирали тока с собственным магнитным полем индуктора, что должно приводить к увеличению ресурса катушки.
Потенциальный и нулевые токовводы представляют собой стержни из материалов с хорошей электропроводностью, например из латуни, бронзы и т.п. На одном из концов токовводов расположены конструктивные элементы для соединения индуктора с источником питания, на другом - конструктивные элементы, в которых крепятся концы спирали индуктора при помощи неразъемного соединения.
На Фиг. 2 схематично показан вид зоны потенциального токоввода со стороны спирали и продольный разрез этой области для конструкции индуктора согласно настоящему изобретению. Нулевые токовводы не составляют суть настоящего изобретения и на фигуре не показаны.
На Фиг. 2 потенциальный токоввод имеет цилиндрическое утолщение 2.1, имеющее клеммные выступы 2.2 высотой, превышающей высоту шин индуктора 2.4 и 2.5 с образованием свободного от проводника пространства для снижения плотности генерируемого всей спиралью магнитного потока в центральной области, в которых сделаны спиральные пазы 2.3 для укладки шин, имеющие глубину, равную высоте шины. С внутренней стороны выступов 2.2 изготовлены выборки, обеспечивающие плавный (по касательной) переход от массивных выступов к шинам (проводам) спирали. Крепление спирали индуктора в пазах токоввода осуществляется неразъемным соединением, например пайкой высокотемпературным припоем.
В настоящей заявке предлагается и другой вариант конструкции индуктора с многопроводной спиралью, отличающийся более простым исполнением потенциального токоввода (Фиг. 3). Потенциальный токоввод 3.1 представляет собой цилиндрический стержень, с торца которого изготовлены пазы 3.2 размерами по сечению шины. Пазы изготавливаются от оси стержня по радиусу по количеству проводов в витках спирали и разнесены, соответственно, на 180, 120 и 90° для двух- (Фиг. 3а), трех- (Фиг. 3б) и четрырехпроводной спирали (Фиг. 3в). Шины (поз. 3.5-3.8) выходят из токоввода 3.1 по радиусу, закругляясь с выходом на виток спирали, так, что образуется свободное от проводника пространство в зазоре между первым витком спирали и потенциальным токовводом для снижения плотности генерируемого всей спиралью магнитного потока в центральной области. При этом для плавного втекания (по касательной) тока с боков и торцов шин в токовводе 3.1 изготавливают продольные выборки 3.3 и поперечную проточку 3.4 под шиной со скруглением. Как видно из Фиг. 3 для изготовления спиралей одинакового размера и с одинаковым числом многопроводных витков шины утоняются пропорционально количеству используемых шин или больше.
Техническим результатом использования потенциального токоввода указанных конструкций и многопроводной схемы изготовления спирали индуктора является изготовление катушек большой площади и требуемой индуктивности, улучшение однородности магнитного поля в зазоре между индуктором и заготовкой, более равномерное распределение электромеханических усилий в плоскости спирали и увеличение срока службы индуктора при высоких энергиях разряда.
Представленные варианты конструкции индукторов поясняются чертежами на Фиг. 2-3. На Фиг. 2 схематично показан вид со стороны спирали зоны потенциального токоввода, имеющего утолщение и выступы со спиральными торцевыми пазами для вывода шин и продольный разрез этой области: 2.1 - цилиндрическое утолщение потенциального токоввода, 2.2 - клеммный выступ с тангенциальным выходом на диаметре, 2.3 - паз, 2.4 и 2.5 - первая и вторая шины двухпроводной спирали индуктора.
На Фиг. 3 схематично показаны варианты конструкции индукторов с двухпроводной (Фиг. 3а), трехпроводной (Фиг. 3б) и четырехпроводной (Фиг. 3в) спиралями с цилиндрическим потенциальным токовводом с торцевыми радиальными пазами: 3.1 - цилиндрический токоввод, 3.2 - радиальный паз, 3.3 - продольная выборка, 3.4 - поперечная проточка со скруглением, 3.5, 3.6, 3.7 и 3.8 - первая, вторая, третья и четвертая шины многопроводных спиралей.
Предлагаются следующие варианты конструкции индуктора:
1. Плоский спиральный индуктор сильного магнитного поля для магнитно-импульсной обработки материалов, состоящий из спирали индуктора, выполненной в виде архимедовой спирали, кожуха, межвитковой изоляции, нулевого токоввода, размещенного на конце периферийного витка спирали и имеющего с одного конца конструктивные элементы для соединения со спиралью индуктора, а с другого - с источником питания, и потенциального токоввода, размещенного в центре спирали и имеющего с одного конца конструктивные элементы для соединения индуктора с источником питания, а с другого - цилиндрическое утолщение с выступом высотой, превышающей высоту шины спирали, имеющим спиральный паз с тангенциальным выходом на диаметре глубиной, равной высоте шины, для изготовления неразъемного соединения со спиралью индуктора, отличающийся тем, что спираль индуктора выполнена многопроводной, например, двух-, трех-, четырехпроводной и т.д., а потенциальный токоввод имеет клеммные выступы по количеству шин в спирали, разнесенные по кругу, соответственно, на 180, 120 и 90° для двух-, трех- и четрырехпроводной спирали и т.д. и имеющие с торца спиральные пазы с тангенциальным выходом на диаметре для соединения с шинами спирали, причем шины на периферийном витке спирали заканчиваются равномерно распределенными, соответственно, на 180, 120 и 90° для двух-, трех- и четрырехпроводной спирали и т.д., нулевыми токовводами, с которыми шины соединены неразъемно.
2. Плоский спиральный индуктор сильного магнитного поля для магнитно-импульсной обработки материалов, состоящий из спирали индуктора, выполненной в виде архимедовой спирали, кожуха, межвитковой изоляции, нулевого токоввода, размещенного на конце периферийного витка спирали и имеющего с одного конца конструктивные элементы для соединения со спиралью индуктора, а с другого - с источником питания, и потенциального токоввода, размещенного в центре спирали и имеющего с одного конца конструктивные элементы для соединения индуктора с источником питания, отличающийся тем, что спираль индуктора выполнена многопроводной, например двух-, трех-, четырехпроводной и т.д., а потенциальный токоввод представляет из себя стержень, имеющий с торца пазы, которые выполнены от оси по радиусу по количеству шин в спирали и размерами по сечению шины и разнесены, соответственно, на 180, 120 и 90° для двух-, трех- и четрырехпроводной спирали и т.д., причем шины многопроводной спирали выходят из токоввода по радиусу, закругляясь с выходом на виток спирали, так, что образуется зазор между первым витком спирали и потенциальным токовводом, который в зонах контакта с шинами имеет продольные выборки и поперечную проточку со скруглением, и заканчиваются на периферийном витке спирали равномерно распределенными, соответственно, на 180, 120 и 90° для двух-, трех- и четрырехпроводной спирали и т.д., нулевыми токовводами, с которыми шины соединены неразъемно.
Пример исполнения
Плоский индуктор, например двухпроводный, с потенциальным токовводом с торцевыми радиальными пазами наматывается по спирали Архимеда двумя шинами, в качестве которых могут быть использованы стандартные полосы из материала с высокой электропроводностью, например из меди или высокопрочные композитные провода, например, на основе Cu-18%Nb, прямоугольного сечения. Заготовки шин должны иметь одинаковую длину, которая рассчитывается исходя из необходимого числа витков и шага спирали индуктора. С одних концов шины неразъемным соединением (пайкой высокотемпературным припоем) закрепляются в нулевых токовводах. Противоположные концы шин закрепляются аналогичным способом в пазах потенциального токоввода. Участки шин между токовводами обматываются ленточной изоляцией, например из стекловолокна или высокомодульных синтетических волокон. Шины индуктора формируются в спираль Архимеда вокруг потенциального токоввода и помещаются в кожух, в котором осуществляется заливка двухпроводной спирали эпоксидным компаундом.
2
Таким образом, был изготовлен индуктор с числом витков 3, внутренним и внешним диаметрами 19 и 49,5 мм (Фиг. 4). Спираль индуктора была выполнена шиной сечением 2×8 мм из нанокомпозита на основе Cu-18%Nb. На Фиг. 4а приведен внешний вид заготовки двухпроводной спирали плоского индуктора с присоедененными потенциальным и нулевыми токовводами. На Фиг. 4б, в приведен внешний вид индуктора в сборе соответственно со стороны спирали и со стороны выхода потенциального токоввода. На Фиг. 4г приведен внешний вид индукторной системы, состоящей из индуктора 4.1, проводящего экрана 4.2, расположенного на расстоянии h от плоскости спирали индуктора и имитирующего обрабатываемую заготовку, подключенной к клеммам генератора импульсных токов. В такой конфигурации проводили тестирование индуктора. На Фиг. 4г также показан индуктивный датчик магнитного поля 4.3, установленный в зазоре индукторной системы по радиусу катушки.
Индуктор подключали к генератору импульсных токов на основе емкостного накопителя (емкость конденсаторной батареи - 106, 212, 318 и 425 мкФ). В экспериментах регистрировали производную тока di/dt через индуктор с помощью пояса Роговского, производную магнитного поля dB/dt индуктивным датчиком и падение напряжения U на индукторе. Временные зависимости тока, магнитного поля получали численным интегрированием.
На Фиг. 5 приведены временные зависимости тока, магнитного поля (Фиг. 5а) и падения напряжения (Фиг. 5б) для различного зарядного напряжения (3,0 и 5,3 кВ) и емкости конденсаторной батареи генератора (106 и 425 мкФ).
m
m
В Таблице 1 обобщены данные по измерению характеристик индуктора при варьировании зарядного напряжения и емкости конденсаторной батареи генератора. Даны амплитудные значения тока I и магнитного поля В, длительность полупериода T/2, индуктивность L и сопротивление R индукторной системы. Последние рассчитывались из измеренных зависимостей I(t), dI(t)/dt и U(t) и соотношения U(t)=L dI(t)/dt+R I(t). Расстояние h=3,2 мм в экспериментах не меняли.
2
-5
На Фиг. 6 показана зависимость индуктивности индукторной системы от расстояния h между поверхностями спирали и проводящим экраном. Данная зависимость позволяет оценить генерируемую индуктором механическую силу как F=0,5 I dL/dh. Оценка dL/dh из зависимости на Фиг. 6 при h=2 мм, характерном расстоянии при МИО, дает значение 1,9 10 Гн/м. При амплитуде тока 150 кА, реализуемом при зарядном напряжении около 10 кВ и емкости накопителя С=106 мкФ, генерируемая сила составляет около 20 т.
В натурных испытаниях индуктор продемонстрировал стабильность характеристик в серии из десяти импульсов с генерацией достаточно сильных для данных типов индукторов магнитных полей, на уровне 20 Тл. Какой-либо деградации в обмотке индуктора либо в местах соединения шины с токовводами не наблюдалось. Отметим, что подобные индукторы с медной шиной имеют высокий ресурс, если магнитные поля не превышают уровень 7-10 Тл.