Индуктор для магнитно-импульсной обработки

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Автор Покровский Артур Игоревич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) Индуктор для магнитно-импульсной обработки, выполненный из изолированного проводника в форме спирали Архимеда, заключенной в диэлектрический корпус, охваченный металлическим кожухом, с центральным и наружным выводами, отличающийся тем, что центральный вывод имеет положительную полярность, а наружный - отрицательную.(56) 1. Злобин С.И. Исследование процесса обжима трубчатых заготовок импульсным магнитным полем в условиях предварительного напряжения в очаге деформации. В кн. Импульсные методы обработки материалов. - Минск Наука и техника, 1979. - С. 53-61. 2. Белый И.В., Фертик С.М., Хименко Л.Т. Справочник по магнитно-импульсной обработке металлов. - Харьков Вища школа, 1977. - С. 143 (прототип). 3. Колешко В.М., Белицкий В.Ф. Массоперенос в тонких пленках. - Минск. Наука и техника, 1980. - 296 с. 106502015.04.30 Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована при магнитно-импульсной обработке изделий из токопроводящих немагнитных материалов, например листовой штамповке. Эффективность магнитно-импульсной обработки определяется силой взаимодействия магнитного поля индуктора с магнитным полем, возникающим в обрабатываемом изделии в результате возбуждения в нем вихревых токов. Магнитное поле индуктора формируется за счет разряда накопительного конденсатора. Полученный при разряде импульс тока характеризуется заданной полярностью. Повышение давления магнитного поля достигается за счет роста силы тока при уменьшении электрического сопротивления индуктора, увеличении напряжения разряда и уменьшении длительности импульса, а также за счет уменьшения расстояния между индуктором и обрабатываемым изделием. Комплексное решение данной проблемы приводит к необходимости использования чрезвычайно высоких плотностей тока (порядка 106 Асм-2 и более), что наряду с высокими механическими нагрузками на индуктор и повышенной температурой приводит к его сравнительно быстрому выходу из строя. Конструкция индуктора определяется его конкретным назначением. Так, например, для обжима трубчатых заготовок используются индукторы, выполненные в форме цилиндрической спирали с витками одинакового диаметра. Известен спиральный цилиндрический индуктор с числом витков, равным 5, выполненный из медной шины сечением 46 мм 1. Шина наматывалась на оправке виток к витку на токарно-винторезном станке, после чего полученная спираль изолировалась. Полярность подключения такого индуктора вследствие одинакового диаметра витков не влияет на его рабочие характеристики и поэтому может быть любой. Для эффективной магнитно-импульсной обработки обрабатываемое изделие или его часть должны помещаться внутрь индуктора, поэтому недостатком рассматриваемого аналога является невозможность его использования для обработки листовых материалов. Наиболее близким к заявляемому техническому решению, его прототипом является индуктор для магнитно-импульсной обработки, выполненный из изолированной медной шины прямоугольного сечения в форме спирали Архимеда на малое ребро, заключенной в диэлектрический корпус, охваченный металлическим кожухом, с центральным и наружным выводами 2. Прототип предназначен для магнитно-импульсной обработки листовых материалов,например листовой штамповки. Недостатки прототипа связаны преимущественно с неопределенностью полярности его подключения, т.е. на центральный вывод индуктора может быть подан как положительный, так и отрицательный потенциал, полученный при разряде накопительного конденсатора. Прохождение импульса электрического тока по виткам индуктора приводит к возникновению между ними сил отталкивания, в результате чего спираль индуктора стремится к раскручиванию. Поскольку центральный вывод спирали жестко закреплен в диэлектрическом корпусе, это приводит к возникновению все увеличивающегося в ходе работы индуктора зазора между центральным выводом и первым витком индуктора. Поскольку первый виток индуктора имеет минимальный диаметр, это приводит к концентрации механических напряжений в спирали индуктора именно на границе первого витка и центрального вывода. Концентрация механических напряжений в материале спирали индуктора приводит к генерации большого количества точечных дефектов его кристаллической структуры. Использование высоких плотностей тока и нагрев спирали в процессе работы до 200-300 С приводит к возникновению явления электромиграции в материале спирали, которое заключается в переносе атомов материала в направлении движения электронов, что с течением времени приводит к дальнейшему увеличению локального разогрева и полному разрыву проводника, в результате чего индуктор выходит из строя. Данное явление известно давно и широко описано в литературе 3. Совокупность элек 2 106502015.04.30 тромиграции атомов материала с локальной концентрацией механических напряжений в спирали индуктора приводит к преждевременному выходу его из строя. Таким образом, основным недостатком прототипа является невысокий ресурс работы в результате интенсивного протекания процессов электромиграции. Задачей заявляемого технического решения является повышение ресурса работы индуктора. Поставленная задача решается тем, что в индукторе для магнитно-импульсной обработки, выполненном из изолированного проводника в форме спирали Архимеда, заключенной в диэлектрический корпус, охваченный металлическим кожухом, с центральным и наружным выводами, центральный вывод имеет положительную полярность, а наружный отрицательную. Сущность заявляемого технического решения заключается в нивелировании вредного воздействия электромиграции на процесс разрушения спирали индуктора. Положительная полярность центрального вывода спирали индуктора приводит к тому,что атомы материала спирали, мигрирующие по всему ее объему под действием электрического тока высокой плотности в направлении движения электронов (т.е. от отрицательного полюса к положительному), конденсируются преимущественно вблизи центрального вывода. Это связано с тем, что выводы индуктора в процессе его работы нагреваются заметно меньше, чем сама спираль, поскольку нагрев спирали обусловлен не только резистивным сопротивлением, но и индуктивным. Кроме того, выводы вносят несущественный вклад в формирование магнитного поля индуктора в целом, поэтому могут быть выполнены из проводника с большим поперечным сечением, т.е. с меньшим электрическим сопротивлением, чем сама спираль. Это также способствует невысокому их нагреву в процессе работы. Более низкая температура материала проводника приводит к снижению диффузионной подвижности мигрирующих атомов и их конденсации. Таким образом, образование точечных дефектов вблизи центрального вывода индуктора под действием механических напряжений растяжения компенсируется притоком атомов материала спирали за счет явления электромиграции. В результате этого ресурс работы индуктора значительно возрастает. В случае же прототипа наоборот - оба явления только усиливали отрицательное влияние друг друга. Сущность заявляемого технического решения поясняется фигурой, где приведено схематическое изображение заявляемого индуктора, вид сверху. На фигуре приняты следующие обозначения 1 - наружный вывод 2 - металлический кожух 3 - изолированный проводник в форме спирали Архимеда 4 - центральный вывод 5 - диэлектрический корпус- точка соединения спирали индуктора и центрального вывода. Как видно из приведенной фигуры, заявляемый индуктор выполнен из изолированного проводника в форме спирали Архимеда 3 с наружным выводом 1, к которому присоединяется отрицательный потенциал, и центральным выводом 4, к которому присоединяется положительный потенциал. Изолированный проводник в форме спирали Архимеда 3 заключен в диэлектрический корпус 5, который охвачен металлическим кожухом 2. Наружный вывод 1 выведен за пределы металлического кожуха 2 и электрически изолирован от него. Центральный вывод 4 также выведен за пределы индуктора через отверстие в диэлектрическом корпусе и изолирован от металлического кожуха. В качестве варианта исполнения допускается электрическое соединение одного из выводов индуктора с металлическим кожухом при соблюдении заявленной полярности включения. Центральный вывод 4 расположен перпендикулярно рабочей поверхности индуктора, поэтому на практике для повышения механической прочности его выполняют из материала с 3 106502015.04.30 большим поперечным сечением, чем непосредственно сама спираль. Центральный вывод 4 электрически соединяется с изолированным проводником в форме спирали Архимеда 3 в точкеметодом пайки или сварки. Заявляемый индуктор работает следующим образом. Центральный вывод 4 индуктора присоединяется к положительному электроду установки магнитно-импульсной обработки,а наружный вывод 1 - к отрицательному электроду. На рабочей поверхности индуктора располагаются обрабатываемая заготовка и матрица. Накопительный конденсатор установки разряжаются через индуктор, создавая тем самым импульс магнитного поля. При этом в заготовке индуцируются вихревые токи, магнитное поле которых взаимодействует с магнитным полем индуктора, в результате чего происходит формообразование заготовки в изделие в соответствии с параметрами матрицы. При прохождении импульса тока по изолированному проводнику в форме спирали Архимеда 3 его витки испытывают сильное отталкивание друг от друга, в результате чего в точкевозникают сильные механические напряжения растяжения, которые в случае прототипа (при неопределенной полярности подключения индуктора) приводят к генерации большого количества вакансий в кристаллической решетке проводника. Электрическое сопротивление материала в этой точке возрастает, что приводит к дополнительному разогреву при прохождении импульса тока и еще большей скорости генерации вакансий в кристаллической решетке, что с течением времени при увеличении количества импульсов приводит к утонению проводника в этой точке и его механическому разрыву. Наличие электромиграции значительно ускоряет данный процесс, поскольку атомы материала проводника мигрируют от центрального вывода в отдаленные области проводника с пониженной температурой и конденсируются там. В случае использования заявляемого индуктора при соблюдении полярности подключения электромиграция протекает в противоположном направлении, т.е. в сторону центрального вывода. Материал проводника в точкепри этом постоянно пополняется атомами, мигрирующими от противоположного наружного вывода 1. Однако поскольку механические напряжения вблизи наружного вывода 1 несравненно ниже, чем вблизи центрального вывода 4, локальный разогрев проводника в этой области отсутствует, генерация мигрирующих атомов материала проводника протекает уже по всему его объему (а не в точке , как в случае прототипа) и такая электромиграция не приводит к катастрофическому обрыву проводника. Наоборот, явление электромиграции при использовании заявляемого технического решения компенсирует потери материала проводника в точке ,за счет чего значительно увеличивается ресурс работы индуктора, т.е. достигается решение поставленной задачи. Испытания заявляемых индукторов проводили следующим образом. Для изготовления индукторов использовали изолированную медную шину прямоугольного сечения размером 46 мм. Витки спирали укладывали в корпусе из текстолита, который размещали в кожухе из стали. После сборки спираль заливали герметиком. Центральный вывод присоединяли к положительному электроду установки магнитно-импульсной обработки МИУ-30, а наружный - к отрицательному электроду. Для оценки ресурса работы прототипа использовали точно такие же индукторы, но противоположной полярности. Ресурс работы индукторов оценивали по количеству импульсов до полного отказа при магнитноимпульсной обработке изделий в следующих режимах (максимально достижимые для данной установки) энергия импульса 30 кДж напряжение заряда батареи конденсаторов 20 кВ частота импульса 4,27 кГц. После каждых десяти импульсов индукторы охлаждали до комнатной температуры на воздухе. Количество испытуемых индукторов составило 10 заявляемых и 10 прототипов. Установленные значения ресурса работы индукторов и выявленные причины отказа приведены в таблице. 4 106502015.04.30 Сравнительные результаты определения ресурса работы индукторов Причина отказа индукторов Разрушение материала спирали индуктора в точке- 0 шт., разрушение материала спирали индуктора на других участках - 2 шт., разрушение изоляции между витками - 7 шт., разрушение корпуса - 1 шт. Разрушение материала спирали индуктора в точке- 9 шт., разрушение материала спирали индуктора на других участках - 0 шт., разрушение изоляции между витками - 1 шт. Из приведенных данных видно, что ресурс работы заявляемого индуктора примерно в два раза выше, чем индуктора-прототипа, причем разрушения спирали индуктора в точке, обусловленные совместным действием механических напряжений и электромиграции,полностью отсутствуют. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5