Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. (19) BY (11) 10650
(13) U
(46) 2015.04.30
(51) МПК
ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
C 21D 10/00
B 23P 15/00
(2006.01)
(2006.01)
(54) ИНДУКТОР ДЛЯ МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНОЙ ОБРАБОТКИ
(21) Номер заявки: u 20140385
(22) 2014.10.27
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Физико-технический инс-
титут Национальной академии наук
Беларуси" (BY)
(72) Автор: Покровский Артур Игоревич
(BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Физико-техниче-
ский институт Национальной академии
наук Беларуси" (BY)
(57)
Индуктор для магнитно-импульсной обработки, выполненный из изолированного
проводника в форме спирали Архимеда, заключенной в диэлектрический корпус, охва-
ченный металлическим кожухом, с центральным и наружным выводами, отличающийся
тем, что центральный вывод имеет положительную полярность, а наружный - отрицатель-
ную.
(56)
1. Злобин С.И. Исследование процесса обжима трубчатых заготовок импульсным маг-
нитным полем в условиях предварительного напряжения в очаге деформации. В кн. Им-
пульсные 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 об-
работке 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.
BY10650U2015.04.30

2. BY 10650 U 2015.04.30
2
Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована
при магнитно-импульсной обработке изделий из токопроводящих немагнитных материа-
лов, 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 ха-
рактеризуется заданной полярностью. Повышение давления магнитного поля достигается
за счет роста силы тока при уменьшении электрического сопротивления индуктора, уве-
личении 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 высо-
ких плотностей тока (порядка 106
А·
см-2
и более), что наряду с высокими механическими
нагрузками на индуктор и повышенной температурой приводит к его сравнительно быст-
рому выходу из строя.
Конструкция индуктора определяется его конкретным назначением. Так, например, для
обжима трубчатых заготовок используются индукторы, выполненные в форме цилиндри-
ческой спирали с витками одинакового диаметра. Известен спиральный цилиндрический
индуктор с числом витков, равным 5, выполненный из медной шины сечением 4×6 мм [1].
Шина наматывалась на оправке виток к витку на токарно-винторезном станке, после чего
полученная спираль изолировалась. Полярность подключения такого индуктора вследст-
вие одинакового диаметра витков не влияет на его рабочие характеристики и поэтому мо-
жет 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 наруж-
ным 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 положи-
тельный, так и отрицательный потенциал, полученный при разряде накопительного кон-
денсатора. Прохождение импульса электрического тока по виткам индуктора приводит к
возникновению между ними сил отталкивания, в результате чего спираль индуктора стре-
мится к раскручиванию. Поскольку центральный вывод спирали жестко закреплен в ди-
электрическом корпусе, это приводит к возникновению все увеличивающегося в ходе
работы индуктора зазора между центральным выводом и первым витком индуктора. По-
скольку первый виток индуктора имеет минимальный диаметр, это приводит к концен-
трации 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 кристалли-
ческой 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 ра-
зогрева и полному разрыву проводника, в результате чего индуктор выходит из строя.
Данное явление известно давно и широко описано в литературе [3]. Совокупность элек-

3. BY 10650 U 2015.04.30
3
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 ин-
дуктора.
Поставленная задача решается тем, что в индукторе для магнитно-импульсной обра-
ботки, выполненном из изолированного проводника в форме спирали Архимеда, заклю-
ченной 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 электри-
ческого тока высокой плотности в направлении движения электронов (т.е. от отрицатель-
ного 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 сопротивле-
нием, 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 то-
чечных дефектов вблизи центрального вывода индуктора под действием механических
напряжений растяжения компенсируется притоком атомов материала спирали за счет яв-
ления электромиграции. В результате этого ресурс работы индуктора значительно возрас-
тает. 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 сле-
дующие обозначения:
1 - наружный вывод;
2 - металлический кожух;
3 - изолированный проводник в форме спирали Архимеда;
4 - центральный вывод;
5 - диэлектрический корпус;
A - точка соединения спирали индуктора и центрального вывода.
Как видно из приведенной фигуры, заявляемый индуктор выполнен из изолированно-
го проводника в форме спирали Архимеда 3 с наружным выводом 1, к которому присое-
диняется 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 ко-
жухом 2. Наружный вывод 1 выведен за пределы металлического кожуха 2 и электрически
изолирован от него. Центральный вывод 4 также выведен за пределы индуктора через от-
верстие в диэлектрическом корпусе и изолирован от металлического кожуха. В качестве
варианта исполнения допускается электрическое соединение одного из выводов индукто-
ра с металлическим кожухом при соблюдении заявленной полярности включения. Цен-
тральный вывод 4 расположен перпендикулярно рабочей поверхности индуктора, поэтому
на практике для повышения механической прочности его выполняют из материала с

4. BY 10650 U 2015.04.30
4
большим поперечным сечением, чем непосредственно сама спираль. Центральный вывод
4 электрически соединяется с изолированным проводником в форме спирали Архимеда 3
в точке A методом 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 уста-
новки 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 точке A возникают сильные механические
напряжения растяжения, которые в случае прототипа (при неопределенной полярности
подключения индуктора) приводят к генерации большого количества вакансий в кристал-
лической решетке проводника. Электрическое сопротивление материала в этой точке воз-
растает, 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 вы-
вода в отдаленные области проводника с пониженной температурой и конденсируются
там. В случае использования заявляемого индуктора при соблюдении полярности под-
ключения электромиграция протекает в противоположном направлении, т.е. в сторону
центрального вывода. Материал проводника в точке A при 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, гене-
рация мигрирующих атомов материала проводника протекает уже по всему его объему (а
не в точке A, как в случае прототипа) и такая электромиграция не приводит к катастрофи-
ческому обрыву проводника. Наоборот, явление электромиграции при использовании за-
являемого технического решения компенсирует потери материала проводника в точке A,
за счет чего значительно увеличивается ресурс работы индуктора, т.е. достигается реше-
ние поставленной задачи.
Испытания заявляемых индукторов проводили следующим образом. Для изготовления
индукторов использовали изолированную медную шину прямоугольного сечения разме-
ром 4×6 мм. Витки спирали укладывали в корпусе из текстолита, который размещали в
кожухе из стали. После сборки спираль заливали герметиком. Центральный вывод при-
соединяли к положительному электроду установки магнитно-импульсной обработки
МИУ-30, а наружный - к отрицательному электроду. Для оценки ресурса работы прототи-
па использовали точно такие же индукторы, но противоположной полярности. Ресурс ра-
боты индукторов оценивали по количеству импульсов до полного отказа при магнитно-
импульсной 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 при-
ведены в таблице.

5. BY 10650 U 2015.04.30
5
Сравнительные результаты определения ресурса работы индукторов
Вид индуктора
Ресурс работы,
импульсов
Причина отказа индукторов
Заявляемый 187-235 Разрушение материала спирали индуктора в
точке A - 0 шт., разрушение материала спирали
индуктора на других участках - 2 шт., разруше-
ние изоляции между витками - 7 шт., разруше-
ние корпуса - 1 шт.
Прототип 57-101 Разрушение материала спирали индуктора в
точке A - 9 шт., разрушение материала спирали
индуктора на других участках - 0 шт., разруше-
ние 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
A, обусловленные совместным действием механических напряжений и электромиграции,
полностью отсутствуют.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.