Анализ процессов в индукторной системе с притягивающим экраном, возбуждаемой внешним круговым соленоидом

В статье представлен теоретический анализ пространственно-временных распределений индуцированных токов и сил притяжения в «индукторной системе с притягивающим экраном», возбуждаемой плоским круговым соленоидом, расположенным с внешней стороны вспомогательного экрана. Показана, достаточно высокая э...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2015
Автор: Чаплыгин, Е.А.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2015
Назва видання:Електротехніка і електромеханіка
Теми:
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/149391
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Анализ процессов в индукторной системе с притягивающим экраном, возбуждаемой внешним круговым соленоидом / Е.А. Чаплыгин // Електротехніка і електромеханіка. — 2015. — № 6. — С. 53–55. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-149391
record_format dspace
spelling irk-123456789-1493912019-02-22T01:23:31Z Анализ процессов в индукторной системе с притягивающим экраном, возбуждаемой внешним круговым соленоидом Чаплыгин, Е.А. Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка В статье представлен теоретический анализ пространственно-временных распределений индуцированных токов и сил притяжения в «индукторной системе с притягивающим экраном», возбуждаемой плоским круговым соленоидом, расположенным с внешней стороны вспомогательного экрана. Показана, достаточно высокая эффективность системы, что позволяет рекомендовать её как инструмент внешней рихтовки вмятин в кузовных покрытиях автотранспорта. У статті представлений теоретичний аналіз просторово-часових розподілів індукованих струмів і сил притягання в «індукторній системі з притягуючим екраном», що збуджується плоским круговим соленоїдом, розташованим із зовнішнього боку допоміжного екрана. Показана, досить висока ефективність системи, що дозволяє рекомендувати її як інструмент зовнішнього рихтування вм'ятин в кузовних покриттях автотранспорту. Introduction. Developments in the field of magnetic-pulse treatment of metals (MPTM) are increasingly used in the modern technologies of production and repair of the aviation, automotive and other machinery, as they are environmentally friendly and energy-efficient in comparison with classical approaches. One of the main components of the device MPTM is a tool – inductor or the inductor system with an attractive screen (ISAS). The calculated dependences to calculate the inductor system with an attractive screen were taken from previous works. The ratios were obtained for the low-frequency mode of the excited fields, when is place their significant penetration through a thin-walled metal screen and a deformed workpiece. As it was shown earlier this mode is the most efficient from point of view of a force action on the object of a processing. Purpose. The theoretical analysis of the spatial-temporal distributions of the induced currents and forces of an attraction in the inductor system with an attractive screen excited by a flat circular solenoid located on the outside of the auxiliary screen. Methodology. The calculations are shown that the induced currents both in the screen and the workpiece are unidirectional and their interaction, in accordance with the law of Ampere determines the amplitudes of excited forces of attraction. Let’s note the effective validity of the considered inductor system excited by an external circular solenoid. With sufficient simplicity of the design take place rather high values of the developed forces of attraction and their averages. Results. Physically, a higher power efficiency of the system with an «external» coil in comparison with a system where coil is located in the internal cavity, can be accounted for lade of «failure» in the radial distribution of the excited forces. This «failure» in the design with a coil between the sheet metal is caused by its screening action against the forces of attraction between the induced currents. Practical value. It is shown that the inductor system with an attractive screen when it is excited by outer circular solenoid with a current of 50 kA ~ provides attractive power rates to about 1400 N on an area of sheet metal ~ 0.004 m2 . The sufficiently high efficiency of the proposed options of an inductor system allows us to recommend it as a tool of the external straightening dents in the bodycar surfaces of vehicles. 2015 Article Анализ процессов в индукторной системе с притягивающим экраном, возбуждаемой внешним круговым соленоидом / Е.А. Чаплыгин // Електротехніка і електромеханіка. — 2015. — № 6. — С. 53–55. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 2074-272X DOI: https://doi.org/10.20998/2074-272X.2015.6.09 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/149391 621.318.4 ru Електротехніка і електромеханіка Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка
Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка
spellingShingle Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка
Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка
Чаплыгин, Е.А.
Анализ процессов в индукторной системе с притягивающим экраном, возбуждаемой внешним круговым соленоидом
Електротехніка і електромеханіка
description В статье представлен теоретический анализ пространственно-временных распределений индуцированных токов и сил притяжения в «индукторной системе с притягивающим экраном», возбуждаемой плоским круговым соленоидом, расположенным с внешней стороны вспомогательного экрана. Показана, достаточно высокая эффективность системы, что позволяет рекомендовать её как инструмент внешней рихтовки вмятин в кузовных покрытиях автотранспорта.
format Article
author Чаплыгин, Е.А.
author_facet Чаплыгин, Е.А.
author_sort Чаплыгин, Е.А.
title Анализ процессов в индукторной системе с притягивающим экраном, возбуждаемой внешним круговым соленоидом
title_short Анализ процессов в индукторной системе с притягивающим экраном, возбуждаемой внешним круговым соленоидом
title_full Анализ процессов в индукторной системе с притягивающим экраном, возбуждаемой внешним круговым соленоидом
title_fullStr Анализ процессов в индукторной системе с притягивающим экраном, возбуждаемой внешним круговым соленоидом
title_full_unstemmed Анализ процессов в индукторной системе с притягивающим экраном, возбуждаемой внешним круговым соленоидом
title_sort анализ процессов в индукторной системе с притягивающим экраном, возбуждаемой внешним круговым соленоидом
publisher Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
publishDate 2015
topic_facet Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/149391
citation_txt Анализ процессов в индукторной системе с притягивающим экраном, возбуждаемой внешним круговым соленоидом / Е.А. Чаплыгин // Електротехніка і електромеханіка. — 2015. — № 6. — С. 53–55. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
series Електротехніка і електромеханіка
work_keys_str_mv AT čaplyginea analizprocessovvinduktornojsistemespritâgivaûŝimékranomvozbuždaemojvnešnimkrugovymsolenoidom
first_indexed 2025-07-12T22:01:46Z
last_indexed 2025-07-12T22:01:46Z
_version_ 1837480241431314432
fulltext ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2015. №6 53 © Е.А. Чаплыгин УДК 621.318.4 Е.А. Чаплыгин АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ В ИНДУКТОРНОЙ СИСТЕМЕ С ПРИТЯГИВАЮЩИМ ЭКРАНОМ, ВОЗБУЖДАЕМОЙ ВНЕШНИМ КРУГОВЫМ СОЛЕНОИДОМ У статті представлений теоретичний аналіз просторово-часових розподілів індукованих струмів і сил притягання в «індукторній системі з притягуючим екраном», що збуджується плоским круговим соленоїдом, розташованим із зов- нішнього боку допоміжного екрана. Показана, досить висока ефективність системи, що дозволяє рекомендувати її як інструмент зовнішнього рихтування вм'ятин в кузовних покриттях автотранспорту. Бібл. 9, табл. 1, рис. 1. Ключові слова: магнітно-імпульсна обробка, притягання металів, індукторна система, круговий соленоїд, притягуючий екран. В статье представлен теоретический анализ пространственно-временных распределений индуцированных токов и сил притяжения в «индукторной системе с притягивающим экраном», возбуждаемой плоским круговым соленоидом, расположенным с внешней стороны вспомогательного экрана. Показана, достаточно высокая эффективность сис- темы, что позволяет рекомендовать её как инструмент внешней рихтовки вмятин в кузовных покрытиях авто- транспорта. Библ. 9, табл. 1, рис. 1. Ключевые слова: магнитно-импульсная обработка, притяжение металлов, индукторная система, круговой соленоид, притягивающий экран. Введение. Разработки в сфере магнитно- импульсной обработки металлов (МИОМ) находят все большее применение в современных технологиях про- изводства и ремонта авиационной, автомобильной и другой техники, так как являются экологически чисты- ми и энергосберегающими, в сравнении с классически- ми подходами [1, 2]. Одной из основных составляющих устройств МИОМ является инструмент-индуктор или индукторные системы с притягивающим экраном (ИСПЭ). Для оценки эффективности работы ИСПЭ бы- ла взята система, описанная авторами работы [3]. Анализ литературы. Необходимые для анализа расчётные зависимости для возбуждаемых токов и электродинамических сил притяжения в исследуемой ИСПЭ выпишем из работы [4]. Отметим, что указанные соотношения получены для низкочастотного режима возбуждаемых полей, когда имеет место их существенное проникновение сквозь тонкостенный металл экрана и деформируемой заготовки. Как было ранее показано, данный режим является наиболее эффективным с точки зрения сило- вого воздействия на объект обработки [5-9]. Цель работы – теоретический анализ простран- ственно-временных распределений индуцированных токов и сил притяжения в индукторной системе с притягивающим экраном, возбуждаемой плоским круговым соленоидом, расположенным с внешней стороны вспомогательного экрана. Расчётные зависимости. Предполагается «элек- тродинамическая тонкостенность» проводящих эле- ментов исследуемой ИСПЭ, что соответствует ситуа- ции, формально описываемой неравенством [9]: ω·τ << 1, (1) где ω – циклическая частота электромагнитных про- цессов, τ = µ0γd 2 – характерное время проникновения возбуждаемых полей сквозь немагнитный металличе- ский слой с электропроводностью – γ и толщиной – d. Экран и заготовка – листовые металлы одинако- вой толщины – d с одинаковой удельной электропро- водностью – γ. Итак, исследуемая индукторная система пред- ставляет собой послойно расположенные параллель- ные плоские компоненты: возбуждающий круговой экран, немагнитные металлические вспомогательный листовой экран и листовая заготовка. В системе возбуждаются индуцированные токи с линейной плотностью: а) в металле вспомогательного плоского экрана, расположенного на расстоянии – h от возбуждающего кругового соленоида (формула (34) из [4])            0 12 )( )( )1( )( )( )2( ),( drJ ee f dt tdj d rtэJ dh ,(2) где j(t) = jm·j(t) – плотность возбуждающего тока в индукторе, jm – амплитудное значение j(t) – временная зависимость, drrJrf R R )()( 4 3 1   – Фурье-Бесселев образ функции равномерного радиального распреде- ления возбуждающего тока, h – расстояние от возбу- ждающего соленоида до экрана, d – толщина экрана. б) в металле листовой заготовки, расположенной на расстоянии – (3h + d) от возбуждающего кругового соленоида (формула (35) из [4])             0 1 )3( 2 )( )( )1( )( )( )2( ),( drJ e ef dt tdj d rtзJ d dh .(3) Формула для вычисления распределённой силы притяжения, которая при жёстко фиксированном эк- ране будет притягивать листовую заготовку к его ра- бочей поверхности. )2( ),(),(),( )()( 0 h r rtзJrtэJrtFattr   , (4) где ),(),,( )()( rtзJrtэJ  – определены зависимостями (2) и (3), соответственно. Отметим, что в принятой постановке решаемой задачи (низкие частоты действующих полей) на обра- батываемый объект будет действовать только сила электродинамического притяжения (закон Ампера). Интегральная во времени действенность сил отталки- вания и радиального растяжения-сжатия, обусловлен- ных взаимодействием возбуждающих и индуцирован- ных токов (силы Лоренца), будет крайне малой и ими можно пренебречь [5-9]. 54 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2015. №6 Выражения (2 – 4) приведём к виду, удобному в вычислениях. В несобственных интегралах зависимостей (2) и (3) введём новую переменную интегрирования x = λ·d, x[0; ∞). Кроме того, положим, что ток в витке индук- тора изменяется во времени по закону экспоненциаль- но затухающей синусоиды, характерному для реальной магнитно-импульсной обработки металлов [5-9]: ),(sin)(sin)( 0   ejtejtj m t m где j1m – амплитуда, ψ = ω·t – фаза, δ и δ0 – абсолют- ный и относительный декременты затухания. В терминах новой переменной формулы с учётом формы плотности возбуждающего тока в витке индук- тора выражения (2) и (3) принимают следующий вид: а) экран            0 11 )( )1( )(),( dx d r xJ x ee xfJrJ xd h x m э , (5) где     d dg jJ mm )( 2 – «условная» амплитуда сигнала, ),(sin)( 0  eg dyyJy x xf d R x d R x )( 1 )( 4 3 12   ; б) заготовка             0 1 1 3 )( )( )1( )(),( dx d r xJ x e exfJrзJ x d h x m .(6) Численные оценки, результаты анализа. Чис- ленные оценки и анализ выполним для эксперимен- тальной модели ИСПЭ, возбуждаемой внешним вит- ком с R3=0,025м, R4 = 0,03м. На вход индуктора подаётся токовый импульс с рабочей частотой – ω = 2π ·1500 Гц; относительным дек- рементом затухания – δ0 = 0,2; амплитудой – Im = 50 кА. Вспомогательный экран и листовая заготовка – нержавеющая сталь с толщиной d = 0,001 м и удель- ной электропроводностью γ = 0,4·107 1/Ом·м. При ширине витков – ΔR = R2  R1 = R4  R3 = = 0,005 м принятая амплитуда тока может соответст- вовать максимальной величине линейной плотности ~jmax = 107 А/м. Временные характеристики токового импульса и параметры листовой заготовки соответствуют тре- буемому уровню её «прозрачности» для действующих полей, а именно,   .1015,0106,115002 62 0   cd Результаты вычислений с помощью формул (4)  (6) приведены ниже. Графическую зависимость для распределённой силы притяжения (рис. 1,б) (аналог давления при от- талкивании) можно дополнить расчётными данными для интегральной силы притяжения, найденной ин- тегрированием распределённых сил притяжения по площадям участков: {r ≤ 1,2, R2 = 0,036 м, φ[0; 2π]}. а б Рис. 1. Радиальные распределения возбуждаемых токов и сил: а – плотности токов, индуцированных в экране – j1(t) и заготовке – j2(t), б – распределённая сила притяжения заготовки Для наглядности в восприятии результаты вы- числений оформим в виде табл. 1. Таблица 1 № п/п Площадь участка, м2 Сила при- тяжения, Н Среднее значение распреде- лённой силы притяжения, МПа 1 0,004072 1400,25 0,344 Проведенные вычисления показали, что индуци- рованные токи, как в экране, так и заготовке, однона- правлены и их взаимодействие в соответствии с зако- ном Ампера определяет амплитуды возбуждаемых сил притяжения (рис. 1). Особо следует отметить эф- фективную действенность рассмотренной индуктор- ной системы, возбуждаемой внешним круговым соле- ноидом. Здесь при достаточной простоте конструк- тивного исполнения имеют место довольно высокие значения развиваемых сил притяжения и их средних величин (табл. 1). Физически, более высокая силовая эффективность системы с «внешним» витком в срав- нении с системой, где виток расположен во внутрен- ней полости, объясняется отсутствием «провала» в радиальном распределении возбуждаемых сил. Дан- ный «провал» в конструкции с витком между листо- выми металлами обусловлен его экранирующим дей- ствием в отношении сил притяжения между индуци- рованными токами [7, 8]. ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2015. №6 55 Выводы. 1. Проведен теоретический анализ пространствен- но-временных распределений индуцированных токов и сил притяжения в «индукторной системе с притяги- вающим экраном», возбуждаемой плоским круговым соленоидом, расположенным с внешней стороны вспомогательного экрана. 2. Показано, что «индукторная система с притяги- вающим экраном» при возбуждении внешним круго- вым соленоидом с током ~50 кА обеспечивает сило- вые показатели притяжения до ~1400 Н на площади листового металла ~ 0,004 м2. 3. Достаточно высокая эффективность предложен- ного варианта индукторной системы позволяет реко- мендовать её как инструмент внешней рихтовки вмя- тин в кузовных покрытиях автотранспорта. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Welcome to BETAG Innovation [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www.betaginnovation.com. 2. Лаборатория электромагнитных технологий [Электрон- ный ресурс]. – Режим доступа: http://electromagnetic.comoj.com. 3. Пат. 77579 Україна, В21 Д 26/14. Спосіб магнітно- імпульсного притягання металевих заготівок одновитковим круговим індуктором, розташованим над допоміжним екра- ном / Батигін Ю.В., Гнатов А.В., Чаплигін Є.О., Трунова І.С., Гопко А.В., Сабокар О.С.; заявник та патентовласник Харківський нац. автом.-дорожн. ун-т. – № u2012 07542 заявл. 22.06.2012; опубл. 25.02.2013, Бюл. № 4. 4. Батыгин Ю.В., Чаплыгин Е.А., Шиндерук С.А. Расчет полей и токов в индукторной системе с притягивающим экраном и дополнительным витком как инструмента рих- товки // Електротехніка і електромеханіка. – 2015. – № 1. – С. 57-62. 5. Yuriy V. Batygin, Sergey F. Golovashchenko, Andrey V. Gnatov. Pulsed electromagnetic attraction of sheet metals – fun- damentals and perspective applications // Journal of Materials Processing Technology. – 2013. – vol.213. – no.3. – pp. 444-452. 6. Батыгин Ю.В., Гнатов А.В. Магнитно-импульсное при- тяжение и отталкивание тонкостенных листовых ферромаг- нетиков // Электричество. – 2012. – №8. – С. 58-65. 7. Batygin Yuri V., Sergey F. Golovashchenko, Andrey V. Gnatov. Pulsed electromagnetic attraction of nonmagnetic sheet metals // Journal of Materials Processing Technology. – vol.214. – iss.2. – 2014. – pp. 390-401. 8. Батыгин Ю.В., Головащенко С.Ф., Чаплыгин Е.А. Маг- нитно-импульсное притяжение немагнитных металлов // Электричество. – 2014. – №2. – C. 40-52. 9. Batygin Yu.V. Experimental test of the tool for the external EMF removing dents on a car body // International Journal of En- ergy and Power Engineering. – 2014. – vol.3. – no.4. – pp. 204-208. REFERENCES 1. Welcome to BETAG Innovation. Available at: www.betaginnovation.com (accessed 16 June 2014). 2. Laboratoriia elektromagnitnykh tekhnologii (Laboratory of Electromagnetic Technology) Available at: http://electromagnetic.comoj.com (accessed 10 July 2014). (Rus). 3. Batygіn Yu.V., Gnatov A.V., Chaplygіn E.O., Trunova І.S., Gopko A.V., Sabokar O.S. Sposіb magnіtno-іmpul'snogo pritya- gannya metalevih zagotіvok odnovitkovim krugovim іnduktorom, roztashovanim nad dopomіzhnim ekranom [Method of the mag- netic-pulse attraction metal workpeaces single-turn circular in- ductor located on the auxiliary screen]. Patent UA, no.77579, 2013. (Ukr). 4. Batygin Yu.V., Chaplygin E.A., Shinderuk S.A. Calculation of fields and currents in the induction system with the attractive screen and the additional coil as a tool for the straightening. Elektrotekhnika i elektromekhanika – Electrical engineering & electromechanics, 2015, no.1, pp. 57-62. (Rus). 5. Yuriy V. Batygin, Sergey F. Golovashchenko, Andrey V. Gnatov. Pulsed electromagnetic attraction of sheet metals – fundamentals and perspective applications. Journal of Materials Processing Technology, 2013, vol.213, no.3, pp. 444-452. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2012.10.003. 6. Batygin Yu.V., Gnatov A.V. Magnetic-pulse attraction and repulsion of thin-walled sheet ferromagnetics. Electrichestvo – Electricity, 2012, no.8, pp. 58-65. (Rus). 7. Batygin Yuri V., Sergey F. Golovashchenko, Andrey V. Gna- tov. Pulsed electromagnetic attraction of nonmagnetic sheet met- als. Journal of Materials Processing Technology, 2014, vol.214, iss.2, pp. 390-401. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2013.09.018. 8. Batygin Yu.V., Golovashhenko S.F., Chaplygin E.A. Mag- netic-pulse attraction of nonmagnetic metals. Electrichestvo – Electricity, 2014, no.2, pp. 40-52. (Rus). 9. Batygin Yu.V. Experimental test of the tool for the external EMF removing dents on a car body. International Journal of Energy and Power Engineering, 2014, vol.3, no.4, pp. 204-208.  doi: 10.11648/j.ijepe.20140304.14. Поступила (received) 28.05.2015 Чаплыгин Евгений Александрович, к.т.н., доц., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, 61002, Харьков, ул. Петровского, 25, тел/phone +38 057 7073727, e-mail: chaplygin_e_a@mail.ru E.A. Chaplygin Kharkov National Automobile and Highway University, 25, Petrovskogo Str., Kharkov, 61002, Ukraine. Analysis of the processes in an inductor system with an attracting screen excited by the external circular solenoid. Introduction. Developments in the field of magnetic-pulse treatment of metals (MPTM) are increasingly used in the mod- ern technologies of production and repair of the aviation, auto- motive and other machinery, as they are environmentally friendly and energy-efficient in comparison with classical ap- proaches. One of the main components of the device MPTM is a tool – inductor or the inductor system with an attractive screen (ISAS). The calculated dependences to calculate the inductor system with an attractive screen were taken from previous works. The ratios were obtained for the low-frequency mode of the excited fields, when is place their significant penetration through a thin-walled metal screen and a deformed workpiece. As it was shown earlier this mode is the most efficient from point of view of a force action on the object of a processing. Purpose. The theoretical analysis of the spatial-temporal distributions of the induced currents and forces of an attraction in the inductor system with an attractive screen excited by a flat circular sole- noid located on the outside of the auxiliary screen. Methodol- ogy. The calculations are shown that the induced currents both in the screen and the workpiece are unidirectional and their interaction, in accordance with the law of Ampere determines the amplitudes of excited forces of attraction. Let’s note the effective validity of the considered inductor system excited by an external circular solenoid. With sufficient simplicity of the de- sign take place rather high values of the developed forces of attraction and their averages. Results. Physically, a higher power efficiency of the system with an «external» coil in com- parison with a system where coil is located in the internal cav- ity, can be accounted for lade of «failure» in the radial distribu- tion of the excited forces. This «failure» in the design with a coil between the sheet metal is caused by its screening action against the forces of attraction between the induced currents. Practical value. It is shown that the inductor system with an attractive screen when it is excited by outer circular solenoid with a cur- rent of 50 kA ~ provides attractive power rates to about 1400 N on an area of sheet metal ~ 0.004 m2. The sufficiently high effi- ciency of the proposed options of an inductor system allows us to recommend it as a tool of the external straightening dents in the bodycar surfaces of vehicles. References 9, table 1, figure 1. Key words: magnetic pulse treatment, attractive of metals, inductor system, the circular solenoid, attractive screen.