Ступінчатий перетворювач напруги як альтернативне джерело живлення систем магнітно-імпульсної обробки металів та індукційного нагріву

The use of preliminary induction heating of the working zone of magnetic-pulse sheet metals working can improve its efficiency and expand the existing range of technological operations for contactless metal working. Integration of the induction heating systems requires the improvement of existing technical solutions for the electrical energy transformation and transmission. This work is devoted to the mathematical and experimental analysis of the physical processes in the electrical system of a step voltage converter, the technical realization of which is aimed to improve the qualitative and quantitative efficiency indicators of the magnetic pulse metals processing systems and induction heating systems. The novelty of the work is the development of a step charging system to be realized as a controlled source of electrical energy that is a self-contained unit allows to convert voltage levels. The method presented of the non-stationary transient process mathematical representation in the form of piecewise-continuous functions was confirmed experimentally. The experimental data obtained for the model sample of the voltage conversion system proposed was fully correspond to those of the values calculated, that is why the voltage converter is operable itself for using as previous charge systems for magnetic pulse metals processing using induction heating systems as an integrated auxiliary unit. The results of the studies conducted direct on the practical importance for the creation of more compact and automated systems for contactless metal processing.Применение предварительного индукционного нагрева рабочей зоны магнитно-импульсной обработки листовых металлов, может повысить эффективность последней и расширить существующую номенклатуру технологических операций бесконтактной обработки металлов. Интегрирование систем индукционного нагрева требует усовершенствования существующих технических решений по преобразованию и передачи электрической энергии. Работа посвящена математическому и экспериментальному анализу физических процессов, протекающих в электрической системе ступенчатого преобразователя напряжения, техническая реализация которого направлена на повышение качественных и количественных показателей эффективности работы систем магнитно-импульсной обработки металлов и индукционного нагрева. Новизна работы состоит в разработке системы ступенчатого заряда представляющей собой автономный блок, позволяющий реализовать преобразователь уровней напряжения в качестве контролируемого источника электрической энергии. Представленная методика математического представления нестационарного переходного процесса в виде кусочно-непрерывных функций была подтверждена экспериментально. Полученные экспериментальные данные модельного образца предложенной системы преобразования напряжения полностью соответствуют аналогичным расчетным значения, а сам преобразователь напряжения является работоспособным для применения в качестве конструктивного элемента систем магнитно-импульсной обработки металлов с использованием систем индукционного нагревав качестве интегрированного вспомогательного узла. Результаты проведенных исследований имеют практическую значимость для создания более компактных и автоматизированных систем бесконтактной обработки металлов.Застосування попереднього індукційного нагріву робочої зони магнітно-імпульсної обробки листових металів, може підвищити ефективність останньої і розширити існуючу номенклатуру технологічних операцій безконтактної обробки металів. Інтегрування систем індукційного нагріву потребує вдосконалення існуючих технічних рішень з перетворення і передачі електричної енергії. Робота присвячена математичному та експериментальному аналізу фізичних процесів, що протікають в електричній системі ступеневого перетворювача напруги, технічна реалізація якого спрямована на підвищення якісних і кількісних показників ефективності роботи систем магнітно-імпульсної обробки металів і індукційного нагріву. Новизна роботи полягає в розробці системи ступеневого заряду який представляє собою автономний блок, що дозволяє реалізувати перетворювач рівнів напруги в якості контрольованого джерела електричної енергії. Представлена методика математичного опису нестаціонарного перехідного процесу у вигляді кусочно-неперервних функцій була підтверджена експериментально. Отримані експериментальні дані модельного прототипу запропонованої системи перетворення напруги повністю відповідають аналогічним розрахунковим значення, а сам перетворювач напруги є працездатним для застосування в якості конструктивного елемента систем магнітно-імпульсної обробки металів з використанням систем індукційного нагрівається як інтегрованого допоміжного вузла. Результати проведених досліджень мають практичну значимість для створення більш компактних і автоматизованих систем безконтактної обробки металів

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АПРОБАЦИЯ СИСТЕМ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНЫХ ПРОНИЦАЕМОСТЕЙ ЛИСТОВЫХ МЕТАЛЛОВ

The article presents results of practical testing of measurement techniques and characterization of thin sheet metallic ferromagnets under real pulsed magnetic attraction of their sections specified by manufacturing operation conditions. It is shown that the relative magnetic permeability of the processed metals is different from one, which corresponds to full saturation.В статье представлены результаты практической апробации методики измерений и определение характеристик тонкостенных листовых ферромагнетиков при реальном магнитно-импульсном притяжении их участков, заданных условиями производственной операции. Показано, что величина относительной магнитной проницаемости обрабатываемых металлов отлична от единицы, что соответствует полному насыщению.У статті представлені результати практичної апробації методики вимірювань і визначення характеристик тонкостінних листових ферромагнетиків при реальному магнітно-імпульсному тяжінні їх ділянок, заданих умовами виробничої операції. Показано, що величина відносної магнітної проникності оброблюваних металів відмінна від одиниці, що відповідає повному насиченню

MAGNETIC-PULSE CAR BODY PANELS FLATTENING. THEORETICAL ASPECTS AND PRACTICAL RESULTS

The aim of the article is to provide theoretical and experimental studying of the «induction system with an attractive screen» practical effectiveness with the excited magnetic pulse attractive forces numerical estimation. Originality. For the first time, the theoretical analysis of the electrodynamics process for the «inductor system with attractive screen» at the low frequent assumption were conducted. Methodology of the analysis applied is based on the classic electrodynamics circuits theory. All of the resulted carried out, were obtained as the Maxwell’s differential equation solutions and its behavior was analyzed analytically. Results. The electrodynamics process was analyzed and the principle efficiency of the «induction system with an attractive screen» as an effective tool for magnetic pulse forming of the thin sheet metals was substantiated. The axis distributions of the attractive forces based on the relations been obtained were illuminated graphically. The results of experimental testing of the system in the engineering operation of the external non-contact dents removing on the car body panels samples were presented. Practical value. According to the results of the calculation analyses the fundamental workability of the «inductor system with attractive shield» as an effective magnetic pulse sheet metal part attraction tool was proved. It was shown that the not deep metal surface damages could be worked up by magnetic pulses technologies with a high performance in a short time.Проведен анализ электродинамических процессов и обоснована принципиальная работоспособность «индукторной системы с притягивающим экраном», как эффективного инструмента магнитно-импульсной рихтовки тонкостенных листовых металлов. Представлены результаты экспериментальной апробации системы в производственной операции по внешнему бесконтактному удалению вмятин в образцах кузовных панелей автомобилей.Проведен анализ электродинамических процессов и обоснована принципиальная работоспособность «индукторной системы с притягивающим экраном», как эффективного инструмента магнитно-импульсной рихтовки тонкостенных листовых металлов. Представлены результаты экспериментальной апробации системы в производственной операции по внешнему бесконтактному удалению вмятин в образцах кузовных панелей автомобилей

АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В КОМБИНИРОВАННЫХ ИНДУКТОРНЫХ СИСТЕМАХ – ИНСТРУМЕНТАХ РИХТОВКИ СОВРЕМЕННЫХ АВТОМОБИЛЕЙ

The field in combined inductor systems exists only over workpiece, it occurs at only a low-frequency circular magnetic field. In this paper electromagnetic processes in tools of the magnetic pulse attraction (the combined inductor systems) are analyzed. Investigation based on numerical estimations, using previously obtained analytical relations for the excited fields and forces. Calculations are necessary for the successful implementation of straightening metal coatings bodies car. A distribution of relative intensity of magnetic fields to surfaces of sheet workpiece in the centre of a working zone is obtained. The distribution of amplitude tangential component intensity of resulting magnetic field of the surface of sheet metal along the centre of a rectangular coil is received. Feature of the combined induction system is non-uniformly distributed forces of attraction in the work area. The results showed that the calculated working area on the outer surface of sheet workpiece magnetic field strength will be less than 5% of the field strength of a circular low-frequency source. Calculations have shown the effectiveness of the proposed instrument magnetic pulse straightening metal coating bodies car. The actual amplitude of distributed attraction forces are ~ 7.7 MPa.В комбинированных индукторных системах поле существует только над заготовкой, под ней имеет место только круговое низкочастотное магнитное поле. В работе выполнен анализ электромагнитных процессов в инструментах магнитно-импульсного притяжения (комбинированных индукторных системах), основанный на численных оценках, с помощью ранее полученных аналитических зависимостей для возбуждаемых полей и сил, необходимых для успешного выполнения рихтовки металлических покрытий автомобильных кузовов. Получены пространственно-временные распределения касательной составляющей напряжённости магнитного поля на поверхностях обрабатываемого металлического листа; условия, при выполнении которых возможно притяжение листа со стороны его внутренней поверхности (к индукторам); временной характер взаимодействия возбуждаемых полей; пространственные зоны максимального воздействия на обрабатываемый лист. Особенностью комбинированной индукторной системы является неравномерность распределённых сил притяжения в рабочей зоне. Результаты анализа показали, что в рассчитанной рабочей области на внешней поверхности листовой заготовки напряжённость магнитного поля будет составлять не более 5% напряжённости кругового поля низкочастотного источника. Учитывая, что сквозь листовую заготовку плоскопараллельное поле практически не проникает, на её внешней стороне, как следует из выполненных оценок, напряжённость действующего поля будет составлять ~30-40%. Получено распределение относительной напряжённости магнитного поля на поверхности листовой заготовки в центре рабочей зоны, а также распределение амплитудных значений касательной компоненты напряжённости результирующего магнитного поля на поверхности листовой заготовки вдоль центра прямоугольного витка. Вычисления продемонстрировали действенность предложенного инструмента магнитно-импульсной рихтовки металлических покрытий автомобильных кузовов. Реальные амплитуды распределённых сил притяжения составляют ~ 7.7 МПа, при амплитуде напряженности магнитного поля ≈0,35×107А/м. Индукторы – источники поля могут выполняться многовитковыми. Это позволит существенно увеличить напряжённость возбуждаемого магнитного поля и, соответственно, амплитуду сил притяжения.У комбінованих індукторних системах поле існує тільки над заготівкою, під нею має місце тільки кругове низькочастотне магнітне поле. У роботі виконано аналіз електромагнітних процесів в інструментах магнітно-імпульсного притягання (комбінованих індукторних системах), заснований на численних оцінках, за допомогою раніше отриманих аналітичних залежностей для збуджуваних полів і сил, необхідних для успішного виконання рихтування металевих покриттів автомобільних кузовів. Отримано просторово-часовий розподіл дотичної складової напруженості магнітного поля на поверхнях оброблюваного металевого листа; умови, при виконанні яких можливе притягання листа з боку його внутрішньої поверхні (до індукторів); часовий характер взаємодії збуджуваних полів; просторові зони максимального впливу на оброблюваний лист. Особливістю комбінованої індукторної системи є нерівномірність розподілених сил притягання в робочій зоні. Результати аналізу показали, що в розрахованій робочій області на зовнішній поверхні листової заготовки напруженість магнітного поля буде складати не більше 5% напруженості кругового поля низькочастотного джерела. Враховуючи, що крізь листову заготовку плоскопаралельне поле практично не проникає, на її зовнішній стороні, як випливає з виконаних оцінок, напруженість діючого поля буде складати ~ 30-40%. Отримано розподіл відносної напруженості магнітного поля на поверхні листової заготовки в центрі робочої зони, а також розподіл амплітудних значень дотичній компоненти напруженості результуючого магнітного поля на поверхні листової заготовки вздовж центру прямокутного витка. Обчислення продемонстрували дієвість запропонованого інструменту магнітно-імпульсної рихтування металевих покриттів автомобільних кузовів. Реальні амплітуди розподілених сил притягання складають ~ 7.7 МПа, при амплітуді напруженості магнітного поля ≈0,35×107 А/м. Індуктори – джерела поля можуть виконуватися багатовітковими. Це дозволить істотно збільшити напруженість збуджуваного магнітного поля і, відповідно, амплітуду сил притягання

Analysis of electromagnetic processes in the system "cylindrical solenoid - massive conductor"

Defining the key parameters of the inductor geometry, as a long multi-turn solenoid, that influence on the current amplitude induced excited in a massive conductor with a flat boundary surface. Performing a mathematical analysis of the electrodynamic problem solution for an area with variable structure by integrating Maxwell's equation within the given boundary and initial conditions and also physical assumptions simplifying the process of solving but not distorting the result and carrying out an experiment that confirms not only the correctly construction considered but also the acceptability of the chosen assumption the opacity applying of the metal blank for these operating fields frequencies. Functional dependencies of the current induced parameters on the metal surface of the heating object have been obtained, along which numerical estimates of the electrodynamic process have been performed, and key parameters influencing the heating efficiency have been determined. The correctness of the solutions obtained was confirmed experimentally. The final form of the solution function of the physical-mathematical problem was shown to be acceptable for performing further engineering and research calculations. The functional connection of the measured values of the induced surface current and the parameters of the measuring system is determined, the experimental confirmation of which indicates the satisfactory calculation model of the induction heating system and the entire solution as a whole. Based on the calculations performed, working samples of inductive systems for induction heating that meet the specified heating rate and area requirements can be constructed. The obtained analytical expressions were transformed and simplified for their further using for engineering calculations with a minimum error value.Определение ключевых параметров геометрии индуктора, как длинного многовиткового соленоида, влияющих на амплитуду индуцированного тока возбуждаемого в массивном проводнике с плоской граничной поверхностью. Выполнение математического анализа решения электродинамической задачи для среды с переменной структурой путем интегрирования уравнений Максвелла в рамках заданных граничных и начальных условий, а также физических допущений, которые упрощают процесс решения, но не искажают его результат; а также проведение эксперимента подтверждающего не только правильно выполненное построение, но и допустимость применения выбранного допущения о непрозрачности металлической заготовки для данных частот действующих полей. Получены функциональные зависимости искомых параметров индуцированного тока на поверхности металла объекта нагрева, по которым были выполнены численные оценки электродинамического процесса, определены ключевые параметры, влияющие на эффективность нагрева. Правильность полученных решений была подтверждена экспериментально. Окончательный вид функции решения физико-математической задачи был приведен к приемлемому для выполнения дальнейших инженерных и исследовательских расчётов. Определена функциональная связь измеряемых величин индуцированного поверхностного тока и параметров измерительной системы, экспериментальное подтверждение которой свидетельствует об удовлетворительности расчетной модели системы индукционного нагрева и всего решения в целом. На основании проведенных расчетов могут быть сконструированы рабочие образцы индуктивных систем для индукционного нагрева, отвечающие заданным требованиям скорости нагрева и его площади. Полученные аналитические выражения были преобразованы и упрощены с целью их дальнейшего использования для инженерных расчётов с минимальной величиной погрешност

Measurement of electric conductivity in the system “transparent” cylindrical source field

Розкрито основи безконтактного способу вимірювання питомої електропровідності листових металів, що ґрунтується на компенсації електромагнітних полів двох соленоїдів у внутрішній порожнині системи з двома листовими металевими зразками. Наведено аналітичні співвідношення для розрахунку основних електромагнітних характеристик представленої системи. Конкретними чисельними оцінками показана працездатність запропонованого способу.The given article deals with the solution of problems arising at measuring of electrical conductivity of metal samples by traditional methods. Theoretical foundations of the noncontact method of electrical conductivity measuring of sheet metals, based on compensation of electromagnetic fields of two solenoids are discovered. The offered method of electrical conductivity measuring of metals is based on the idea that the two metal sheets are affected by contradirectional magnetic fields from outside. The term "contradirectional" means turning on the sources of the magnetic field at which the vectors of intensity have opposite directions and their amplitudes are that, that in the space between the samples the magnetic flux is equal to zero. The advantage of the given method, in comparison with the known analogues is the lack of electrical links with the object of investigation that allows solving the problem of presence of contacts resistance and conductors proper contacting electromotive force in the measuring contour as well as «device - object of investigation». At small dimensions of investigated metal, the value of the transitive resistance grows in the zone of contacts and, accordingly, the error in definition of the size of measuring. The analytical relations for calculation of the basic electromagnetic performances of certain temporary shapes of currents in coils-sources which are the most simple and accepted for practice - exponential and harmonious dependences, are indicated. Since all the calculated dependences should give quantities of the electrical conductivity with certain scattering caused by corresponding accepted assumptions, but comprehensible to practical use for estimation of possible disagreements and formulation of requirements of their minimization relations of currents in coils-sources in various approximations (exponential signals, harmonious etc.) are written out. It is shown that these dependences are various, as each of approximations has a certain degree of inadequacy to real requirements. It is shown that at an appropriate selection of requirements for measuring, the metal electrical conductivity can be defined with rather a low level of error in comparison with reliable data

Вплив геометричних параметрів і магнітних властивостей тонкостінних металів на процеси індукційного нагріву

Background. The use of induction heating in the technologies of contactless processing of sheet metals is an actual solution, which allows increasing the effectiveness of performed operations. The most of the induction heating systems applied, due to the high level of power used, operate in the modes of deep saturation of the metal. The issue of the electrodynamic processes occurred in the region of the non-constant index of the magnetic permeability of the metal is relevant.Objective. The aim of the paper is conducting analysis of the peculiarities of electromagnetic processes in a ferromagnetic sheet metal located in the alternating magnetic field of the external inductor to determine the optimal characteristics of the system.Methods. The adaptation for Maxwell's equations solution in accordance with accepted assumptions of the physical-mathematical model for obtaining numerical estimates.Results. The analytical dependences obtained, which are the solution of the physical and mathematical problem within the framework of the adopted model, were analyzed with the corresponding numerical estimates.Conclusions. Numerical estimates have shown that the variation of the metal permeability parameter of the object, as well as the degree of its saturation in the course of vortex currents, has a significant effect on the heating time of the metal. The saturation state avoiding will increase the efficiency of the heating process.Проблематика. Использование индукционного нагрева в технологиях бесконтактной обработки листовых металлов является актуальным предложением, позволяющим повысить эффективные показатели выполняемых операций. Большинство при­ме­няемых систем индукционного нагрева, ввиду высокого уровня используемой мощности, работают в режимах глубокого насы­щения ме­талла. Актуальным является вопрос протекания электродинамических процессов в области непостоянного показателя маг­нит­ной проницаемости металла.Цель исследования. Целью работы является анализ особенностей протекания электромагнитных процессов в фер­ромагнитном листовом металле, находящемся в переменном магнитном поле внешнего индуктора, для определения оптимальных характеристик системы.Методика реализации. Приведение системы уравнений Максвелла в соттветствии с принятыми допущениями физико-ма­тематической модели для получения численных оценок.Результаты исследования. Полученные аналитические зависимости, являющиеся решением физико-математической задачи в рамках принятой модели, были проанализированы с соответствующими численными оценками.Выводы. Численные оценки показали, что вариация параметра магнитной проницаемости металла объекта, как и степень его насыщения при протекании вихревых токов, существенно влияет на время нагрева металла. Уход от состояния насыщения повышает эффективность процесса нагрева.Проблематика. Використання індукційного нагріву в технологіях безконтактної обробки листових металів є актуальною пропозицією, що дає змогу підвищити ефективні показники виконуваних операцій. Більшість застосовуваних систем індукційного нагріву, через високий рівень використовуваної потужності, працюють у режимах глибокого насичення металу. Актуальним є питання перебігу електродинамічних процесів для показника магнітної проникності в області неглибокого насичення металу.Мета дослідження. Метою роботи є аналіз особливостей перебігу електромагнітних процесів у феромагнітному листовому металі, що перебуває в змінному магнітному полі зовнішнього індуктора, для визначення оптимальних характеристик системи.Методика реалізації. Зведення системи рівнянь Максвелла відповідно до прийнятих допущень фізико-математичної моделі для одержання числових оцінок.Результати дослідження. Отримані аналітичні залежності, що є розв’язком фізико-математичної задачі в рамках прийнятої моделі, було проаналізовано з урахуванням відповідних числових оцінок.Висновки. Числові оцінки показали, що варіація параметра магнітної проникності металу об’єкта, як і ступінь його насичення при протіканні вихрових струмів, істотно впливає на час нагрівання металу. Відхід від стану насичення зменшує ефективність процесу нагріву

INDUCTION HEATING IN HISTORY AND DEVELOPMENT. APPLICATION IN MODERN TRANSPORT REPAIRING TECHNOLOGIES

The technologies used in repair of vehicles were analyzed in the given paper. The shortcomings of the mechanical repair methods in question can be solved by using induction heating. Analysis of the stages of development and implementation of induction heating in industries showed effective performance of this technology and its opportunities for further improvement. An alternative repair technique, which consists in using induction heating, was proposed

ANALYSIS OF ELECTROMAGNETIC PROCESS IN COMBINED INDUCTOR SYSTEMS, AS TOOLS FOR STRAIGHTENING OF MODERN CAR

The field in combined inductor systems exists only over workpiece, it occurs at only a low-frequency circular magnetic field. In this paper electromagnetic processes in tools of the magnetic pulse attraction (the combined inductor systems) are analyzed. Investigation based on numerical estimations, using previously obtained analytical relations for the excited fields and forces. Calculations are necessary for the successful implementation of straightening metal coatings bodies car. A distribution of relative intensity of magnetic fields to surfaces of sheet workpiece in the centre of a working zone is obtained. The distribution of amplitude tangential component intensity of resulting magnetic field of the surface of sheet metal along the centre of a rectangular coil is received. Feature of the combined induction system is non-uniformly distributed forces of attraction in the work area. The results showed that the calculated working area on the outer surface of sheet workpiece magnetic field strength will be less than 5% of the field strength of a circular low-frequency source. Calculations have shown the effectiveness of the proposed instrument magnetic pulse straightening metal coating bodies car. The actual amplitude of distributed attraction forces are ~ 7.7 MPa

ESTIMATING THE LIMIT POSSIBILITIES OF THE STEP CHARGING SYSTEM FOR CAPACITIVE ENERGY STORAGE

The aim of the article is to estimate the limit possibilities of step-by-step charging the capacitive energy storage which are caused by the achievement of a balance among the processes of the receiving and losing of electromagnetic energy. Originality. For the first time a step the charging system as a high power converter for pulsed load was considered, that allow to simplify similar charging systems and make its chipper while saving output characteristics and common quality. Methodology of the analysis applied is based on the classic electric circuits theory. All of the resulted carried out, were obtained as the differential equation solutions and its behavior was analyses analytically. Results. The basic diagram of the step-by-step charging system what is an alternative to the traditional variant with the step-up transformer was described. This system realizes the serial charge voltage increasing by the separate portions of energy, which has been, accumulated preliminary in the inductive energy storage. The formulas for estimating the limit possibilities of the step-by-step charging were got. These limits are caused by achieving a balance of the entering and losing electromagnetic energy. The applicability of the formulas was illustrated by numerical examples. Practical value. According to the results that were obtained, it is possible to note, that the step charging system is acceptable to be used as a high power converter for capacitive storage charging