В рамках статьи проведены экспериментальные исследования индуктивности индукторов-инструментов, применяемых в магнитно-импульсной обработке металлов, разработанных в лаборатории электромагнитных технологий ХНАДУ. Сформулировано условие тонкостенности обрабатываемого объекта при магнитно-импульсном воздействии на него.Experimental investigations of inductor-tools inductance, which are used in magnetic-pulse metal working, developed in KhNAHU laboratory of electromagnetic technology, have been carried out in the paper. A condition of a thin-walled work piece at magnetic-pulse impact on it has been formulated

Гнатов, Андрей Викторович

Чаплыгин, Евгений Александрович

Library of National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"

ISSN 2079-3944. Вісник НТУ "ХПІ". 2012. № 49 (955) 79 
СИЛЬНІ ЕЛЕКТРИЧНІ ТА МАГНІТНІ ПОЛЯ 
УДК 621.318 
 
А.В. ГНАТОВ, канд. техн. наук, доц., докторант, ХНАДУ, Харьков 
Е.А. ЧАПЛЫГИН, канд. техн. наук, доц., ХНАДУ, Харьков 
 
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 
ИНДУКТОРОВ – ИНСТРУМЕНТОВ ДЛЯ МИОМ 
 
В рамках статьи проведены экспериментальные исследования индуктивности 
индукторов-инструментов, применяемых в магнитно-импульсной обработке 
металлов, разработанных в лаборатории электромагнитных технологий 
ХНАДУ. Сформулировано условие тонкостенности обрабатываемого объекта 
при магнитно-импульсном воздействии на него. 
Ключевые слова: магнитно-импульсная обработка металлов, магнитно-
импульсная установка, индуктор-инструмент, индуктивность.  
 
Постановка проблемы. Для эффективной практической реализа-
ции магнитно-импульсных методов необходим индуктор-инструмент 
(индукторная система), который трансформирует энергию, накоплен-
ную в емкостных накопителях магнитно-импульсной установки 
(МИУ), в энергию импульсного магнитного поля. Эффективность 
(КПД) данного процесса определяется соотношением электротехниче-
ских параметров МИУ и инструмента-индуктора. Наиболее важным, 
из которых является индуктивность. Зная индуктивность индукторов-
инструментов, и согласуя их с индуктивностью источника мощности-
МИУ, можно добиться эффективного выполнения необходимой про-
изводственной операции методами МИОМ [1-3]. 
Цель, задачи исследования. Цель – экспериментальное опреде-
ление основного параметра – индуктивности индукторов-
инструментов для магнитно-импульсных методов обработки металлов, 
разработанных в лаборатории электромагнитных технологий ХНАДУ. 
Задачи исследования: 
1.Измерение индуктивности комплекса для имитации процессов в 
инструментах магнитно-импульсной рихтовки вмятин в элементах 
автомобильных кузовов. 
2.Измерение индуктивности индукционной индукторной системы 
(ИИС) с массивным дополнительным экраном и цилиндрическим ин-
дуктором (рис. 1, а). 
 
 
© Гнатов А.В., Чаплыгин Е.А., 2012 
80 ISSN 2079-3944. Вісник НТУ "ХПІ". 2012. № 49 (955)  
3.Измерение индуктивности индукционно-индукторной системы 
с тонкостенным дополнительным экраном и цилиндрическим индук-
тором (рис. 1, б). 
4.Измерение индуктивности индукционно-индукторной системы 
с тонкостенным дополнительным экраном и индуктором прямоуголь-
ной формы (рис. 1, в). 
5.Измерение индуктивности цилиндрического индуктора, рабочая 
область которого в сечении имеет форму усеченного массивного кону-
са (рис. 1, г). 
6.Измерение индуктивности индукционно-индукторной системы 
с массивным дополнительным экраном и двухвитковым цилиндриче-
ским индуктором (рис. 1, д)  
 
 
 
 
а б в 
 
 
г д 
Рис. 1. Индукционные индукторные системы: а – с массивным дополнитель-
ным экраном и цилиндрическим индуктором; б – с тонкостенным дополни-
тельным экраном и цилиндрическим индуктором; в – с тонкостенным допол-
нительным экраном и индуктором прямоугольной формы; г – рабочая область 
в сечении имеет форму усеченного массивного конуса; д – с массивным до-
полнительным экраном и двухвитковым цилиндрическим индуктором. 
 
Условия эксперимента. В перечисленных задачах упоминаются 
массивный и тонкостенный дополнительный экран. Для большей на-
глядности поставленных задач следует раскрыть физическую значи-
мость данных определений. 
Металлическую заготовку следует считать тонкостенной, если 
для нее выполняется условие [3, 4]: 
 1,ω⋅ τ <<  (1) 
где ω – угловая частота спектра действующего магнитного поля; τ – 
ISSN 2079-3944. Вісник НТУ "ХПІ". 2012. № 49 (955) 81 
характерное время диффузии поля в проводящий слой с электропрово-
димостью – γ и толщиной – d, τ=µrµ0γd2. 
Для выяснения физического значения условия тонкостенности 
преобразуем его так, чтобы выделить отношение толщины проводяще-
го слоя – d к эффективной глубине проникновения поля – δ. 
После несложных преобразований в выражении (1) получаем эк-
вивалентное неравенство: 
 
1
,
2
 
<< δ 
d
 (2) 
где 
2δ =
ω⋅µ ⋅ γ
, µ – абсолютная магнитная проницаемость среды. 
µ=µ0·µr, µr – магнитная проницаемость металла. 
Соотношение (2) количественно показывает, что металлическая 
заготовка является тонкостенной с физической точки зрения, если ее 
толщина много меньше эффективной глубины проникновения поля в 
среду с идентичными параметрами. 
Экспериментальные исследования проводились на комплексе для 
имитации и моделирования процессов в инструментах магнитно-
импульсной обработки металлов, разработанного в лаборатории элек-
тромагнитных технологий ХНАДУ, рис. 2 
 
 
Рис. 2. Комплекс для имитации и моделирования процессов в инструментах 
магнитно-импульсной обработки металлов. 
 
Комплекс работал в серийном режиме генерации разрядных им-
пульсов, при следующих параметрах: 
−напряжение питающей сети ~ Uс=220 В; 
−напряжение заряда емкостных накопителей Uз =650 В; 
−ёмкость конденсаторов комплекса С=33 мкФ; 
−частота следования разрядных импульсов fимп.=20 Гц. 
Осциллограммы сигналов измерялись в разрядной цепи комплек-
са с помощью цифрового осциллографа PV6501 включенный в разряд-
ную цепь через шунт с сопротивлением Rш=12,5·10-3 Ом. 
82 ISSN 2079-3944. Вісник НТУ "ХПІ". 2012. № 49 (955)  
Полученные осциллограммы сигналов в соответствии с постав-
ленными задачами представлены на рис. 3. 
  
а                                                                         б 
  
в                                                                         г 
  
д                                                                            е 
Рис. 3. Осциллограммы разрядных сигналов: разрядный импульс комплекса на 
закороченый вывод (а); ИИС с массивным дополнительным экраном и цилин-
дрическим индуктором (б); ИИС с тонкостенным дополнительным экраном и 
цилиндрическим индуктором (в); ИИС с тонкостенным дополнительным экра-
ном и индуктором прямоугольной формы (г); цилиндрический массивный 
индуктор, рабочая область которого в сечении имеет форму усеченного конуса 
(д); ИИС с массивным дополнительным экраном и двухвитковым цилиндриче-
ским индуктором (е). 
 
Индуктивность L вычислялась с помощью осциллограмм по хо-
рошо известной формуле: 
2
1
=
ω ⋅
L
C
. (3) 
ISSN 2079-3944. Вісник НТУ "ХПІ". 2012. № 49 (955) 83 
где ω=2pif – угловая частота разрядного импульса, рад/с; С – ёмкость 
накопителя энергии, Ф. 
Результаты обработки осциллограмм сведены в таблицу. 
 
Таблица – Результаты обработки осциллограмм 
Исследуемое устройство  
Частота 
сигнала, f, 
кГц 
Индуктивность 
L, нГн 
Комплекс для имитации процессов 30,12 847 
Индукционная индукторная система с мас-
сивным дополнительным экраном и цилинд-
рическим индуктором (рис. 1, а) 
28,41 105 
Индукционная индукторная система с тон-
костенным дополнительным экраном и ци-
линдрическим индуктором (рис. 1, б) 
27,78 149 
Индукционная индукторная система с тон-
костенным дополнительным экраном и ин-
дуктором прямоугольной формы (рис. 1, в) 
27,47 171 
Цилиндрический массивный индуктор, ра-
бочая область которого в сечении имеет 
форму усеченного конуса (рис. 1, г) 
29,59 30 
ИИС с массивным дополнительным экраном 
и двухвитковым цилиндрическим индукто-
ром (рис. 1, д) 
26,88 237 
 
Выводы. Проведенные экспериментальные исследования индук-
торов-инструментов с последующей их обработкой позволяет сделать 
следующие выводы. 
- Наибольшей индуктивностью обладают индукторные системы с 
двухвитковыми индукторами: ИИС с массивным дополнительным эк-
раном и двухвитковым цилиндрическим индуктором ИИС L=237 нГн; 
ИИС с двухвитковым индуктором прямоугольной формы L=171 нГн. 
- Наименьшей индуктивностью обладает цилиндрический мас-
сивный индуктор, рабочая область которого в сечении имеет форму 
усеченного конуса L=30 нГн. 
 
Список литературы: 1. Справочник по магнитно-импульсной обработке 
металлов / [авт. сот. И.В. Белый, С.М. Фертик, Л.Т. Хименко]. – Харьков: 
Вища школа, 1977. – 190с. 2. Батыгин Ю.В. Импульсные магнитные поля для 
прогрессивных технологий / Ю.В. Батыгин, В.И. Лавинский, Л.Т. Хименко. – 
Т.1; под ред. Ю.В. Батыгина. – [2-е изд.]. – Харьков: МОСТ-Торнадо, 2003. – 
284 с. 3. Туренко А.Н. Импульсные магнитные поля для прогрессивных техно-
логий. Теория и эксперимент притяжения тонкостенных металлов импульсны-
ми магнитными полями / А.Н. Туренко, Ю.В. Батыгин, А.В. Гнатов. – Т. 3, – 
Харьков: ХНАДУ, 2009. – 240 с. 4. Ландау Л.Д. Электродинамика сплошных 
84 ISSN 2079-3944. Вісник НТУ "ХПІ". 2012. № 49 (955)  
сред / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц, – М: "Наука", 1982. – 620 с. 
 
 
 
Гнатов Андрей Викторович, доцент, кандидат техниче-
ских наук. Защитил диплом инженера, диссертацию кан-
дидата технических наук в Харьковском военном уни-
верситете по специальности вооружение и военная тех-
ника, соответственно в 1998, 2004 гг. Доцент кафедры 
"Автомобильная электроника" Харьковского националь-
ного автомобильно-дорожного университета. 
Основные направления научной деятельности: магнитно-
импульсная обработка листовых металлов. 
 
Чаплыгин Евгений Александрович, кандидат техниче-
ских наук. Защитил диплом инженера, диссертацию кан-
дидата технических наук в Национальном техническом 
университете "ХПИ" по специальности техника сильных 
электрических и магнитных полей, соответственно в 2003, 
2009 гг. Доцент кафедры физики Харьковского нацио-
нального автомобильно-дорожного университета. 
Основные направления научной деятельности: магнитно-
импульсная обработка листовых металлов. 
 
Поступила в редколлегию 27.09.2012 
 
УДК 621.318 
Экспериментальные исследования ндукторов-инструментов для 
МИОМ / Гнатов А.В., Чаплыгин Е.А. // Вісник НТУ "ХПІ". Серія: Проблеми 
удосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика. – Х.: НТУ 
"ХПІ", 2012. – № 49 (955). – С. 79-84. Бібліогр.: 4 назв. 
У рамках статті проведені експериментальні дослідження індуктивності 
індукторів-інструментів, що застосовуються у магнітно-імпульсній обробці 
металів, розроблених у лабораторії електромагнітних технологій ХНАДУ. 
Сформульовано умову тонкостінності оброблюваного об'єкта при магнітно-
імпульсному впливі на нього. 
Ключові слова: магнітно-імпульсна обробка металів, магнітно-
імпульсна установка, індуктор-інструмент, індуктивність. 
 
Experimental investigations of inductor-tools inductance, which are used in 
magnetic-pulse metal working, developed in KhNAHU laboratory of electromag-
netic technology, have been carried out in the paper. A condition of a thin-walled 
work piece at magnetic-pulse impact on it has been formulated. 
Key words: magnetic-pulse metal working, magnetic-pulse plant, inductor – 
work tool, inductance. 


Экспериментальные исследования индукторов-инструментов для МИОМ

eNTUKhPIIR Electronic National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"; Institutional Repository

ISSN 2079-3944. Вісник НТУ "ХПІ". 2012. № 49 (955) 79 СИЛЬНІ ЕЛЕКТРИЧНІ ТА МАГНІТНІ ПОЛЯ УДК 621.318  А.В. ГНАТОВ, канд. техн. наук, доц., докторант, ХНАДУ, Харьков Е.А. ЧАПЛЫГИН, канд. техн. наук, доц., ХНАДУ, Харьков  ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИНДУКТОРОВ – ИНСТРУМЕНТОВ ДЛЯ МИОМ  В рамках статьи проведены экспериментальные исследования индуктивности индукторов-инструментов, применяемых в магнитно-импульсной обработке металлов, разработанных в лаборатории электромагнитных технологий ХНАДУ. Сформулировано условие тонкостенности обрабатываемого объекта при магнитно-импульсном воздействии на него. Ключевые слова: магнитно-импульсная обработка металлов, магнитно-импульсная установка, индуктор-инструмент, индуктивность.   Постановка проблемы. Для эффективной практической реализа-ции магнитно-импульсных методов необходим индуктор-инструмент (индукторная система), который трансформирует энергию, накоплен-ную в емкостных накопителях магнитно-импульсной установки (МИУ), в энергию импульсного магнитного поля. Эффективность (КПД) данного процесса определяется соотношением электротехниче-ских параметров МИУ и инструмента-индуктора. Наиболее важным, из которых является индуктивность. Зная индуктивность индукторов-инструментов, и согласуя их с индуктивностью источника мощности-МИУ, можно добиться эффективного выполнения необходимой про-изводственной операции методами МИОМ [1-3]. Цель, задачи исследования. Цель – экспериментальное опреде-ление основного параметра – индуктивности индукторов-инструментов для магнитно-импульсных методов обработки металлов, разработанных в лаборатории электромагнитных технологий ХНАДУ. Задачи исследования: 1.Измерение индуктивности комплекса для имитации процессов в инструментах магнитно-импульсной рихтовки вмятин в элементах автомобильных кузовов. 2.Измерение индуктивности индукционной индукторной системы (ИИС) с массивным дополнительным экраном и цилиндрическим ин-дуктором (рис. 1, а).   © Гнатов А.В., Чаплыгин Е.А., 2012 80 ISSN 2079-3944. Вісник НТУ "ХПІ". 2012. № 49 (955)  3.Измерение индуктивности индукционно-индукторной системы с тонкостенным дополнительным экраном и цилиндрическим индук-тором (рис. 1, б). 4.Измерение индуктивности индукционно-индукторной системы с тонкостенным дополнительным экраном и индуктором прямоуголь-ной формы (рис. 1, в). 5.Измерение индуктивности цилиндрического индуктора, рабочая область которого в сечении имеет форму усеченного массивного кону-са (рис. 1, г). 6.Измерение индуктивности индукционно-индукторной системы с массивным дополнительным экраном и двухвитковым цилиндриче-ским индуктором (рис. 1, д)      а б в   г д Рис. 1. Индукционные индукторные системы: а – с массивным дополнитель-ным экраном и цилиндрическим индуктором; б – с тонкостенным дополни-тельным экраном и цилиндрическим индуктором; в – с тонкостенным допол-нительным экраном и индуктором прямоугольной формы; г – рабочая область в сечении имеет форму усеченного массивного конуса; д – с массивным до-полнительным экраном и двухвитковым цилиндрическим индуктором.  Условия эксперимента. В перечисленных задачах упоминаются массивный и тонкостенный дополнительный экран. Для большей на-глядности поставленных задач следует раскрыть физическую значи-мость данных определений. Металлическую заготовку следует считать тонкостенной, если для нее выполняется условие [3, 4]:  1,ω⋅ τ <<  (1) где ω – угловая частота спектра действующего магнитного поля; τ – ISSN 2079-3944. Вісник НТУ "ХПІ". 2012. № 49 (955) 81 характерное время диффузии поля в проводящий слой с электропрово-димостью – γ и толщиной – d, τ=µrµ0γd2. Для выяснения физического значения условия тонкостенности преобразуем его так, чтобы выделить отношение толщины проводяще-го слоя – d к эффективной глубине проникновения поля – δ. После несложных преобразований в выражении (1) получаем эк-вивалентное неравенство:  1,2 << δ d (2) где 2δ =ω⋅µ ⋅ γ, µ – абсолютная магнитная проницаемость среды. µ=µ0·µr, µr – магнитная проницаемость металла. Соотношение (2) количественно показывает, что металлическая заготовка является тонкостенной с физической точки зрения, если ее толщина много меньше эффективной глубины проникновения поля в среду с идентичными параметрами. Экспериментальные исследования проводились на комплексе для имитации и моделирования процессов в инструментах магнитно-импульсной обработки металлов, разработанного в лаборатории элек-тромагнитных технологий ХНАДУ, рис. 2   Рис. 2. Комплекс для имитации и моделирования процессов в инструментах магнитно-импульсной обработки металлов.  Комплекс работал в серийном режиме генерации разрядных им-пульсов, при следующих параметрах: −напряжение питающей сети ~ Uс=220 В; −напряжение заряда емкостных накопителей Uз =650 В; −ёмкость конденсаторов комплекса С=33 мкФ; −частота следования разрядных импульсов fимп.=20 Гц. Осциллограммы сигналов измерялись в разрядной цепи комплек-са с помощью цифрового осциллографа PV6501 включенный в разряд-ную цепь через шунт с сопротивлением Rш=12,5·10-3 Ом. 82 ISSN 2079-3944. Вісник НТУ "ХПІ". 2012. № 49 (955)  Полученные осциллограммы сигналов в соответствии с постав-ленными задачами представлены на рис. 3.   а                                                                         б   в                                                                         г   д                                                                            е Рис. 3. Осциллограммы разрядных сигналов: разрядный импульс комплекса на закороченый вывод (а); ИИС с массивным дополнительным экраном и цилин-дрическим индуктором (б); ИИС с тонкостенным дополнительным экраном и цилиндрическим индуктором (в); ИИС с тонкостенным дополнительным экра-ном и индуктором прямоугольной формы (г); цилиндрический массивный индуктор, рабочая область которого в сечении имеет форму усеченного конуса (д); ИИС с массивным дополнительным экраном и двухвитковым цилиндриче-ским индуктором (е).  Индуктивность L вычислялась с помощью осциллограмм по хо-рошо известной формуле: 21=ω ⋅LC. (3) ISSN 2079-3944. Вісник НТУ "ХПІ". 2012. № 49 (955) 83 где ω=2pif – угловая частота разрядного импульса, рад/с; С – ёмкость накопителя энергии, Ф. Результаты обработки осциллограмм сведены в таблицу.  Таблица – Результаты обработки осциллограмм Исследуемое устройство  Частота сигнала, f, кГц Индуктивность L, нГн Комплекс для имитации процессов 30,12 847 Индукционная индукторная система с мас-сивным дополнительным экраном и цилинд-рическим индуктором (рис. 1, а) 28,41 105 Индукционная индукторная система с тон-костенным дополнительным экраном и ци-линдрическим индуктором (рис. 1, б) 27,78 149 Индукционная индукторная система с тон-костенным дополнительным экраном и ин-дуктором прямоугольной формы (рис. 1, в) 27,47 171 Цилиндрический массивный индуктор, ра-бочая область которого в сечении имеет форму усеченного конуса (рис. 1, г) 29,59 30 ИИС с массивным дополнительным экраном и двухвитковым цилиндрическим индукто-ром (рис. 1, д) 26,88 237  Выводы. Проведенные экспериментальные исследования индук-торов-инструментов с последующей их обработкой позволяет сделать следующие выводы. - Наибольшей индуктивностью обладают индукторные системы с двухвитковыми индукторами: ИИС с массивным дополнительным эк-раном и двухвитковым цилиндрическим индуктором ИИС L=237 нГн; ИИС с двухвитковым индуктором прямоугольной формы L=171 нГн. - Наименьшей индуктивностью обладает цилиндрический мас-сивный индуктор, рабочая область которого в сечении имеет форму усеченного конуса L=30 нГн.  Список литературы: 1. Справочник по магнитно-импульсной обработке металлов / [авт. сот. И.В. Белый, С.М. Фертик, Л.Т. Хименко]. – Харьков: Вища школа, 1977. – 190с. 2. Батыгин Ю.В. Импульсные магнитные поля для прогрессивных технологий / Ю.В. Батыгин, В.И. Лавинский, Л.Т. Хименко. – Т.1; под ред. Ю.В. Батыгина. – [2-е изд.]. – Харьков: МОСТ-Торнадо, 2003. – 284 с. 3. Туренко А.Н. Импульсные магнитные поля для прогрессивных техно-логий. Теория и эксперимент притяжения тонкостенных металлов импульсны-ми магнитными полями / А.Н. Туренко, Ю.В. Батыгин, А.В. Гнатов. – Т. 3, – Харьков: ХНАДУ, 2009. – 240 с. 4. Ландау Л.Д. Электродинамика сплошных 84 ISSN 2079-3944. Вісник НТУ "ХПІ". 2012. № 49 (955)  сред / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц, – М: "Наука", 1982. – 620 с.    Гнатов Андрей Викторович, доцент, кандидат техниче-ских наук. Защитил диплом инженера, диссертацию кан-дидата технических наук в Харьковском военном уни-верситете по специальности вооружение и военная тех-ника, соответственно в 1998, 2004 гг. Доцент кафедры "Автомобильная электроника" Харьковского националь-ного автомобильно-дорожного университета. Основные направления научной деятельности: магнитно-импульсная обработка листовых металлов.  Чаплыгин Евгений Александрович, кандидат техниче-ских наук. Защитил диплом инженера, диссертацию кан-дидата технических наук в Национальном техническом университете "ХПИ" по специальности техника сильных электрических и магнитных полей, соответственно в 2003, 2009 гг. Доцент кафедры физики Харьковского нацио-нального автомобильно-дорожного университета. Основные направления научной деятельности: магнитно-импульсная обработка листовых металлов.  Поступила в редколлегию 27.09.2012  УДК 621.318 Экспериментальные исследования ндукторов-инструментов для МИОМ / Гнатов А.В., Чаплыгин Е.А. // Вісник НТУ "ХПІ". Серія: Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика. – Х.: НТУ "ХПІ", 2012. – № 49 (955). – С. 79-84. Бібліогр.: 4 назв. У рамках статті проведені експериментальні дослідження індуктивності індукторів-інструментів, що застосовуються у магнітно-імпульсній обробці металів, розроблених у лабораторії електромагнітних технологій ХНАДУ. Сформульовано умову тонкостінності оброблюваного об'єкта при магнітно-імпульсному впливі на нього. Ключові слова: магнітно-імпульсна обробка металів, магнітно-імпульсна установка, індуктор-інструмент, індуктивність.  Experimental investigations of inductor-tools inductance, which are used in magnetic-pulse metal working, developed in KhNAHU laboratory of electromag-netic technology, have been carried out in the paper. A condition of a thin-walled work piece at magnetic-pulse impact on it has been formulated. Key words: magnetic-pulse metal working, magnetic-pulse plant, inductor – work tool, inductance. 

http://repository.kpi.kharkov.ua/bitstream/KhPI-Press/10077/1/vestnik_HPI_2012_49_Gnatov_Eksperimentalnyie.pdf

Экспериментальные исследования индукторов-инструментов для МИОМ

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Library of National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"

eNTUKhPIIR Electronic National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"; Institutional Repository