【原】三峡大学科研人员发布成果，可解决双线圈吸引式板件电磁成形过程中存在的涡流竞争问题

中国电工技术学会活动专区

CES Conference

电磁成形是利用脉冲电磁力实现轻质合金快速塑性成形的一种高能率加工技术，可显著提高材料的成形极限并改善成形性能。吸引式电磁成形则是其中的一种独特应用，利用两种不同脉宽的电流驱动同一线圈来产生吸引式电磁力，适用于板件凹痕修复、微小管件成形等领域。单线圈结构对两种电流的参数匹配要求非常严格，且能量利用效率极低。

为解决这一问题，三峡大学电气与新能源学院、三峡大学湖北省输电线路工程技术研究中心的研究人员熊奇、杨猛、周丽君、宋先祺、李哲，在2021年第10期《电工技术学报》上撰文，提出两种电流各自驱动一个线圈的双线圈结构吸引式电磁成形方案，并进行仿真验证。

然而研究过程中发现，双线圈结构带来新的涡流密度竞争现象，将会引起成形缺陷。为了消除这一缺陷，科研人员进一步研究涡流竞争产生的原因和机制，最终通过调整线圈的结构参数，在直径200mm的AA1060-H28铝合金板件双线圈吸引式电磁成形方案中，消除成形缺陷。相关研究结果能够加深对吸引式板件电磁成形过程的理解，对于拓展电磁成形技术在板件加工上的应用具有重要意义。

电磁成形（Electromagnetic Forming, EMF）是一种在线圈中通以脉冲大电流来产生脉冲磁场，进而在金属材料中感应涡流密度，涡流密度和磁场共同作用产生洛伦兹力，从而驱动工件发生塑性变形的一种高速率成形方法。该技术能显著提高铝、镁等轻质合金的成形极限，抑制起皱，减小回弹，在轻质合金的加工上具有巨大潜力。目前，这一技术广泛地应用于金属管件和板件的电磁胀形、电磁压缩、电磁冲压和电磁焊接等工艺。

通常，电磁成形使用螺线管线圈作为驱动线圈，由其产生的脉冲磁场和在工件上产生的感应涡流密度共同作用产生电磁力。理论上，电磁力的方向及大小可通过仅改变驱动电流参数进行调控，灵活性远胜于传统机械力。但是目前大量的研究仍普遍专注于排斥式电磁力成形。这主要是由于现有的电磁成形电流加载方式非常单一，工件上的涡流密度和磁场高度耦合，在楞次定律作用下，其产生的电磁力几乎都为排斥力。这种局限性既没有发挥出电磁力灵活调控的特点，也极大地制约了电磁成形技术的应用场景。

因此，邓将华等研究了平板线圈放电波形对工件上电磁力的影响，提出了采用缓慢上升沿、加速下降沿的脉冲电流波形来产生吸引式电磁力的方案。基于这一研究，曹全梁等和熊奇等相继开展了板件和小管件的电磁吸引力成形研究。他们通过双电源系统分别产生长、短脉宽的电流，驱动同一线圈，产生出符合上述特点的电流波形，进而将产生的吸引式电磁力用于铝合金成形，并通过实验验证了其可行性。这些研究充分体现了电磁成形灵活调控的特点，拓展了电磁成形在凹痕修复和微小管件成形领域的应用。

然而，单线圈方案要求两套电源的放电参数严格匹配，否则难以产生符合要求的合成电流波形。同时，其能量利用效率也较低。Ouyang Shaowei等提出采用内、外同轴放置的双线圈模型来改善这一问题。两个线圈分别接入两套电源，并通以不同脉宽的电流，以长脉宽电流来提供变化相对缓慢的背景磁场，以短脉宽电流所产生的快速变化的磁场来提供所需的感应涡流密度，进而产生需要的吸引力，并通过仿真及实验验证了管件吸引力胀形的可行性。

图1 双线圈吸引式板件成形系统

双线圈方案相对于单线圈方案更加灵活，然而也带来了新的问题。在单线圈方案中，工件上产生的感应涡流密度方向在同一时间是保持一致的。然而，在双线圈方案中，则会同一时间在工件的不同位置存在方向相反的感应涡流密度，进而导致电磁力分布不一致，在工件整体区域受吸引力作用时，其局部区域仍然存在排斥力并最终导致成形件上产生凹痕。这种涡流竞争现象是双线圈方案的固有属性，无法忽略，如何消除其对成形效果的影响也亟待研究。

为了解决这一问题，三峡大学的科研人员系统性研究了涡流竞争产生的原因和机制，通过建立双线圈方案下的板件吸引力电磁成形仿真模型，对多种结构参数的线圈所产生的涡流密度现象进行研究，力图阐明涡流密度与线圈结构间的关系，并分析了其对成形效果的影响。

图2 双线圈吸引式板件成形仿真模型

图3 板件吸引式成形仿真算法流程

他们最后发现，通过改变线圈L（通入长脉宽电流）的层数可以降低涡流竞争对成形形状的影响，可有效提高板件的轴向位移，并最终消除板件凹痕，改善成形效果：1）增大线圈L的层数，可有效增大板件上的磁通密度，进而增大板件的轴向位移，有效避免板件上凹痕区域的出现；2）线圈L的轴向层数要大于线圈S的轴向层数，或增大线圈L的电流，才能使板件上的磁通密度满足吸引力成形的要求；3）线圈L的径向层数要稍大于线圈S的径向层数，能较好地优化板件吸引力成形的均匀度。

研究人员证实了方案2可有效避免双线圈吸引式板件电磁成形由于涡流密度竞争而引起的凹痕现象，为双线圈吸引式板件电磁成形提供了更佳的实施方案。但需要注意的是，本方案中用到的脉冲电流脉宽较长，其带来的焦耳热不可忽略，因此在实际应用时需要对线圈的温升加以考虑以免影响使用寿命。同时，由于线圈温升还会随环境因素、使用情况以及材料热力学性能等参数的变化而变化，其影响因素较多，未来将对这部分内容做进一步研究。

以上研究成果发表在2021年第10期《电工技术学报》，论文标题为“双线圈吸引式板件电磁成形过程中的涡流竞争问题”，作者为熊奇、杨猛 等。