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三峡大学熊奇课题组：集磁器对电磁成形驱动线圈发热影响及机理
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。在脉冲电源放电的过程中，驱动线圈中会流经大电流，产生焦耳热不断积累，引起线圈发热。过高的温升会影响线圈的结构强度和使用寿命，甚至导致线圈炸裂，带来安全隐患。
为解决这一问题，三峡大学电气与新能源学院的研究人员熊奇、李青山、李哲、赵翔、李彦昕等人，在2023年第2期《电工技术学报》上撰文，提出在传统成形系统中引入集磁器辅助，进而改变系统间的电感矩阵，从而优化驱动线圈中的电流波形，达到减少焦耳热积累的目的；并进行了仿真验证。相关研究结果能够有效降低电磁成形过程中线圈的温升，对于延长线圈使用寿命，降低安全隐患以及电磁成形技术的降本增效具有重要意义。
研究背景
电磁成形（Electromagnetic forming, EMF）是一种新兴的无接触式高速成形技术，其利用脉冲电磁力对工件进行成形；相比于传统准静态成形工艺，EMF在加工中具有更大的优势：提高金属的成形极限、改善轻质合金加工中的回弹和起皱问题、同时又保证了金属的表面光洁度；EMF因其独特的技术特性被广泛地运用于金属材料加工、焊接等领域内。
在EMF的放电过程中，驱动线圈会处在恶劣的电磁环境下（强磁场、大电流），焦耳热积累带来的热负荷会影响线圈的机械强度，加速绝缘老化，减低线圈的使用寿命，在严重的情况下甚至会引起线圈的炸裂。
论文所解决的问题及意义
驱动线圈可采用分层加固技术提升其机械强度，然而，对于如何降低线圈的焦耳热积累并未有太多研究，目前最广泛的做法是添加续流回路，来改善线圈的电流波形，避免震荡电流产生的大量焦耳热。若在此基础上能够进行一步减少线圈的发热，就能显著提升驱动线圈的使用寿命及放电频次，降低安全隐患，在大规模工业化应用降本增效。
论文方法及创新
研究人员对EMF的成形过程采用有限元方法进行分析，加入了温度场的耦合，考虑了温度对材料电阻率的影响，以便精确计算温度的动态变化及空间分布特性；同时，在传统的EMF系统中引入了集磁器辅助成形，改变了线圈与工件之间的耦合关系，使驱动线圈电流波形得到优化，从而减小发热。
图1 考虑温度场耦合的EMF建模流程图
图2 引入集磁器后的胀形系统
图3 引入集磁器后的等效电路图
研究人员发现，引入集磁器后，会带来线圈、集磁器和工件之间的耦合互感的变化，导致原边电路中驱动线圈的等效电感减小，这又会进一步引起时间常数的减小，从而加快线圈电流的衰减速率，减少积分面积，进而有效降低线圈焦耳热的积累。同时，基于集磁器对磁场的整合矫形作用，在同样的初始放电电压下，最终管件的成形效果也得到了显著提高。
图4 两种工况下线圈电流的波形
图5 两种工况下线圈的最大温度变化
图6 两种工况下管件最终成形效果的对比
结论
本文提出了一种更为简便的方法可用于优化EMF过程中驱动线圈的发热问题，即在不改变原成形系统时，引入一个辅助成形装置——集磁器；为了验证本文的想法，构建了电磁场—温度场—机械结构场耦合的多物理场模型，通过仿真详细研究了引入集磁器前后对于线圈温度和工件成形的影响。
研究结果表明，引入集磁器后改变了驱动线圈中的电流，使其具有更陡的下降沿，从而减小了积分面积，降低了线圈焦耳热的积累，且集磁器自身对于磁场的矫形作用，也可以增大成形趋于的磁场强度，提升成形质量。
该方法成本较低，容易实现，且对于线圈发热问题具有明显的优化效果，对提高电磁成驱动线圈的使用寿命和放电频次具有重要意义。
团队介绍
本文由三峡大学电气与新能源学院“智能微电网与配电网”科研团队熊奇课题组完成。三峡大学电气与新能源学院创建于1978年，是湖北省首批高校改革试点学院，是一所具有鲜明电力特色，行业优势明显的学院，近五年承担并完成国家级、省部级纵向课题和各类重大产学研合作项目、科技攻关项目50多项，年平均科研经费达3000多万元，发表高水平论文 350余篇，获得授权发明专利200余项，获得省部级科技奖励15项。
课题组在电磁成形领域已发表SCI/EI论文50余篇，申请及授权发明专利30余项，单项发明专利转化100万元。主持及参与“973”计划、国家自然科学基金重点研发计划等4项、国网及南网科技项目等项目十余项，是湖北省创新群体骨干成员。关于电磁成形技术的研究成果曾获2022年中国电机工程学会优秀论文奖。
李青山
1998年生，预备党员，硕士研究生，在校期间获研究生国家奖学金；研究方向为电磁场分析及应用、电磁成形技术。
熊奇
1990年生，无党派人士，博士，副教授，博士生导师，IEEE Senior Member，中国电工技术学会高级会员，现为三峡大学电气与新能源学院院长助理。
本文编自2023年第2期《电工技术学报》，论文标题为“集磁器对电磁成形驱动线圈发热影响及机理”。本课题得到国家自然科学基金和武汉强磁场学科交叉资金资助项目的支持。
引用本文
熊奇, 李青山, 李哲, 赵翔, 李彦昕. 集磁器对电磁成形驱动线圈发热影响及机理[J]. 电工技术学报, 2023, 38(2): 285-296. Xiong Qi, Li Qingshan, Li Zhe, Zhao Xiang, Li Yanxin. Influence and Mechanism of Field Shaper on Heating of Electromagnetic Forming Drive Coil. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(2): 285-296.
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