電磁成形過程中線圈溫升過高會縮短其使用壽命，最佳化線圈結構可以在不影響成形效果的情況下降低溫升。華中科技大學國家脈衝強磁場科學中心等單位的研究人員王紫葉等，在2021年第18期《電工技術學報》上撰文，以管件電磁成形所使用的螺線管線圈為研究物件，利用電磁場—機械結構場—溫度場耦合有限元模型，針對線圈繞制工藝的特點，詳細探討線圈層數、匝數、高度、寬度、匝間距以及層間距這六種結構引數對線圈溫升及成形效果的影響。
模擬結果表明，合適的結構引數均能抑制線圈溫升，同時保持工件成形效果，但六種結構引數的影響程度並不相同。該結果為管件電磁成形線圈的結構最佳化設計提供了建議，為提高線圈使用壽命指明瞭方向。
電磁成形（Electromagnetic Forming, EMF）是一種線上圈中通以脈衝大電流產生脈衝強磁場，進而在金屬工件中感應渦流，磁場和渦流共同作用產生洛倫茲力，從而驅動材料發生塑性變形的高速率成形技術。其具有高效率、低損耗等優勢，可廣泛應用於航天航空、船舶以及汽車等領域，但由於成形線圈在電磁成形過程中產生大量焦耳熱引起線圈溫升過高，使線圈使用壽命大大縮短，造成電磁成形裝置使用壽命有限，使該技術無法滿足工業生產大規模長時間持續執行的要求，嚴重限制了電磁成形技術的發展。
目前，國內外學者針對成形線圈的研究主要從線圈材料、繞制工藝、結構設計和安裝位置這四個方面展開。其中，成形線圈的結構設計研究最為豐富，不僅包括各式各樣的線圈整體結構設計，還有線圈的區域性結構最佳化。
但遺憾的是，絕大部分關於成形線圈的結構研究，是為了改善電磁成形效果，實現工件成形要求，而對於線圈在電磁成形過程中的溫升研究極少，僅有邱磊與劉良雲以抑制線圈溫升為目的，探討了單層平板線圈匝間距與高度對線圈溫升的影響，驗證了最佳化線圈結構能有效抑制線圈溫升。
線圈溫升作為影響其使用壽命的重要因素之一，是學者研究的重要方向。關於這一瓶頸，還有Cao Quanliang等和Qiu Li等分別利用放電電路中的續流回路、閘流體開關改變放電電流波形，抑制電流振盪衰減，減小線圈焦耳熱，降低線圈溫升。Qiu Li等透過在驅動線圈旁放置額外的散熱線圈，以耦合散熱的方法減少驅動線圈溫升。
上述研究雖已為線圈溫升抑制提供了方向，但秉承溫升越低越好的原則，解決方法還不夠多。雖有學者驗證了最佳化單層平板線圈部分結構引數可抑制線圈溫升，但僅針對單層平板線圈，且僅考慮了兩個結構引數對線圈溫升的影響，不夠全面與詳細。故可透過詳細研究線圈結構引數對線圈溫升的影響情況，最佳化線圈結構，抑制線圈溫升，延緩線圈因溫升而加速老化，避免線圈絕緣破壞甚至燒燬，延長線圈使用壽命，促進電磁成形技術更廣泛地應用於工業化生產。
鑑於此，華中科技大學國家脈衝強磁場科學中心等單位的研究人員，圍繞電磁成形過程中線圈發熱的問題展開研究，提出了一種以最佳化線圈結構來抑制線圈溫升的新思路。
他們以螺線管線圈為研究物件，針對線圈繞制工藝的特點，利用電磁場—機械結構場—溫度場耦合模型，詳細探討線圈結構對線圈溫升的影響，總結線圈高度、寬度、層數、匝數、匝間距和層間距這六種結構引數對線圈溫升的影響規律，並簡要討論線圈結構最佳化對成形效果的影響，繼而綜合考慮線圈溫升與成形效果以比較各結構引數的影響程度，為最佳化線圈結構設計提供參考建議。
圖1 模型求解流程
模擬結果如下：1）增加線圈層數與匝數能透過增大其受熱面積的方式減小線圈溫升；2）增大線圈寬度和高度也能增大其受熱面積，抑制線圈溫升，且一般能減少線圈焦耳熱，提高能量轉化率；3）線圈匝間距和層間距對線圈溫升的影響較小，溫升抑制效果較差，線圈溫升隨匝間距、層間距增加呈先減後增趨勢。
研究結果表明，最佳化線圈結構可有效抑制線圈溫升，且不同結構引數對線圈溫升及成形效果的影響不同。本研究成果為提高線圈使用壽命指明瞭方向。
本文編自2021年第18期《電工技術學報》，論文標題為“電磁成形過程中線圈溫升及結構最佳化”，作者為王紫葉、楊猛 等。
