基于双电源实现电磁成形系统长寿命的电路结构及方法与流程

本发明属于金属成形制造领域，特别是一种基于双电源实现电磁成形系统长寿命的电路结构及方法，主要用于提高电磁成形系统的放电寿命。

背景技术：

轻量化是航空航天、汽车工业等领域实现节能减排的重要技术手段。而实现轻量化的主要途径是采用轻质合金材料，高性能铝合金、钛合金、镁合金成为现代航空航天、汽车工业等实现轻量化的首选材料；电磁成形是一种高速率脉冲成形技术，能大幅改善金属材料成形性能，是解决轻质合金成形困难的有效手段之一。

电磁成形中，通过电容电源对驱动线圈放电，在驱动线圈内产生强大的脉冲电流，与此同时在金属工件中产生感应涡流；激励电流和感应电流之间的相互电磁力，驱动金属工件加速并发生塑性变形。显然，电容电源和驱动线圈是电磁成形最主要的部件。现有电磁成形技术中，采用电容电源作为电源为驱动线圈供电，一般放电电流为一衰减的正弦波，而电容电源上的电压亦为一衰减的余弦波。这一放电形式将导致以下问题：电容电源反压高达80%以上，极大地缩短了电容电源的寿命；驱动线圈吸收了大部分的电能转换驱动线圈的焦耳热，导致驱动线圈温升严重，极大地缩短了电容电源的使用寿命；同时，因为大部分能量被驱动线圈以焦耳热的形式耗散掉，导致整个电磁成形系统的效率低下。如专利“一种电磁成形装置及方法（cn103817197b）”，公开了一种电磁成装置及方法，通过驱动线圈驱动成形线圈随工件的变形运动，使成形线圈始终贴近工件，为工件的电磁成形提供持续的随形分布的电磁力，能有效提高工件的成形深度，并改善工件的贴模性。然而，此发明中脉冲电源提供的脉冲电流为衰减正弦波，导致脉冲电源的寿命不长，同时严重的焦耳热亦会导致驱动线圈和成形线圈的使用寿命。论文“analysisandreductionofcoiltemperatureriseinelectromagneticforming（journalofmaterialsprocessingtechnology225(2015)185–194）”提出了一种新型电路实现驱动线圈温升的降低，其通过续流回路串联续流电阻的方式转移部分焦耳热至续流电阻上，以达到降低线圈温升，提高驱动线圈寿命的目的。然而，这一方法中，虽然续流回路可以降低电容电源的反压，但却无法完全避免，对电容电源的寿命仍有一定的影响；同时，能量以焦耳热的形式耗散在续流电阻上，导致电磁成形效率并不高。

技术实现要素：

本发明提供了基于双电源实现电磁成形系统长寿命的电路结构及方法，主要通过采用双电源消除电容电源的反压、降低驱动线圈上耗散的焦耳热，回收大部分能量作为下一次电磁成形所需的能量，从而实现长寿命电磁成形系统，且能够提升电磁成形系统的效率。

本发明采取的技术方案为：

基于双电源实现电磁成形系统长寿命的电路结构，包括驱动线圈、放电开关，该电路结构还包括：

用于为驱动线圈提供能量的电容电源；

用于为电容电源充电的整流二极管、充电开关；

用于切换电容电源的晶闸管开关；

用于检测驱动线圈电流的电流检测元件；

所述电容电源包括正向电容电源、负向电容电源；

所述充电开关包括第一充电开关、第二充电开关；

所述整流二极管包括第一整流二极管、第二整流二极管；

所述晶闸管开关包括第一晶闸管开关、第二晶闸管开关；

第一交流电源一侧连接第一充电开关一端，第一充电开关另一端连接第一整流二极管一端，第一整流二极管另一端连接第一晶闸管开关一端，第一晶闸管开关另一端连接正向电容电源一端，正向电容电源另一端连接第一交流电源另一侧；

第一整流二极管另一端连接放电开关一端，放电开关另一端连接驱动线圈一端，驱动线圈另一端连接电流检测元件一端，电流检测元件另一端连接第一交流电源另一侧；

第一整流二极管另一端连接负向电容电源一端，负向电容电源另一端连接第二晶闸管开关一端，第二晶闸管开关另一端连接第一交流电源另一侧；

第一整流二极管另一端连接第二交流电源一侧，第二交流电源另一侧连接第二充电开关另一端，第二充电开关一端连接第二整流二极管另一端，第二整流二极管一端连接第一交流电源另一侧。

基于双电源实现电磁成形系统长寿命的方法，包括以下步骤：

s1：断开放电开关、第二晶闸管开关、第二充电开关，闭合第一晶闸管开关，闭合第一充电开关，采用第一整流二极管为正向电容电源充电；

s2：当正向电容电源电压值为u0时，断开第一充电开关完成正向电容电源充电；闭合放电开关，正向电容电源对驱动线圈放电产生脉冲电流，采用电流检测元件测量驱动线圈中的脉冲电流；

s3：在脉冲电流达到第一个电流峰值，di/dt=0时，闭合第二晶闸管开关，随后断开第一晶闸管开关，此时驱动线圈给负向电容电源供能；

s4：继续测量脉冲电流，在脉冲电流达到第一个半波结束，i=0时，断开放电开关，完成第一次正向放电过程；

s5：闭合第二充电开关，采用第二整流二极管为负向电容电源充电；

s6：当负向电容电源电压值为-u0时，断开第二充电开关完成负向电容电源充电；

s7：闭合放电开关，负向电容电源对驱动线圈放电产生脉冲电流，采用电流检测元件测量驱动线圈中的脉冲电流；

s8：在脉冲电流达到第一个电流峰值，di/dt=0时，闭合第一晶闸管开关，随后断开第二晶闸管开关，此时驱动线圈给正向电容电源供能；

s9：继续测量脉冲电流，在脉冲电流达到第一个半波结束，i=0时，断开放电开关，完成第一次负向放电过程；

重复上述正向、负向放电过程，实现电磁成形系统的长寿命。

闭合第二晶闸管开关与断开第一晶闸管开关之间的时延小于等于100微秒。时延过大会影响装置的效果，时延过小会导致装置成本增加。100微秒对于目前的技术而言比较容易实现，又不会太影响装置的效果。

闭合第一晶闸管开关与断开第二晶闸管开关之间的时延小于等于100微秒。时延过大会影响装置的效果，时延过小会导致装置成本增加。100微秒对于目前的技术而言比较容易实现，又不会太影响装置的效果。

本发明一种基于双电源实现电磁成形系统长寿命的电路结构及方法，优点在于：

1、正向电容电源的电压值一直为正，负向电容电源的电压值一直为负，两组电容电源均不存在反压，极大地提高了电磁成形系统电容电源的寿命；

2、单次电磁成形中驱动线圈仅存在半个周期的脉冲电流，极大地降低驱动线圈上耗散的焦耳热，提高驱动线圈的寿命，且能够提升电磁成形系统的效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为基于双电源实现电磁成形系统长寿命的电路结构示意图。

图2为电容电源的电压（up、un）和驱动线圈的电流（i）示意图。

1.电容电源；11.正向电容电源；12.负向电容电源；2.晶闸管开关；21.第一晶闸管开关；22.第二晶闸管开关；3.整流二极管；31.第一整流二极管；32.第二整流二极管；4.充电开关；41.第一充电开关；42.第二充电开关；5.放电开关；6.驱动线圈；7.电流测量元件。

具体实施方式

基于双电源实现电磁成形系统长寿命的电路结构，包括驱动线圈6、放电开关5，该电路结构还包括：

用于为驱动线圈6提供能量的电容电源1；

用于为电容电源1充电的整流二极管3、充电开关4；

用于切换电容电源1的晶闸管开关2；

用于检测驱动线圈6电流的电流检测元件7；电流检测元件7采用皮尔森电流探头。

所述电容电源1包括正向电容电源11、负向电容电源12；

正向电容电源11、负向电容电源12采用金属化膜电容器，电容值10-10000μf，电容电压1-50kv。

所述充电开关4包括第一充电开关41、第二充电开关42；

所述整流二极管3包括第一整流二极管31、第二整流二极管32；

所述晶闸管开关2包括第一晶闸管开关21、第二晶闸管开关22。

第一交流电源一侧连接第一充电开关41一端，第一充电开关41另一端连接第一整流二极管31一端，第一整流二极管31另一端连接第一晶闸管开关21一端，第一晶闸管开关21另一端连接正向电容电源11一端，正向电容电源11另一端连接第一交流电源另一侧；

第一整流二极管31另一端连接放电开关5一端，放电开关5另一端连接驱动线圈6一端，驱动线圈6另一端连接电流检测元件7一端，电流检测元件7另一端连接第一交流电源另一侧；

第一整流二极管31另一端连接负向电容电源12一端，负向电容电源12另一端连接第二晶闸管开关22一端，第二晶闸管开关22另一端连接第一交流电源另一侧；

第一整流二极管31另一端连接第二交流电源一侧，第二交流电源另一侧连接第二充电开关42另一端，第二充电开关42一端连接第二整流二极管32另一端，第二整流二极管32一端连接第一交流电源另一侧。

第一交流电源、第二交流电源参数：380v、50hz。

实施例：

图1为基于双电源实现电磁成形系统长寿命的电路结构示意图。

图2为电容电源的电压（up、un）和驱动线圈的电流（i）示意图，其中up为正向电容电源电压，un为负向电容电源电压。

按照图1所述搭建电磁成形系统。驱动线圈、放电开关和电流检测元件串联；正向电容电源和第一晶闸管开关串联；负向电容电源和第二晶闸管开关串联；然后三者一起并联。采用第一充电开关和第一整流二极管为正向电容电源充电；采用第二充电开关和第二整流二极管为负向电容电源充电。初始状态时，断开放电开关、第一晶闸管开关、第二晶闸管开关、第一充电开关、第二充电开关；0时刻时，闭合第一晶闸管开关，闭合第一充电开关，采用第一整流二极管为正向电容电源充电；t1时刻时，正向电容电源电压值充至设定值u0，断开第一充电开关完成正向电容电源充电；t2时刻时，闭合放电开关，正向电容电源对驱动线圈放电产生脉冲电流，采用电流检测元件测量驱动线圈中的脉冲电流；t3时刻时，检测到脉冲电流达到第一个电流峰值（di/dt=0），闭合第二晶闸管开关，随后断开第一晶闸管开关，此时驱动线圈给负向电容电源供能；t4时刻时，检测到脉冲电流达到第一个半波结束（i=0），断开放电开关，完成第一次正向放电过程，此时负向电容电源的电压值为-u1；t5时刻时，闭合第二充电开关，采用第二整流二极管为负向电容电源充电；t6时刻时，负向电容电源电压值充至设定值-u0，断开第二充电开关完成负向电容电源充电；t7时刻时，闭合放电开关，负向电容电源对驱动线圈放电产生脉冲电流，采用电流检测元件测量驱动线圈中的脉冲电流；t8时刻时，检测到脉冲电流达到第一个电流峰值（di/dt=0），闭合第一晶闸管开关，随后断开第二晶闸管开关，此时驱动线圈给正向电容电源供能；t9时刻时，检测到脉冲电流达到第一个半波结束（i=0），断开放电开关，完成第一次负向放电过程，此时正向电容电源的电压值为u1；重复上述正向、负向放电过程，实现电磁成形系统的长寿命。显然，正向电容电源的电压值一直为正，负向电容电源的电压值一直为负，两组电容电源均不存在反压，可提高电容电源的使用寿命，同时，每一次电磁成形过程中，驱动线圈的脉冲电流仅为一半波脉冲，能有效减小驱动线圈的温升，提供驱动线圈的使用寿命。从而实现电磁成形系统的长寿命。