JP5036693B2 - Electromagnetic forming device - Google Patents
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Description
本発明は、ワークとしての金属又は合金管（以下、金属管という）の内部又は外部にコイルを設置し、前記コイルにパルス電流を通電することにより、前記金属管に発生する電磁力により前記金属管を拡管又は縮管成形する電磁成形装置に関する。 The present invention provides a metal or alloy tube (hereinafter referred to as a metal tube) as a work with a coil installed inside or outside, and by applying a pulse current to the coil, the metal force is generated by the electromagnetic force generated in the metal tube. The present invention relates to an electromagnetic forming apparatus for expanding or reducing a tube.
電磁成形の分野において、拡管成形及び縮管成形が実用化されている。この電磁拡管成形においては、拡管（又は縮管）すべき金属管の内部（又は外部）に、電磁コイルを配置し、このコイルに急激にパルス電流を通電することにより、相互誘導現象により金属管に大電流を誘起し、その結果、金属管に生じるローレンツ力により、管径を拡大又は縮小させる。このため、電磁コイルは、拡管（縮管）すべき金属管の小径化に伴って、コイルも小径化する必要がある。特に、拡管成形のためのコイルは、拡管すべき金属管よりも小さいことが必要になる。 In the field of electromagnetic forming, pipe expansion molding and contraction molding have been put into practical use. In this electromagnetic tube expansion molding, an electromagnetic coil is arranged inside (or outside) a metal tube to be expanded (or contracted), and a pulse current is suddenly applied to the coil to cause a metal tube due to a mutual induction phenomenon. A large current is induced in the tube, and as a result, the tube diameter is expanded or reduced by the Lorentz force generated in the metal tube. For this reason, it is necessary to reduce the diameter of the coil of the electromagnetic coil as the diameter of the metal pipe to be expanded (contracted) is reduced. In particular, the coil for pipe expansion molding needs to be smaller than the metal pipe to be expanded.
しかし、コイルを小径化しようとすると、製造性、性能及び耐久性の点で、問題が生じる。先ず、製造性については、導線をコイル形状に成形することが困難になり、導線の材質及び断面形状に対する制限が厳しくなると共に、コイル形状に成形する際に、導線断面が変形するという問題点もある。 However, when trying to reduce the diameter of the coil, problems arise in terms of manufacturability, performance and durability. First, with regard to manufacturability, it becomes difficult to form a conducting wire into a coil shape, and restrictions on the material and cross-sectional shape of the conducting wire become stricter, and there is also a problem that the conducting wire cross-section is deformed when forming into a coil shape. is there.
また、性能面においては、コイルの小径化に伴い、コイルの性能であるインダクタンスが急激に低下する。これに伴い、コイルと金属管との相互誘導現象の効率が低下し、金属管を成形するために必要な電磁力を発生させるためには、投入エネルギを相対的に増加させる必要が生じる。即ち、コイルを小径化すると、投入エネルギのうち、金属管の塑性加工に消費されるエネルギの割合（成形効率）が急速に低下する。このため、小径の金属管に十分な塑性加工を行うためには、金属管寸法に比して投入エネルギを相対的に増大させる必要があるが、投入エネルギの増加は、通電１回あたりのコイル内部の発熱量の増大、電源の大型化、及びコンデンサの充電時間の増加等を引き起こし、実用性の点で問題となる。そして、金属管に十分な電流を誘起するためには、必然的にコイルにも大電流を流す必要があるが、これにより、導電自身に作用する電磁力が増加し、コイルがより破損しやすくなる。 In terms of performance, as the coil diameter is reduced, the inductance, which is the performance of the coil, rapidly decreases. As a result, the efficiency of the mutual induction phenomenon between the coil and the metal tube is reduced, and it is necessary to relatively increase the input energy in order to generate the electromagnetic force necessary for forming the metal tube. That is, when the diameter of the coil is reduced, the ratio of energy consumed for plastic processing of the metal tube (forming efficiency) in the input energy rapidly decreases. For this reason, in order to perform sufficient plastic working on a small-diameter metal tube, it is necessary to relatively increase the input energy as compared to the metal tube dimension. This causes problems such as an increase in the amount of heat generated inside, an increase in the size of the power supply, and an increase in the charging time of the capacitor. And in order to induce a sufficient current in the metal tube, it is inevitably necessary to pass a large current also in the coil, but this increases the electromagnetic force acting on the conduction itself, and the coil is more easily damaged. Become.
更にまた、耐久性の点において、コイルの小径化により、小径化する前と同程度の電磁力が導線に作用した場合でも、コイル自身の強度が小径化前より低下しているため、破損しやすくなる。また、小径化前と等しいエネルギを投入した場合でも、コイルの体積が減少しているため、通電１回あたりの温度上昇が大きくなることも、耐久性に悪影響を及ぼす。 Furthermore, in terms of durability, even when an electromagnetic force equivalent to that before the diameter reduction is applied to the conductor due to the coil diameter reduction, the coil itself is less strong than before the diameter reduction, and therefore, it is damaged. It becomes easy. Further, even when the same energy as before the diameter reduction is applied, the coil volume is reduced, so that the increase in temperature per energization also has an adverse effect on durability.
上述のごとく、小型の金属管を電磁成形するために、小型のコイルを用意する方法には、製造性、性能及び耐久性の点で、限界があり、電磁成形の対象を制約してしまうという問題点がある。また、コイルは通電時に強力な電磁力を受けるため、変形防止のため、補強する必要がある。特に、従来の電磁拡管成形方法では、寸法的な問題から、コイル外側への補強量に制限が存在する。即ち、コイル外側の補強量が不十分であるため、コイルの耐久性が低くなるという問題点がある。 As described above, in order to electromagnetically form a small metal tube, the method of preparing a small coil has limitations in terms of manufacturability, performance, and durability, and restricts the object of electromagnetic forming. There is a problem. Further, since the coil receives a strong electromagnetic force when energized, it must be reinforced to prevent deformation. In particular, in the conventional electromagnetic tube expansion forming method, there is a limit to the amount of reinforcement to the outside of the coil due to dimensional problems. That is, there is a problem that the durability of the coil is lowered because the amount of reinforcement outside the coil is insufficient.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、ワークとしての金属管が小型化したときの電磁コイルの破損防止及び所要投入エネルギの増大防止が可能な電磁成形装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and provides an electromagnetic forming apparatus capable of preventing breakage of an electromagnetic coil and prevention of increase in required input energy when a metal tube as a workpiece is downsized. Objective.
本願第１発明に係る電磁成形装置は、管状のワークを電磁力により拡管する電磁成形装置において、前記ワークから離隔して配置され磁場を発生するコイルと、前記ワーク及び前記コイルに内挿された周状の強磁性体からなるコア部材と、を有し、前記コイルへの通電により発生する磁束を前記コア部材を介して前記ワークの内部に誘導し、前記ワークを電磁拡管することを特徴とする。なお、本発明において、強磁性体というときは、比透磁率が１００以上のものをいう。 The electromagnetic forming apparatus according to the first invention of the present application is an electromagnetic forming apparatus that expands a tubular workpiece by electromagnetic force, and is arranged spaced apart from the workpiece to generate a magnetic field, and is inserted into the workpiece and the coil. A core member made of a circumferential ferromagnetic body, and a magnetic flux generated by energization of the coil is guided to the inside of the work through the core member, and the work is electromagnetically expanded. To do. In the present invention, the term “ferromagnetic material” refers to a material having a relative permeability of 100 or more.
本願第２発明に係る電磁成形装置は、管状のワークを電磁力により拡管する電磁成形装置において、前記ワークに内挿され磁場を発生するコイルと、前記コイルに内挿された強磁性体からなるコア部材と、を有し、前記コイルへの通電により発生する磁束が、前記コア部材により増強されて前記ワークを電磁拡管することを特徴とする。 An electromagnetic forming apparatus according to a second invention of the present application is an electromagnetic forming apparatus that expands a tubular work by electromagnetic force, and includes a coil that is inserted into the work and generates a magnetic field, and a ferromagnetic material that is inserted into the coil. And a magnetic flux generated by energizing the coil is enhanced by the core member to electromagnetically expand the workpiece.
本願第３発明に係る電磁成形装置は、管状のワークを電磁力により縮管する電磁成形装置において、前記ワークを外嵌するように配置され磁場を発生するコイルと、前記ワークに内挿された強磁性体からなるコア部材と、を有し、前記コイルへの通電により発生する磁束が、前記コア部材により増強されて前記ワークを電磁縮管することを特徴とする。 An electromagnetic forming apparatus according to a third invention of the present application is an electromagnetic forming apparatus that contracts a tubular workpiece by electromagnetic force, and is disposed so as to externally fit the workpiece and is inserted into the workpiece. A magnetic core member made of a ferromagnetic material, and magnetic flux generated by energizing the coil is enhanced by the core member to electromagnetically contract the workpiece.
本願第１発明においては、磁束を発生させるコイル自体は、ワークの内部には配置させない。コイルとワークは離隔して配置しており、両者に内挿された周状の強磁性体からなるコア部材によって磁気的に結合されている。コイルへの通電により発生した磁束は、コア部材の内部を経由してワーク内部に誘導され、ワーク内部に誘導電流とそれに伴う電磁力を生じさせ、電磁拡管させることが可能となる。このコア部材は単に棒材とすることができるので、小型化されたワーク内部にも、容易に挿入することができる。また、コイル自身の小型化は不要なため、コイルの小型化に伴う種々の問題点を回避することができる。 In the first invention of this application, the coil itself for generating magnetic flux is not arranged inside the workpiece. The coil and the workpiece are arranged apart from each other, and are magnetically coupled by a core member made of a circumferential ferromagnetic material inserted into both. The magnetic flux generated by energizing the coil is induced into the work through the core member, and an induced current and an electromagnetic force accompanying the work can be generated in the work to expand the electromagnetic pipe. Since this core member can be simply a bar, it can be easily inserted into a miniaturized workpiece. Moreover, since it is not necessary to downsize the coil itself, various problems associated with downsizing the coil can be avoided.
また、本願第２発明及び第３発明においては、ワークの内部にコイルを挿入し、又は、ワークを外嵌するようにコイルを配置し、更に、コイル又はワークの内部に強磁性体からなるコア部材を挿入することにより、コイルのインダクタンスは、強磁性体の形状及び比透磁率に関係して、大きく増加する。また、磁束は磁気抵抗が小さい強磁性体内に集中するという性質から、強磁性体を挿入することにより、磁束の流路が限定され、コイルとワークの磁気的な結合度も向上する。このため、ワークの小径化が進んだとしても、一次回路とコイルの磁気的結合度の低下が抑制され、小径化によって生じる成形効率の低下を抑制することができる。 In the second and third inventions of the present application, a coil is inserted into the work, or the coil is disposed so as to fit the work, and the coil or the core made of a ferromagnetic material is placed inside the work. By inserting the member, the inductance of the coil is greatly increased in relation to the shape of the ferromagnetic material and the relative permeability. Further, since the magnetic flux is concentrated in the ferromagnetic body having a small magnetic resistance, the insertion of the ferromagnetic body limits the flow path of the magnetic flux and improves the degree of magnetic coupling between the coil and the workpiece. For this reason, even if the diameter of the workpiece is reduced, a decrease in the degree of magnetic coupling between the primary circuit and the coil is suppressed, and a decrease in molding efficiency caused by the reduction in diameter can be suppressed.
以下、本発明の実施形態に係る電磁成形装置について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る電磁成形装置を示す模式図である。成形加工対象のワーク１は、比較的小径（外径Ｄｗ）の金属管であり、例えば、アルミニウム合金管である。また、電磁コイル３は、比較的大径（外径Ｄｃ）のコイルである。これらのワーク１及び電磁コイル３の内側の形状は、コア部材２の外側の形状よりも大きく、ワーク１及び電磁コイル３の内部に、コア部材２が挿入される。コア部材２は、ワーク１に挿入されるユニット２ａと、電磁コイル３に挿入されるユニット２ｂと、これらのユニット２ａ、２ｂの端部同士を磁気的に連結する半円弧状のユニット２ｃ、２ｄとから構成されており、ユニット２ａ、２ｂを夫々ワーク１及び電磁コイル３に挿入した後、ユニット２ｃ、２ｄをユニット２ａ、２ｂに連結することにより、周状に構成されている。コア部材２は、例えば、比透磁率が１００以上の強磁性体で成形されている。
Hereinafter, an electromagnetic forming apparatus according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic view showing an electromagnetic forming apparatus according to the first embodiment of the present invention. The
図２は、上述のごとく構成された電磁成形装置の等価磁気回路を示す模式図である。磁気回路５がコア部材２の磁気回路を、磁気回路４がワーク１の漏れ磁気回路を、磁気回路６がコイル３の漏れ磁気回路６を夫々表している。このとき、コア部材２の磁気回路５は磁気抵抗Ｒm,core、ワーク１の漏れ磁気回路４は磁気抵抗Ｒm,work、コイル３の漏れ磁気回路６は磁気抵抗Ｒm,coilである。ワーク１のインダクタンスをＬwork、電気抵抗をＲw、流れる電流をＩWとする。コイル３を含む電気回路を一次回路とする。一次回路の電気抵抗をＲ1、インダクタンスをＬ1、コンデンサのキャパシタンスをＣ、流れる電流をＩ1とする。成形開始直前には、コンデンサには電源Ｖ0が印加されているとする。なお、図２においては、これらの記号の多くは図示を省略している。
FIG. 2 is a schematic diagram showing an equivalent magnetic circuit of the electromagnetic forming apparatus configured as described above. The magnetic circuit 5 represents the magnetic circuit of the
この図２において、コア部材２は電気抵抗が十分に大きいため電流が流れず、コア部材２を通じて流れる磁束（矢印ハッチング）は一定であると仮定する。図２はトランス（変圧器）の等価磁気回路とも類似しているが、トランスでは変圧が、図２ではワークの成形が目的である点に相違がある。
In FIG. 2, it is assumed that the
以上の前提のもとに、ワーク１を円管に限定すれば、ワーク１に作用する磁気圧力Ｐrは、下記数式１にて概算される。
If the
この数式１において、rpipeはワーク１の半径、hpipeはワーク１の長さ、Ｌpipe、0はコア挿入前のコイル３の自己インダクタンス、Ipはワーク１に流れる誘導電流であり、πは円周率、∂は偏微分記号である。Ipは、図１の等価電磁気回路の回路方程式を導くことから計算できる。
In
図１において、ワーク１は、高さが４０ｍｍ、肉厚が０．５ｍｍ、半径が１５ｍｍの円管であり、材質が導電率５０％ＩＡＣＳ、耐力５０ＭＰａのアルミニウム合金管であると仮定する。コイル３は巻数が２０回、半径が３０ｍｍ、高さが２００ｍｍであると仮定する。強磁性体からなるコア部材２は、長さが６００ｍｍ、半径が１３ｍｍ、比透磁率が１００であり、２ｍｍのギャップがあると仮定する。また、一次回路は、抵抗値が０．０２Ω、コンデンサ容量が４００μＦであると仮定する。このときの、ワークの生じる磁気圧力Ｐｒを数式１を使用して算出する。なお、ワーク１に生じる磁気圧力の最大値をＰr、maxと、ワーク１が塑性変形するために必要となる最小磁気圧力をPcrとする。
In FIG. 1, it is assumed that the
図３は、Ｐr,max／Pcrの投与電圧依存性を示すグラフ図である。この図３に示されているように、Ｐr,max／Pcrが１を超えると、ワーク１は塑性変形を開始する。この条件下では、Ｐr,max／Pcrが約３以上になれば、円管を大きく変形されることが可能となる。この条件下においては、１３００Ｖ程度を印加すれば、十分な拡管成形が可能となる。
FIG. 3 is a graph showing the dependency of Pr, max / Pcr on the administration voltage. As shown in FIG. 3, when Pr, max / Pcr exceeds 1, the
このように、本実施形態の電磁成形装置によれば、磁束を発生するコイル３自体は、ワーク１の内部に配置されず、コイル３とワーク１の双方に内挿された強磁性体からなるコア部材２を介して、コイル３とワーク１が磁気的に結合されている。よって、ワーク１の外側に成形すべき型（図示せず）を設け、コイル３にパルス電流を通電することにより、コイル３に発生した磁束は、コア部材２により著しく増幅され、磁気抵抗が小さいコア部材２の中を集中して流れる。コア部材２を流れる磁束はワーク１の内部まで誘導され、ワーク１には磁束変化による誘導電流と、それにともなうローレンツ力（電磁力）が発生し、ワーク１は所定の形状まで拡管成形される。このコア部材２は図１に示すように、単なる棒材とすることができるので、ワーク１が小型化されても、容易にワーク１の内部に挿入することができる。また、コイル自体は小型化しなくてもよいので、コイルの小型化に伴う種々の問題点を回避することができる。更に、コイルの外側の補強も十分に行うことができる。
As described above, according to the electromagnetic forming apparatus of the present embodiment, the
電磁成形は相互誘導現象であるため、一次回路（コイル側回路）とワークとの磁気的な結合度が成形効率に大きく影響する。即ち、漏れ磁束をいかに減少させることができるかが、重要である。本実施形態の場合は、例えば、比透磁率が１００以上の強磁性体を使用して、コア部材２を構成しているので、この強磁性体の透磁率は非磁性体の透磁率の１００〜１０００倍になるため、コイル電流により発生する磁界で生じる磁束は、強磁性体内に集中して流れることになる。よって、本実施形態においては、コイル電流により発生する磁束は、強磁性体を通して、ワーク内部に導かれる。従って、ワーク１がコイル３と離れているにも拘わらず、コイル１とワーク３との磁気的な結合度の低下は小さく、ワークの電磁成形が可能となる。
Since electromagnetic forming is a mutual induction phenomenon, the degree of magnetic coupling between the primary circuit (coil side circuit) and the work greatly affects the forming efficiency. That is, it is important how the leakage flux can be reduced. In the case of the present embodiment, for example, the
次に、本件発明の第１実施形態の変形例について説明する。図４に示す電磁成形装置は、直線状の棒からなるユニット２ａ、２ｂの両端部を、同様に直線状の棒からなるユニット２ｅ、２ｆで連結した構造を有する。このように、ユニット２ａ、２ｂと、ユニット２ｅ、２ｆとは、直角に交差するが、図１の電磁成形装置と同様にワーク１とコイル３とを磁気的に結合する磁気回路が形成される。この図４に示す電磁成形装置は、コア部材の形状が簡素で、製造コストが低いという利点がある。
Next, a modification of the first embodiment of the present invention will be described. The electromagnetic forming apparatus shown in FIG. 4 has a structure in which both ends of
図５に示す電磁成形装置は、ワーク１及びコイル３を挿通する直線部のユニット２ｇ、２ｈが、ユニット２ａ、２ｂよりも長く、１本のユニット２ｈにワーク１とコイル３とが外嵌されるものである。このように、ワーク１及びコイル３を設置する位置は、任意であり、ワーク１をコイル３の近傍に設置することもできる。
In the electromagnetic forming apparatus shown in FIG. 5, the
図６に示す電磁成形装置は、ユニット２ａに２個のワーク１，１ａが外嵌され、同時に２個のワーク１，１ａを電磁拡管成形するものである。このように、同じに、２個又は３個以上の複数個のワークを同時に電磁拡管成形することにより、生産性の向上及び装置コストの低減が可能となる。
In the electromagnetic forming apparatus shown in FIG. 6, two
図７（ａ）、（ｂ）に示す電磁成形装置は、図７（ａ）に示すように、コア部材２の上端部及び下端部に配置されるユニット２ｉ、２ｊが円板状をなし、図７（ｂ）に示すように、円板状のコア部材ユニット２ｉ、２ｊの周縁部間に垂直に延びる直線状の６個のユニット２ａ，２ｂ等が６等配の位置に連結されている。そして、これらの６個のユニット２ａ，２ｂ等に、夫々、ワーク１，１ａ等が外嵌されている。また、ユニット２ｉ，２ｊの中心部に、垂直に延びる直線状のユニット２ｋが連結されている。そして、この中央のユニット２ｋに、コイル３が外嵌されている。
In the electromagnetic forming apparatus shown in FIGS. 7A and 7B, as shown in FIG. 7A, the units 2i and 2j arranged at the upper end portion and the lower end portion of the
このように構成された電磁成形装置においては、１個の電源及びコイル３で、６個のワーク１を、並列的に、一度に電磁拡管成形することができる。図６のように、複数個のワーク１，１ａを直列に連結したものとは異なり、図７の場合は、ユニット２ａ、２ｂ等の並列関係にあるユニットの形状を相互に異なるものにすることが容易であり、形状及び寸法が異なるワークを同時に成形することも容易である。なお、同時に成形するワークの数量は、適宜決定できる。この図７（ａ）、（ｂ）に示す電磁成形装置では、複数のさまざまな形状のワークを同時に成形することにより、生産性の飛躍的な向上、装置コストの低減、電磁成形装置の汎用性の向上が可能となる。
In the electromagnetic forming apparatus configured in this manner, six
図８に示す電磁成形装置において、ワーク１ａ、１ｂ、１ｃの形状は夫々異なり、それに応じてワーク１ａ、１ｂ、１ｃへ挿入するコア部材２a、２ｂ、２ｃの形状も変更されるが、コイル３、コア部材２ｄ、２e、２ｆからなるコイル側は変更を必要としない。図８では、装置全体をコイル側とワーク側で分離し、ワーク形状の変更をワーク側のコア部材の変更のみで対応することにより、装置の汎用化が可能となる。
In the electromagnetic forming apparatus shown in FIG. 8, the shapes of the
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は本願第２発明についてのものである。図９は本発明の第２実施形態に係る電磁成形装置を示す模式図である。成形加工対象のワーク１１は、例えば、比較的小径のアルミニウム合金管である。また、電磁コイル１２は、電磁成形用コイルであるが、比較的小径で、小径のワーク１１の内部に挿入可能な外径を有している。そして、このコイル１２の内部に、例えば、比透磁率が１００以上の強磁性体からなるコア部材１３が挿入されている。なお、コア部材１３は、上述のように棒状に限らず、中空の管状であってもよい。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. This embodiment relates to the second invention of the present application. FIG. 9 is a schematic view showing an electromagnetic forming apparatus according to the second embodiment of the present invention. The
上述の如く構成された電磁成形装置においては、コイル１２に大電流を通電すると、主にコア部材１３により磁束が増強されることで、ワーク１１に誘起される誘導電流及び発生する電磁力が、コア部材１３を設置しない状態に比べ大きく増加する。従って、ワーク１１を少ない投入エネルギで電磁拡管成形することができる。本発明は、ワークがより小型になるほど、その効果を発揮するものである。
In the electromagnetic forming apparatus configured as described above, when a large current is passed through the
従来のワークの小型化に伴い、コイルを小径化すると、投入エネルギのうち、ワークの塑性加工に消費されるエネルギの割合（成形効率）が急速に低下する。成形効率の低下の主な原因として、コイル側回路（一次回路）と、ワークとの磁気的な結合度が大幅に低下することがあげられる。この磁気的な結合度低下の原因として２つあげられる。その一つは，コイル性能の指標であるインダクタンスの一次回路全体のインダクタンスに占める割合の低下であり、他の一つは、コイルとワークとの間の磁気的な結合度（結合係数）の低下である。 When the diameter of the coil is reduced along with the downsizing of the conventional workpiece, the proportion of energy consumed for plastic processing of the workpiece (molding efficiency) in the input energy rapidly decreases. The main cause of the reduction in molding efficiency is that the degree of magnetic coupling between the coil side circuit (primary circuit) and the workpiece is greatly reduced. There are two reasons for this decrease in magnetic coupling. One is the decrease in the ratio of the inductance, which is an index of coil performance, to the inductance of the entire primary circuit, and the other is the decrease in the degree of magnetic coupling (coupling coefficient) between the coil and the workpiece. It is.
コイルインダクタンスが一次回路全体のインダクタンスに占める割合が低下する要因については、以下のように考えられる。コイルインダクタンスは、コイル径の２乗にほぼ比例する性質がある。一次回路には、コイルとは別に、配線部及び電源部などにも一定のインダクタンスが存在するため、一次回路全体のインダクタンスに占めるコイルインダクタンスの割合は、コイル小径化に伴って急速に低下することになる。 The reason why the ratio of the coil inductance to the inductance of the entire primary circuit decreases can be considered as follows. The coil inductance has a property that is substantially proportional to the square of the coil diameter. In the primary circuit, there is a certain inductance in the wiring section and power supply section in addition to the coil, so the ratio of the coil inductance to the inductance of the entire primary circuit decreases rapidly as the coil diameter decreases. become.
コイルとワークとの間の磁気的な結合度（結合係数）が低下する要因については、以下のように考えられる。コイル導線とワーク内壁との間には、ワークの着脱を容易にするための空間が必要であり、また、コイル導線に対しては、変形を防止するため、外側に一定の厚さの補強を行う必要がある。従って、コイル導線とワーク内壁との間には一定の間隔が必要である。このため、コイルを小型化することにより、コイル導線とワーク内壁との間の距離のコイル径に対する比率が相対的に増加し，コイルとワークとの間の磁気的な結合度が低下する。 The cause of the decrease in the degree of magnetic coupling (coupling coefficient) between the coil and the workpiece is considered as follows. A space is required between the coil conductor and the inner wall of the workpiece to facilitate attachment / detachment of the workpiece, and the coil conductor is reinforced with a certain thickness on the outside to prevent deformation. There is a need to do. Therefore, a certain distance is required between the coil conductor and the work inner wall. For this reason, by reducing the size of the coil, the ratio of the distance between the coil conductor and the work inner wall to the coil diameter is relatively increased, and the degree of magnetic coupling between the coil and the work is lowered.
しかし、本実施形態のように、強磁性体からなるコア部材１３をコイル１２の内部に挿入することにより、コイルインダクタンスは、その強磁性体の形状及び比透磁率に応じて大きく増加する。一般的には、コイルのインダクタンスは、強磁性体を挿入することにより、強磁性体を挿入しない場合に比して、５倍程度まで増加させることができる。従って，一次回路全体のインダクタンスに占めるコイルのインダクタンスを１００％に近づけることができる。
However, when the
また、強磁性体をコイルに挿入することにより、磁束は強磁性体内に集中するため、磁束の流れが限定化される。これによって、コイルとワークとの磁気的な結合度が大幅に増加し、その結合係数は９０％以上にまで増加させることが可能となる。 Further, since the magnetic flux is concentrated in the ferromagnetic body by inserting the ferromagnetic body into the coil, the flow of the magnetic flux is limited. This greatly increases the degree of magnetic coupling between the coil and the workpiece, and the coupling coefficient can be increased to 90% or more.
以上の２点の原理により、コイルの小径化に伴う一次回路とコイルとの磁気的結合度の低下を抑制でき、成形効率を大幅に向上させることができる。 By the above two principles, it is possible to suppress a decrease in the degree of magnetic coupling between the primary circuit and the coil accompanying the reduction in the diameter of the coil, and the molding efficiency can be greatly improved.
次に、本発明の第２実施形態において、成形効率の向上の度合いを試算する。図１０に示すように、ワーク１１の外径が５８．４ｍｍ、長さが７３ｍｍ、コイル１２の外径が４６ｍｍ、長さが１２０ｍｍ、コア部材１３の外径が３０ｍｍ、長さが１４０ｍｍであるとしたときの電磁場解析を実施した。解析ソフトは、株式会社神戸製鋼所製の定常電磁場解析ソフトＭＡＧＦＩＳ（商標）である。図１０のモデルに対し，コイルに強制電流（周期２５００Ｈｚ）を与え，強磁性体コア（比透磁率１００）の有無で、ワークに作用する電磁力がどのように変化するかを調査した。その結果を図１１に示す。図１１は、横軸にワーク高さ方向の位置をとり、縦軸に電磁力比（強磁性体コアがない場合を１とした任意単位）をとって、両者の関係を示すグラフ図である。図１１に示すように，ワークの高さ方向の各位置に作用する半径方向の電磁力Ｆｒは、全てのワーク位置において、コア部材１３が存在しない場合の２．５倍以上の半径方向電磁力Ｆｒが得られた。
Next, in the second embodiment of the present invention, the degree of improvement in molding efficiency is estimated. As shown in FIG. 10, the outer diameter of the
このようにして、本実施形態によれば、小型化されたワークを成形するために、コイルを小径化しても、成形効率は高いまま推移する。つまり、投入エネルギを増大させずに、小径のワークを電磁成形することができる。従って、電源への負荷及び１通電あたりのコイル内部の温度上昇を低減することができる。また、コアの寸法を工夫することにより、コイル導線に作用する電磁力を、低減することができるので、コイルの破損を防止でき、又は破損防止のためのコイル補強を軽減することができる。 Thus, according to this embodiment, even if the coil is reduced in diameter to form a miniaturized workpiece, the forming efficiency remains high. That is, a small-diameter workpiece can be electromagnetically formed without increasing the input energy. Therefore, it is possible to reduce the load on the power source and the temperature rise inside the coil per energization. Further, by devising the dimensions of the core, the electromagnetic force acting on the coil conductor can be reduced, so that the coil can be prevented from being damaged or the coil reinforcement for preventing the damage can be reduced.
次に、本実施形態の変形例について説明する。図１２は図９と同様の構造を有し、コア部材１３として、中実の強磁性体を使用したものである。
Next, a modification of this embodiment will be described. FIG. 12 has the same structure as in FIG. 9 and uses a solid ferromagnetic material as the
図１３は、コア部材１３として、中空部１５を有する管１４からなる強磁性体を使用したものである。
FIG. 13 shows a case where a ferromagnetic body made of a
図１４は、コア部材１３ａとして、可及的に大きな径を有する強磁性体を使用したものである。このように、コア部材１３ａの周面とコイル１２の内面とを接近させることにより、コイル導線に作用する電磁力を低減することができ、コイル１２の破損を抑制することができる。また、コア部材１３ａの断面積が大きくなり、磁気抵抗を低減することができ、コア部材１３ａを挿入することによる成形効率の向上効果が、より一層高まる。
FIG. 14 shows a case where a ferromagnetic material having a diameter as large as possible is used as the
図１５は、コア部材１３ｂの両端部に、円輪状のコア部材１３ｃ、１３ｄを嵌合させて、これらのコア部材１３ｃ、１３ｄがコイル１２の蓋となるように，コア部材を組み立てたものである。このようにすることにより、コア部材１３ｂを通る磁束は、コア部材１３ｃ、１３ｄを通ることができ、磁気抵抗をさらに小さくできる。従って、コア部材１３ｃ、１３ｄがない場合に比して、一層の成形効率の向上が可能となる。但し、ワークを設置し、また取出できるように、コア部材１３ｂと、コア部材１３ｃ又は１３ｄとは、脱着可能であることが必要である。
FIG. 15 shows an assembly of the core members such that the ring-shaped
図１６は、コア部材１３ｅに対し，その上下端部に円板状のコア部材１３ｆ、１３ｇをコア部材１３ｅに対して垂直に取り付け、更に，ワーク１１を取り囲むように、円筒状のコア部材１３ｈをコア部材１３ｆ、１３ｇの周縁部に取り付けたものである。このように、コイル１２を、強磁性体からなるコア部材１３ｅ、１３ｆ、１３ｇ、１３ｈで取り囲むことにより、磁気抵抗は飛躍的に軽減することができる。このため、コア部材によるコイルインダクタンスの増強効果は著しく高くなる。但し，この場合も、ワークを設置し、また取出できるように、コア部材１３ｅと、コア部材１３ｆ及び１３ｈと、コア部材１３ｇ及び１３ｈとは、脱着可能であることが必要である。
FIG. 16 shows a
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は本願第３発明についてのものであり、電磁縮管用の成形装置である。本実施形態においては、管状のワーク２１に対し、その長さより長いコイル２２がワーク２１の全域を覆うように、外嵌されている。
Next, a third embodiment of the present invention will be described. This embodiment relates to the third invention of the present application, and is a molding apparatus for electromagnetic contraction. In the present embodiment, a
また、ワーク２１の内部には、強磁性体からなる棒材であるコア部材２３が配置されている。この縮管装置においても、コア部材２３により、コイル２２のインダクタンス増強効果及びコイル２２とワーク２１の結合係数の向上が可能となり、比較的少ない投入エネルギで、ワーク２１に大きな電磁力を作用させることが可能となり、その成形効率を高めることができる。
A
コア部材２、１３、２３を構成する強磁性体材料の特性としては、まず、飽和磁束密度が高いこと、比透磁率が高いこと、電気抵抗が非常に高いことが要求される。また、コア内には磁束密度に由来するマクスウェル応力と、電流が無視できないほど誘起される場合には電磁力も生じうるため、機械的強度も高いことが望ましい。
As characteristics of the ferromagnetic material constituting the
例えば、コア部材２、１３、２３には焼結フェライトを使用することができる。又は、電磁鋼板（珪素鋼板）を積層させたものも使用することができる。これらは、比透磁率が高く、ヒステリシス及び過電流による損失が小さいことから、コア部材用の強磁性体として適している。焼結フェライトは加工性の面で、珪素鋼板は機械的強度の面で優れたものである。
For example, sintered ferrite can be used for the
また、コア部材２、１３、２３に生じる電磁力が大きい場合においては、コア部材の外側又は内側への補強を行なうことが必要である。
Further, when the electromagnetic force generated in the
なお、本発明が適用されるワークは、円管に限らず、楕円管及び四角形管若しくは多角形管等の管状をなすものであれば適用することができる。また、コイル外形も、円筒状に限らず、楕円筒状及び四角形筒状若しくは多角形筒状等の種々の形状のものを利用することができる。 The work to which the present invention is applied is not limited to a circular pipe, but can be applied as long as it has a tubular shape such as an elliptical pipe, a square pipe, or a polygonal pipe. The coil outer shape is not limited to a cylindrical shape, and various shapes such as an elliptical cylindrical shape, a rectangular cylindrical shape, or a polygonal cylindrical shape can be used.
１、１１：ワーク
２、１２：コア部材
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ、２ｇ、２ｈ、２ｉ、２ｊ、２ｋ：ユニット
３、１３：コイル
１４：管
１５：中空部
１３ａ，１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ、１３ｇ、１３ｈ：コア部材
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