磁控电弧旋转磁场发生装置的设计
第３６卷第５期２００６年５月
奄珲梭
ＥｌｅｃｔｒｉｃＷｅｌｄｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ
Ｖ０１．３６Ｎｏ．５
Ｍａｙ２００６
磁控电弧旋ｉ转磁场发生装置的设计
陈树君。王学震，华爱兵，殷树言
ｆ北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京１０００２２）
摘要：基于逆变电路脉冲宽度调制技术和三相步进电机原理，以智能功率模块ＩＰＭ作为开关器件，
研制了一种旋转磁场发生装置。通过改变励磁线圈的励磁转换频率和励磁电流大小来调节磁场的旋转频率和磁场强度，产生一个转速和场强连续可调的空间旋转磁场，并利用此旋转磁场来控制焊接电弧。试验证明，该装置产生的旋转磁场可以很好地控制焊接电孤，并能使焊接电弧以不同的速率
稳定地旋转。
关键词：旋转磁场；焊接电弧；ＩＰＭ中图分类号：ＴＧ４３４．２
Ｒｏｔａｔｉｎｇ
文献标识码：Ａｍａｇｎｅｔｉｃ
文章编号：１００１—２３０３（２００６）０５－００４７－０４
ａｒｃ
ｆｉｅｌｄｇｅｎｅｒａｔｏｒｕｓｅｄｔｏｃｏｎｔｒｏｌｗｅｌｄｉｎｇ
Ｘｕｅ—ｚｈｅｎ，ＨＵＡＡｉ—ｂｉｎｇ，ＹＩＮＳｈｕ—ｙａｎ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ
ＣＨＥＮ
Ｓｈｕ－ｊｕｎ，ＷＡＮＧ
（Ｄｅｐｔ．ｏｆ
ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｐｐｌｉｅｄ
ｏｎ
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ，ＢｅｉｊｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ
ｔｈｅ
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｉｎｉｎｖｅｒｔｅｒｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ—ｓｔｅｐｐｅｒｄｍｏｔｏｒ．ａ
ｒｏｔａｔｉｎｇｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｇｅｎｅｒａｔｏｒｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔａｋｉｎｇｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｐｏｗｅｒｃｕｒｒｅｎｔ，ｔｈｅｓｐｅｅｄｏｆｒｏｔａｔｉｏｎａｎｄｍａｇｎｅｔｉｃｉｎｔｅｎｓｉｔｙ
ｒｏｔａｔｅ
ｃａｎ
ｍｏｄｅ（ＩＰＭ）ａｓｓｗｉｔｃｈ．Ｔｈｒｏｕｇｈｃｈａｎｇｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｅｘｃｉｔｉｎｇ
ａｒｃ
ｂｅｒｅｇｕｌａｔｅｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ．Ｉｔｉｓｐｒｏｖｅｄｔｈａｔｗｅｌｄｉｎｇ
ｉｓｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄａｎｄ
ｃａｎ
ｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｐｅｅｄｗｈｅｎｔｈｉｓｒｏｔａｔｉｎｇｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｉｓｇｅｎｅｒａｔｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ・ｒｏｔａｔｉｎｇｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ；ｗｅｌｄｉｎｇａｒｃ；ＩＰＭ
Ｕ
刖舌
由于电弧等离子体的良好导电性，因此提供了
横向磁场、纵向磁场和双尖角磁场ｆ２ｈ５１。
本研究摒弃了上述“以静制动”的思想，首次提出了以高频旋转磁场来控制焊接电弧，并设计了满足磁控电弧要求的旋转磁场发生装置。
外部磁场对它的可作用性，也就是说根据不同的应用要求，通过施加合理型式的外部磁场来改变电弧的形状和位置，或者是控制电弧的运动［１】，以影响电弧特性（热特性、力特性和电特性等），从而达到改善焊接工艺性能的目的。但是，目前的磁场型式主要局限于静态或者低频（几十赫兹左右）的平行磁场、
收稿日期：２００６—０３—２１
１旋转磁场的产生机理
一般情况下，在空间相差一定角度的几对磁极，且磁极上装有励磁线圈绕组，当励磁线圈中通过几组相差一定相位的励磁电流时，这几对磁极所包围的空间内就会产生旋转的磁场。磁场的形态由励磁线圈的安装位置决定，磁场的旋转频率取决于励磁线圈的励磁转换频率，而场强的大小则由励磁电流的大小来调节。
根据上述原理，本研究采用３对磁极ｆ见图１）
基金项目：国家自然科学基金资助项目（Ｎ０５０２０５００１）作者简介：陈树君（１９７１一），男，黑龙江双城人，副教授，博
士，主要从事新型焊接电源、电力电子技术、电磁兼容技术、电源可靠性及焊接电弧物理等方面的研究工作。
万方数据
彦旋砌磁磁移—磁＊，锄，
・４７・
研究与设计
重珲梭
第３６卷
匀布在同一圆周上，并对磁极上的励磁线圈采用三相单三拍的励磁顺序供电，将产生如图２所示的旋转磁场，分别表示一个周期内各个时刻的磁场方向示意图。例如图２ａ表示当电流从Ｕ流进、Ｕ’流出时，根据右手螺旋定则确定的磁场方向，而图２ｂ表示下一个时刻到来时，电流发生切换，从Ｖ流进、Ｖ’流出，相应地磁场方向顺时针旋转了６０。。依次类推，当励磁电流相位变化３６００，磁场方向恰好也变化３６００。由此可见，该装置产生的旋转磁场与励磁电流的相位变化同步，也就是说可通过改变励磁电流的转换频率来改变旋转磁场的转速。
图１旋转磁场发生装置
Ｆｉｇ．１
Ｓｋｅｔｃｈｏｆｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｄｅｖｉｃｅｏｆｒｏｔａｅｎｇ
ｍａｇｎｅｔｉｃ
ｆｉｅｌｄ
ｆ
图２旋转磁场的产生过程示意
Ｆｉｇ．２
Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｆｏｒｍｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｒｏｔａｉｎｇ
ｍｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ
２旋转磁场发生装置的研制
如上所说，旋转磁场发生装置包括２部分：励磁电源和磁头，其中励磁电源用于产生按要求规律变化的励磁电流，而磁头产生与励磁电流相符的磁场。
２．１磁头的设计
旋转磁场的磁头与焊枪做成一体，在强电弧辐・４８・彦兹ａ反彩锄磁０垆兹０ａ磁拓
万
方数据射热的作用下，整个磁头的冷却是设计的关键，此外还须考虑磁头的小型化、工程实用性、气体保护效果等诸多问题。为此，采用图３所示的磁头结构。６个直径为１０ｍｍ的磁柱（材料为铁氧体）均布在同一圆周上，每个磁柱上密绕５０匝铜线圈。整个磁头置于一冷却腔（材料为铝）中，焊接过程中采用高压水冷以确保磁柱温度在居里点以下。
图３磁头剖面
Ｆｉｇ．３
Ｄｉａｇｒａｍｏｆ
ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｏｆ
ｍａｇｎｅｔｉｃｈｅａｄ
２．２励磁电源的设计
图４为励磁电源发生装置的主电路，其工作原理为：２２０Ｖ交流电经过变压一ＥＭＩ网络一整流一滤波后，输出直流电供给２个并联的ＩＰＭ模块，通过对ＩＰＭ控制信号的调整，最终输出交流脉冲信号作用于各个励磁线圈。
图４励磁电源主电路
Ｆｉｇ．４
Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ
ｄｉａｇｒａｍｏｆ
ｍａｉｎｃｉｒｃｕｉｔｏｆｅｘｃｉｔｉｎｇｐｏｗｅｒ
ｓｏｕｒｃｅ
旋转磁场的频率控制电路如图５所示。它主要由５５５定时器、环行分配器７４８０３６、分频电路控制部分组成。其中５５５定时器产生频率可调的、占空比为５０％的矩形波；环行分配器７４８０３６对该矩形波进行整理并输出三相六拍矩形波；最后由Ｄ触发
研究与没计
陈树君等：磁控电弧旋转磁场发生装置的设计第５期
器和门电路组成的信号整理电路对三相六拍矩形波进行分频，得到三相单三拍控制信号。
ｊ…５５．
７４８０３６
定时：擀
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Ｕ１・
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图５旋转磁场的频率控制电路
Ｆｉｇ．５
Ｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔｏｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｒｏｔａａｎｇｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ
旋转磁场的磁场强度取决于励磁电流的大小，设计时采用脉宽调制技术和电流闭环反馈方式以实现对励磁电流的控制，该控制电路的核心器件采用ＳＧ３５２５。将ＳＧ３５２５的输出信号与磁场频率控制电路的输出信号经过与门电路，产生如图６所示的ＩＰＭ驱动信号波形，将其展开就得到图７的波形。可见，控制信号为双脉冲形式。
图６ＩＰＭ驱动信号波形
Ｆｉｇ．６
ＤｒｉｖｉｎｇｗａｖｅｆｏｒｍｏｆＩＰＭ
图７驱动信号波形展开
Ｆｉｇ．７
Ｕｎｆｏｉｄｅｒ
ｇｒａｐｈｏｆｄｒｉｖｉｎｇ
ｗａｖｅｆｏｒｍ
３磁场分布测试
采用Ｆ．Ｗ．ＢＥＬＬ７０３０型高斯计来对磁场进行测试，并将高斯计与示波器相连接，以观测磁场的动态变化。Ｆ．Ｗ．ＢＥＬＬ７０３０型高斯计测试磁场的基本原理为：当所测磁场的方向与探头测试芯片相垂
万
方数据直时，示波器将显示磁场强度的最大值，因此可根据测试芯片的位置来判断磁场的方向。
测试时应对每对磁极单独供电，单独测试每一
对磁极所产生的磁场方向。具体方法为：将高斯计
探头垂直置于磁头中心处，缓慢转动探头，当发现磁场强度最大时，记录探头的空间位置，然后比较测试芯片与磁极连线的位置关系。
试验结果发现，测试芯片与磁极连线都相互垂直。这充分说明，当励磁电源正常工作（即按照三相单三拍给励磁线圈供电）时，磁头所产生的空间磁场为一旋转磁场。同时，还测试了不同位置磁场的大小，发现磁柱外侧场强较小，而在靠近磁柱中心区域的场强较大而且分布集中，此处正是焊接电弧所在的区域。图８为磁头中心线距磁头４ｍｍ处的磁感应强度随励磁电流的变化曲线，可见随着励磁电流的增加，磁感应强度相应变大。
图８励磁电流大小与磁感应强度关系
Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｅｘｃｉｔｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔａｎｄ
ｍａｇｎｅｔｉｃ
作用
图９和图１０分别为无磁场和施加旋转磁场时的ＴＩＧ电弧形态（焊接条件为：直流正接，焊接电流
Ａ；钨极直径２ｍｍ，其端部到工件的距离９
ｍｍ；
Ａ，旋转频率为１００Ｈｚ；工件为水冷
当施加旋转磁场时，电弧受到拘束，沿电极轴线电弧收缩。
荔兹锄磁施移．兹＊名轴
・４９‘
Ｆｉｇ．８
ｍａｇｎｉｔｕｄｅ
４旋转磁场对ＴＩＧ焊接电弧的控制
２０
励磁电流为５铜）。从图中可以看出，小电流时电弧易发生偏吹，
稳定地燃烧。借助高速摄像，可以发现电弧以一定频率在旋转；当改变励磁转换频率，电弧旋转频率也发生变化，而且变化趋势与励磁转换频率相同；当改变励磁电流时，电弧形态也发生变化，例如增大励磁电流，电弧扩张，而减小励磁电流时，
焉究与设计
雹晖坂
第３６卷
图１０施加旋转磁场时ＴＩＧ电弧形态
图９无磁场时ＴＩＧ电弧形态
Ｆｉｇ．１０
Ｗｅｌｄｉｎｇ
ａｒｃ
ｓｈａｐｅｏｆＴＩＧｗｉｌｈｒｏｔａａｎｇ
ｍ雒触ｆｉｅｌｄ
Ｆｉｇ．９
Ｗｅｌｄｉｎｇ
ａｒｃ
ｓｈａｐｅｏｆＴＩＧｗｉｔｈｏｕｔ
ｍａｇｎｅｔｉｃ
ｆｉｅｌｄ
参考文献：
５
结论
【１】过增元，赵文华．电弧和热等离子体［拥．北京：科学出版社，
（１）摆脱以往采用静态或者低频磁场控制焊接
１９８６．
电弧的局限，提出利用高频旋转磁场控制焊接电弧【２】２Ｊａｙａｍｊａｎ，Ｊａｃｋｓｏｎ．Ｍａｇｎｅｔｉｃｃｏｎｔｒｏｌｏｆｇａｓｔｕｎｇｓｔｅｎ
ａｒｃ
ｗｅｌｄｉｎｇ
的思想。
ｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．ＷｅｌｄｉｎｇＪｏｕｒｎａｌ，１９７２（９）：３７７－３８５．（２）根据上述思想设计了结构小巧、性能可靠、【３】Ｈｉｃｋｅｎ，Ｊａｃｋｓｏｎ．Ｔｈｅ
ＥｆｆｅｃｔｓｏｆＡｐｐｌｉｅｄＭａｇｎｅｔｉｃＦｉｅｌｄｓ
０１１
方便可调的旋转磁场发生装置。
ＷｅｌｄｉｎｇＡｒｃｓ［Ｊ］．ＷｅｌｄｉｎｇＪｏｕｒｎａｌ，１９６６（１１１：５１５—５２５．
ＯＩｌ
（３）所设计的旋转磁场发生装置可用于控制［４】４Ａｎｄｏ，Ｎｉｓｈｉｋａｗａ，Ｙａｍａｎｏｕｃｈｉ．ＥｆｆｅｃｔｓｏｆＭａｇｎｅｔｉｃＦｉｅｌｄＢｅａｄＦｏｒｍａｔｉｏｎｉｎＴＩＧＡｒｃ
ＷｅｌｄｉｎｄＪ］ＪｏｕｍａｌｏｆＪａｐａｎＷｅｌｄｉｎｇ
焊接电弧的旋转速度、改善焊接电弧的形态。无Ｓｏｃｉｅｔｙ，１９６８（３）：４３－４８．论对于理论研究还是工程应用都具有一定的指导
［５】Ｃｈａｏ－ＦａｎｇＴｓｅｎｇ，Ｗａｒｒｅｎ
Ｆ．Ｓａｖａｇｅ．ｑ３ａｅＥｆｆｅｃｔｏｆＡｒｃＯｓｃｉｌｌ—
意义。
ａｔｉｏｎ阅．ＷｅｌｄｉｎｇＪｏｕｒｎａｌ，１９７１（１２）：７７７－７８６．
＇＇ｌ，＇’＇’，＇＇’＇＇＇’，ｌ’＇－，’－，’＇ｌ’＇，＇’，，’’＇，＇＇，，，，＇’＇＇，＇＇ｌ＇，＇，’＇，ｌ’＇，ｌ＇＇＇＇，ｌ’’＇ｌ’＇，＇，，＇＇，＇，’＇，，
Ｐａｇｅ
６。留接环境健康与安全的工作作风。
接，２００５（３）：４１—４３．（７）推广使用机械化、自动化、机器人焊接切割
【３】杨世柏，陆
信，施雨湘，等．电镜分析焊接烟尘的直接
设备，使用逆变软开关等先进焊接电源，淘汰国家采样法研究叽．武汉交通科技大学，１９９７，２１（４）：３６０—３６５．明令禁止的焊机，减少和消除焊接设备的电磁污染。
【４］杨世柏，施雨湘，熊玉峰，等．酸性焊条焊接烟尘形貌与结
（８）推广使用清洁绿色焊接工艺，如搅拌摩擦焊构的关系研究阴．武汉交通科技大学，１９９７，２１（４）：４３ｌ－４３５．接、无铅焊接、电阻焊接、冷压焊接等工艺方法。
【５】
肖诗祥，施雨湘，杨世柏．焊接烟尘的扩散特性［Ｊ】．武汉交通科技大学，１９９７，２１（４）：３８５—３９０．
（９）建立焊工劳动保护、体检、健康档案制度，认【６】李桓，陈埒涛，宋永伦，等．基于激光散射法的焊接烟尘
真监督落实。
粒径测量【Ｊ】．电焊机，２００５。３５（３）：９－１２．
（１０）焊接切割操作过程中严格遵守操作规程，【７】石王于，康龙，樊丁．焊接安全综合模糊评估方法的探
提前做好危害因素评估和防护工作。改进焊接工讨叨．电焊机，２００５，３５（３）：４－５．
艺，使用焊接烟尘净化设备、过滤器、机器人除尘设［８】栗卓新，蒋建敏，李现兵，等．药芯焊丝的环境协调性田．电
备、专用工作台、自动变光焊接面罩、供气式呼吸保焊机，２００５，３５（３）：６—８．
护系统、各种劳保用品等环保和清洁产品，提供一【９】
中国电器工业协会电焊机分会成都电焊机研究所．我国个科学清洁的工作环境，确保劳动者健康。
电焊机行业“十一・五”规划第三部分［Ｊ】．电焊机（资讯专栏）．２００５，３５（１ｏ）：２～５．
参考文献：
［１０】刘丹，王麟书．从北京埃森焊接展看焊接健康与安全
【１】刘
字．论质量、环境和职业安全卫生管理体系的整合叨．的发展【Ｊ】．电焊机，２００５，３５（８）：７１—７２．
北京机械工业学院学报，２００２，１７（２）：２８－３２．
【１１］袁建国．焊接工艺改造前后卫生效果及经济效益分析【Ｊ】．
【２】张健．职业健康安全管理体系中的焊接过程控制［Ｊ］．焊
中国卫生工程学，２００２，１（３）：１５８一１５９．
万
方数据
磁控电弧旋转磁场发生装置的设计
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
陈树君， 王学震， 华爱兵， 殷树言， CHEN Shu-jun， WANG Xue-zhen， HUA Ai-bing， YIN Shu-yan
北京工业大学,机械工程与应用电子技术学院,北京,100022电焊机
ELECTRIC WELDING MACHINE2006,36(5)6次
参考文献(5条)
1. Chao-Fang Tseng;Warren F Savage The Effect of Arc Oscillation 1971(12)
2. Ando Nishikawa Yamanouchi Effects of Magnetic Field on Bead Formation in TIG Arc Welding 1968(03)3. Hicken Jackson The Effects of Applied Magnetic Fields on Welding Arcs 1966(11)4. Jayarajan Jackson Magnetic control of gas tungsten arc welding process 1972(09)5. 过增元;赵文华 电弧和热等离子体 1986
引证文献(6条)
1. 符浩. 洪波. 黄明灿. 洪宇翔. 尹力 磁控电弧传感器在细丝埋弧焊焊缝跟踪中的研究[期刊论文]-电焊机 2009(6)2. 卢振洋. 白韶军. 汤金蕾. 张晓亮 横向旋转磁场作用下TIG焊电弧的运动机制[期刊论文]-北京工业大学学报2008(9)
3. 黄永红. 徐晓斌. 陈照章. 王恒海 生物体低温保存用低频磁场发生装置的研制与应用试验[期刊论文]-农业工程学报 2007(8)
4. 华爱兵. 陈树君. 殷树言. 刘忠保 磁控电弧焊接工艺在非熔化极气体保护焊中的应用[期刊论文]-焊接 2007(2)5. 陈树君. 华爱兵. 殷树言. 白绍军 旋转磁场作用下的TIG焊电弧运动特征[期刊论文]-焊接 2006(10)6. 殷树言 高效弧焊技术的研究进展[期刊论文]-焊接 2006(10)
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