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电磁脉冲线圈在极端瞬态条件下易导致玻璃纤维/环氧树脂绝缘材料老化，威胁设备可靠性。本研究通过多物理场耦合仿真建立等效老化平台，提出能量密度参数并开发寿命预测方法。实验表明机械老化影响最显著，预测循环数与实际工况（6000-7000次）高度吻合，验证了机械老化主导的预测模型有效性。
张亚东|袁正阳|万惠龙|李斌|胡一然|曾家康宏|李开祥
中国武汉大学电气工程与自动化学院电网环境保护国家重点实验室，武汉430072
摘要
电磁脉冲线圈作为电气设备中的关键部件，被广泛应用于电磁成形、电磁焊接和发射系统等领域。这些线圈在高温、高电压和冲击等极端瞬态条件下工作，这些条件会破坏其玻璃纤维/环氧树脂绝缘层，从而威胁其可靠性。然而，基于静态单场条件的传统寿命模型无法准确描述在瞬态多物理场作用下的老化过程。
为了解决这个问题，本研究首先采用多物理场仿真来模拟线圈的实际运行情况，建立了等效的热老化、电老化和机械老化模型。通过分析不同条件下的老化过程，提出了一种能量密度参数。随后，结合有限元仿真和实验数据，开发了一种基于该参数的电磁脉冲线圈寿命预测方法，该方法能够统一复杂瞬态载荷下各种老化条件的累积影响。
将该方法应用于实际线圈，预测其寿命分别为256,680次（热老化）、157,903次（电老化）和7,593次（机械老化），结果表明机械老化对结构强度的影响最大，其次是电老化和热老化。该线圈在实际工作条件下的寿命为6,000–7,000次，与机械老化预测结果非常吻合。这验证了利用材料机械老化特性来预测电磁脉冲线圈寿命的可行性。
术语表
| 缩写 |
| IPM |
逆功率模型 |
| IPTM |
逆功率阈值模型 |
| EM |
指数模型 |
| Q |
热量 |
| c |
比热容 |
| m |
质量 |
| T |
电流温度 |
| t |
时间 |
| k |
冷却速率 |
| ρ |
材料密度 |
| w |
电能密度 |
| E |
电场强度 |
| ε
| 介电常数 |
| p |
冲击强度 |
1. 引言
电磁脉冲线圈是电气设备中的核心电磁能量转换单元，通过激发毫秒级的瞬态电流产生强烈的脉冲磁场，广泛应用于电磁成形、电磁焊接、电磁发射和高能物理检测等领域。G11玻璃纤维/环氧树脂因其低密度、高比强度、优异的机械性能和强的耐热性而受到青睐。
2.1. 过程概述
在电磁脉冲线圈运行过程中，千安级的脉冲电流在几毫秒内流经内部导体。由于焦耳热效应和洛伦兹力的作用，包裹线圈外层的G11玻璃纤维/环氧树脂复合材料同时受到热、电和机械能量的影响，这会导致一系列复杂的物理和化学变化，最终可能导致线圈结构损坏甚至失效。
3. 实验与测试
实验中使用的玻璃纤维/环氧树脂材料是由北京永利盛达塑料制品有限公司生产的G11环氧层压玻璃布板，其规格完全符合GB/T 1303.1-1998标准。实验中使用了6块尺寸为50mm×50mm×2mm的G11环氧层压玻璃布板作为测试样品。老化实验后，将这些样品切割成50mm×10mm×2mm的矩形试样进行冲击强度测试。
4.1. 冲击强度测试结果
由于实验规模较大且持续时间较长，使用了同一制造商生产的兩批G11玻璃纤维/环氧树脂样品。两批未老化样品的初始冲击强度存在微小差异。为了确保实验数据的准确性，定义了相对冲击强度：
