УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИМПУЛЬСА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2001 года по МПК H02N11/00 

Изобретение относится к области мощных импульсных источников электромагнитной энергии, в основе которых заложен эффект кумуляции магнитной энергии. Магнитокумулятивные генераторы (МКГ) перспективны в качестве источников мощных импульсов электромагнитной энергии. При непосредственном включении нагрузки в цепь МКГ его эффективная работа возможна лишь при наложении ограничений на параметры нагрузки. Одним из способов согласования параметров МКГ и нагрузки является применение повышающего трансформатора, при этом нагрузка подключается ко вторичной обмотке, а МКГ - к первичной.

Известно устройство для получения и преобразования импульса электромагнитной энергии (Бухаров В. Ф. и др. "Магнитокумулятивные генераторы с трансформаторным выводом энергии", ж. "Прикладная механика и техническая физика" ПМТФ N 1, 1982 г., стр. 4-10, фиг. 2). Устройство выполнено в виде двух отдельных блоков (блок МКГ и трансформаторный узел), соединенных с обеспечением надежного контакта. МКГ включает центральный проводник с зарядом взрывчатого вещества (ВВ) и спиральный проводник. Трансформаторный узел состоит из четырех цилиндрических трансформаторов с 32-витковой вторичной обмоткой, расположенной внутри первичного витка. МКГ присоединяется к трансформаторному блоку через две токоведущие квадратные пластины (токопровод), разделенные изолятором, к каждой стороне которых присоединен трансформатор, намотанный кабелем. Начальная энергия от конденсаторной батареи подается к спиральному и центральному проводнику со стороны входного торца МКГ, а нагрузка подключается к вторичной обмотке трансформатора.

Данное устройство имеет большие габариты из-за трансформатора, который подключается к выходному торцу МКГ и удлиняет конструкцию. Кроме того, в этой конструкции большое соотношение между диаметром трансформатора и диаметром спирального наружного проводника МКГ (~9:1). Это ограничивает использование известного устройства, где габариты имеют существенное значение.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для получения и преобразования импульса электромагнитной энергии (А. И. Павловский и др. "Каскадная система с небольшим генератором МКГ" доклад на VI "Международной конференции по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам", США, Альбукерк, 92 г., сб. трудов часть II, стр. 631, рис. 1). Устройство содержит магнитокумулятивный генератор, включающий коаксиальные центральный проводник с зарядом взрывчатого вещества и спиральный проводник, трансформатор, включающий первичную и вторичную обмотки и токопровод. Один конец первичной обмотки трансформатора соединен на выходном торце МКГ с центральным проводником, а второй конец через токопровод - со спиральным проводником МКГ.

Трансформаторный узел так же, как и у аналога, является продолжением общей конструкции и расположен за генератором отдельным блоком. Первичная и вторичная обмотки выполнены коаксиальными. Первичная обмотка располагается над вторичной обмоткой. Трансформатор отнесен от МКГ не менее чем на величину, равную Z=0,2 D, где D - диаметр первичной обмотки трансформатора. Это соотношение необходимо выполнить для уменьшения влияния работающего генератора на трансформаторный узел. Токопровод выполнен в виде двух частей. Первая часть - это длина, на которую отнесен трансформатор от генератора. Вторая часть расположена над первичной обмоткой. Т.е. трансформатор выполнен таким образом, что снаружи расположена вторая часть токопровода, первичная обмотка под ней, а вторичная обмотка на внутреннем диэлектрическом каркасе.

Недостатками прототипа также являются увеличенные габариты устройства из-за удлинения общей конструкции и снижение выходной энергии из-за паразитной индуктивности и потерь магнитного потока при передаче его из первичного контура во вторичную обмотку.

При создании данного изобретения решалась задача получения мощного импульса электромагнитной энергии и согласования параметров генератора с параметрами нагрузки.

Техническим результатом при решении данной задачи являлось сокращение габаритов и повышение выходной энергии.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным устройством для получения и преобразования импульса электромагнитной энергии, содержащим магнитокумулятивный генератор, включающий коаксиальные центральный проводник с зарядом ВВ и спиральный проводник, трансформатор, включающий первичную и вторичную обмотки, и токопровод, причем один конец первичной обмотки соединен на выходном торце МКГ с центральным проводником, а второй - через токопровод со спиральным проводником, новым является то, что обмотки трансформатора и токопровод расположены коаксиально над спиральным проводником генератора на диэлектрическом каркасе. Первичная обмотка расположена между наружной вторичной обмоткой и токопроводом, выполненным в виде набора изолированных проводников, расположенных вдоль оси под первичной обмоткой. Направление намотки витков первичной обмотки совпадает с направлением намотки спирального проводника. Кроме того, в диэлектрическом каркасе выполнена полость, открытой частью обращенная к входному торцу генератора.

При расположении первичной и вторичной обмоток трансформатора и токопровода коаксиально над спиральным проводником генератора и совпадении направлений намотки витков первичной обмотки и спирального проводника во время расширения центральной трубы под действием продуктов детонации заряда ВВ величина индуктивности первичной обмотки уменьшается. Это приводит к увеличению отношения L₁₀/L_1к, где L₁₀ и L_1к - соответственно начальная и конечная индуктивности контура МКГ, что в свою очередь позволяет увеличить входную энергию и коэффициент усиления энергии устройства. Физически это объясняется тем, что на магнитное поле спирального проводника МКГ накладывается магнитное поле трансформаторного узла. В этом случае торможение центрального проводника МКГ происходит в магнитном поле с величиной напряженности, большей, чем величина напряженности поля спирального проводника. Это приводит к увеличению отбора кинетической энергии центрального проводника в энергию магнитного поля в нагрузке. Выполнение токопровода в виде набора изолированных проводников, расположенных вдоль оси под первичной обмоткой трансформатора, не мешает проникновению магнитного поля из первичной обмотки во вторичную, не влияет на взаимоиндукцию между первичной обмоткой и спиральным проводником МКГ и увеличивает выходную энергию за счет сокращения длины токопровода и его индуктивности. Такое выполнение обмоток трансформатора и токопровода и расположение этих элементов на части (30% и более) длины генератора и на общей оси существенно сокращает габариты устройства в целом. Наличие полости, выполненной в диэлектрическом каркасе, позволяет сохранить трансформаторный узел от разрушения ударной волной при разлете центрального проводника на время не менее времени работы МКГ из-за того, что давление ударной волны в воздухе значительно слабее, чем в материале каркаса.

На чертеже изображено заявляемое устройство.

Устройство для получения и преобразования импульса электромагнитной энергии содержит магнитокумулятивный генератор, включающий коаксиальные центральный проводник 1 с зарядом 2 взрывчатого вещества и спиральный проводник 3. Трансформатор включает первичную 4 и вторичную 5 обмотки, а также токопровод 6. Один конец первичной обмотки 4 соединен на выходном торце генератора с центральным проводником 1, а второй конец через токопровод 6 со спиральным проводником 3. Обмотки 4 и 5 трансформатора и токопровод 6 расположены коаксиально над спиральным проводником генератора на диэлектрическом каркасе 7. Первичная обмотка 4 расположена между наружной вторичной обмоткой 5 и токопроводом 6. Токопровод 6 выполнен в виде набора изолированных проводников, расположенных вдоль оси под первичной обмоткой 4 трансформатора. В диэлектрическом каркасе 7 выполнена полость 8, открытой частью обращенная ко входному торцу генератора. Кроме того, источник 9 начальной энергии подключен со стороны входного торца генератора. Система подключена со стороны входного торца генератора. Система инициирования 10 расположена на заряде ВВ 2 также со стороны входного торца генератора. Нагрузка 11 подключена ко вторичной обмотке 5 трансформатора.

В примере конкретного выполнения первичная обмотка выполнена одним изолированным витком, состоящим из 64 проводников с диаметром каждого проводника, равным ~7,5 мм. Первичная обмотка расположена на диаметре 466 мм. Вторичная обмотка имеет 25 витков, намотанных изолированным проводником диаметром 20 мм, и расположена непосредственно на первичной обмотке. Токопровод состоит из 64 проводников, таких же, которые использовались для намотки первичной обмотки, уложенных в пазах диэлектрического каркаса, выполненных вдоль оси по образующим на диаметре 420 мм. Концы токопровода выведены со стороны выходного торца и соединены со спиральным проводником МКГ. Диэлектрический каркас выполнен из пенопласта и эпоксидного компаунда. Полость может быть образована в виде кольцевой проточки и выполнена на глубину ~250 мм. В качестве источника начальной энергии для МКГ используется конденсаторная батарея или другой МКГ. Система инициирования заряда выполнена в виде капсюля детонатора, расположенного на заряде ВВ со стороны входного торца генератора. Центральный проводник МКГ выполнен в виде трубы, заполненной ВВ. Спиральный проводник расположен коаксиально с центральным проводником. Элементы трансформатора обычно занимают ~45 - 65% длины генератора, а соотношение радиусов вторичной обмотки трансформатора и наружного спирального проводника МКГ могут варьироваться от 1,8 до 2,5. Общая длина конструкции в примере конкретного выполнения 1 м, трансформаторный узел занимает 63% длины генератора. Диаметр наружной вторичной обмотки - 500 мм, а внутренний диаметр спирального проводника - 240 мм.

Работает заявляемое устройство следующим образом. После запитки током от источника 9 начальной энергии в контуре МКГ создается магнитный поток. После срабатывания системы инициирования 10 и заряда ВВ 2 в момент достижения требуемой величины тока центральный проводник 1 под действием продуктов взрыва разлетается в форме конуса и соединяется со спиральным проводником 3. С этого момента начинается процесс магнитной кумуляции. Далее при заявляемом выполнении и расположении трансформатора на магнитное поле спирали накладывается магнитное поле трансформаторного узла и торможение центрального проводника МКГ происходит в магнитном поле с величиной напряженности, большей, чем величина напряженности поля спирального проводника. Это приводит к увеличению отбора кинетической энергии центрального проводника в энергию магнитного поля в нагрузке.

Таким образом, по сравнению с прототипом в заявляемом устройстве удалось сократить габариты в 1,5 раза и увеличить выходную энергию на 15%.

Устройство предназначено для использования в области мощных импульсных источников электромагнитной энергии, в основе которых заложен эффект магнитной кумуляции энергии, а также в области согласования таких источников с нагрузкой. В устройстве элементы магнитокумулятивного генератора и трансформатора выполнены и расположены следующим образом. Первичная и вторичная обмотки трансформатора, а также токопровод расположены коаксиально над элементами генератора. Первичная обмотка находится между наружной вторичной и токопроводом, который в свою очередь выполнен в виде набора изолированных проводников, расположенных вдоль оси под первичной обмоткой трансформатора. Изобретение обеспечивает повышение КПД и сокращение габаритов. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для получения и преобразования импульса электромагнитной энергии, содержащее магнитокумулятивный генератор, включающий коаксиальные центральный проводник с зарядом взрывчатого вещества и спиральный проводник, трансформатор, включающий первичную и вторичную обмотки, и токопровод, причем один конец первичной обмотки соединен на выходном торце генератора с центральным проводником, а второй через токопровод - со спиральным проводником, отличающееся тем, что обмотки трансформатора и токопровод расположен коаксиально над спиральным проводником генератора на диэлектрическом каркасе, первичная обмотка расположена между наружной вторичной обмоткой и токопроводом, выполненным в виде набора изолированных проводников, расположенных вдоль оси под первичной обмоткой, направление намотки витков которой совпадает с направлением намотки спирального проводника. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в диэлектрическом каркасе выполнена полость, открытой частью обращенная к входному торцу генератора.