УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВЗАИМОСВЯЗАННЫХ ПЕРЕМЕННОГО МАГНИТНОГО И ВИХРЕВОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЕЙ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2003 года по МПК H01F30/16 H01F17/06 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для получения взаимосвязанных переменного магнитного и вихревого электрического полей в замкнутом тороидальном пространстве, а также для трансформации электрического напряжения.

Известно устройство, в котором реализована идея одновременного получения переменного магнитного и вихревого электрического полей, - это электромагнит индукционного ускорителя электронов - бетатрона [1]. В зазоре между полосами этого электромагнита с помощью намагничивающей обмотки создается переменное магнитное поле, направленное параллельно оси полюсов. В кольцевом пространстве, охватывающем центральную часть полюсов ("галетный блок"), индуктируется вихревое электрическое поле. Однако в этом устройстве в силу конструктивных особенностей магнитное поле создается также в обширном пространстве, окружающем устройство и не связанном с практическим использованием устройства по его назначению. Создание электромагнитного поля в "излишнем" объеме пространства, а также значительные поля рассеяния приводят к повышенному расходу электроэнергии, снижению кпд устройства и делают электромагнит бетатрона источником мощного электромагнитного излучения.

Наиболее близким техническим решением является электромагнит лабораторного автотрансформатора [2] (ЛАТР), который содержит кольцевой магнитопровод, набранный из тонких колец трансформаторной стали, и намагничивающую обмотку из медного провода, равномерно в один слой намотанную на этот стальной сердечник. Переменное магнитное поле создается в стальном сердечнике и распространение его за пределы сердечника минимально (теоретически отсутствует). Вихревое электрическое поле, индуктируемое во внутреннем пространстве кольцевого сердечника, замыкаясь, охватывает стальной сердечник со всех сторон снаружи. Таким образом, электромагнит ЛАТРа с точки зрения энергосбережения также не безупречен и тоже является источником электрического поля. При этом вихревое электрическое поле является как бы "побочным продуктом" и по назначению не используется.

Целью изобретения является снижение потребляемой энергии, повышение экологической безопасности и кпд устройства и трансформация электрического напряжения.

Эта цель достигается тем, что в устройстве для получения взаимосвязанных переменного магнитного и вихревого электростатического полей, содержащем магнитопровод и намагничивающую обмотку, распределенная одновитковая намагничивающаяся обмотка выполнена в виде двух коаксиально расположенных тороидальных труб из проводящего материала, например меди, имеющих сквозной радиальный разрез, по одну сторону которого торцы тороидальных труб соединены между собой электрически, например, с помощью припаянной или приваренной, например, медной шайбы, а по другую сторону разреза торцы труб подсоединены к разноименным полюсам источника импульсного или переменного напряжения.

Эта цель достигается тем, что в устройстве для получения взаимосвязанных переменного магнитного и вихревого электрического полей, содержащем магнитопровод и намагничивающую обмотку, распределенная одновитковая намагничивающая обмотка выполнена в виде двух коаксиально расположенных тороидальных труб из проводящего материала, например меди, имеющих сквозной радиальный разрез, по одну сторону которого торцы тороидальных труб соединены между собой электрически с помощью припаянной или приваренной, например, медной шайбы, а по другую сторону разреза торцы труб подсоединены к разноименным полюсам источника импульсного или переменного напряжения, в полость внутреннего тороида уложены витки тонкого изолированного провода, образующие вторичную обмотку повышающего трансформатора. Одновитковая распределенная обмотка устройства выполняет в этом случае функцию первичной обмотки трансформатора.

Пространство между внутренним и наружным тороидами может быть заполнено ферромагнитным материалом, например сердечником, набранным из кольцевых пластин ферромагнитной стали. В этом случае устройство представляет собой тороидальный трансформатор со стальным сердечником.

Благодаря тороидальной форме конструкция обладает замечательным физическим свойством, которое состоит в том, что переменное магнитное поле и вихревое электрическое поля создаются исключительно внутри тороида. Электромагнитное поле за геометрическими пределами тороида теоретически равно нулю. Поэтому от источника питания совершенно не расходуется энергия, обусловленная полями рассеяния и наличием "обратного потока" в известных существующих устройствах, и, следовательно, предлагаемое устройство является энергетически более экономичным и обладает более высоким кпд.

Использование в качестве обмотки устройства сплошных металлических тороидальных труб с минимальным количеством стыков (или при отсутствии таковых) обеспечивает высокую механическую прочность и жесткость конструкции и ее бесшумную работу.

Тороидальная конструкция обладает простотой и технологичностью при изготовлении и сборке. Наличие разъема в конструкции устройства, например, по "экваториальной" плоскости обеспечивает удобство монтажа внутренней трубы и вспомогательных деталей, элементов тороидального магнитного сердечника, когда таковой предусматривается, и т.д.

В случае, когда устройство предназначено для трансформации напряжения, разъемная конструкция тороидов позволяет легко уложить вторичную обмотку трансформатора в полость внутренней трубы. Конструкция обеспечивает максимальную электрическую безопасность трансформатора, поскольку высоковольтная обмотка размещается внутри устройства, а внешняя труба находится под низким потенциалом.

При необходимости легко может быть применено охлаждение конструкции, т. к. первичная обмотка трансформатора, изготовленная из сплошной медной трубы, одновременно представляет собой и корпус устройства.

Для индикации магнитного поля в тороидальном пространстве между внешним и внутренним тороидами могут быть использованы известные стандартные приспособления в виде пробных контуров и флажков, а для индикации вихревого электрического поля в полости внутреннего тороида - газоразрядные, например, неоновые лампочки, загорающиеся при воздействии напряженности электрического поля, или свечение газа, заполняющего полость внутреннего тороида. Для этого в стенках тороидов предусматриваются соответствующие отверстия - окна.

На фиг.1 представлена схема устройства для получения переменного магнитного и вихревого электрического полей (Вариант 1).

На фиг.2 представлена схема устройства для получения переменного магнитного и вихревого электрического полей и трансформации электрического напряжения (Вариант 2).

Устройство для получения взаимосвязанных переменного магнитного и вихревого электрического полей в замкнутом тороидальном пространстве (фиг.1) содержит распределенную одновитковую намагничивающую обмотку, составленную из наружной 1 и внутренней 2 коаксиально расположенных тороидальных труб из проводящего материала, например меди, имеющих сквозной радиальный разрез А, по одну сторону которого торцы тороидов соединены между собой электрически, например, с помощью припаянной или приваренной медной шайбы 3, а по другую сторону от разреза торцы тороидов подсоединены к разноименным полюсам источника 4 импульсного или переменного напряжения.

Пространство 5 между внешним и внутренним тороидами является областью магнитопровода - "воздушного" сердечника устройства, в которой создается переменное магнитное поле. Это пространство может быть, в принципе, заполнено полностью или частично ферромагнитным материалом - ферритовым сердечником или сердечником, набранным из кольцевых пластин трансформаторной стали.

Центральная полость 6 внутреннего тороида является областью, в которой образуется вихревое электрическое поле.

Использование сплошных медных тороидов для выполнения одновитковой распределенной намагничивающей обмотки упрощает технологию изготовления устройства, улучшает его весогабаритные характеристики, а то обстоятельство, что магнитное и вихревое электрическое поля практически отсутствуют в окружающем тороидальное устройство пространстве, приводит к сокращению потребляемой от источника энергии и делает всю конструкцию экологически безопасной.

Устройство для получения взаимосвязанных переменного магнитного и вихревого электрического полей в замкнутом тороидальном пространстве и трансформации электрического напряжения (фиг.2) - тороидальный трансформатор - содержит распределенную одновитковую намагничивающую обмотку, составленную из наружной 1 и внутренней 2 коаксиально расположенных тороидальных труб из проводящего материала, например меди, имеющих сквозной радиальный разрез А, по одну сторону которого торцы тороидов соединены между собой электрически, например с помощью припаянной или приваренной медной шайбы 3, а по другую сторону от разреза торцы тороидов подсоединены к разноименным полюсам источника 4 импульсного или переменного напряжения.

Пространство 5 между внешним и внутренним тороидами является областью магнитопровода - "воздушного" сердечника или ферромагнитного сердечника, если пространство 5 заполнено полностью или частично ферромагнитным материалом. В этой области создается переменное магнитное поле.

Центральная полость 6 внутреннего тороида является областью, в которой образуется вихревое электрическое поле. Эта область заполняется витками 7 тонкого изолированного провода, образующими вторичную обмотку повышающего трансформатора.

Использование сплошных медных тороидов для выполнения одновитковой распределенной намагничивающей обмотки упрощает технологию изготовления устройства, улучшает его весогабаритные характеристики, а так как магнитное поле и вихревое электрическое поле практически отсутствуют в окружающем тороидальное устройство - трансформатор пространстве, то это приводит к сокращению потребляемой от источника энергии и делает всю конструкцию экологически безопасной.

Укладка витков вторичной обмотки в полость внутреннего тороида обеспечивает максимум электрической безопасности, так как наружу выводится только один высокопотенциальный конец обмотки. Сплошные медные тороиды, формирующие намагничивающую обмотку, могут быть одновременно использованы как резервуары для охлаждающего трансформаторного масла, исключая тем самым необходимость применения специального бака - кожуха. Поперечное сечение тороидальных труб может быть при необходимости прямоугольным или квадратным, а необязательно круглым.

Устройство в целом представляет собой жесткую конструкцию, что позволяет не прибегать к специальным мерам по усилению прочности и жесткости, используемым при сооружении многих типов трансформаторов.

Устройство для получения взаимосвязанных переменного магнитного и вихревого электрического полей (фиг.1) работает следующим образом.

Переменное магнитное поле возбуждается одновитковой распределенной обмоткой, образованной коаксиально расположенными тороидами 1 и 2, имеющими сквозной радиальный разрез А, по одну сторону которого торцы тороидов соединены электрически с помощью шайбы 3, а торцы тороидов по другую сторону разреза подсоединены к источнику питания 4. При протекании электрического тока по одновитковой обмотке в пространстве 5 между наружным 1 и внутренним 2 тороидами возникает магнитное поле, имеющее форму полого тороида. Силовые линии магнитного поля лежат в плоскости любого радиального поперечного сечения тороида. При этом во внутреннем объеме 6 тороида 2 индуктируется вихревое электрическое поле, имеющее форму сплошного тороида. Вектор электрического поля перпендикулярен к плоскости любого радиального поперечного сечения тороида.

Возбуждаемое намагничивающей обмоткой переменное магнитное поле создается исключительно в области 5 пространства, ограниченной наружным 1 и внутренним 2 тороидами, а вихревое электрическое поле индуктируется исключительно в области 6, являющейся полостью внутреннего тороида 2. В пространстве, окружающем устройство, за пределами тороидальной конструкции полностью отсутствуют как магнитное, так и электрическое поля.

Для индикации магнитного поля могут быть использованы стандартные способы, например пробные контуры с флажками, а для электрического поля - свечение газа под действием напряженности электрического поля и др.

Для этого в стенках тороидов выполняются специальные отверстия - окна.

Устройство для получения взаимосвязанных переменного магнитного и вихревого электрического полей в замкнутом тороидальном пространстве и трансформации электрического напряжения - тороидальный трансформатор (фиг.2) работает следующим образом.

Переменное магнитное поле возбуждается одновитковой распределенной обмоткой, образованной коаксиально расположенными тороидами 1 и 2, имеющими сквозной радиальный разрез А, по одну сторону которого торцы тороидов соединены электрически с помощью медной шайбы 3, а торцы тороидов по другую сторону разреза подсоединены к источнику питания 4. При протекании электрического тока по одновитковой обмотке в пространстве 5 между наружным 1 и внутренним 2 тороидами возникает магнитное поле, имеющее форму полого тороида. Силовые линии магнитного поля лежат в плоскости любого радиального поперечного сечения тороида. При этом во внутреннем объеме 6 тороида 2 индуктируется вихревое электрическое поле, имеющее форму сплошного тороида. Вектор электрического поля перпендикулярен к плоскости любого радиального поперечного сечения тороида.

Объем 6 внутреннего тороида 2 заполнен вторичной обмоткой 7 тороидального трансформатора, намотанной тонким изолированным проводом. Под действием напряженности вихревого электрического поля в обмотке 7 наводится электрическое напряжение, полное значение которого прямо пропорционально числу витков обмотки 7 и в соответствующее число раз превышает напряжение, подаваемое на зажимы первичной одновитковой обмотки от источника питания 4.

Высокопотенциальный конец вторичной повышающей обмотки трансформатора выводится наружу с помощью проходного высоковольтного изолятора.

Область 5 между тороидами 1 и 2 может быть заполнена полностью или частично ферромагнитным материалом, например сердечником, составленным из ферритовых колец или набранным из кольцевых пластин трансформаторной стали.

Возбужденное намагничивающей обмоткой переменное магнитное поле создается исключительно в области 5 пространства, ограниченной наружным 1 и внутренним 2 тороидами, а вихревое электрическое поле индуктируется исключительно в области 6, являющейся полостью внутреннего тороида 2. В пространстве, окружающем устройство, за пределами тороидальной конструкции полностью отсутствуют как магнитное, так и электрическое поля.

Использование сплошных коаксиально расположенных тороидов в качестве распределенной одновитковой обмотки устройства упрощает технологию его изготовления и монтажа по сравнению с существующими устройствами, приводит к отсутствию магнитного и электрического полей в окружающем пространстве, что означает снижение потребляемой от источника энергии и соответственно повышение кпд установки, а также делает устройство экологически безопасным. Область 5, содержащая или не содержащая сердечник, и область 6, содержащая вторичную обмотку, могут быть заполнены трансформаторным маслом в случае необходимости дополнительного охлаждения. В существующих конструкциях для этой цели приходится предусматривать специальный бак - кожух. Механическая жесткость конструкции из тороидальных труб позволяет обойтись без специальных дополнительных мер по усилению прочности установки.

Источники информации
1. Ананьев Л. М., Воробьев А.А., Горбунов В.И. Индукционный ускоритель электронов - бетатрон. Москва: Энергоиздат, 1961, стр.9, рис.1.

2. Вольдек А.И. Электрические машины, Ленинград: Энергия, 1974, с.349, рис.18-6.

Использование: для получения взаимосвязанных переменного магнитного и вихревого электрического полей в замкнутом тороидальном пространстве, а также для трансформации электрического напряжения. Технический результат заключается в снижении весогабаритных характеристик устройства, упрощении технологии его изготовления, снижении потребляемой энергии, повышении кпд и экологической безопасности. Устройство по варианту 1 содержит магнитопровод и распределенную одновитковую намагничивающую обмотку, выполненную в виде двух коаксиально расположенных тороидальных труб из проводящего материала, имеющих сквозной радиальный разрез. По одну сторону разреза торцы труб соединены между собой электрически с помощью шайбы, по другую сторону разреза трубы подсоединены к разноименным полюсам импульсного источника питания. Устройство по варианту 2 содержит магнитопровод и распределенную одновитковую намагничивающую обмотку в виде двух коаксиально расположенных тороидальных труб, подсоединенных к источнику питания. В полость внутреннего тороида уложены витки тонкого изолированного провода, образующие вторичную обмотку повышающего трансформатора. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для получения взаимосвязанных переменного магнитного и вихревого электрического полей, содержащее обмотку, отличающееся тем, что обмотка выполнена в виде распределенной одновитковой из двух труб в форме коаксиально расположенных тороидов из проводящего материала со сквозным радиальным разрезом, по одну сторону которого торцы тороидов соединены между собой электрически, а по другую сторону разреза торцы тороидов подсоединены к разноименным полюсам источника импульсного или переменного напряжения. 2. Устройство для получения взаимосвязанных переменного магнитного и вихревого электрического полей, содержащее обмотку, отличающееся тем, что обмотка выполнена в виде распределенной одновитковой первичной обмотки повышающего трансформатора из двух труб в форме коаксиально расположенных тороидов из проводящего материала со сквозным радиальным разрезом, по одну сторону которого торцы тороидов соединены между собой электрически, а по другую сторону разреза торцы тороидов подсоединены к разноименным полюсам источника импульсного или переменного напряжения, а в полость внутреннего тороида уложены витки тонкого изолированного провода, образующие вторичную обмотку повышающего трансформатора.