УСТРОЙСТВО МАГНИТНОЙ ФОКУСИРОВКИ Российский патент 2003 года по МПК H01J23/87 H05H7/04 

Изобретение относится к электротехническому оборудованию для мощных электроннолучевых приборов СВЧ, в частности к магнитным фокусирующим устройствам с использованием длинного соленоида с жидкостным охлаждением, и предназначено для создания постоянного магнитного поля в объеме электроннолучевых приборов типа ЛБВ, ЛОВ и плазменно-пучковых приборов.

Соленоид для мощных приборов СВЧ подключается к источнику питания постоянного тока ограниченной мощности и должен отвечать следующим требованиям:
- минимальная потребляемая мощность при массе обмоток, не превышающей допустимую;
- высокая стойкость к механическим и тепловым воздействиям, что обеспечивает необходимую надежность устройства.

Соленоид выполняется с жидкостным охлаждением и представляет собой систему катушек, внутри которой располагается прибор СВЧ с заданными наружным диаметром и высотой, поэтому внутренний радиус катушек R_в и полная высота соленоида Н, как правило, являются заданными.

Из теории цилиндрического соленоида, например [1], могут быть получены следующие соотношения:

m_об = 2πσ•R3в

•β•λ_c(α²-1) (2),

G(α,β) = F₁(α,β)•F₂(α,β) (4),


где Р, m_об и J - соответственно потребляемая мощность, масса обмотки и плотность тока в витках катушек;
В_о - заданное магнитное поле в центральной части соленоида на его оси;


R_H - наружный радиус соленоида;
ρ,σ - удельное электрическое сопротивление и плотность материала обмотки;
μ₀ - магнитная постоянная;
- коэффициент заполнения проводящим материалом проводников геометрического сечения соленоида;
W и S_w - число витков соленоида и сечение витка.

Из представленных соотношений (1)-(6) следует, что с увеличением наружного радиуса и коэффициента α потребляемая мощность Р снижается, а масса обмоток возрастает, поэтому значение коэффициента α выбирается наибольшим с учетом допустимого значения массы обмоток.

При выбранных значениях коэффициентов α и β основное влияние на снижение потребляемой мощности Р оказывает коэффициент заполнения λ_c, который должен быть максимально увеличен. При повышении этого коэффициента уменьшается плотность тока, что приводит к снижению температуры витков катушек, уменьшению удельного сопротивления ρ и дополнительному снижению потребляемой мощности, а также создаются более благоприятные условия для теплоотвода с использованием охлаждающей жидкости и повышается надежность устройства.

Таким образом, для снижения потребляемой мощности и увеличения надежности устройства магнитной фокусировки с использованием соленоида необходимо выполнять следующие условия:
- осевое расстояние между торцами соседних катушек должно быть минимальным;
- коэффициент заполнения сечения каждой катушки проводящим материалом должен быть наибольшим;
- катушки должны быть монолитными, а вся система надежно стянута.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому техническому решению и выбранной в качестве прототипа является конструкция устройства магнитной фокусировки с использованием охлаждаемого жидкостью соленоида [2], содержащего корпус, который выполнен из немагнитной стали, состоит из внутреннего и наружного коаксиальных цилиндров с фланцами на торцах и имеет патрубки для подачи и отвода охлаждающей жидкости. На внутреннем цилиндре установлена система последовательно соединенных катушек, намотанных медной лентой с межвитковой изоляцией. При этом на внутренней поверхности наружного цилиндра размещены обечайки из изоляционного материала для формирования системы охлаждения. В зазорах между торцами соседних катушек размещены дисковые перегородки из изоляционного материала с вырезами по периметру внутреннего диаметра для формирования радиальных охлаждающих каналов, по которым циркулирует жидкость в противоположных направлениях. При этом каждая перегородка закреплена по периметру наружного диаметра между соответствующими соседними обечайками.

Поступающая снизу охлаждающая жидкость омывает торец нижней катушки и попадает в канал кольцевого сечения, ограниченный наружной поверхностью катушки и внутренней поверхностью обечайки, омывает верхний торец этой же катушки, двигаясь в радиальном направлении в канале между дисковой перегородкой и торцом катушки, проходит через вырезы в перегородке, изменяя направление движения на 180^o, вновь движется в канале между верхней поверхностью той же перегородки и торцом следующей катушки.

При указанной системе охлаждения даже при малой высоте радиальных каналов (1,5-2) мм зазор между торцами соседних катушек составляет не менее (4,5-5) мм, кроме того, коэффициент заполнения медью сечения катушек даже при достаточно большой толщине ленты (например - 0,2 мм) и толщине межвитковой изоляции 0,05 мм невелик. Поэтому и результирующий коэффициент заполнения λ_c не превышает значения 0,55, что приводит к увеличению потребляемой мощности.

Другой существенный недостаток, отмеченный в [2] - "наличие токов утечки между торцами катушек" и возможная эрозия торцевых частей меди, имеющих электрический контакт с охлаждающей жидкостью. При этом велика вероятность появления короткозамкнутых витков катушек, что не соответствует требованию надежности соленоида.

В основу изобретения положена задача снизить потребляемую соленоидом мощность и увеличить надежность устройства.

Для достижения указанного технического результата в предлагаемом устройстве магнитной фокусировки, содержащем выполненный из немагнитного материала корпус с патрубками для подачи и отвода охлаждающей жидкости, состоящий из коаксиальных внутреннего и наружного цилиндров с торцевыми фланцами, систему соединенных последовательно катушек, закрепленных на втулках, которые установлены на внутреннем цилиндре корпуса вдоль его оси, систему обечаек, размещенных коаксиально с катушками и выполненных из изоляционного материала, при этом внутренний радиус обечаек больше наружного радиуса катушек, каждая катушка системы выполнена монолитной, состоит из двух секций с перегородкой из изоляционного материала, которая размещена между секциями и выполнена в виде диска, при этом перегородки четных катушек выступают за пределы наружного радиуса катушек и закреплены по периметру между соответствующими обечайками, кроме того, втулки четных катушек выполнены с продольными пазами на наружных поверхностях, а между торцами соседних катушек установлены по радиусу дистанцирующие планки, которые размещены между пазами втулок четных катушек идентично для каждой пары из системы катушек.

Предусмотрено, что секция каждой катушки выполнена в виде одинарной дисковой обмотки из эмалированного прямоугольного провода, при этом между витками каждой дисковой обмотки и на торцевых поверхностях катушки помещен слой пропиточной бумаги.

Предусмотрено, что секция каждой катушки выполнена в виде двойной дисковой обмотки из эмалированного прямоугольного провода, при этом между витками каждого диска обмотки, между дисками каждой двойной дисковой обмотки и на торцевых поверхностях катушки помещен слой пропиточной бумаги.

Сопоставительный анализ конструкции предлагаемого устройства магнитной фокусировки с уровнем техники и отсутствие описания аналогичных технических решений в известных источниках информации позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого устройства критерию "новизна".

Заявленное устройство характеризуется совокупностью признаков, проявляющих новые качества, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 и 2 схематически показано устройство магнитной фокусировки с продольным разрезом и в поперечном (А-А) сечении соответственно.

На фиг.3 и 4 показаны конструкции четных катушек, секции которых выполнены в виде одинарных или двойных дисковых обмоток соответственно, с продольным разрезом.

Устройство магнитной фокусировки снабжено выполненным из немагнитного материала корпусом с патрубками для подачи и отвода охлаждающей жидкости, который состоит из расположенных коаксиально относительно оси симметрии Z внутреннего 1 и наружного 2 цилиндров, а также двух торцевых фланцев 3 и 4. При этом на внутреннем цилиндре 1 установлена система соединенных последовательно нечетных 5 и четных 6 катушек, которые закреплены на втулках 7 и 8 соответственно, причем втулки 8 четных 6 катушек выполнены с продольными пазами на их наружных поверхностях. Любая из катушек 5 и 6 системы выполнена монолитной и состоит из объединенных в монолит двух секций 9, которые разделены соответственно перегородками 10 и 11 из изоляционного материала. Коаксиально системе катушек в корпусе размещена система обечаек 12, которые выполнены из изоляционного материала и имеют внутренний радиус, превышающий наружный радиус R_H, катушек 5 и 6. При этом перегородки 11 четных катушек 6 выступают за пределы наружного радиуса R_H катушки 6 и закреплены по периметру между соответствующими обечайками 12, а перегородки 10 нечетных катушек 5 не перекрывают осевой канал между поверхностями по наружному радиусу катушки 5 и внутреннему радиусу соответствующей обечайки 12. Дистанцирующие радиальные планки 13 (см. фиг.2), формирующие радиальные каналы системы охлаждения, установлены между торцами соседних четной 6 и нечетной 5 катушек и размещены между пазами втулок 8 четных катушек 6 идентично для каждой пары катушек.

Секции 9 любой из катушек 5, 6 выполнены либо в виде одинарной (см. фиг. 3), либо в виде двойной (см. фиг.4) дисковой обмотки из эмалированного прямоугольного провода. При этом в первом случае между витками 14 каждой дисковой обмотки и на торцевых поверхностях катушек 5, 6 помещены слои пропиточной бумаги 15 и 16 соответственно. А во втором случае дополнительно к слоям пропиточной бумаги 15 и 16 помещен слой пропиточной бумаги 17 между дисками каждой двойной дисковой обмотки.

Для формирования нижнего и верхнего радиальных каналов охлаждения соленоида предусмотрены перегородки 18 и 19.

Для монолитного выполнения катушек 5, 6 с секциями 9 и соответствующей перегородкой 10 или 11 в любой из катушек после намотки на соответствующую втулку 7 или 8 катушка помещается в стяжное устройство и пропитывается компаундом, при этом межвитковая, междисковая и торцевая наружная изоляции 15, 17 и 16 из пропиточной бумаги обеспечивают необходимую монолитность катушек после пропитки. Вся система катушек стягивается с помощью фланцев 3 и 4, что обеспечивает необходимую механическую прочность соленоиду.

Система охлаждения предлагаемого устройства построена следующим образом: охлаждающая жидкость поступает на вход нижнего патрубка корпуса, опускается вниз в полости между наружным цилиндром 2 корпуса и нижней (первой по ходу хладагента) обечайкой 12, поступает в радиальный канал, образованный нижним фланцем 3 и нижней перегородкой 18, поворачивает на 180^o в вырезах этой перегородки, омывает нижний торец нижней (первой по ходу хладагента) нечетной катушки 5, проходит в осевой канал между наружной поверхностью этой катушки и внутренней поверхностью нижней обечайки 12, поворачивает на 90^o в радиальный канал между торцами нижней нечетной 5 и расположенной над ней (второй по ходу хладагента) четной 6 катушек, через пазы во втулке 8 четной катушки 6 проходит в радиальный канал между торцами соседних (второй и третьей по ходу хладагента) четной 6 и расположенной над ней нечетной 5 катушек и т.д., до выхода из системы.

В реализованном варианте исполнения при высоте радиальных каналов (зазоры между торцами соседних катушек) 1,7 мм перепад давления жидкости в системе вход - выход не превысил 1,5 атм при расходе жидкости 20 л/мин.

Таким образом, в предлагаемом устройстве магнитной фокусировки с представленной выше системой охлаждения выполнение всех катушек системы двухсекционными с перегородкой между секциями при закреплении перегородок четных катушек между обечайками, наличии, кроме того, продольных пазов на втулках четных катушек, а также размещении дистанцирующих все катушки системы радиальных планок между пазами втулок четных катушек идентично в каждой паре соседних четной и нечетной катушек, позволяет существенно уменьшить высоту радиальных каналов охлаждения и, следовательно, увеличить коэффициент заполнения объема соленоида медью катушек. Применение эмалированного провода позволило существенно увеличить коэффициент заполнения медью сечения катушек, а все в совокупности существенно увеличить коэффициент заполнения λ_c, что приводит к уменьшению потребляемой мощности Р, а также к повышению надежности устройства за счет снижения плотности тока и облегчения теплового режима соленоида. Монолитные катушки, отсутствие электрического контакта эмалированного провода и покрытых лаком мест соединений с охлаждающей жидкостью (что исключает явление эрозии поверхности меди) также позволяют обеспечить необходимую надежность устройства.

В реализованном варианте при высоте радиальных каналов 1,7 мм, толщине пропиточной бумаги 0,05 мм и проводе ПЭЭИП 6,3•1,25 коэффициент заполнения составил: λ_c=0,75, больше, чем при использовании провода того же сечения марки ПСДК (λ_c= 0,69) и значительно больше, чем в указанном прототипе (λ_c= 0,55), что позволило снизить среднюю температуру витков катушки до 75^oС (при температуре на входе 50^oС) и уменьшить потребляемую мощность. Для конкретных параметров, соответствующих разработанному устройству (В_о=0,267 Тл; R_в=0,062 м; β= 5,4; α=1,75; ρ₇₅ = 0,021•10^-6 Oм•м; σ=8900 кг/м³; λ_c=0,75), потребляемая мощность Р составила 10 кВт. В прототипе при тех же индукции и соотношениях размеров и λ_c=0,55 мощность превышает 14 кВт.

Используемая литература
1. Д. Монтгомери. Получение сильных магнитных полей с помощью соленоидов, изд. "Мир", Москва, 1971.

2. Труды ВЭИ под ред. И.К.Решидова, Москва, Информэлектро, 1990, стр. 81-84, Исследование и разработка цилиндрических соленоидов из ленточных катушек, охлаждаемых водой. И.В. Ермилов, Е.И. Степаненко (прототип).

Изобретение относится к электротехническому оборудованию для мощных электронно-лучевых приборов СВЧ, в частности к магнитным фокусирующим устройствам с использованием длинного соленоида с жидкостным охлаждением. Техническим результатом является снижение потребляемой мощности и повышение надежности. Устройство содержит выполненный из немагнитного материала корпус с патрубками для подачи и отвода охлаждающей жидкости, состоящий из коаксиальных внутреннего и наружного цилиндров с торцевыми фланцами, систему соединенных последовательно катушек, закрепленных на втулках, которые установлены на внутреннем цилиндре корпуса вдоль его оси, систему обечаек, размещенных коаксиально с катушками и выполненных из изоляционного материала, при этом внутренний радиус обечаек больше наружного радиуса катушек. Каждая катушка выполнена монолитной и состоит из двух секций с перегородкой из изоляционного материала, которая размещена между секциями и выполнена в виде диска. Перегородки четных катушек выступают за пределы наружного радиуса катушек и закреплены по периметру между соответствующими обечайками. Втулки четных катушек выполнены с продольными пазами на наружных поверхностях, а между торцами соседних катушек установлены радиальные дистанцирующие планки, которые размещены между пазами втулок четных катушек идентично для каждой пары из системы катушек. Секция каждой катушки выполнена в виде одинарной или двойной дисковой обмотки из эмалированного прямоугольного провода с межвитковыми слоями пропиточной бумаги. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство магнитной фокусировки, содержащее корпус с патрубками для подачи и отвода охлаждающей жидкости, выполненный из немагнитного материала и состоящий из внутреннего и наружного коаксиальных цилиндров с торцевыми фланцами, систему соединенных последовательно катушек, закрепленных на втулках, которые установлены на внутреннем цилиндре корпуса вдоль его оси, систему обечаек, размещенных коаксиально с катушками и выполненных из изоляционного материала, при этом внутренний радиус обечаек больше наружного радиуса катушек, отличающееся тем, что каждая катушка выполнена монолитной, состоит из двух секций с перегородкой из изоляционного материала, которая размещена между секциями и выполнена в виде диска, при этом перегородки четных катушек выступают за пределы наружного радиуса катушек и закреплены по периметру между соответствующими обечайками, кроме того, втулки четных катушек выполнены с продольными пазами на наружных поверхностях, а между торцами соседних катушек установлены по радиусу дистанцирующие планки, которые размещены между пазами втулок четных катушек идентично для каждой пары катушек. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что секция каждой катушки выполнена в виде одинарной дисковой обмотки из эмалированного прямоугольного провода, при этом между витками каждой дисковой обмотки и на торцевых поверхностях катушки помещен слой пропиточной бумаги. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что секция каждой катушки выполнена в виде двойной дисковой обмотки из эмалированного прямоугольного провода, при этом между витками каждого диска обмотки, между дисками каждой двойной дисковой обмотки и на торцевых поверхностях катушки помещен слой пропиточной бумаги.