СОЛЕНОИД МАКСИМАЛЬНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ Российский патент 2003 года по МПК H01F5/00 H01F27/28 

Изобретение относится к электротехнике, электронике и может быть использовано для создания магнитных полей.

Известны устройства для создания магнитных полей, содержащие постоянные магниты, соединенные в магнитную схему [1]. Недостатком указанных устройств является то, что они не предусматривают регулировки величины магнитного поля без геометрических перемещений магнитов.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является соленоид, изготовленный из изолированного провода, намотанного на изолирующий каркас [2] . Изменяя ток в обмотке, можно регулировать магнитное поле внутри него в соответствии с известной формулой
B = μ₀nI, (1)
где В - индукция магнитного поля внутри соленоида,
μ₀ - магнитная постоянная,
n - число витков на единицу длины соленоида,
I - ток в соленоиде.

Недостатком такого соленоида является то, что он не является согласованным с параметрами источника питания: электродвижущей силой (Е) и внутренним сопротивлением (R₀). Т.е. реальные источники питания не смогут создать достаточного тока в обмотке соленоида и, как следствие, высокого магнитного поля внутри соленоида.

Техническим результатом изобретения является повышение максимальной индукции магнитного поля соленоида путем связи его параметров с параметрами источника питания.

Указанный технический результат достигается путем подбора параметров соленоида, обеспечивающих максимальное магнитное поле для данного источника питания. Связь между параметрами устанавливается исходя из следующих соображений. Выражение (1) преобразуем

где N - число витков в слое катушки,
L - длина катушки соленоида,
k - число слоев обмотки,
d=L/N - диаметр намоточного провода.

Закон Ома для полной цепи связывает ток в цепи (I) с внешним (R) и внутренним (R₀) сопротивлением и ЭДС источника (Е).

Активное сопротивление обмотки соленоида можно определить из выражения (4).

где ρ - удельное сопротивление провода,
L₁ - длина провода,
S - площадь поперечного сечения провода.

Преобразуем (4) с учетом (2).

где D - диаметр катушки соленоида,
d - диаметр намоточного провода.

С учетом (3) и (5) преобразуем (2) к виду (6).

где
Исследование (6) показывает, что функция имеет максимум для аргумента d₀.

Подставив (8) в (7), получим выражение, удобное для расчета оптимального диаметра провода соленоида.

Необходимо отметить, что изложенные выкладки делались в предположении ограничений параметров: d≤D, kd≤D, D≤L.

Выражения (7) и (9) дают оптимальное соотношение между параметрами катушки соленоида и источника питания, при котором достигается максимальная индукция магнитного поля (8).

Сопоставительный анализ заявленного решения с прототипом показывает, что заявленное устройство отличается тем, что параметры катушки соленоида и внутреннее сопротивление источника питания находятся в оптимальной связи, позволяющей получать максимальное для данного случая магнитное поле. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна".

Анализ известных авторам технических решений и сравнение их с предлагаемым техническим решением показали, что реализация катушки соленоида для максимального магнитного поля при оптимальной связи параметров катушки и источника питания неизвестна. Кроме того, совокупность существенных признаков, состоящая из оптимальной связи параметров соленоида и источника питания, в совокупности с ограниченными признаками, позволят обнаружить у предложенного устройства иные в отличие от известных решений свойства, к числу которых можно отнести:
- снижение массогабаритных показателей катушки в силу оптимальности ее характеристик,
- возможность максимального использования ресурса источника питания для создания магнитного поля.

На фиг.1 представлен соленоид с обозначениями, принятыми в тексте. Соленоид максимального магнитного поля содержит каркас (1) и намотанную на него катушку (2). На фиг.2 представлена схема включения соленоида в источник питания (3).

Предлагаемое устройство было реализовано следующим образом. Необходимая индукция магнитного поля в соленоиде - В_m=25 мТл. Внутреннее сопротивление источника питания - R₀=3,35 Ом, его ЭДС - Е=29,5 В. Подставив данные в выражение (9), получим соотношение для расчета оптимального диаметра провода соленоида:
d_опт=0,295•10^-3•k.

Приняв k=1, намотали катушку соленоида проводом 0,3 мм. Параметры соленоида выбрали согласно (7): D=6 мм, L=90 мм, N=300 витков. Такой соленоид при токе 6 А образовал магнитное поле, индукция которого (В=25,13 мТл) удовлетворяет условиям задачи.

Для сравнения была намотана катушка проводом неоптимального диаметра (d= 0,1 мм, N= 1800 витков) с теми же габаритами, что и в первом случае. Такая катушка должна была бы образовывать задание магнитного поля при токе в 1 А (1), однако, максимальный ток в цепи был 0,5 А и необходимое поле не было получено.

Использование предложенного технического решения позволит получать максимальное магнитное поле от источника питания путем оптимизации параметров катушки соленоида с учетом внутреннего сопротивления и ЭДС источника питания.

Источники информации
1. Арнольд Р.Р. Расчет и проектирование магнитных систем с постоянными магнитами. М.: Энергия, 1969 - 184 с. - С. 5-11.

2. Элементы приборных устройств, ч. 1- М.: В.Ш., 1982 - 304 с. - С. 273-276.

Использование: в электротехнике, электронике для создания магнитных полей. Технический результат заключается в оптимизации параметров с учетом параметров источника питания. Параметры соленоида связаны соотношением

где d₀ - диаметр провода катушки соленоида, ρ- удельное сопротивление провода, D - диаметр катушки, L - длина катушки, k - число слоев обмотки, R₀ - внутреннее сопротивление источника питания. Тогда магнитное поле будет максимальным для данного источника

где μ₀- магнитная постоянная; Е - ЭДС источника питания. 2 ил.

Соленоид максимального магнитного поля, содержащий катушку индуктивности, отличающийся тем, что диаметр d₀ провода катушки индуктивности выбирается с учетом удельного сопротивления ρ провода катушки индуктивности, диаметра D, длины L и количества слоев k обмотки катушки индуктивности, а также внутреннего сопротивления R₀ источника питания в соответствии с формулой

а максимальная индукция В_m магнитного поля соленоида составляет

где Е - эдс источника питания,
μ₀ - магнитная постоянная.