ИСТОЧНИК ИМПУЛЬСНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ Российский патент 2008 года по МПК H03K17/64 

Изобретение относится к области получения импульсных магнитных полей высоких энергий при питании индуктивной нагрузки от генератора ударной мощности.

Уровень техники

Известен генератор импульсов магнитного поля (Авт. св. №491197, H03K 17/64, Бюл. №41, 05.11.75.), который содержит блок запуска, соединенный с входами двух генераторов импульсов, каждый из которых подключен соответственно к полосковой линии и кольцам Гельмгольца. Кольца Гельмгольца и полосковая линия индуктивно связаны между собой, что обеспечивает расширение пределов изменения магнитного поля. Недостатками этого генератора являются:

- использование одновременно двух генераторов импульсов, подключаемых одним блоком запуска через индуктивно связанную полосковую линию с кольцами Гельмгольца, приводит к необходимости точной синхронизации во времени ЭДС двух генераторов, что является сложной задачей, при решении которой КПД предложенного устройства снижается на 30%;

- необходимость введения дополнительного импульсного генератора для расширения пределов измерения магнитного поля приводит к дополнительному применению быстродействующих устройств сравнения амплитуд импульсов обоих генераторов;

- необходимость применения второго импульсного генератора увеличивает потребление энергии как минимум в два раза от источника питания;

- устройство может быть использовано только в лабораторных условиях.

Также известен способ передачи энергии индуктивной нагрузке от генератора ударной мощности и устройство для его осуществления (Авт. св. №192922, Н03K 17/64, Бюл. №6, 02.03.1967). Устройство принято за прототип изобретения. Оно состоит из генератора тока, индуктивной нагрузки - соленоида, блока накопительных конденсаторов и двух контактно-вентильных коммутаторов. Генератор тока через контакт одного коммутатора соединен параллельно с конденсаторной батареей, которая через контакт второго коммутатора также соединена параллельно с соленоидом. Недостатками этого устройства являются:

- необходимость подключения к генератору предварительно заряженной конденсаторной батареи, к которой подсоединена нагрузка, что приводит к необходимости точной синхронизации ЭДС генератора и напряжения на конденсаторной батарее;

- необходимость применения быстродействующих устройств сравнения в определенные моменты времени напряжений на конденсаторной батарее и генераторе;

- необходимость введения дополнительного питания генератора;

- срок службы устройства ограничен из-за использования контактно-вентильных бездуговых коммутирующих аппаратов (механических выключателей), имеющих небольшое число срабатываний;

- малый КПД (25%) ударного генератора, который увеличивается только на 10-12%;

- большие габариты и масса ударного генератора и конденсаторной батареи не позволяют использовать устройство вне лабораторных условий.

Технический результат изобретения

Техническим результатом изобретения является создание однополярных импульсов магнитного поля большой интенсивности с многократным повторением технических характеристик в любой момент текущего времени, увеличение надежности и уменьшение габаритов.

Описание фигур и обозначений

На фиг.1 представлена блок-схема источника импульсных магнитных полей.

На фиг.2 представлена электрическая схема источника импульсных магнитных полей.

На фиг.3 представлена конструкция источника импульсного тока.

На фигурах введены обозначения:

1 - источник постоянного и переменного напряжений; 2 - блок накопительных конденсаторов; 3 - соленоид; 4 - коммутатор - управляемый прерыватель заряда; 5 - генератор тока; 6 - делитель напряжения; 7 - компаратор напряжений; 8 - блок запуска генератора тока; 9 - выключатель, 10 - диод, 11 - тиристор, 12 - металлический стакан, 13 - болт, 14 - металлический шарик, 15 - металлическая пластина, 16 - общая шина, 17 - диэлектрическая прокладка, 18 - оптосиммистор, 19, 20 - выпрямительные диоды, 21, 22 - электролитические конденсаторы, 23 - токоограничивающий резистор, 24, 25, 26 - резисторы делителя напряжения, 27 - токоограничивающий резистор, 28 - стабилитрон, 29 - электролитический конденсатор, 30 - твердотельное реле, 31, 32 - резисторы делителя напряжения, 33 - конденсатор, 34 - подстроечный резистор опорного напряжения, 35 - резистор делителя опорного напряжения, 36 - резистор уровня опорного напряжения, 37 - фильтрующий конденсатор, 38 - компаратор, 39 - ограничительный резистор.

Описание источника импульсных магнитных полей

Технический результат изобретения достигается благодаря тому, что источник импульсных магнитных полей содержит (фиг.1 и 2): источник переменного и постоянного напряжений (ИН) 1, блок накопительных конденсаторов (БНК) 2, соленоид (С) 3, коммутатор (УПЗ) 4, генератор тока (ГТ) 5, делитель напряжения (ДН) 6, компаратор напряжений (КН) 7, блок запуска генератора тока (БЗГ) 8 и выключатель (В) 9.

Источник 1 переменного и постоянного напряжений имеет один выход постоянного напряжения (2) и два выхода переменного напряжения (1 и 3).

Блок 2 накопительных конденсаторов имеет один выход (3), входы питания (1) и управления (2) и, по меньшей мере, два последовательно включенных конденсатора, точка соединения которых соединена с одним выходом (1) источника переменного напряжения (фиг.2).

С выхода БНК 2 снимается высокое напряжение переменного тока, для управления ГТ 5 и питания соленоида 3, последний преобразует переменный ток в переменное магнитное поле.

Соленоид 3 имеет полость внутри и может быть выполнен в форме цилиндрической трубы или кольца и имеет вход питания (1) и выход управления (2) (фиг.1 и 2).

Коммутатор 4 выполнен в виде управляемого прерывателя заряда с одним выходом (2), входами питания (1) и управления (3) (фиг.2).

Генератор тока 5 (фиг.3) содержит диод 10, тиристор 11 и устройство сжатия диода и тиристора, в которое входят металлическая шина 16, два металлических стакана 12 с фланцами и резьбовыми отверстиями в днищах с ввинченными в них винтами 13, два металлических шарика 14, две прижимные металлические пластины 15 с выемками по центру, две диэлектрические прокладки 17, причем диэлектрические прокладки установлены с двух сторон шины 16, на которых соосно закреплены жестко фланцы металлических стаканов 12, кроме того, в одном стакане на диэлектрической прокладке одной рабочей поверхностью размещен диод 10, на второй поверхности которого установлена прижимная пластина 15, в углублении которой размещен металлический шарик 14, прижатый винтом 13 стакана к прижимной пластине 15, в другом стакане на диэлектрической пластине установлен тиристор 11, на второй поверхности которого установлена прижимная пластина 15, в углублении которой размещен металлический шарик 14, прижатый винтом 13 стакана к прижимной пластине 15.

Генератор тока 5 имеет управляющий вход (1), который предназначен для управления работой ГТ 5, обеспечивает импульсный режим работы с возможностью изменения скважности импульсов (фиг.1 и 2). Вход питания (2) предназначен для питания демпфирующего диода 10 (фиг.3), который входит в состав ГТ 5. На нормально закрытый однополярный вход (3) ГТ 5, через который обеспечивается прохождение только однополярных импульсов и является общей точкой соединения демпфирующего диода 10 и тиристора 11, поступает напряжение с соленоида 3. При открытом входе (3) ГТ5 величина импульса тока, протекающего через ГТ 5, будет пропорциональна величине импульса магнитного поля, формирующегося в полости соленоида 3.

Делитель 6 напряжения (ДН) имеет вход питания (1) и два выхода (2 и 3) с разными пропорционально уменьшенными напряжениями. На вход делителя 6 поступает высокое напряжение с выхода УПЗ 4 (фиг.1 и 2). На первом и втором выходах делителя 6 амплитуды входного напряжения уменьшены в соотношении 1/2 во много раз, например 100/200.

Компаратор напряжений (КН) 7 имеет один выход (3), два управляющих входа (1 и 2) и вход питания (4) (фиг.1 и 2). На управляющие входы КН 7 поступают напряжения с выхода делителя 6, которые сравниваются с опорным напряжением в КН 7 и на основании сравнения вырабатывается управляющий сигнал на выходе КН 7. Вход питания (4) КН 7 предназначен для питания элементов схемы постоянным током и формирования опорных напряжений.

Блок запуска генератора (БЗГ) 8 тока имеет входы питания (1) и управления (2) и один выход (3) (фиг.1 и 2). На его вход (1) питания поступает постоянное напряжение питания элементов схемы. На управляющий вход (2) поступает управляющий сигнал с выключателя 9, на основании которого на выходе (3) БЗГ 8 вырабатывается управляющее напряжение (фиг.1 и 2).

Выключатель 9 имеет один выход (фиг.1 и 2) и служит для включения и выключения источника импульсных магнитных полей.

Выход (2) источника 1 постоянного напряжения соединен с входом питания компаратора напряжений (4) и входом (1) блока запуска генератора тока 8.

Второй выход (3) источника 1 переменного напряжения соединен с входом питания (1) управляемого прерывателя заряда 4, выход которого (2) соединен с управляющим входом (2) блока 2 накопительных конденсаторов для их зарядки и входом (1) питания делителя 6.

Выходы (2 и 3) делителя 6 напряжений соединены соответственно с управляющими входами (1 и 2) компаратора напряжений 7. Выход (3) компаратора напряжений соединен с управляющими входом (3) управляемого прерывателя заряда 4. Выход (3) блока 2 накопительных конденсаторов соединен с входом питания (1) соленоида 3 и входом (2) управления генератора тока. Выход (2) соленоида 3 соединен с нормально закрытым однополярным входом (3) генератора тока 5. Выход (3) блока 8 запуска генератора тока 5 соединен с входом (1) управления генератора тока 5, а его вход (2) управления соединен с выходом (1) выключателя 9.

Описанная совокупность существенных признаков обеспечивает в заявленном устройстве создание однополярных импульсов магнитного поля большой интенсивности в индуктивной нагрузке - соленоиде при непосредственном подключении генератора тока к соленоиду, а также стабилизированное питание соленоида от накопительных конденсаторов от источника постоянного напряжения. Стабилизация осуществляется за счет того, что блоки устройства образуют постоянно работающую замкнутую цепь регулирования, что характеризует причинно-следственную связь между существенными признаками и техническим результатом в предложенном устройстве.

Сравнительный анализ заявленного устройства и прототипа показывает, что общими существенными признаками являются источник переменного напряжения, индуктивная нагрузка (соленоид), конденсаторная батарея в виде блока накопительных конденсаторов, генератор ударной мощности (генератор тока) и коммутатор.

Отличительными признаками являются: делитель напряжения с входом питания и двумя выходами с разными пропорционально уменьшенными напряжениями, компаратор напряжений с одним выходом, с двумя управляющими входами и входом питания, блок запуска генератора тока с одним выходом и с входами питания и управления и выключатель с одним выходом. Источник напряжения снабжен выходом напряжения постоянного тока, который соединен с входами питания компаратора напряжений и блока запуска генератора тока, блок накопительных конденсаторов с одним выходом и входами питания и управления и, по меньшей мере, имеет два последовательно включенных конденсатора, точка соединения которых соединена с одним выходом источника переменного напряжения. Коммутатор выполнен в виде управляемого прерывателя заряда с одним выходом и входами питания и управления, кроме того, второй выход источника переменного напряжения соединен с входом питания управляемого прерывателя заряда, его выход соединен с управляющим входом блока накопительных конденсаторов и входом питания делителя напряжений. Выходы делителя напряжений соединены с управляющим входами компаратора напряжений, выход компаратора напряжений соединен с управляющим входом управляемого прерывателя заряда. Выход блока накопительных конденсаторов соединен с входом питания соленоида и входом управления генератора тока, выход соленоида соединен с нормально закрытым однополярным входом генератора тока. Выход блока запуска генератора тока соединен с входом управления генератора тока, а его вход управления соединен с выходом выключателя.

Источник импульсных магнитных полей работает следующим образом.

С источника напряжений (ИН) 1 переменное напряжение заданной амплитуды, например 315±10 В, от сетевого трансформатора (фиг.2) через управляющий прерыватель заряда (УПЗ) 4 и входящий в него выпрямитель на диодах 19, 20 поступает на блок накопительных конденсаторов (БНК) 2. Делитель напряжения (ДН) 6 (фиг.1) обеспечивает пропорциональное деление напряжения на БНК 2 для обеспечения работы компаратора напряжений (КН) 7. КН 7 сравнивает напряжение с ДН 6 с опорным напряжением в КН 7 и при достижении заданного значения напряжения на БНК 2, например 810±5 В, подает сигнал на УПЗ 4, который останавливает заряд конденсаторов.

После этого начинается разряд конденсаторов БНК 2 через цепи ДН 6 и за счет токов утечки. При уменьшении напряжения на БНК 2 на 5÷10 В до значения 795±5 В КН 7 вырабатывает сигнал на включение УПЗ 4 и заряд возобновляется. При достижении напряжения на БНК 2 значений 810±5 В заряд вновь прекращается. Этот процесс повторяется непрерывно до момента отключения питающей сети.

Для получения заданного высокого напряжения заряда БНК 2 конденсаторы 21, 22 блока включены последовательно, что дает возможность создать прямо пропорциональную зависимость необходимого значения напряженности импульсного магнитного поля от напряжения на конденсаторах БНК 2. Такое включение конденсаторов дает возможность использовать конденсаторы с рабочим напряжением вдвое меньшим, чем значение напряжения, снимаемого с блока накопительных конденсаторов, и всю энергию блока накопительных конденсаторов передать в индуктивную нагрузку (соленоид) 3 через генератор тока (ГТ 5), соответственно возрастает амплитудное значение тока, передаваемого в индуктивную нагрузку и амплитудное значение импульсного магнитного поля.

При нажатии кнопки выключателя 9 (фиг.1) срабатывает БЗГ 8, формируя управляющий сигнал для запуска ГТ 5, через который на соленоид 3 разряжаются конденсаторы БНК 2. По мере увеличения силы тока в данной цепи происходит уменьшение напряжения на БНК 2, за счет протекающего импульсного тока большого значения в соленоиде 3 формируется импульсное однополярное магнитное поле. В момент достижения максимальной силы тока электродвижущая сила соленоида меняет полярность, формируя другой управляющий сигнал, который поступает на ГТ 5, второй вход которого открывает диод 10 (фиг.2). Далее ток течет через диод 10 и закрывает тиристор 11 ГТ 5. Процесс начинает повторяться, снова начинается заряд конденсаторов БНК 2. Этот процесс повторяется многократно до момента отключения питающей сети.

При запуске ГТ 5 в короткий период времени, не более 10 мс, через тиристор 11 и диод 10 протекают импульсные токи больших значений, что обуславливает создание импульсного магнитного поля, значение напряженности которого превышает 1,0 Тл. При этом происходит интенсивное выделение тепла на металлическом корпусе диода и тиристора 11.

При эксплуатации диффузных кремниевых диодов в целях преобразования энергии необходимо применять воздушное или водяное принудительное охлаждение и одновременно соответствующее внешнее сжатие в металлическом корпусе диода 10 и тиристора 11 со стороны оснований. Для обеспечения нормальной работы генератора тока 5 необходимое прижимное усилие диодов 10 и тиристоров 11 при сборке ГТ 5 (фиг.3) должно составлять 24±2 кН.

Неровность плоских прижимных поверхностей диода 10 и тиристора 11 к пластинам 15 и шине 16 допускается не более 0,01 мм, а шероховатость поверхностей не более 0,0063 мм [1]. Радиатор ГТ 5 выполнен из двух металлических стаканов 12 и общей медной шины 16. Передача усилий на металлические прижимные поверхности корпусов диода 10 и тиристора 11 обеспечивается затягиванием двух болтов 13 через шарики 14 и пластины 15. Поверхности пластин 15 прижимаются к поверхностям диода 10 и тиристора 11.

На фиг.2 представлен возможный вариант выполнения электрической схемы источника импульсных магнитных полей. Источник напряжения 1 содержит сетевой трансформатор с первичной 40 и вторичной повышающей обмотками 41. Один вывод обмотки 41 трансформатора является выводом для подключения к входу выпрямителя, состоящего из последовательно включенных диодов 19 и 20, через прерыватель 4, а другой вывод повышающей обмотки 41 является выходом для подключения к общей точке соединения конденсаторов 21 и 22 блока накопительных конденсаторов 2.

Управляемый прерыватель заряда 4 может быть выполнен на оптосиммисторе 18, и иметь два входа - силовой и управляющий - и два соответствующих выхода. Силовой вход является выходом для подключения к одному из отводов повышающей обмотки 41 трансформатора, а силовой выход является выходом для подключения к общей точке соединения диодов 19 и 20 выпрямителя. Управляющий вход УПЗ 4 является входом для подключения к выходу компаратора напряжений 7, а управляющий выход компаратора напряжений 7 является выходом для подключения к управляющему входу оптосимистора 18 и общей точке соединения диода выпрямителя 20 и обкладки конденсатора 22 блока конденсаторов 2 с общей шиной всего устройства.

Генератор тока 5 (фиг.3) может быть выполнен на тиристоре 11 и диоде 10, его силовые электроды могут быть подключены один к первому выходу соленоида 3, а второй - к общей шине всего устройства, а блок запуска генератора 8 может быть выполнен на твердотельном реле 30, первый и второй отводы которого объединены и через резистор 27 подключены ко второму выходу источника постоянного тока. Кроме того, параллельно соединенные стабилитрон 28 и конденсатор 29 блока запуска коммутатора 8 подключены между упомянутым резистором 27 и общей шиной всего устройства. Третий отвод твердотельного реле 30 соединен непосредственно с источником напряжения 1 со вторым выводом постоянного тока, четвертый отвод твердотельного реле 30 подключен через резистивный делитель, состоящий из резисторов 31 и 32, к управляющему электроду тиристора 11, а пятый отвод является входом для подключения к выходу выключателя 9.

Пример выполнения источника импульсных магнитных полей

Источник импульсных магнитных полей может быть выполнен по схеме фиг.2.

В качестве источников напряжения 1 может быть использован источник напряжений типа Б2-4 (переменного напряжения 220 В, 50 Гц, ток 300 мА) и Б5-44А (постоянного напряжения 12 В, 20 мА).

В качестве накопительных конденсаторов блока 2 могут быть применены конденсаторы оксидно-электролитические алюминиевые типа К50-27, К50-37, К50-16.

В качестве соленоида 3 может быть применен цилиндрический соленоид с полостью внутри. Провод должен иметь сечение не менее 3 кв.мм. Число витков соленоида не менее 70, намотанных в один слой.

В качестве управляемого прерывателя заряда 4 применена микросхема МОС3063 (оптосиммистор).

Генератор тока (ГТ) 5 может быть выполнен, как показано на фиг.3.

В генераторе общая шина 16 выполняется из меди и имеет размеры ширина × длина × толщина = 50×100×5 мм. Пластины 15 и стаканы 12 выполнены из латуни. Стаканы 12 крепятся соосно с двух сторон шины 16 с помощью винтов. Болты 13 и шарики 14 выполнены из стали (Ст.3). По условиям эксплуатации диода 2Д 133-500-26 обеспечена сила прижатия 24±2 кН, а тиристора 2Т143-500-16 - 17 кН. Неровности плоскости контактных площадок не превышают 0,01 мм.

Делитель напряжения 6 может быть выполнен на резисторах типа С2-33.

Компаратор напряжений 7 может быть выполнен, например, по схеме сравнения сигналов постоянного напряжения на микросхеме типа КР1006ВИ1.

Блок запуска генератора 8 может быть выполнен на твердотельном реле, например, КР293КП11АП.

В качестве выключателя 9 может быть применен выключатель типа П2КнТ4-2В.

При выполнении изобретения по фиг.2 максимальный ток в импульсе генератора равен 50000 А, а интенсивность магнитного поля 210000 Э с многократным повторением технических характеристик устройства.

Источники информации

1. Справочник "Диоды и их зарубежные аналоги". Том 1, стр.307-327, М.: Радио Софт, 2001 г.

Источник импульсных магнитных полей содержит: источник переменного и постоянного напряжений, генератор тока, блок накопительных конденсаторов, соленоид, коммутатор, делитель напряжения, компаратор напряжений, блок запуска генератора тока и выключатель. Выход источника постоянного напряжения соединен с входом питания компаратора напряжений и входом блока запуска генератора тока. Один выход источника переменного напряжения соединен с входом питания управляемого прерывателя заряда, выход которого соединен с управляющим входом блока накопительных конденсаторов и входом питания делителя. Два выхода делителя напряжений соединены соответственно с двумя управляющими входами компаратора напряжений. Выход компаратора напряжений соединен с управляющим входом управляемого прерывателя заряда. Выход блока накопительных конденсаторов соединен с входом питания соленоида и входом управления генератора тока. Выход соленоида соединен с нормально закрытым однополярным входом генератора тока. Выход блока запуска генератора тока соединен с входом управления генератора тока, а его вход управления соединен с выходом выключателя. Техническим результатом является создание однополярных импульсов магнитного поля большой интенсивности с многократным повторением технических характеристик в любой момент текущего времени, увеличение надежности и уменьшение габаритов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Источник импульсных магнитных полей, содержащий источник напряжения с двумя выходами переменного напряжения, генератор тока, блок накопительных конденсаторов, соленоид и коммутатор, отличающийся тем, что в него дополнительно введены делитель напряжения с входом питания и двумя выходами с разными пропорционально уменьшенными напряжениями, компаратор напряжений с одним выходом, с двумя управляющими входами и входом питания, блок запуска генератора тока с одним выходом и с входами питания и управления и выключатель с одним выходом, кроме того, источник напряжения снабжен выходом напряжения постоянного тока, который соединен с входами питания компаратора напряжений и блока запуска генератора тока, блок накопительных конденсаторов с одним выходом и входами питания и управления и, по меньшей мере, имеет два последовательно включенных конденсатора, точка соединения которых соединена с одним выходом источника переменного напряжения, коммутатор выполнен в виде управляемого прерывателя заряда с одним выходом и входами питания и управления, кроме того, второй выход источника переменного напряжения соединен с входом питания управляемого прерывателя заряда, его выход соединен с управляющим входом блока накопительных конденсаторов и входом питания делителя напряжений, выходы делителя напряжений соединены с управляющими входами компаратора напряжений, выход компаратора напряжений соединен с управляющим входом управляемого прерывателя заряда, выход блока накопительных конденсаторов соединен с входом питания соленоида и входом управления генератора тока, выход соленоида соединен с нормально закрытым однополярным входом генератора тока, кроме того, выход блока запуска генератора тока соединен с входом управления генератора тока, а его вход управления соединен с выходом выключателя.2. Источник импульсных магнитных полей по п.1, отличающийся тем, что генератор тока содержит диод, тиристор и устройство сжатия диода и тиристора, в которое входят металлическая шина, два металлических стакана с фланцами, и резьбовыми отверстиями в днищах с ввинченными в них винтами, два металлических шарика, две прижимные металлические пластины с выемками по центру, две диэлектрические прокладки, причем диэлектрические прокладки установлены с двух сторон шины, на которых соосно закреплены жестко фланцы металлических стаканов, кроме того, в одном стакане на диэлектрической прокладке одной рабочей поверхностью размещен диод, на второй поверхности которого установлена прижимная пластина, в углублении которой размещен металлический шарик, прижатый винтом стакана к прижимной пластине, в другом стакане на диэлектрической прокладке установлен тиристор, на второй поверхности которого установлена прижимная пластина, в углублении которой размещен металлический шарик, прижатый винтом стакана к прижимной пластине.