МАГНИТНАЯ СИСТЕМА Российский патент 2008 года по МПК H01F7/00 

Область техники

Изобретение относится к различным областям науки и техники и может быть использовано для исследований характеристик плазменных образований больших объемов в поперечном и продольном магнитных полях, лабораторного моделирования космической плазмы, медико-биологических исследований и т.д.

Уровень техники

Конструкция полюсных магнитных систем (МС) малых (до 10 мл) рабочих объемов с высокой степенью однородности поля к настоящему времени изучены достаточно полно [1-3]. При этом высокая однородность поля обеспечивается выбором геометрии МС, а именно соотношением между диаметром полюсных наконечников d и высотой межполюсного зазора h. В подобных системах эта величина лежит в интервале . Конструктивно указанные МС представляют собой С-образный магнитопровод образующий своими торцами рабочий промежуток достаточно малого объема. На магнитопроводе, изготовленном из дорогостоящих материалов с высокой магнитной проницаемостью, расположен соленоид. Опыт разработки МС малых объемов не всегда применим при создании однородных квазистационарных магнитных полей (МП) больших рабочих объемов (более 10 л) для величины .

Обозначенным МС присущ ряд недостатков: малый объем рабочего зазора данных систем не позволяет вносить в него достаточно большие объекты исследований, что накладывает существенные ограничения на применимость указанных устройств в различных областях науки и техники; в конструкциях указанных МС применяются дорогостоящие материалы с высокой магнитной проницаемостью, например специальные электротехнические стали.

За прототип выбрана МС [1].

Раскрытие изобретения

Техническим результатом изобретения является возможность исследования характеристик и свойств плазменных образований больших объемов в поперечном и продольном однородных магнитных полях напряженностью до 0.02 Тл, а также различных биологических, технических и технологических объектов и процессов.

Технический результат достигается тем, что в магнитной системе, включающей магнитопроводы с расположенными на них соленоидами, замкнутые на полюсные наконечники, новым является то, что магнитопроводы в количестве два и более выполнены С-образными, причем между ними и полюсными наконечниками установлены переходники в виде усеченных конусов, меньший диаметр которых совпадает с диаметром магнитопроводов. При этом магнитопроводы выполнены с возможностью изменения высоты воздушного зазора между полюсными наконечниками. Соленоиды (источники магнитного поля) распределены равномерно по длине магнитопроводов, которые также как и полюсные наконечники с переходниками выполнены из конструкционной стали 20.

На фиг.1 и фиг.2 представлены МС с объемом рабочего промежутка 0.1 м³ и 0.04 м³ соответственно. На фиг.3 представлена фронтальная проекция МС с указанием ее основных конструктивных элементов. На фиг.4 представлена визуализация МП в центральной части МС.

Рассмотрим пример выполнения предлагаемой магнитной системы. Разработанная МС состоит из четырех С-образных периферийных магнитопроводов (1) ⊘61 мм с расположенными на них 20 соленоидами (2), имеющих на концах восемь конусных переходников (4) с большим диаметром ⊘175 мм и меньшим, равным диаметру магнитопровода, замкнутых на двух круглых плоских полюсных наконечниках (3) ⊘500 мм. Возможность изменения объема рабочего промежутка МС реализуется за счет перестыковки съемных секций магнитопроводов (1) длиной 150 мм. В ходе работ реализованы и исследованы три конфигурации МС, отличающиеся объемом рабочего промежутка:

1 вариант - воздушный зазор h=500 мм, рабочий объем V˜0.1 м³ (фиг.1);

2 вариант - воздушный зазор h=350 мм, рабочий объем V˜0.07 м³ (внешний вид аналогичен представленному на фиг.1);

3 вариант - воздушный зазор h=200 мм, рабочий объем V˜0.04 м³ (фиг.2).

Рабочий промежуток магнитной системы выполнен без боковых стенок, что существенно упрощает его конструкцию и дает возможность внесения в рабочий объем МС различных конфигураций экспериментальных устройств с характерным размером вплоть до 600 мм (диаметр наконечника +100 мм). Источники МП - соленоиды представляют собой цилиндрические катушки диаметром ⊘70 мм и длиной 100 мм, на каждую из которых равномерно намотано 500 витков медного провода ⊘1.5 мм. На каждом магнитопроводе равномерно распределено по пять соленоидов.

Данное расположение соленоидов явилось результатом предварительного численного моделирования распределения магнитных полей в рабочем промежутке МС. Результаты численного моделирования показали, что соленоиды целесообразно располагать на обратных магнитопроводах по всей их длине, возможно ближе к рабочей области.

Выбор материала МС обусловлен разумным компромиссом между его техническими характеристиками, доступностью и стоимостью. Более жесткие требования к химическому составу и технологии производства предъявляются к конструкционным сталям. Это подразумевает под собой стабильность характеристик, в том числе и магнитных, образцов конструкционных сталей из различных партий поставки. Поэтому для изготовления элементов МС целесообразно использовать один из наиболее распространенных сортов конструкционных сталей - сталь 20. Применение стали 20 существенно снизило затраты на изготовление элементов МС, а также позволило использовать эти элементы в качестве несущих.

Источник питания соленоидов, выполненный на основе двух промышленных аккумуляторов, обеспечивает при напряжении питании 12 В максимальный ток в соленоидах на уровне (10±0.1) А при времени нарастания до одной секунды. Постоянство во времени тока питания соленоидов обеспечивает квазистационарность МП.

Импульсный режим работы магнитной системы с медленным нарастанием поля позволил отказаться от традиционного секционирования поперечного сечения магнитопроводов ввиду малых величин вихревых токов и связанных с ними потерь при транспортировке магнитного потока. Изготовление магнитопроводов сплошными по сечению позволило использовать элементы, предназначенные для передачи магнитного потока, в качестве силовых. При выбранных параметрах источника питания, диаметре провода в соленоидах и количестве витков на каждом магнитопроводе 5×500 потребляемая МС мощность составляет 120 Вт.

Исследование пространственного распределения индукции в рабочем объеме МС выполнено при помощи измерителя магнитной индукции фирмы SYPRIS GAUSS/TESLA METER MODEL 6010 и специально изготовленной координатной стойки. Шаг измерений - 50 мм, точность измерений - не хуже 3%.

На фиг.4 представлена визуализация магнитного поля (МП) в рабочем промежутке МС, полученная с помощью металлических опилок. При наложении МП опилки выстраивают упорядоченную структуру - индикатор интенсивности и направленности МП. Из рисунка следует, что магнитное поле в центральной части рабочей области МС однородно - направление металлических структур совпадает с направлением нормали к плоскостям полюсных наконечников. Некоторая неоднородность поля становится заметной в основном на краях полюсных наконечников - появляется отклонение направления структур от нормали.

Из проведенных измерений следует, что практически во всем рабочем объеме МС неоднородность МП не превышает 9%. Существенный рост неоднородности (до 40%), наблюдаемый в периферийных областях полюсных наконечников, связан с некоторым градиентом индукции, направленным от оси симметрии к краю полюсных наконечников МС.

Проведенные исследования показали, что величина индукции МП в заметной части (около 50%) рабочего промежутка составляет В₀=(20±2) мТл. Величина индукции МП для данной геометрии МС близка к предельному значению, что объясняется работой магнитопроводов в режиме, близком к режиму насыщению магнитной индукцией. Поэтому представляется возможным повысить величину индукции магнитного поля в рабочем промежутке МС в основном только за счет увеличения диаметра магнитопроводов системы. Это в свою очередь повлечет существенное увеличение габаритных размеров и массы МС. Поэтому для конкретного устройства найден оптимальный компромисс между параметрами магнитной системы, источника питания и затратами на их изготовление.

Детальное изучение распределения магнитного поля в реализованной конфигурации МС и обзор известных литературных данных [1-3] позволяют сделать ряд общих выводов. В описанном в настоящей работе полюсном электромагните имеет место наложение двух эффектов, влияющих на распределение магнитной индукции по рабочему объему системы [2]. Первый - заключается в уменьшении величины поля в центральной части рабочего промежутка от оси симметрии МС к периферии. Второй - обусловлен увеличением магнитной индукции от центра рабочего объема к его краям и наблюдается, в основном, рядом с поверхностью полюсных наконечников. Указанные эффекты обуславливают реальное распределение магнитного поля в рабочем промежутке МС.

Согласно [1-3] уменьшение магнитной индукции от края к центру полюса обнаруживается в подавляющем большинстве электромагнитов при величине отношения . В настоящей работе такой эффект имеет место при . Отмеченное в [1] появление в магнитах области, в которой значение индукции понижается от краев к центру полюсных наконечников, теоретически показано в работе [3].

Испытания МС показали, что использование в качестве основного материала МС конструкционной стали 20, являющейся недорогим и легкодоступным, по сравнению с электротехническими сталями материалом, обеспечивает максимальную величину индукции МП в воздушном зазоре высотой 500 мм при диаметре полюсных наконечников 500 мм на уровне 200 Гс. При этом потребляемая МС мощность составляет 120 Вт.

На предприятии проведено расчетно-теоретическое обоснование работоспособности предложенного устройства, разработан и в настоящее время интенсивно эксплуатируется экспериментальный стенд на базе данной МС. Испытания показали, что заявляемое устройство решает поставленную задачу с достижением указанного технического результата.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Зингерман В.И. Электромагнит с однородным стабильным магнитным полем для метрологических работ // Измерительная техника. - 1964. - №2. - С.19.

2. Коробов В.А., Линев В.Н. Формирование однородных магнитных полей в малогабаритных магнитных системах // ЖТФ. - 1989. - т.59. - в.10. - С.182-185.

3. Ishikawa Y., Chikazumi S. Japanese Journal of Applied Physics. - 1962. - v.1. - №3.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для исследований характеристик плазменных образований больших объемов в поперечном и продольном магнитных полях, космических явлений природного характера, лабораторного моделирования космической плазмы, а также в медицине и биологии для исследования влияния постоянных магнитных полей умеренной интенсивности на биологические объекты. Техническим результатом является возможность исследования характеристик и свойств плазменных образований больших объемов в поперечном и продольном магнитных полях напряженностью до 0.02 Тл, а также различных биологических, технических и технологических объектов и процессов. Магнитная система включает магнитопроводы с расположенными на них соленоидами, замкнутые на полюсные наконечники. Устройство содержит, по крайней мере, два магнитопровода, выполненных С-образными, причем между ними и полюсными наконечниками установлены переходники в виде усеченных конусов, меньший диаметр которых совпадает с диаметром магнитопроводов. Магнитопроводы могут быть выполнены с возможностью изменения высоты воздушного зазора между полюсными наконечниками, а соленоиды распределены равномерно по длине магнитопровода. Магнитопроводы и полюсные наконечники с переходниками могут быть выполнены из конструкционной стали 20. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Магнитная система, включающая магнитопроводы, с расположенными на них соленоидами, замкнутые на полюсные наконечники, отличающаяся тем, что магнитопроводы в количестве двух и более выполнены С-образными, причем между ними и полюсными наконечниками установлены переходники в виде усеченных конусов, меньший диаметр которых совпадает с диаметром магнитопроводов.2. Магнитная система по п.1, отличающаяся тем, что магнитопроводы выполнены с возможностью изменения высоты воздушного зазора между полюсными наконечниками.3. Магнитная система по п.1, отличающаяся тем, что соленоиды распределены равномерно по длине магнитопровода.4. Магнитная система по п.1, отличающаяся тем, что магнитопроводы и полюсные наконечники с переходниками выполнены из конструкционной стали 20.