КАТУШКА ВЫСОКОДОБРОТНОГО ИМПУЛЬСНОГО СОЛЕНОИДА Российский патент 2014 года по МПК H01C3/14 

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к электрофизике и электротехнике и может применяться при изготовлении резистивных устройств (соленоидов) длительного использования предназначенных для работы в режимах однократных импульсов, импульсно-периодическом, резонанса токов, а также в режиме квазипостоянного тока.

Уровень техники.

К основным аналогам относятся многовитковые многослойные катушки прямоугольного сечения, поперечные размеры которых существенно больше поперечных размеров проводника, а распределение тока по сечению катушек однородно.

Существенным недостатком соленоидов изготовленных из таких катушек, является:

- низкая собственная добротность, приводящая к существенному нагреву соленоида и, как следствие, к значительному снижению амплитуды импульсного магнитного поля. Понятие собственной добротности соленоида будет дано ниже (2).

Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения является катушка, состоящая из двух секций - основной и дополнительной [1]:

- основная секция является обычной многовитковой многослойной катушкой,

- дополнительная секция выполнена в виде плоской спирали, раскручивающейся в противоположном, по отношению к виткам основной секции, направлении и, по сути, являющейся вторым выводом катушки.

Сущность изобретения.

Общие положения.

Как известно, добротность контура, образованного катушкой соленоида индуктивностью L₀ и конденсаторной батареей емкостью C, с учетом сопротивления проводника катушки R₀, а также сопротивления R_тр и индуктивности L_тр подводящего тракта (Фиг.1), определяется выражением:

$$Q_0=\frac{\omega }{2\beta }(1)$$

$$\omega =\sqrt{{\omega }_0^2-{\beta }^2}$$ - частота затухающих колебаний контура;

$${\omega }_0=\sqrt{\frac{1}{LC}}$$ - собственная частота контура;

$$\beta =\frac{R}{2L}$$ - декремент затухания колебаний в контуре при R=R₀+R_тр и L=L₀+L_тр.

В случае, когда затухание невелико ( $${\beta }^2<<{\omega }_0^2$$ и R_тр<<R₀, L_тр<<L₀), можно положить $$\omega \approx {\omega }_0\approx \sqrt{\frac{1}{L_{0}C}}$$ и $$\beta \approx {\beta }_0=\frac{R_0}{2L_0}$$ . Подставляя полученные выражения в (1), получим, что добротность контура Q₀, при заданном значении емкости конденсаторной батареи C, в основном будет определяться параметром $${Q^{\prime }}_0=\frac{\sqrt{L_0}}{R_0}$$ , зависящим только от его внутренних свойств (размеры, материал, коэффициент заполнения и т.д.):

$$Q_0\approx \frac{\sqrt{\frac{1}{L_{0}C}}}{2\frac{R_0}{2L_0}}=\frac{1}{\sqrt{C}}\frac{\sqrt{L_0}}{R_0}=\frac{1}{\sqrt{C}}{Q^{\prime }}_0\Rightarrow {Q^{\prime }}_0=\frac{\sqrt{L_0}}{R_0}\left(2\right)$$

который в дальнейшем будем называть собственной добротностью соленоида.

При незначительном затухании, потери запасенной энергии W₀, уменьшение амплитуды тока и магнитного поля за период колебаний, обратно пропорциональны добротности контура:

$$\frac{\Delta W}{W_0}=2\frac{\pi }{Q_0}и\frac{\Delta J}{J_0}=\frac{\Delta H}{H_0}=\frac{\pi }{Q_0}(3)$$

ΔW - потери запасенной энергии;

W₀ - запасенная энергия;

ΔJ - уменьшение амплитуды тока за период колебаний;

J₀ - амплитуда тока в начале периода;

ΔH - уменьшение амплитуды магнитного поля за период колебаний;

H₀ - амплитуда магнитного поля в начале периода.

Поэтому, при разработке и создании мощных систем длительного использования, предназначенных для генерации магнитного поля, задача повышения собственной добротности соленоида, зачастую бывает одной из основных.

Условно, набор заданных параметров соленоида G(r₁, r₂, l_s, a, b, δ), определяющих его форму и размеры, будем в дальнейшем называть геометрией соленоида, где:

r₁ и r₂ - внутренний и внешний радиусы соленоида;

- l_s - длина соленоида;

а и b - размеры прямоугольного поперечного сечения проводника (см. Фиг.3);

- δ - толщина изоляционных прокладок.

По своей конструкции соленоиды делятся на два основных типа: однокатушечные и многокатушечные. Рассмотрим каждый из них в отдельности в заданной геометрии G.

Однокатушечный соленоид.

Для соленоида, состоящего из одной катушки, намотанной, для повышения коэффициента заполнения, шиной прямоугольного сечения, собственные сопротивление R₀ и индуктивность L₀[1] можно представить в виде:

$$\begin{array}{c}{R}_0=\rho \frac{l_{пр}}{S_{пр}}=\rho \frac{\pi r_1\left(\alpha +1\right)N_0}{a*b}=R_g{N}_0\left(4\right)\\ \end{array}$$

и

$$\begin{array}{l}{L}_0=r_1\frac{{\mu }_0\pi {(\alpha +1)}^2}{\lambda }{\left[1+\mathrm{0,9}\frac{\alpha +1}{4\lambda }+\mathrm{0,64}\frac{\alpha -1}{\alpha +1}+\mathrm{0,84}\frac{\alpha -1}{2\lambda }\right]}^{-1}{N}_0^2=\\ {10}^{-8}{\pi }^2{r}_1(см)\frac{{\left(\alpha +1\right)}^3}{8\left(\mathrm{4,1}\alpha +\mathrm{0,9}\right)\lambda +3\left(\mathrm{4,3}{\alpha }^2+3\alpha -\mathrm{1,3}\right)}{N}_0^2=L_g{N}_0^2\end{array}$$

N₀=k*n - число витков в катушке;

$$k=\frac{l_s}{b}$$ - число витков в одном слое;

$$n=\frac{r_2-r_1}{a}$$ - число слоев;

$$\alpha =\frac{r_2}{r_1}$$ и $$\lambda =\frac{l_s}{r_1}$$ - приведенные поперечный и продольный размеры соленоида;

R_g и L_g - геометрические факторы сопротивления и индуктивности соленоида, зависящие только от геометрии G, электрических свойств проводника и магнитных свойств среды.

Подставив (4) в (2) получим: $${Q^{\prime }}_0=\frac{\sqrt{L_g}}{R_g}={Q^{\prime }}_{g1}$$ откуда следует, что собственная добротность соленоида также определяется только его геометрией. Поэтому величину Q'_g1 будем называть геометрическим фактором собственной добротности однокатушечного соленоида.

Многокатушечный соленоид.

В случае, когда соленоид состоит не из одной, а из m одинаковых параллельно соединенных катушек, каждая из которых имеет число витков

$$N_1=n\frac{k}{m}=\frac{N_0}{m}\left(5\right)$$

сопротивления одной такой катушки R₁ и всего соленоида R_m можно выразить через Ro следующим образом:

- с уменьшением числа витков сопротивление каждой катушки уменьшается в m раз

$$R_1=\frac{R_0}{m}\left(6\right)$$

- в силу того, что m одинаковых катушек сопротивлением R₁ соединены параллельно, полное сопротивление соленоида будет равно

$$R_m=\frac{R_1}{m}=\frac{R_0}{m^2}\left(7\right)$$

Таким образом, разбиение соленоида заданной геометрии на m одинаковых параллельно включенных катушек, приводит к уменьшению его сопротивления в m² раз.

Индуктивность такого соленоида L_m, по сравнению с индуктивностью L₀, также 2 уменьшится в m² раз, т.к. при параллельном соединении одинаковых катушек полное число витков соленоида равно числу витков в одной катушке N₁, а геометрический фактор индуктивности соленоида L_g, при этом, в силу сохранения общей геометрии соленоида G, остается неизменным. Таким образом

$$L_m=L_g{N}_1^2=L_g*{\left(\frac{N_0}{m}\right)}^2=\frac{L_g{N}_0^2}{m^2}=\frac{L_0}{m^2}\left(8\right)$$

Проведя рассуждения аналогичные рассуждениям для однокатушечного соленоида и подставляя в (2) L_m и R_m из (7) и (8) вместо L₀ и R₀ из (4) получим значение геометрического фактора собственной добротности соленоида состоящего из m одинаковых катушек в сравнении с геометрическим фактором однокатушечного соленоида:

$${Q^{\prime }}_{gm}=\frac{\sqrt{L_m}}{R_m}=m\frac{\sqrt{L_0}}{R_0}=m*{Q^{\prime }}_{g1}\left(9\right)$$

Из (9) следует принципиально важное заключение:

разбиение соленоида заданной геометрии на m одинаковых параллельно соединенных катушек, приводит к повышению его собственной добротности так же в m раз (9), а значит в m раз (3) снижаются как энергетические потери, так и потери тока и магнитного поля, вызываемые затуханием, в связи с чем такое разбиение может являться одним из основных способов решения задачи повышения добротности колебательного контура.

Цель изобретения

Целью изобретения является:

максимально возможное, при заданной геометрии G, повышение геометрического фактора собственной добротности соленоида Q'_gm, ведущее к существенному:

a) снижению тепловых потерь в проводнике соленоида;

b) повышению амплитудного значения тока и магнитного поля.

Цель достигается путем изготовления соленоида из одинаковых включенных «в параллель» двухсекционных катушек, обе секции которых намотаны прямоугольной шиной сечением a×b уложенной по раскручивающимся от радиуса r₁ к радиусу r₂, в противоположных направлениях спиралям. Переход проводника из одной секции в другую происходит на внутреннем слое катушки, для чего, перед выполнением намотки, шина подвергается пластической деформации типа «сдвиг» в середине ее длины на величину равную сумме ширины шины и толщины межсекционной изоляции (Фиг.2), Длина деформированного таким образом участка приблизительно равна длине внутреннего витка катушки h≈2πr₁. Для предупреждения возможного электрического пробоя, между секциями и по бокам каждой катушки вклеиваются прокладки-шайбы (2) из электроизоляционного материала, толщиной 6, достаточной для предупреждения межсекционного пробоя. Для предотвращения разрушения соленоида собственным магнитным полем, изоляция проводника, в процессе намотки, пропитывается эпоксидным компаундом или каким-либо другим клеем, а изготовленная катушка подвергается запеканию до полной полимеризации клея.

Такая конструкция катушек позволяет при заданной геометрии G получить их максимально возможное количество $$M=\max \left\{m\right\}=\frac{l_s}{2*\left(b+\delta \right)}$$ и, тем самым, достичь максимально возможного значения геометрического фактора собственной добротности соленоида. Положив в (9) m=М, получим:

$${Q^{\prime }}_{g}M=M*{Q^{\prime }}_{g1}=\frac{l_s}{2*\left(b+\delta \right)}*{Q^{\prime }}_{g1}=\frac{l_s}{2*\left(b+\delta \right)}*\frac{\sqrt{L_g}}{R_g}\left(10\right)$$

Соленоид, изготовленный из предлагаемых катушек, допускает работу в следующих режимах:

a) режим однократных импульсов, характеризующийся существенным превышением времени между двумя соседними импульсами запуска соленоида τ_зап над временем τ, определяемым периодом колебаний в контуре соленоида Т=2π/ω и временем дозарядки t_дз конденсаторной батареи τ_зап>>τ=Т+t_дз;

b) импульсно-периодический режим, допускающий возможность запуска соленоида с максимальной частотой f_зап=1/τ, не меняя схемы колебательного контура;

с) режим резонанса токов, в котором в качестве источника энергии используется сеть промышленной частоты, а параметры контура подбираются таким образом» что резонансная частота контура становится близкой частоте вынуждающих колебаний сети ωрез≈ω_с.

d) режим квазипостоянного тока. применяемый в ситуациях, когда экспериментальный комплекс, частью которого является соленоид, по условиям эксплуатации требуется запускать с существенно более высокой частотой, чем в режимах b) и с). В этом случае, благодаря специальной системе стабилизации, протекающий через соленоид ток. порождающий магнитное поле. поддерживается на постоянном уровне длительное время (несколько секунд и более), в течение которого с высокой частотой производится запуск экспериментального комплекса.

В случае длительной работы соленоида в режимах b), с) и d) может произойти перегрев проводника, способный привести к повреждению и пробою изоляции и, как следствие, выходу соленоида из строя. Катушки предлагаемой конструкции после специальной подготовки позволяют организовать эффективный отвод тепла практически из всего объема соленоида. Этого можно достичь двумя способами:

- путем погружения соленоида в хладагент, находящийся в статическом состоянии, например, в жидкий азот;

- созданием интенсивного потока хладагента, в качестве которого могут быть использованы газ или непроводящая жидкость протекающие между катушками соленоида.

Подготовка катушек заключается в следующем:

1. после запекания с наружных поверхностей катушек (обеих торцевых и продольной на внутреннем радиусе r (3 на Фиг.3)) полностью удаляется изоляция, открывая наружную поверхность проводника для улучшения его теплового контакта с хладагентом;

2. для создания направленного равномерного потока хладагента (на Фиг.5 показан стрелками) и для предотвращения короткого замыкания между витками соседних катушек, на открытые поверхности проводника, торцевые в радиальном (4 на Фиг.4) и внутреннюю в продольном (осевом) направлении (5 на Фиг.4 не показаны ввиду малой толщины), наклеиваются тонкие узкие изолирующие прокладки;

3. катушки насаживаются на тонкостенную трубу (8 на Фиг.5) из нержавеющей стали, внешний диаметр которой равен d_т=2*(r₁-δ).

На Фиг.5 показана схема охлаждения соленоида интенсивным потоком хладагента. Хладагент (6), поступая в замкнутый резервуар (7). распространяется между трубой (8) и внутренней поверхностью катушек в продольном направлении по всей длине соленоида, откуда равномерно распределяется в зазоры между катушками (9). где происходит основной отбор тепла, и, протекая радиально. выводится (10) из резервуара.

В качестве хладагента можно использовать как газ, так и непроводящую жидкость.

Использование сжиженного гелия и доведения, тем самым, проводника соленоида до сверхпроводящего состояния, очень усложняет как всю систему создания магнитного ноля. так и ее обслуживание. Эффективней, в лабораторных условиях, пожертвовав сверхпроводимостью, для охлаждения проводника соленоида использовать сжиженный азот. В этом случае, попутно с отводом тепла происходит уменьшение удельного сопротивления проводника, пропорционально которому уменьшается собственное сопротивление проводника соленоида, приводящее к дополнительному увеличению его собственной добротности.

Однако, на практике, особенно в полевых, мобильных установках, азотное охлаждение также может оказаться громоздким и неудобным. В таких случаях бывает достаточным использование обычной проточной воды, допускающее создание замкнутого цикла охлаждения по схеме, изображенной на Фиг.5.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лагутин А.С., Ожогин В.И. «Сильные импульсные магнитные поля в физическом эксперименте». М.: Энергоатомоиздат, 1988. с.48

Изобретение относится к электрофизике и электротехнике и может применяться при изготовлении резистивных устройств (соленоидов) длительного использования, предназначенных для работы в режимах однократных импульсов, импульсно-периодическом, резонанса токов, а также в режиме квазипостоянного тока. Техническим результатом является: максимально возможное при фиксированной геометрии повышение геометрического фактора собственной добротности соленоида, снижение тепловых потерь в проводнике соленоида и повышение амплитудного значения тока и магнитного поля. Цель достигается путем изготовления соленоида из одинаковых включенных «в параллель» двухсекционных катушек, обе секции которых намотаны прямоугольной шиной, уложенной по раскручивающимся в противоположных направлениях спиралям. Переход проводника из одной секции в другую происходит на внутреннем слое катушки, для чего перед выполнением намотки шина подвергается пластической деформации типа «сдвиг» в середине ее длины на величину, равную сумме ширины шины и толщины межсекционной изоляции. Для предупреждения возможного электрического пробоя между секциями и по бокам каждой катушки вклеиваются прокладки-шайбы из электроизоляционного материала. Соленоид подвергают охлаждению путем погружения его в хладагент. 5 ил.

Многовитковая многослойная катушка прямоугольного сечения, применяемая при изготовлении соленоидов длительного использования, предназначенных для работы в режимах однократных импульсов, импульсно-периодическом, резонанса токов, квазипостоянного тока, состоящая из двух секций, витки которых намотаны в противоположных направлениях, отличающаяся тем, что обе секции намотаны прямоугольной шиной, предварительно подвергнутой в середине ее длины пластической деформации типа «сдвиг», размер которой по ширине равен сумме ширины шины и толщины межсекционной изоляции, а по длине не превышает длины окружности внутреннего витка катушки, уложенной по раскручивающимся от внутреннего витка в противоположных направлениях спиралям, с вклеенными между секциями и по бокам катушки прокладками-шайбами из электроизолирующего материала толщиной, препятствующей возникновению межсекционного пробоя, изоляция которой в процессе намотки катушки пропитывается клеем, а изготовленная катушка подвергается запеканию до полной полимеризации клея, что препятствует возможному разрушению соленоида собственным магнитным полем, в случае работы соленоида в импульсно-периодическом режиме при достаточно высокой частоте запуска, режиме резонанса токов или режиме квазипостоянного тока, соленоид помещается в закрытый резервуар, заполненный хладагентом, охлаждающим соленоид, при этом с обеих торцевых поверхностей катушек и с поверхности внутреннего диаметра полностью удаляется изоляция, открывая тем самым одну грань проводника по всей его длине и часть его поверхности на внутреннем слое, что приводит к улучшению теплового контакта проводника с хладагентом, а на торцевые поверхности катушек в радиальном направлении и на внутренний слой в продольном направлении наклеиваются тонкие узкие изолирующие прокладки, предотвращающие возникновение короткого замыкания между витками соседних катушек и способствующие равномерному распределению охлаждающего потока.