СОЛЕНОИД Российский патент 2014 года по МПК H01F17/04 H01F27/16 

Предлагаемое изобретение относится к технике электромагнитов создающих однородные магнитные поля среднего и высокого уровней величин при большой аксиальной и радиальной протяженности, при высокой их однородности. Такие устройства нужны для экспериментальной физики и для создания рабочей области для авторезонансного ускорения или генерации.

Целью предлагаемого изобретения является создание устройства с однородным магнитным полем в цилиндрическом объеме и эффективном преобразовании энергии электрического тока в магнитное поле.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в применении трубчатого проводника для изготовления обмотки соленоида в помещении соленоида во внешний магнитопровод броневого типа.

Аналогом предлагаемого изобретения является электромагнит синхротрона, см. Воробьев А.А. и др. "Синхротрон ТПИ на 1,5 ГэВ". М.: Атомиздат, 1963, с.43. Обмотка возбуждения электромагнита выполнена из медной трубки диаметром 22 мм при внутреннем диаметре 12 мм, которая изолировалась микалентовой лентой. Все секции обмотки включены электрически последовательно. Обмотка питалась импульсным источником мощностью 63,7 МВ·А при напряжении 12400 вольт и токе 5140 ампер в импульсе длительностью 0,084 сек и частоте следования 2 Гц. Импульсная плотность тока в обмотке достигала 19 А/мм². Средняя потребляемая мощность в электромагните составляла 500 кВ·А.

Для охлаждения обмотки все ее секции гидравлически соединялись параллельно и подавалась вода под давлением 10 атм. В номинальном режиме медь в обмотках нагревалась до 60°C.

Вторым аналогом предлагаемого изобретения является электромагнит микротрона, см. С.П.Капица, В.Н.Мелехин. «Микротрон» М.: Наука, 1969. Известны микротроны с электромагнитами броневого типа. Конструктивно они состоят из двух идентичных кольцевых обмоток, которые монтируются на других противостоящих полюсах, которые снаружи опираются на кольцевой обратный магнитопровод, фиг.8. Аксиальный зазор между полюсами порядка 100 мм, а диаметр полюсов 700-2000 мм. Величина магнитного поля 1-3 кЭ, а неоднородность в рабочем пространстве 0,5-0,01%. Обмотки выполняются медной шиной, охлаждение естественное.

Недостаток обоих аналогов в том, что они не могут непосредственно примениться для создания магнитного поля в цилиндрическом протяженном объеме. Однако способы построения обмоток и магнитопроводов могут быть применены в предлагаемом изобретении.

Первым прототипом предлагаемого изобретения является соленоид С.П. Капицы, см. сборник «Электроника больших мощностей», АН СССР, М., 1963, с.109-118. Существенной особенностью этого устройства является увеличение магнитодвижущей силы обмотки на ее торцах. Обмотка изготовлялась из медной ленты шириной 25 мм, толщиной от 0,4 до 0,2 мм по мере удаления секции обмотки от центра к периферии. Секции обмотки состояли из парных кассет со встречной намоткой и последовательным их электрическим соединением. При удалении от центра к периферии количество витков в рулонах ступенчато увеличивалось при сохранении внешнего размера обмотки, который составлял 332 мм, а внутренний был 150 мм. Для охлаждения обмотка помещалась в цилиндрический кожух диаметром 410 мм, через который циркулировало трансформаторное масло под давлением 3 атм. При номинальном режиме питания соленоида 36 кВт, напряжении 378 В и токе 110 А средняя температура меди была 29°C. Плотность тока в обмотке возрастала от 5,5 А/мм² для срединных до 11 А/мм² для торцовых кассет. При общей длине соленоида 727 мм однородное поле на оси соленоида было на участке 370 мм с однородностью 0,06%. Максимальный уровень рабочего режима составлял 4500 эрстед.

Главный недостаток этого прототипа в малой относительной длине однородного рабочего поля: 370/727=495. Это неприемлемо для авторезонансного ускорителя, инжектор и устройство вывода нужно где-то размещать.

Вторым прототипом предлагаемого изобретения является устройство, см. Капица П.Л. Филимонов С.И. «Соленоид, создающий магнитное поле до 20 килоэрстед в объеме 5 литров и потребляющий 500 киловатт». Сборник 6 «Электроника больших мощностей» №6. М.: Наука 1969, с.147-160.

Сущность этого устройства в том, что обмотка изготовлялась из двух групп рулонных кассет разделенных зазором 32 мм. Плотность тока в меди увеличилась до 32 А/мм². Обмотки каждой половины соленоида охлаждались отдельными кожухами, по которым циркулировала дистиллированная вода.

Второе существенное отличие состояло в применении внешнего магнитопровода яремного типа из стальных плит толщиной 90 мм на всю ширину обмотки 540 мм при толщине обмотки 100 мм. При общей длине обмотки 406 мм рабочее поле 30 килоэстед было на участке 200 мм с однородностью 5,5%, что тоже неприемлемо для авторезонансных устройств.

Автор-заявитель с интересом и восторгом познакомился с этими прототипами на исходе 1969 года, когда представлял свою аспирантскую работу авторам авторезонанса Коломенскому А.А. и Лебедеву А.Н. ДАН СССР, 145. 1259, 1962.

Третьим прототипом предлагаемого изобретения является устройство из трех катушек, помещенных во внешний магнитопровод броневого типа, см. кандидатскую дис. Ишков А.П. «Экспериментальное исследование авторезонансного ускорителя электронов» ТПИ, Томск, 1969.

В сущности система трех катушек представляла модификацию двух катушек Гельмгольца, которые обеспечивают высокую однородность магнитного поля на их оси и в прилегающей области. Непосредственное применение катушек Гельмгольца было нерациональным из-за большого их поперечного размера и соответственно большой мощности их питания. Длина области однородного магнитного поля 200 мм уже была задана размером ускоряющей системы. Поставленную задачу решило применение средней катушки. Проблему снижения мощности питания решило применение внешнего магнитопровода броневого типа.

С современной позиции недостатком этого устройства является малая толщина торцовых фланцев магнитопровода и наличие больших отверстий в них, т.е. нерациональная форма магнитопровода.

Четвертым прототипом предлагаемого изобретения является патент RU 2364000, «Соленоид Ишкова однородный», который наиболее близко соответствует поставленной задаче создания однородного магнитного поля в цилиндрическом объеме. Однако и в нем имеются недостатки. Обмотка однородна по своей оси и не имеет средств компенсации спада магнитного поля на ее периферийных концах. Конструкция магнитопровода тоже не учитывает специфики структуры исходного магнитного поля создаваемого обмоткой на торцах. В целом устройство этого прототипа оправдано будет лишь для небольших настольных устройств. Для больших конструкций этот прототип нерационален.

В качестве примера предлагаемое изобретение представлено на фиг.1. Устройство состоит из секционированной обмотки 1 и внешнего магнитопровода броневого типа 2.

Обмотка соленоида 1 симметрична относительно медианной плоскости, проходящей через центр соленоида, и каждая секция обмотки состоит из парных рулонов 3, Фиг.2. Рулоны 3 в секции намотаны встречно медной трубкой плоской формы 4 с внутренним каналом 5 для циркуляции охлаждающей воды. Внутри секции рулоны соединены косым витком 5, а снаружи смежные секции соединены косыми витками 7, от которых патрубки 8 изолированно проходят через цилиндрическую часть магнитопровода 12. Дальше они через изолирующие втулки 9 подают циркулирующую воду в коллекторные трубы 10 и 11, фиг.3.

Магнитопровод броневого типа 2 состоит из цилиндрической боковой оболочки 13 постоянной толщины Δ и торцовых фланцев 13 в форме усеченных конусов с высотою h>Δ. Внутренний радиус цилиндрической боковой оболочки 13 равен R, а внутренний радиус соленоида r. Коническая форма торцовых фланцев 13 обеспечит равновеликое сечение магнитопровода броневого типа 2 по всей длине магнитных линий 14. Это позволит рационально использовать материал для создания больших соленоидов и исключить появление рассеянных магнитных полей вокруг соленоидов. Толщина цилиндрической боковой оболочки 12 равна или сравнима с радиальной толщиной обмотки соленоида 1 Δ=R-r. Диаметр меньшего основания торцовых фланцев 13 равен внутреннему диаметру обмотки соленоида.

Действует предлагаемое изобретение следующим образом.

Согласно закону Лапласа каждый элемент электрического тока создает в заданной точке окружающего пространства элемент магнитного поля

$$d\overrightarrow{B}=k\cdot \frac{i[d\ell \times \overrightarrow{r}]}{r^3}/1/$$

где dℓ- элемент электрического тока величиной i,

$$\overrightarrow{r}$$ - радиус-вектор заданной точки окружающего пространства,

k - коэффициент, зависящий от выбора размерности единиц.

Для центра кругового витка с током в системе СГСМ эта формула имеет вид $$d\overrightarrow{B}=\frac{{\displaystyle \int uo}}{4\beta \pi }\frac{id\ell }{r^2}/2/$$

Магнитное поле в центре этого кругового тока определится интегралом

$$\overrightarrow{B}={\displaystyle \int dB=\frac{{\mu }_o}{2}\frac{i}{r}}/3/$$

см. Савельев И.В. «Курс общей физики», т.2, с.129-134.

На фиг.4 представлена схема расчета магнитного поля в точке отстоящей от центра кругового тока на расстоянии х. Рассмотрим треугольник oxA. Он имеет три стороны x, δ, R и угол φ между сторонами x и R. Согласно теореме косинусов можно определить длину стороны треугольника, противолежащей углу φ.

$$\delta =x^2+R^2-2Rx\cos \varphi ./4/$$

Элемент магнитного поля в точке x, создаваемый элементом тока в точке A, в системе СГСМ будет

$$dB=\frac{{\mu }_o}{4\pi }\frac{id\ell }{{\delta }^2}=\frac{{\mu }_o}{4\pi }i\frac{Rd\varphi }{{\delta }^2}/5/$$

После подстановки получаем интеграл для определения магнитного поля в искомой точке

$$B\left(x\right)=\frac{{\mu }_o}{2\pi }{\displaystyle \underset{0}{\overset{\pi }{\int }}\frac{Rd\varphi }{R^2+x^2-2Rx\cos \varphi }}./6/$$

Не теряя общности рассуждений, можно положить R=1, тогда интеграл упростится для вычислений

$$B\left(x\right)=\frac{{\mu }_o}{2\pi }{\displaystyle \underset{0}{\overset{\pi }{\int }}\frac{d\varphi }{1+x^2-2Rx\cos \varphi }}./7/$$

На фиг.5 показана схема расчета магнитного поля в пространстве, прилегающем к круговому току. Искомый интеграл имеет вид

$$B\left(x,z\right)=\frac{{\mu }_o}{2\pi }{\displaystyle \underset{0}{\overset{\pi }{\int }}\frac{d\varphi }{1+x^2+z^2-2Rx\cos \varphi }}./8/$$

Для соленоида круговой ток может быть представлен произведением

$$i=jdrdz,/9/$$

где j - есть плотность тока в его обмотке.

Магнитное поле внутри соленоида теперь будет представляться тройным интегралом

$$B_z\left(x,z\right)=\frac{{\mu }_o}{\pi }{\displaystyle \underset{0}{\overset{\pi }{\int }}{\displaystyle \underset{r}{\overset{R}{\int }}{\displaystyle \underset{-\frac{z_o}{2}}{\overset{\frac{z_o}{2}}{\int }}\frac{jRd\varphi drdz}{R^2+x^2+z^2-2Rx\cos \varphi }}}}./10/$$

где r - внутренний радиус обмотки соленоида,

R - внешний радиус обмотки соленоида,

z₀ - длина соленоида.

Для исследования относительного распределения магнитного поля внутри соленоида следует положить R=1, тогда интеграл упростится

$$B_z\left(x,z\right)=\frac{{\mu }_o}{\pi }{\displaystyle \underset{0}{\overset{\pi }{\int }}{\displaystyle \underset{1}{\overset{\mu \Delta }{\int }}{\displaystyle \underset{-\frac{z_o}{2}}{\overset{\frac{z_o}{2}}{\int }}\frac{d\varphi drdz}{1+x^2+z^2-2x\cos \varphi }}}}./11/$$

где Δ - радиальная толщина обмотки соленоида.

x - расстояние исследуемой точки от оси соленоида.

В табл.1 представлены результаты компьютерного расчета распределений магнитного поля кругового тока по формуле 8.

Таким образом, магнитное поле в плоскости кругового тока радиально растет прогрессивно, а аксиально убывает полого. В пределах z≤0,5 поле сохраняет радиальный рост, а при z>0,5 поле убывает и аксиально, и радиально.

В табл.2 приведены результаты компьютерного расчета магнитного поля соленоида с параметрами R=z=1,0 при однородной плотности тока в его обмотке.

Анализ содержимого табл 2 показывает, что магнитное поле внутри соленоида радиально возрастает на порядок, а аксиально полого убывает. При этом видно, что крутизна изменений поля в соленоиде слабее, чем у одиночного кругового тока. Соленоид есть система множества одиночных круговых токов, поэтому у них такое сходство структур магнитных полей.

На фиг.6 представлен график радиального распределения магнитного поля кругового тока, который построен по табл.1.

На фиг.7 представлено семейство линий, построенных по табл.2, которые представляют структуру магнитного поля внутри соленоида с однородной обмоткой.

Таким образом, соленоид сам по себе создает неоднородное магнитное поле. Аксиальный спад магнитного поля можно компенсировать в известных пределах увеличением количества витков на торцах обмотки, что и сделано в первом прототипе.

Устранить или ослабить радиальный рост магнитного поля в соленоиде представляется только применением внешнего магнитопровода. В третьем прототипе достигнуто ослабление радиальной неоднородности магнитного поля с 3% до 1% в рабочей области соленоида, которая прилегает к оси симметрии соленоида.

В предлагаемом изобретении конструкция и параметры внешнего магнитопровода согласованы с размерами возбуждающей обмотки. По ходу линий магнитного поля сечение внешнего магнитопровода равновелико и достаточно для сохранения всего магнитного потока, создаваемого возбуждающей обмоткой. Благодаря применению торцовых фланцев магнитопровода в форме усеченных конусов центральные и приосевые магнитные линии магнитного поля проходят больше в магнитопроводе, чем периферийные линии магнитного поля, поэтому они больше усиливаются, чем периферийные. Усиление магнитного потока происходит за счет снижения магнитного сопротивления магнитной цепи вне соленоида за счет применения эффективных магнитных материалов для внешнего магнитопровода. Во втором прототипе относительная магнитная проницаемость материала магнитопровода составляла величину 20000. В третьем прототипе применение точного магнитопровода из стали Ст-3 позволило снизить ток в обмотке с 280 А до 105 А.

Применение трубчатого проводника для изготовления обмотки соленоида повышает эффективность отвода теплоты от каждого элемента обмотки. Это повышает эксплуатационные параметры соленоида.

На фиг.8 представлена магнитная система второго аналога, микротрона, в котором достигается радиальная однородность магнитного поля 0,5-0,1%. Это достигается и обеспечивается тем, что в микротроне линии магнитного поля проходят в основном в теле магнитопровода и лишь на 1/10 проходят в межполюсном зазоре.

В предлагаемом изобретении на рабочее пространство солениода приходится 1/3-1/4 часть всей длины линий магнитного поля. Следовательно, для соленоида, представленного в табл.2 с параметрами R=Z₀=1, можно ожидать радиальную однородность в 3-4 раза хуже однородности микротрона, т.е. 2%-0,4%.

Конечно, для убедительных доводов требуется достоверный эксперимент.

При этом следует отметить, что с увеличением длины соленоида радиальная однородность магнитного поля будет уменьшаться, а с укорочением соленоида соответственно улучшаться. При длине соленоида Z=0,1 он превратится /выродится/ в микротрон.

Главные итоги

1. Рассмотрено развитие соленоидов за последние 50 лет.

2. Получена интегральная формула структуры магнитного поля в соленоиде.

3. Предложена формула соленоида, создающего однородное магнитное поле.

Изобретение относится к электротехнике, к средствам создания однородного магнитного поля и может быть использовано в экспериментальной физике для создания рабочей области для авторезонансного ускорения или генерации. Технический результат состоит в повышении эффективности преобразования электрического тока в магнитное поле при оптимизации расхода материалов и электрической энергии на создание магнитных полей среднего и высокого уровней. Внешний магнитопровод броневого типа состоит из цилиндрической боковой оболочки и двух торцовых фланцев в форме усеченных конусов. Поперечное сечение внешнего магнитопровода равновелико по всей длине проходящих через него силовых линий магнитного поля, что обеспечивает высокую радиальную однородность магнитного поля в рабочем пространстве соленоида. Обмотка соленоида секционирована и выполнена из трубчатого проводника. Для обеспечения аксиальной однородности магнитного поля по мере удаления витков от центра количество витков в секциях увеличивается. 8 ил., 2 табл.

Соленоид, состоящий из обмотки, внешнего магнитопровода и водяной системы охлаждения, отличающийся тем, что обмотка выполнена из парных кассет трубчатым проводником прямоугольной формы и электрически включенных последовательно, а гидравлически параллельно и с помощью изолирующих втулок соединена с водяной системой охлаждения; внешний броневой магнитопровод состоит из цилиндрической боковой оболочки и торцовых фланцев в форме усеченных конусов, поперечное сечение внешнего броневого магнитопровода по всей длине магнитных линий, проходящих через него, равновелико.