Преобразователь энергии взрыва химического вещества в электромагнитную энергию Советский патент 1992 года по МПК H02N11/00 

Изобретение относится к устройствам импульсной техники, а более конкретно к одноразовым (взрывным) устройствам, способным генерировать большие короткоимпульсные токи в потребителях электромагнитной энергии. Оно может быть применено в экспериментальной и технической физике быстропротекающих Мроцессов, в частности, для инициирования детонаторов.

Целью изобретения является увеличение КПД преобразователя путем уменьшения потерь электромагнитной энергии за счет снижения рассеяния м-агнитного потока и уменьшения конечной (паразитной) индуктивности на соединениях каскадов (контуров сжатия) между собой и с потребителем.

Указанная цель достигается тем, что в каскадном преобразователе, содержащем последовательно соединенные между собой и с выходом на потребитель проводящие контура сжатия, каждый из которых включает в себя электрически замкнутые активную и пассивную части, ограниченный активной частью заряд ВВ с капсюль-детонаторами, и устройство для создания начального магнитного потока, пассивная часть каждого контура сжатия выполнена в виде одновиткового соленоида, разрезанного диаметрально зазору, образованному его концами с присоединенными к ним с внутренней поверхности соленоида контактными пластинами, а активная часть, эксцентрично расположенная в полости одновиткового соленоида по отношению к его зазору, выполнена в виде цилиндрической оболочки, заполненной ВВ с капсюльдетонаторами по его оси, причем соленоиды расположены в одной плоскости по кругу, разрезами обращены к центру, а зазорами - на периферию круга, а цилиндрические активные оболочки разрезаны по образующим, концы их электрически замкнуты с концами пассивных соленоидов, образующими зазоры, выход к потребителю размещен в центральной части круга, устройство для создания начального магнитного потока выполнено в виде постоянных магнитов, внутренние разнополярные торцы которых примыкают к торцам соленоидов, а внешние замкнуты магнитопроводом.

3 преобразователе часть ВВ в каждой цилиндрической оболочке со стороны ее электрического контакта с соленоидом выполнена в виде инертного изоляционного клинообразного тела, рабочие поверхности которого сходятся в направлении к оси оболочки под углом а , определяемым соотношением

a.4arcsln 2jp r7.

где Го - внешний радиус оболочки;

Г1 - расстояние от оси оболочки в сторону ее разреза до пересечения рабочих поверхностей клинообразного тела; S - длина контактной пластины. Одновитковые соленоиды и цилиндрические оболочки, расположенные в. плоскости, могут быть размещены над соответствующими соленоидами и оболочками другой плоскости и связаны общим магнитным потоком и общим выходом к потребителю.

Одновременное инициирование зарядов преобразователя может быть осуществлено детонационной разводкой, исходящей от одного капсюля-детонатора, путем подведения ее к торцам зарядов ВВ со стороны любого из торцов преобразователя.

На фиг. 1 даны поперечный и продольный разрезы преобразователя; на фиг. 2 часть поперечного сечения преобразователя с клинообразным телом из инертного изоляционного материала в полости активной оболочки; на фиг. 3 - послойное расположение одновитковых пассивных соленоидов и активных оболочек одной плоскости над соответствующими соленоидами

и оболочками другой плоскости, связанных общим магнитным потоком и общим выходом на потребитель электромагнитной энергии; на фиг. 4 - плоскопараллельный

каскадный ВМГ(прототип); на фиг. 5-схема части преобразователя, поясняющая расчетное обоснование достижения цели изобретения.

Преобразователь состоит из проводящего корпуса 1, представляющего собой несколько одновитковых пассивных соленоидов 2, последовательно соединенных между собой на потребитель 3 в местах разрезов 4 пассивных соленоидов по их образующим (на фиг. 1 показано соединение пяти пассивных соленоидов). Корпус выполнен с разрезом 5 по образующей до его оси. Выход к потребителю подключен к частям разреза 5 корпуса в центральной его части

6 (при необходимости выход к потребителю может быть подключен к периферийным частям разреза корпуса). Активные оболочки 7 заполнены В В 8. Постоянные магниты 9 с полюсными наконечниками 10 соединены

магнитопроводом 11. К торцам зарядов подведены одинаковой длины детонационные шнуры 12, которые исходят от капсюля-детонатора 13. К внутренней поверхности корпуса вблизи каждого зазора 14 пассивного соляноида на длине образующей приеоединень контактные пластины 15 для ббеспечения большей величины угла начального смыкания внешней поверхности активной оболочки с корпусом преобразователя (с внутренней поверхностью пассивного соле-ноида). Торцы зарядов прикрыты инертными изоляционными насадками 16, препятствующими разлету продуктов В В в сторону торцов зазора. Напротив каждого разряда пассивного соленоида выполнен разрез 17 активной оболочки по ее образующей. В пазы разрезов 17 активных оболочек, в зазоры 14 пассивных соленоидов и в разрез 5 Корпуса вставлены жесткие изоляторы 18. Корпус преобразователя отделен от магнитопровода изолятором 19, а сам преобразователь помещен в изоляционный корпус 2.0. Расположение контактных пластин 15 в плоскости пассивного соленоида и клинообразноготела 21, выполненного из инертного изоляционного материала, в полости каждой активной оболочки 7, показано на фиг. 2. Рабочие поверхности клинообразного тела 21 пересекаются в направлении к оси активной oбoлoчкИv а инициирование ВВ выполняется по ее оси.. Послойное расположение одновитковых пассивных соленоидов и активных оболочек одной плоскости (1-ой) над соответствующими соленоидами и оболочками другой плоскости (2-ой) приводит к дополнительным конструктивным элементам, которые показаны на фиг. 3. Выходные клеммы, расположенные в центральной части 6 корпуса 1, образованного пассивными соленоидами, одной плоскости (1-рй), и выходные клеммы, расположенные в центральной части б корпуса 1, образовайного соленоидами другой плоскости (2-ой), соединены между собой и с нагрузкой последовательно, причем одна, например 22, из двух выходных клемм 1-ой плоскости соединена с одной из двух выходных клемм 2-ой плоскости. Тогда вторая выходная клемма 23 1-рй плоскости и вторая выходная клемма 3 2-ой плоскости являются выходом устройства (см. фиг. 3) и местом подключения к НИМ потребителя знергии (нагрузки). Для уменьшения рассеяния магнитного потока между пассивными соленоидами 1 и 2-ой плоскостей располагается плрский постоянный магнит24. Разводка от одного капсюля-детонатора подведена к торцам зарядов ВВ со стороны обоих торцов преобразователя. . На фиг. 1 и 3 между торцами заряда В В 8 и инертной изоляционной насадки 16 расположена диэлектрическая прокладка 25, выполненная, например, из феррита, изолирующая собой активную оболочку 7 от полюсного наконечника 10. Диэлектрическая прокладка 25 может быть заполнена воздушнойпрослойкой при непосредственном промыкании тррца инертной изоляционной насадки 16 к торцу ВВ 8. Последовательное соединение двух и более одновитковых пассивных соленоидов, расположенных по кругу в одной плоскости из минимальном и одинаковом расстоянии друг от друга, можно выполнить измонолитного проводящего диска высотой Ни площадью поперечного сечения S путем высверливания в нем соответствующего числа отверстий с последующим диаметральным разрезом каждого отверстия по высоте h от образующей до оси диска. Для подключения потребителя достаточно в одном из мест диска выполнить разрез по его образующей до оси диска на одинаковых расстояниях от двух ближайших отверстий. Для обеспечения фиксированных разрезов диска в местах разрезов могут быть вставлены жесткие изоляторы. Для повышения надежноети-одновременного инициирования зарядов ВО разводка рт одного (или двух) капсюля-детонатора может быть подведена к зарядам ВВ с обоих торцов преобразователя. Для уменьшения разогрева токами Фуко полюсных наконечников последние могут быть выполнены набором пластин из ;материала с большой магнитной проницаемостью.. . Преобразователь работает следующим образом. Сигнал от капсюля-детонатора 13 по детонационным шнурам 12 одновременно подводит к торцам зарядов, детонируя ВВ 8. Под действием образовавшихся продуктов В В активные кольца (оболочки)7 расширяются, захватывая магнитный поток, заключенный между активными кольцами 7 и пассивными соленоидами 2, вытесняют его в потребитель 3. Одно из положений активного кольца на стадии работы преобразователя показано пунктирной линией. Достоверность достижения цели изобретения подтверждается нижеследующим расчетом, для чего на фиг. 4 изображен прототил-плоскопараллельный каскадный ВМГ, а на фиг. 5 приведены основные буквенные обозначения элементов предложенного каскадного ВМГ. Плоскопараллельный каскадный ВМГ (фиг. 4) состоит из конденсаторной батареи (источника начального магнитного потока) 27, внутренней активной шины 26, внешней пассивной шины 29, В В 8, капсюля-детонатора 13, выхода к потребителю 3, плоскопа7.10791488

раллельного зазора 30, конечной чаети ком-Финкииа АГМ - - ч1пГ S U1 +

прессионного объема 31. промежуточноеч ункция - р (- j 11 +

положение активной шины 32.+ «sin/ 11

Проведем сравнение конечных индук-,. N

тивностей для каскадных ВМГ, образован 5следует из рассмотрения подобных треуных соединением плоскопараллельныхгольииков OOiC и ОВС, где R-внутренний

генераторов по схеме, приведенной на фиг.радиус пассирного соленоида. 4. и одновитковых соленоидов - по схеме. Возьмем отношение величин (1) и (2) при

фиг. 1.выпопнении очевидных условий, что шириИндуктивность передающей линии пло- tOда шины «тдоскопгараллельного генератоскопараллельного каскада ВМГ{и1)с1 яадыpr9(oBs). равна высоте одновиткоеого

ваетсяизиндуктивноствйпассивного соленоида(h) и что Ai 4 А

плоскопараллельногр зазора 30 и конечной

части компрессионного объема 31. При Дц ( 71М - 2 ) -Ь 2 а М

мом благоприятном расположении плоско- tS LZу .

параллельногозазора,когда}1 0,,, Effv{1 2A)--r3N+-2;фиг. 4). т. е. при минимальной передающей ,

линии, индуктивность LI можно - предста-Из условия равенства начальных индукеить в следующем виде:-mBttOtjteft раосматриваемйх каскадных

), ,д(к.ио}, где At-зазор.между шинами передающей 25.

линии: g4-r

Ди - толщина (активной, пассивной)а-при -я-

шины. г1ричем . Дл

. где -даийа шины;

Дьь - оптимальная толщина 8В для 30 . внешний радиус активного кольца разгона активной шины толщиной Дц ;(оболочки);

N-число каскадов;-д - базаразлета кольца (оболочки),

в - ширина(акти8ной, пассивной)щины|- Так, при Д 0,1 см; д а 1 см;

а - зазор между активной и пассивной см; Н-Ъ Rk 3 см

шинами отдельного каскада; находим, что

о - магнитная проницаемость вакуу-|- л/о,35см;

., Тогда

С другой стороны, индуктивность пере-Li „ „„

дающей линии Кг каскадного ВМГ на основет fn-2,22)

ОДНОВИТКОВЫХ генераторов можно предста-У Следовательно, при одинаковых навить какчальных индуктавностйх и одинаковом коI,-,, Rk (1 -2 А) -г . л а„ индуктивность каскадного плоскопарал h лельногоВМГболеечем в 2 раза превышает

Смысл введенных здесь обозначенийна основе одновнтковых соленоидов, поясняется на фиг. 5;

RK - радиус диска (корпуса);Если каскадные ВМГ работают на одиh - высота диска или высота одновитко-CQ наковый индуктивный потребитель (Lin

вого пассивного соленоида; L2n)то при одинаковых начальных услови4е - ширина передающей линии пас-ях, т. е/ при одинаковой начальной индуксивного соленоида (ширина разреза пассив-тивноьти каскадов {l,,i& L2o) и одинаковом

него соленоида);начальном магнитном потоке (Ф)о ) выг - радиус цилиндрической полости вeg ходную анергию можно записать в виде

центральной части корпуса, причем. .

/ (N + 1) + (ЗN + 1)ДuWi 7. каскадного плоско2 параллельного ВМГ

20 ВМГ.

хМ .сяедует, что

личестве каскадов конечная (паразитная)

1(2)-конечную индуктивность каскадного ВМГ

9107914810

1 5 0по сравнению с мощностью предложенного

и W2 2 L2 + L2 каскадного ВМГ изрешенияприодинаковыхусловиях-начальодновитковых соленоидов. магнитном потоке, начальной и конечгдет и J/z-коэффициенты сохранения маг- индуктивности, т. е. при одинаковых

нитного потока выходн йх энергиях.

Тогда с учетом полученного соотноше Действителыно из равенства начальных

ния(З) имеем. ,индуктивности {Li° L5) каскадов следует. д/2 Lin 4- L2 п°

W L9M + L боты плоскопараллельного ВМГ необходичто близко к экспериментальным MQ. J а. а 1. Тогда 1 10. так как проводники обоих каскадов находят-Из условия л ° всегда можно ся в одинаковых условиях по напряженности магнитного поля. добеспечить, чтобы Ю (на практике это

Следовательно, выходная энергия кас-соотношение достигает 100 и более), кадного ВМГ из одновитковых соленоидовДлительность работы ( rk ) плоскопаПРИ одинаковых начальных условиях ПреВЫ- wivnon j io pduuiM i-k ; плиьлимс

шает выходную энергию каскадного плойко-Раллельного ВМГ определяется длиной ши

параллельного ВМГ«« и скоростью D детонации ВВ. т. е.

Если Li La О (условие отсутствияtk ,

потерь энергии на конечной индуктивно-

U см о нU«у Uа длительность предложенного преобразостИ). тогда W rr вателя - базой (д ) разлета активного коль .2 Ln ца (оболочки) и средней скоростью

а для рассеянной энергии на конечной ин- 25размера V 4УКТИВНОСТИ каскадного плоскопараллель- й

.ногоВМГ ; : ,

Д.УУ W-Wi LI U Следовательно. .

WW Lin + Li Lin + п L2 30так как D 0.8 см/МКС. V 0,2-0.3 см/МКС.

и для каскадного ВМГ из одновитковых со-5 0 - « мощность лрвдложенного преобленоидоо:;разователя существенно больше мощности А Л/У - Wz L2. 35: С другой стороны, поскольку ,

WWL2n+|-2 CiLl

Из соотношений (4) и (5) следует, что доля-.Это означает, что условия для сохранераесеянной энергии магнитного потока на ния магнитного потока обеспечиваются лучконечной индуктивности каскадного пло- - щими в предложенном праобразоватвле; скопараллельного ВМГ превышает соответ- 40 изо1бретения в конечном итоге наствующую долю каскадного ВМГ изправлена на обеспечение увеличения КПД одновитковыхсоленоидов. Например, еслипреобразоватеяя,

:уЦейстаитеяьно. КПД преобразователя

Lin Lan 10 нГ. L2 2 нГ, а с .можно представите учетом(З) LI 4.44нГ, t, |.пд Wo - AW - Wp W

д ...... - . VvBB WBQ

()

Поскольку индуктивность плоскопарал- где W - конечная электромагнитная энергия

лельного ВМГ пропорциональна Длине его wпреобразователяшины (1). то набор индуктивности за счет о начальная энергия магнитного поувеличения I приводит к увеличению дли- преобразователя; тельности работы генератора (к снижениюА W - доля магнитной энергии, теряемощности). Уменьшение и объединение ге- „ на конечной (паразитной) индуктивнонераторов в каскадную систему приводит к „кпоео разовагепя; росту индуктивности (L и к снижению дли- Wp - доля рассеянной энергии магниттел ьности работ каскадной системы,нлгп пптгч а- - nwl U IIUIUKcj,

Однако техническое решение (3) обес-уУвв - энергия заряда ВВ;

печивает существенно меньшую мощностьN-количество зарядов ВВ.

что л ,. я -Для эффективной ра(4}I

известного каскадного ВМГ (3). Тогда для каскадного плоскопараллельного ВМГ кпд- W . Wo,AW, WP, W W W а для каскадного ВМГ из одновитковых соленоидов ..пл- W м ° . TTWii W VT Ж Как показано в разделе 2 описания изобретения, при прочих одинаковых условиях . Следовательно. КПД2 КПД1. Замена части ВВ (см. фиг. 2) в полости каждой активной оболрчки со стороны ее электрического контактирования с пассивным соленоидом инертным изоляционным материалом не влияет на величину W. а величина WBB при этом уменьшается, и КПД2 ,. повышается. Расположение (см. фиг. 3) одковиТковых пассивных соленоидов и активных цилиндрических оболочек одной плоскости над соответствующими соленоидами и оболочками другой плоскости обеспечивает снижение рассеяния магнитного потока и магнитной энергии Wp за счет обеспечения минимального расстояния между полюсными наконечниками 10 для последовательно соединенных 2 N пассивных соленоидов по сравнению с расстоянием между полюсными наконечниками, когда 2N пассивных соленоидов располагается один над другим (столбиком). Приведенные данные свидетельствуют о том, что при использовании ВМГ, выполненных а соответствии с изобретением, достигаются большие КПД. f

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ВЗРЫВА ХИМИЧЕСКОГО ВЗРЫВЧАТОГО ВЕЩЕСТВА В ЭЛЕКТРОМАГНИТНУЮ ЭНЕРГИЮ, содержащий последовательно соединенные между собой и с выходом на потребитель приводящие контура сжатия, каждый из которых включает в себя электрически замкнутые активную и пассивную части, ограниченный активной частью заряд ВВ с капсюль-детонаторами, и устройство для создания начального магнитного потока, отличающийся тем, что, с целью увеличения КПД путем уменьшения потерь электромагнитной энергии за счет снижения рассеяния магнитного потока и уменьшения конечной индуктивности на соединениях контуров сжатия между собой и с потребителем, пассивная часть каждого контура сжатия выполнена в виде одновиткового соленоида, разрезанного диаметрально зазору, образованному его концами с присоединенными в ним с внутренней поверхности соленоида контактными пластинами, а активная часть эксцентрично расположена в полости одновиткового соленоида по отношению к его зазору, выполнена в виде цилиндрической оболочки. заполненной ВВ, с капюсль-детонаторами по его оси, причем соленоиды расположены в одной плоскости по кругу, разрезами обращены к центру и зазорами - на периферию круга, а цилиндрические оболочки разрезаны по образующим, концы их электрически замкнуты с концами одновитковых соленоидов, образующими зазоры, выход к потребителю размещен в центральной части круга, устройство для создания начального магнитного потока выполнено в виде постоянных магнитов, внутренние разнополюсные торцы которых примыкают к торцам соленоидов, а внешние - замкнуты магнитопроводом, 2.Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ющийся тем, что часть ВВ в каждой цилиндрической оболочке со стороны ее электрического контакта с соленоидом выполнена в виде инертного изоляционного клинообразного тела, рабочие поверхности которого сходятся в направлении к оси оболочки под О углом а, определяемым соотношением ю a 4arcsln g J, S где Го - внешний радиус цилиндрической оболочки: 00 Г1 - расстояние от оси цилиндрической оболочки в сторону ее разреза до пересече ния рабочих поверхностей клинообразного тела; S -длина контактной пластины. 3.Преобразователь по пп. 1 и 2, о т л ичающийся тем, что одновитковые соленоиды и цилиндрические оболочки одной плоскости расположены под соответствующими соленоидами и оболочками другой плоскости и связаны общим магнитным потоком и общим выходом к потребителю.