Соленоид для получения сильных импульсных магнитных полей Советский патент 1983 года по МПК H01F7/18 

Изобретение относится к электротехнике и технической физике и може быть использовано в области физиче.ского эксперимента, где необходимы импульсные магнитные поля большой на11р)1женности.

Известна конструкция соленоида для получения сильных импульсных магнитных полей, срдержащая обмотку, выполненную в виде металлических дисков с радиальными разрезами, электрически : соединенных последовательно друг с другом кромками дисков, и с изоляционными прокладка между ними .

Недостатком этой конструкции является ограниченная возможность получения импульсных магнитных полей большой величины, а также ее пониженная надежность, обусловленная пределами прочности межвитковой изо-, ляции соленоидов, разрушающейся вследствие динамических усилий, возникающих между витками обмотки.

Наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является конструкция соленоида для получения сильных импульсных магнитных полей, содержащая слоевую обмотку, изоляцию между проводниками обмотки, токоподводы и силовой бандаж из диэлектрика 2.

5 Недостатками ее являются повышенная стоимость изготовления, обусловленная необходимостью использования при каждом повторном включении новых деталей взамен разрушиваюхсй, IQ пониженные эксплуатационные данные, связанные с необходимостью проведения дополнительных подготовительных работ, и пониженная надежность, связанная с частичным разрушением соленоида э прсадессе эксперимента.

15

Цель изобретения - снижение стоикюсти изготовления, улучшение усJювнй эксплуатации и повышение надежности .

Указанная цель достигается тем,,

20 что в соленоиде для получения сильюлх импульсных магнитных полей, содержащем слоевую обмотку, изоляцию между проводниками обмотки, токоподводы и силовой бандаж из-диэлек25трика, обмотка по наружному периметру снабжена изолирующими втулками, гибкими соединительны1 и проводниками и направляющими штифтами с возвратными элементами,. например

30 пружинами, и элементами фиксации

последних, причем,СЛОИ обмотки выполнены в виде сегментов, размещенных, начиная с второго слоя, считая от наружного, один против другого и радиальном направлении, изоляция между вторым, считая от наружного, и последующими слоями выполнена так же в виде сегментов и во всех сегментах и бандаже выполнены отверстий в которых в радиальном направлении соленоида размещены штифты, одни концы которых жестко соединены с сегментами последнего внутреннего слоя, а на других размещены возвратные элементы с элементами фиксации, в отверстиях сегментов проводника с наружного по предпоследний слой, между штифтами и сегментами размещены изолирующие втулки, а все прилегающие один к другому сегменты проводников соседних слоев, в том числе и сегменты внутреннего слоя с токоподвоЛами, соединены между собой последовательно посредством гибких соединительных проводников, причем сегменты блоев соленоида вместе с изоляцией, считая с второго, и штиф ты выполнены с возможностью радигшьного перемещения к оси симметрии соленоида; силовой бандаж выполнен в виде отде;1ьных колец, между которыми размещены токоподводы, жестко соединенные с сегментами наружного слоя обмотки каждый токоподвод к проводникам сегментов выполнен в виде кольца из проводящего материала с радиальным разрезом, жестко закрепленного, например, на силовом бандаже и размещенного на торце соленоида, соосно с ним; токоподвод к проводникам сегментов внутреннего слоя выполнен в виде беличьей клетки со стержнями, размещенными параллельно оси соленоида, причем кольца выполнены с радиальным разрезом, жестко закреплены, например, на силовом бандаже и размещены соосно по обе стороны соленои да.

На фиг. 1 схематически изображен соленоид (беэ токоподвода к проводникам внутреннего слоя), общий вид, разрез; на фиг. 2 - размещение проводников сегментов слоев в статическом (склсшском ,) состоянии; на фиг. 3 - размещение проводников сег ментов слоев в рабочем состоянии; на фиг. 4 - вариант выполнения соленоида (токоподводы к проводникам сегментов внутреннего слоя не показаны, вид сбоку; на фиг. 5 - две проекции варианта выполнения соленоида с токоподводами; на фиг. 6 поперечное сечение соленоида по варианту исполнения внутреннего токоподвода.

Соленоид для получения сильных импульсных магнитных полей содержит

слоевую обмотку, изоляцию 1 между проводниками обмотки, токоподводы 2 и силовой бандаж 3 из диэлектрика, обмотка по наружному периметру снабжена изолирующими втулками 4,гибкими соединительными проводниками 5 и направляющими штифтами б с возвратными элементами 7, например пружинами, и элементами 8 фиксации последних, причем слои обмотки выполнены в виде сегментов 9, р мещенных начиная с второго слоя, считая от наружного, один против другого в радиальном направлении, изоляция 1 между втррым, считая от наружнЬго, и последующими слоями выполнена также в виде сегментов и во всех сегментах и бандаже 3 выполнены отверстия, в которых в радиальном направлении соленоида размещены Штифты б, одни концы которых жестко соединены с сегментами последнего внутреннего слоя, а на ;других размещены возвратные элемен; ты 7 с элементами 8 фиксации, в отверстиях сегментов проводника с наружного по предпоследний слой, между штифтами б и сегментами размещены изолирующие втулки 4, а все прилегающие один к другому сегменты . проводников соседних слоев, в том числе и сегменты внутреннего слоя с токоподводами 2, соединены между собой последовательно посредством гибких соединительных проводников 5 причем сегменты слоев соленоида вместе с изоляцией, считая с второго, и штифты б выполнены с возможностью радиального перемещения k оси симметрии соленоида; силовой бандаж 3 выполнен в виде отдельных колец, между которыми размещены токоподводы 2, жестко соединенные с сегментами наружного слоя обмотки (фиг.4) токоподвод 2 к проводни1):ам сегментов выполнен .в виде кольца (фиг.5) из проводящего материала с радигшьным разрезом, жестко закрепленного, например, на силовом бандаже 3 и размещенного на торце соленоида, соосно с ним; токоподвод 2 к проводникам сегментов внутреннего слоя выполнен (фиг. б) в виде беличьей клетки со стержнями, размещенными параллельно оси соленоида, причем кольца выполнены с радиальным разрезом, жестко закреплены, например, на силовом бандаже 3 и размещены соосно по обе стороны соленоида.

Предлагаемая конструкция соленоида для получения сильных импульсных магнитных полей работает следукяцим образом.

Соленоид посредством токоподводов 2 может быть подключен к источнику тока, в качестве которого могут быть использованы батареи конденсаторов (по прототипу).

На фиг. 2 изображен участок соленоида, в которомсегменты 9размещены один рядом с другим, поскольку последние подтягиваются возвратными элементами 7. При разряде батареи конденсаторов на соленоид в слоях последнего (на фиг. 3 показаны стрелками) протекает ток, причем , в двух рядом лежащих смежных слоях направление тока противоположное, в результате чего слои стремятся оттолкнуться один от другого. Эти усиЛИЯ отталкивания согласно второму закону Ньютона действуют в равной степени как к центру соленоида, так и к его наружной поверхности. По наружной поверхности, по всему периметру наружного слоя обмотки выполнен силовой бандаж, воспринимающий эти усилия , а противоположно направленные усилия воздействуют на сегменты слоев обмотки, сдвигая их к центру в радиальном направлении. Токопроводящие гибкие соединительные проводники 5 являются переходной электрической связью между сегментами. 9 слоев обмотки, причем эти про-, 1 одники целесообразно выполнять (для сохранения наибольшего их ее- чения) по всей аксиальной длине сё ментов, припаивая их, например, к смежным кромкам сегментов двух соседш1х слоев обмотки. Кроме того, длину этих проводников .также необходимо выбирать с тем расчетом (фиг. 2 и 3), чтобы не происходило их защемление при возврате сегментов в исходное (фиг. 2) положение соседники сегментами, расположенными рядом.

Количество слоев проводника соленоида выбирается из следующих соображений: конструктивных - необхо- . димостью создания заданного рабочего объема внутри соленоида при известности сечения проводников в функции тока и внешних габаритов соленоида соответственног технологических - необходимостью сборки многослойной конструкции соленоида, для которой необходима тщательнгш сборка .пайка) и подгонка всех элеменiTOBf расчетных - обусловленных временем срабатывания соленоида.

в этом случае основным фактором работоспособности соленоида является его постоянная времени.

Физически концентрация магнитного поля в рабочем объеме соленоида, заключенном между сегментами внутреннего слоя обмотки, происходит следующим образом.

Магнитный поток в рабочем объеме нарастает с какой-то задержкой, обусловленной ЭДС самоиндукции соленоида, которая зависит от числа витков и направления.тока в витках. Соответственно в двухслойном соленоиде, где .направление тока .в слоях противоположное, ЭДС самоиндукции стремится к нули. Соответственно и рост магнитного потока в центре соленоида происходит почти мгновенно, однако его.относительная величина невелика, поскольку данная конструкция приближается в бифилярной. И лишь при удалении проводников один от другого за счет сил отталкивания будет происходить увеличение последнего JB рабочем объеме. Вместе с тем при движении сегментов внутреннего слоя обмотю к центру соленоида при заданной величине тока в них сечение рабочего объема сужается, благодаря чему возрастает напряженность маг-, нитного поля в этом объёме. Кроме ; того, некоторое приращение магнитног го поля происходит и за счет удаления один от другого двух бифилярных слоев.

В трехслойном соленоиде началь- , ная величина магнитного поля несколько больше, чем в двухслойном, поскольку натфгшление тока в первом и третьем слоях одинаковое, что создает возможность магнитному потоку замыкаться в пространстве В5йруг соленоида через рабочий объ. ,Одшако наличие: среднего (четного/ слоя с противоположным направлением тока , дает некоторое уменьше,ние величины магнитного потока от- двух крайних слоев. При срабатывании соленоида происходит тот же процесс мгновенного сужения сечения рабочего рбъ-. ема, обуслашшвакищй увеличение напряженности магнитного поля.

0 Все изложенное выше для двухи трехслойной конструкции соленоидов распространяется и на конструкции соленоидов с четным и нечетным количеством слоев соответственно, т.е.

5 многослойных..

Эффективность работы соленоида определяется требованием нё преМенного наличия тока в слоях до окончания срабатывания соленоида, которое определяется, в свою очередь, мар- i сой движущихся частей обмотки, т.е. их и.нерцней. Это время ориентировочно обставляет 0,02-0,05 с.

ЩИ€ выполнении конструкции наиболее целесообразны варианты, указанные на фиг. 4 (по наружному токоподводу) и г.. б (по внутреннему), f ако.е сочетание определит. строго параллельное и взаимно встречное направление .токов во всех ветвях соленоида. Вариант выполнение на фиг. 5 предопределяет направление тока в наружном к внутреннем слоях (для трехслойной конструкции я конструкции с нечётнцк числом слоев)

5 под углом к направлению тока в четных слоях, что снижает эффективность его работы.

Число сегментов слоев определяется из конструктивных соображений, а число сегментов наружного слоя из удобства подсоединения токоподводящих шин к токоподводам соленоида и их взаимному присоединению. Наилучшим вариантом исполнения с точки зрения перераспределения тока в сечении проводников слоя является вариант с числом сегментов наружного слоя, равным числу сегментов последующих слоев.

Разрез в кольцах токоподводов выполнен для ис ключения образования короткозамкнутого витка на пути маг нитного потока соленоида.

Изолирующие втулки могут быть выполнены из материала с низким коэффициентом трения, например фторопласта..

Формула изобретения

S. 1. Соленоид для получения сильных импульсных магнитных полей, содержащий слоевую обмотку, изоляцию между проводниками обмотки, токоподводы и силовой бандаж-из диэлектрика, отличающийся тем, что, с цельй снижения себестоимости изготовления, улучшения условий эксплуатации и повышения надежности, обмотка по наружному периметру снабжена изолирующими втулками,, гибкими соединительными проводниками и направляющие штифтами с возвратными элементами, например пружинами,-и элементами фиксации последних, причем слои обмотки выполнены в виде сегментов, размещенных, начиная с второго слоя, считая от наружного, один против другого в радисшьном направлении, изоляция между вторым, считая от наружного, и последующими слоями выполнена также в виде сегментов и во всех сегментах и бандаже выполнены отверстия, в которых в радиальном направлении соленоида размещейы штифты, одни концы которых жестко соединены с сегментами последнего внутреннего слоя, а на других размещены возвратные элементы с элементами фиксации, в отверстиях

5 сегментов проводника с наружного но предпоследний слой, между штифтами и сегментами размещены йзолирукицие втулки, а все прилегающие один к другому сегменты проводников сосед0 них слоев и сегменты внутреннего слоя с токоподводами соединены между собой последовательно посредством гибких соединительных проводников, причем сегменты слоев соленоида вмес5 те с изоляцией, считая с второго, и щтифты выполнены с возможностью радиального перемещения к оси симметрии соленоида

2. Соленоид по п. 1, о т л и 0чающийся тем, что силовой бандаж выполнен в виде отдельных колец, между которыми размещены токоподводы, жестко соединенные с сегментаки наружного слоя обмотки.

5 3. Соленоид по п. 1, отличающийся тем, что каждый токоподвод к проводникам сегментов выполнен в виде кольца из-проводящего материала с радиальные/ разрезом, жестко закрепленного, например, на силовом бандаже и размещенного на торце соленоида, соосно с ним.

4. Соленоид . 1 и 2, о т л и ч а ю щ и и с°я тем, что токоподвод к проводникам сегментов внут5 реннего слоя выполнен в виде беличьей клетки со стержнями, размещенныьм параллельно оси соленоида,причем кольца выполнены с радиальным разрезом, жестко закреплены, например, на си0 ловом бандаже и размещены соосно по обе стороны соленоидаi

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Карасик в.Р. Физика и техника 5 сильных магнитных полей. М., Наука,

1964, с. 134-135.

2.Кнопфель Г. Сверхсильные импульсные магнитные поля. М., Мир, 1972, с. 262. фиг. 9-24.

ч

f

ff /ffMOffffff

moffff/fffffAfffff

фуг.З

/ ЧV

./