Многовитковый соленоид

 

Использование: в физике твердого тела и других разделах экспериментальной физики, где необходимы сильные магнитные поля. Сущность: обмотка 1 помещена в экранирующий бандаж 2 и имеет рабочий объем 3, диаметр которого составляет 0,02 -0,14 от диаметра обмотки. Распределение тока в обмотке организовано таким образом, что угол между направлениями тока и магнитного поля не превышает 5^o. Уменьшение электродинамических усилий (механических напряжений) в обмотке соленоида позволяет в 1 -2,9 раз повысить напряженность магнитного поля в рабочем объеме соленоида, а также повысить его надежность за счет улучшения условий работы электромизоляции. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а конкретнее к технике получения сильных магнитных полей, и может быть использовано для создания установок по изучению влияния сильного магнитного поля на свойства твердых тел, исследования высокотемпературной плазмы.

Известны магнитные системы /1,2/, в которых в ограниченных цилиндрической или сферической областях распределение тока осуществляется таким образом, что вектор плотности тока параллелен вектору магнитной индукции В таких областях объемная плотность электромагнитных сил равна нулю.

Недостатком таких систем является отсутствие в них в области максимального магнитного поля, свободного от витков объема, который можно было использовать как рабочий объем для помещения в него исследуемых образцов и т.д. Если такой объем (пусть даже малых размеров) в указанных магнитных системах выделить, то это приведет к нарушению условий параллельности векторов и резкому возрастанию плотности электромагнитных сил /3/, при достаточной величине которых к разрушению магнитной системы.

Целью изобретения является повышение напряженности магнитного поля и надежности конструкции соленоида.

Поставленная цель достигается тем, что многовитковый соленоид с бессиловой обмоткой для получения сильных магнитных полей выполнен из проводников многослойным, в виде тела вращения конечной длины с внутренней цилиндрической полостью, снабжен металлическим экранирующим бандажем, обмотка расположена внутри бандажа и выполнена из слоев витков, причем витки каждого слоя расположены на тороидальных поверхностях в виде спиралей.

Максимальная разгрузка обмотки от электродинамических сил достигается при отношении k внутреннего диаметра обмотки к внешнему, изменяющемуся в интервале 0,02<k0,14, и пересечений витков каждого слоя плоскости поперечного сечения обмотки под углом ₁, где а их проекции на эту плоскость образуют с осью соленоида угол g₂ где r, сферические координаты точки расположения проводника в обмотке, a 8,987/D, D -внешний диаметр обмотки, d-внутренний диаметр обмотки, j_max= (0,305D, /2), _гр= (d/2, /2) при этом коэффициент заполнения переменный по сечению обмотки где В постоянная, определяемая заданным значением магнитной индукции в центре соленоида B₀; B=3 B₀/[1-(3,2 k)²] k=d/D; _o абсолютная магнитная проницаемость; J_пр значение плотности тока в проводнике.

Металлический экранирующий бандаж может быть выполнен двухслойным: внутренняя часть выполнена из металла с высокой электропроводностью, а внешняя часть из материала с высокой механической прочностью.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое решение отличается тем, что обмотка помещена внутрь металлического экранирующего бандажа и выполнена многослойной, витки каждого слоя уложены на тороидальные поверхности в виде спиралей. Таким образом, изобретение соответствует критерию "новизна".

Сравнение с другими техническими решениями показывает, что многовитковые соленоиды, обмотка которых помещена внутрь экранирующего бандажа, известны /5/. Однако эти признаки в сочетании с другими признаками устройства, а именно с тем, что витки в обмотке уложены на тороидальные поверхности в виде спиралей, позволяют повысить напряженность магнитного поля и надежность конструкции соленоида за счет уменьшения сил, действующих в обмотке. Поэтому изобретение соответствует критерию " существенные отличия".

Отношение внутреннего диаметра d к внешнему диаметру D обмотки k=d/D изменяется в интервале (0,02<к0,14). В этом случае в обмотке угол между направлениями тока и магнитного поля не превышает 5^o, а следовательно, действующие в обмотке усилия незначительны. При k>0,14 угол между током и полем возрастает, что приводит к увеличению электродинамических сил в обмотке.

Металлический экранирующий бандаж выполняет две функции: во-первых, воспринимает электродинамические усилия, которые возникают от взаимодействия магнитного поля с вихревыми токами экрана, во-вторых, в нем протекают вихревые токи, создающие внешнее (по отношению к обмотке) магнитное поле, которое в сумме с магнитным полем токов обмотки обеспечивает минимальные электродинамические усилия и механические напряжения в теле обмотки.

Витки каждого слоя уложены на тороидальные поверхности в виде спиралей и пересекают плоскость поперечного сечения обмотки под углом ₁ а их проекции на эту плоскость образуют с осью соленоида угол ₂ которые определяются по формулам (1) и (2), при этом коэффициент заполнения переменный по сечению обмотки и определяется выражением (3). Такое исполнение магнитной системы делает обмотку разгруженной от электродинамических усилий. Отсутствие (компенсация) электродинамических сил в обмотке приводит к сохранению междуслойной и междувитковой электроизоляции, повышая тем самым надежность конструкции соленоида, и позволяет пропускать через обмотку ток большей величины, а следовательно, получить более сильное магнитное поле в рабочем объеме.

На фиг. 1 изображена конструкция предлагаемого устройства; на фиг.2 показан отдельный виток обмотки; на фиг. 3 приведены графики распределения объемной плотности электродинамических сил в предлагаемом устройстве и в устройстве, описанном в работах /2,3/ (аналоге).

Предлагаемое устройство (см. фиг. 1) содержит обмотку 1, помещенную в двухслойный металлический бандаж 2, имеющий отверстия для доступа в рабочий объем 3 обмотки и для вывода ее токопроводов 5. Внутренняя часть бандажа выполнена из материала с хорошей электропроводностью (например, из меди), а внешняя часть из материала с высокой механической прочностью (например, из стали). Бандаж после размещения в нем обмотки стягивается металлическими шпильками 4.

Витки 6 обмотки 1 имеют вид спиралей (см. фиг.2) и пересекают плоскость поперечного сечения 7 обмотки под углом g₁ (угол между касательной 8 к проводнику витка 6 и ее проекцией 9 на плоскость поперечного сечения), а проекция витка на эту плоскость (линия 9) образует с осью 10 соленоида угол ₂ (линия 11 параллельна оси соленоида 10).

Устройство работает следующим образом.

Магнитное поле, созданное токами, протекающими по проводникам обмотки, индуцирует в экранирующем бандаже азимутальные токи. Распределение тока в обмотке осуществляется за счет расположения витков таким образом, чтобы угол между направлением тока в витках и направлением результирующего магнитного поля для любого элемента обмотки не превышал 5^o. При выполнении этого сила, действующая на проводники обмотки, будет минимальна. Для определения необходимого распределения тока в обмотке (иными словами, для определения пространственного расположения витков обмотки) была решена численными методами оптимизационная задача, при этом в качестве нулевого приближения использовалось распределение тока, рассмотренное в работах /2,3/ (аналог). Результаты расчета объемной плотности электродинамических сил, действующих в экваториальной плоскости обмотки в радиальном направлении при максимальном поле в центре рабочей области B₃₀=46Т и отношением k внутреннего диаметра к внешнему k=0,1, представлены как (R=D/2). Зависимость 1 показывает распределение сил в обмотке, описанной в работах /2,3/ (аналог), а зависимость 2 получена для обмотки с оптимизированным распределением тока
Здесь j_r, j, j компоненты вектора плотности тока в обмотке в сферической системе координат r, q, Распределение тока (4) реализуется в обмотке, в которой проводники витков пересекают плоскость поперечного сечения обмотки под углом

а их проекции на эту плоскость образуют с осью соленоида угол

причем коэффициент заполнения l, по определению равный отношению объема V_пр, занятого материалом проводника, к сумме V_пр + V_и, где V_и объем, занимаемый материалом изоляции /1/, переменный по сечению обмотки, и зависит от месторасположения проводника

Последнее выражение получено следующим образом. Выделим цилиндрический элемент объема обмотки длиной l и поперечным сечением S таким образом, чтобы ось элемента совпадала с линией тока. При протекании через элемент тока I среднее значение плотности тока в нем равно j=I/. Объем выделенного элемента V= Sl включает объемы, занятые изоляцией V_и и проводником V_пр; V=V_и +V_пр, V_пр= S_пр l, где S_пр площадь поперечного сечения проводника. Ток I элемента протекает по проводнику, при этом плотность тока в проводнике равна j_пр= I/S_пр. Поэтому из определения коэффициента заполнения следует

При осуществлении в обмотке заявляемого токового распределения главным фактором, ограничивающим получения сильных импульсных магнитных полей, будут усилия, возникающие в бандаже. Поскольку магнитное поле на поверхности экранирующего бандажа меньше по сравнению с магнитным полем в рабочем объеме соленоида, это позволяет в 1 -2,9 раза повысить напряженность магнитного поля в рабочем объеме по сравнению с прототипом при условии, что токопроводящие элементы предлагаемого устройства и прототипа выполнены из одного материала. Ниже приведены значения максимального магнитного поля B_м в центре рабочего объема при разных k.

При k 0,02; 0,06; 0,1; 0,14; 0,18 B_м составляет соответственно 2,3B_э; 2,88B_э; 2,66B_э; B_э; 0,56B_э,
где B_э величина индукции магнитного поля, приводящая к разрушению экранирующей части бандажа (для меди B_э= 32T). Из таблицы видно, что пределы (0,02<к 0,14) являются оптимальными для достижения поставленной цели изобретения.

Пример. Предлагаемое устройство состоит из обмотки и экранирующего бандажа.

Для изготовления обмотки было взят медный проводник марки ПЭТ-200 круглого поперечного сечения диаметром 1,8 мм. Параметры обмотки: внутренний диаметр d 10 мм, внешний диаметр D=90 мм, число слоев 8. Определение числа витков и их геометрическое расположение в каждом слое обмотки проводилось расчетным путем с использованием выше приведенных формул. Закрепление витков в слоях проводилось с помощью ленточной стеклоткани и компаундированием всей обмотки эпоксидной смолой. Изготовленная таким образом обмотка имеет форму шара с рабочим цилиндрическим объемом, расположенным по оси шара.

Экранирующий бандаж выполнен двухслойным. Внутренний слой изготовлен из меди, а внешний из стали. В бандаже имеются отверстие диаметром 7 мм для вывода проводников обмотки и 18 отверстий диаметром 18 мм для стягивающих шпилек. Бандаж после размещения в нем обмотки стянут стальными шпильками.

Таким образом, уменьшение электродинамических сил (механических напряжений) в обмотке по сравнению с прототипом позволяет в 1 -2,9 раз повысить напряженность магнитного поля в рабочем объеме соленоида, а также повысить надежность соленоида за счет улучшения условий работы электроизоляции.

Формула изобретения

1. Многовитковый соленоид с бессиловой обмоткой для получения сильных импульсных магнитных полей, выполненный многослойным с внутренней цилиндрической полостью в виде тела вращения конечной длины из проводников, отличающийся тем, что, с целью повышения напряженности магнитного поля и надежности конструкции соленоида за счет уменьшения действующих в обмотке сил, он снабжен металлическим экранирующим бандажем, обмотка выполнена с отношением внутреннего диаметра к внешнему, находящимся в интервале 0,02 < k 0,14, помещена внутрь металлического экранирующего бандажа, витки каждого слоя расположены на тороидальной поверхности в виде спиралей и пересекают плоскость поперечного сечения обмотки под углом

а их проекции на эту плоскость образуют с центральной осью соленоида угол

где

r, - сферические координаты точки расположения проводника в обмотке, = 8,987/D, D внешний диаметр обмотки, d внутренний диаметр обмотки;
_max= (0,305D, /2);
_rр= (d/2, /2),
при этом коэффициент заполнения переменной по сечению обмотки равен

где B постоянная, определяемая заданным значением магнитной индукции в центре соленоида B₀, B 3B₀/[1 (3,2 k)²]
k d/D;
_a - абсолютная магнитная проницаемость;
j_пр значение плотности тока в проводнике.

2. Cоленоид по п. 1, отличающийся тем, что металлический экранирующий бандаж выполнен двуслойным, внутренняя часть выполнена из металла с высокой электропроводностью, а внешняя часть из материала с высокой механической прочностью.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3