Соленоид

(Л ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Луганский Л.Б. Расчет соленоида с заданным распределением магнитного поля- ЖТФ, 1985, т. 55, М 7, с. 1263,Авторское свидетельство СССРМ 1275556, кл. Н 01 Г 5/02, 1986,(54) СОЛЕНОИД(57) Изобретение относится к технической физике, а именно к аппаратуре для создания магнитного поля высокой однородности, Цель изобретения - получение высокооднородного магнитного поля на возможно большей относительной длине соленоида. Устройство представляет собой обмотку постоянной толщины 2, намотанную на каркас 1, выполненный в виде волнообразного тела вращения. В и. 2 формулы представлена в математическом виде кривая, описывающая осевое сечение каркас: обеспечивающего однородность магнитного поля 10, а в п, 3 - другая кривая в математическом виде с однородностью 10 2 з.п.ф-лы, 2 ил.Изобретение относится к технической физике, а именно к аппаратуре для создания магнитных полей высокой однородности.В физике магнитных явлений большое значение имеет получение однородного магнитного поля на возможно более протяженном участке. Основным методом решения этой задачи является создание соленоидов, представляющих собой одну или несколько обмоток заданной геометрии, выполненных на каркасе.Известны секционные соленоиды, где введение компвнсирующей катушки приводит к увеличению однородности поля,Основным недостатком этих устройств является невысокая однородность создаваемого магнитного поля, что связано с неоптимальной конфигурацией обмотки,Наиболее близким по технической сущности к изобретению является выбранный в качестве прототипа соленоид для создания однородного магнитного поля, который содержит каркас, выполненный в виде тела вращения с цилиндрическим осевым отверстием, Средняя линия осевого сечения обмотки представляет собой заданную кривую у = 1(х), близкую к эллипсу. При пропускании электрического тока через обмотку во внутреннем объеме создается магнитное поле, однородность которого достигается за счет уменьшения радиуса витков обмотки при удалении от центра соленоида вдоль его оси.Недостатком прототипа является невысокая однородность магнитного поля.Вследствие неоптимального выбора функции, задающей конфигурацию обмотки. Указанную в прототипе однородность 10 5 можно достичь только для очень тонкой обмотки и малого диаметра внутреннего канала. Чем толще обмотка, тем меньше будет однородность поля при конфигурации средней линии, заданной в прототипе, Толстые обмотки часто используются в соленоидах для создания магнитного поля большой величины,Кроме того, для соленоида с толстой обмоткой усложняется изготовление каркаса, поскольку конфигурация каркаса в прототипе не определена.Численные расчеты с использованием закона Био-Савара-Лапласа показали, что выбор 1(х) в виде, предложенном в прототипе, в принципе не может дать конфигурацию обмотки, которая бы создала магнитное поле максимальной степени однородности на возможно большей относительной длине соленоида, Особенно это относится к обмоткам не малой толщины.30 5 10 15 20 25 35 40 45 50 55 Цель изобретения - повышение степени однородности магнитного поля на возможно большей относительной длине в рабочей зоне соленоида путем подбора оптимального профиля обмотки,Указанная цель достигается тем, что каркас, выполненный в виде тела вращения с обмоткой постоянной толщины, плотно расположенной на его внешней поверхности, имеет волнообразную конфигурацию, его осевое сечение образует кривую, описываемую функцией(х) =ак сов (1)к=о1где - длина соленоида. ак - пять численных коэффициентов,Численный эксперимент, в котором 1(х) представлялась в виде ряда на разных базисах, показал, что представление 1(х) в виде ряда по косинусам является самым удачным из всех исследованных вариантов; степенной ряд, ряд по экспонентам и т,д. Коэффициенты этих рядов определялись из условия минимума функционала, являющегося адекватной характеристикой степени однородности магнитного поля,где Н(х) - магнитное поле в точке х, лежащей на оси соленоида,Н(О) - поле в центре соленоида, Минимум Е определялся с помощью процедуры, основанной на методе деформируемого многогранника. Можно пользоваться также и стандартными оптимизационными процедурами.Представление кривой, описывающей волнообразную форму каркаса соленоида в виде ряда по косинусам (1) и нахождение коэффициентов ряда из условия минимума функционала неоднородности (2) позволяет предложить форму идеальной кривой, теоретически обеспечивающей однородность до 10 на половине длины соленоидавэоне-8центральной оси. Однако, относительно большая крутизна кривой, описывающей форму каркаса, может затруднять намотку соленоида, Оказывается, что достаточно высокая однородность поля 10 на половине длины соленоида достигается и при значительно меньшей крутизне кривой, описывающей форму каркаса, что позволяет существенно упростить технологию изготовления соленоида.Коэффициенты ак в (1) зависят от толщины обмотки. Определение этих коэффициентов ив условия минимумв функционвлв+ (О,О 98 0,064) аи ) - е 55 неоднородности (2) позволило определить пределы их изменения при изменении толщины обмотки соленоида. При однородности поля 10 и выше на половине длины соленоида кривая, описывающая форму осевого сечения каркаса, определяется уравнением Г(х) =0,1 я 0,185 0,088)+(ОЮ 2 0,652) СОя - - + + (0,280+ 0,150) соя - " - + ( - 0,269+ 0,120) сов - л - + +(0,098+ 0,064) 8 лх )еПри сохранении однородности до 10 и значительном уменьшении крутизны кривой 1(х) кривая имеет вид+(0,316+0154) дд 4 лх+( - 0,191+0,095) соя 6 лх+ + (0,045+ 0,015) с 8 лх ),ГВ этих уравнениях; В - радиус внешней поверхности каркаса на входе; интервалы изменений коэффициентов относятся к изменениям толщины обмотки б от 0,1 В (нижний знак) до 2 В (верхний знак), основные значения коэффициентов соответствуютб=й.На фиг. 2 приведены значения величины магнитного поля Н(х) на оси соленоида, начиная с центра соленоида (х = О).Получение высокооднородности поля на большой относительной длине соленоида важно особенно для низкотемпературных измерений, где размеры соленоида ограничены в связи с необходимостью помещать его в дьюары с жидким азотом или гелием. В то же время для современных исследований магнитных материалов требуются измерения на образцах больших размеров (порядка нескольких десятков миллиметров). Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что изобретение отличается видом функции 1(х), задающей конфигурацию каркаса, а не средней линии обмотки.На фиг. 1 показан соленоид, осевое сечение; на фиг. 2 - график распределения магнитного поля.Соленоид состоит из каркаса 1 и обмотки 2. Работа устройства заключается в том, что при пропускании электрического тока по обмотке 2 во внутреннем объеме каркаса 5 10 15 20 25 30 35 40 45 1 создается однородное магнитное поле. Высокая степень однородности обуславливается оптимальной конфигурацией каркаса,В качестве примера рассмотрен соленоид, обмотка которого содержит 720 витков медного провода прямоугольного сечения 1,7 х 0,8 мм и состоит из 12 слоев. Каркас выполнен иэ стеклотекстолита. Коэффициенты имеют следующие значения: ао=-0,197 0,1 В; а 1=0,499 0,1 В; а 2=0,390 х х 0.1 В; аз== - 0.245 0,1 В; а 4=0.060 0,1 В, где В - радиус внешней поверхности каркаса на входе.В этом случае степень однородности поля, определяемая средним квадратичным отклонением Г, достигает на половине длины соленоида 10Создание высокооднородного магнитного поля на большой относительной длине соленоида позволяет повысить точность магнитных измерений. Это относится к измерениям малых по величине магнитных моментов (нап ример, для слабых ферромагнетиков) компенсационным методом, продольных и поперечных изотерм магнитострикции, вращающих моментов, магнитной восприимчивости, зависимости теплоемкости от магнитного поля и т.д. Без таких измерений невозможны поиск и исследование новых магнитных материалов, перспективных для микроэлектроники, магнитооптики, устройств памяти и лазерной техники.Формула изобретения 1. Соленоид, содержащий каркас, выполненный в виде тела вращения, и обмотку постоянной толщины, плотно расположенную на внешней поверхности каркаса, о т ли ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения однородности магнитного поля, внешняя поверхность каркаса выполнена волнообразной.2. Соленоид поп.1,отличающийся тем, что, с целью получения однородности магнитного поля 10 на половине длины соленоида в зоне центральной оси, волнообразная кривая определяется уравнением, (х) = 0,1 й 0,1850,088) + (0,8320,652) сса - л - " ++(0,280+0,150) ссб+(О,269+0,120) соя - -+ где - длина соленоида; В - радиус внешней поверхности на входе; х - текущая координата.1705888 1Г.1: 0,1 -0,1 ЗЗ+Ог 101+0419 Ог 051 со - -"+ Фп) Составитель Э.ДовидовичТехред М.Моргентал Корректор С.Шевкун Редактор М.Товтин Заказ 497 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 3. Соленоид поп. 1,отличающийся тем, что, с целью упрощения изготовления путем уменьшения крутизны каркаса соленоида при сохранении однородности 10 7, волнообразная кривая определяется урав- нением