Соленоид для получения сильных импульсных магнитных полей

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз СфеетскиаСоциалистическиРеспублик втт 987688 К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(61) Дополнительное к авт, свид-ву(22) Заявлено 311280 (21) 3226908/24-07 И) И. Ип.з Н 01 Г 7/18 с присоединениеАА заявки М -Государственный квинтет СССР ло делам нзабретеннй н еткрьттнйДата опубликования описания 070183 Л.Л. Федосов н Э.И. Карагезор .,: . " -, рРЦентральное конструкторское бюро ГлавэйергоремонТф(54) СОЛЕНОИД ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИЛЬНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ Изобретение относится к электротехнике и технической физике и можетбыть использовано в области физиче,ского эксперимента, где необходимы импульсные магнитные поля большой напряженности.Известна конструкция соленоида для получения сильных импульсныхмагнитных полей, содержащая обмотку, выполненную в виде металлических дисков с радиальными разрезами, электрически; соединенных последовательно друг с другом кромками дисков, и с изоляционными прокладками между ними 1.Недостатком этой конструкции является ограниченная воэможность получения импульсных магнитных полей большой величины, а также ее пони женная 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 меж- . ф мду проводниками обмотки, токоподводы и силовой бандаж из диэлектрика 1,23Недостатками ее являются повышенная стоимость изготовления, обусловленная необходимостью использования при каждом повторном включенииновых деталей взамен разрушившихся, ео пониженные эксплуатационные данные,связанные с необходимостью проведения дополнительных подготовительныхработ, и пониженная надежность, связанная с частичным разрушением соленоида в процессе эксперимента.Цель изобретения - снижение стоимости изгртовления, улучшение условий эксплуатации и повышение надежности.Указанная цель достигается темчто в соленоиде для получения сильных импульсных магнитных полей, содержащЕм слоевую обмотку, изоляциюмежду проводниками обмотки, токоподводы и силовой бандаж из.диэлектрика, обмотка по наружному периметру снабжена изолирующими втулками, гибкими соединительными проводниками и направляющими штиФтами свозвратными элементами,. напримерпружинами, и элементами Фиксации40 На фиг. 1 схематически изображен соленоид (,без токоподвода к проводникам внутреннего слоя), общий вид, разрез; на фиг, 2 - размещение проводников сегментов слоев в статическом (складском,) состоянии; на Фиг. 3 - размещение проводников сегментов 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, бпоперечное сечение соленоида по варианту исполнения внутреннего токо- подвода.Соленоид для получения сильных импульсных магнитных полей содержит 505560 последних, причем;слои обмотки выполнены в виде сегментов, размещенных, начиная с второго слоя, считаяот наружного, один против другогов радиальном направлении, изоляциямежду вторым, считая от наружного,и последующими слоями выполнена также в виде сегментов и во всех сегментах и бандаже выполнены отверстий,в которых в радиальном направлениисоленоида размещены штифты, одниконцы которых жестко соединены ссегментами последнего внутреннегослоя, 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 токоподвойами, соединены между собой последовательно посредством гибких соединительных проводников, причем сегменты слоев соленоида вместе с изоляцией, считая с второго, и штиф ты выполнены с возможностью радиального перемещения к оси симметрии соленоида силовой бандаж выполнен в виде отдельных колец, между которыми размещены токоподводы жестко соеди ненные с сегментами наружного слоя обмотки каждый токоподвод к проводникам сегментов выполнен в виде кольца из проводящего материала с ра, диальным разрезом, жестко закреплен ного, например, на силовом бандаже и размещенного на торце соленоида, соосно с ним 1 токоподвод к проводни кам сегментов внутреннего слоя вы- полнен в виде беличьей клетки со стержнями, размещенными параллельно оси соленоида, причем кольца выполнены с радиальным разрезом, жестко закреплены, например, иа силовом бандаже и размещены соосно по обе 45 стороны соленоида. 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 возврат ными элементами 7, например пружинами, и элементами 8 Фиксации последних, причем слои обмотки выполнены в виде сегментов 9, ргрмещенных начиная с второго слоя, считая от наружного, один против другого в радиальном направлении, изоляция 1 между вторым, считая от наружного, 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 к 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 проводникам сегментов выполнен в виде кольца (фиг,5) из проводящего материала с радиальным 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. 6) 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 импульс-, ных магнитных полей работает следующим образом.Соленоид посредством токоподводов 2 может быть подключен к источнику тока, в качестве которого мо гут быть использованы батареи конденсаторов (по. прототипу).На Фиг. 2 изображен участок соленоида, в котором сегменты 9 размещены один рядом с другим, поскольку последние подтягиваются возвратными элементами 7. При разряде батареи конденсаторов на соленоид в слоях последнего (на фиг. 3 показаны стрелкамк) 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 сегментаюа 9 слоев обмотки, причем эти про-,. ,водники целесообразно выполнять :для сохранения наибольшего их еечения) по всей аксиальной длине сег-ментов, припаивая их, например, к смежным кромкам сегментов двух соседних 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 соседними сегментация, 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 соответственно технологических - необходимостью сборки многослойной конструкции соленоида, для которой необходжма тщательная сборка .пайка) и подгонка всех элементов расчетных - обусловленных временем срабатывания соленоида. В этом случае основным фактором работоспособности соленоида явля" ется его постоянная времени.Физически концентрация магнитного поля в рабочем объеме соленоида, заключенном между сегментами внутрен- . него 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 ростмагнитного потока в центре соленоида происходит почти мгновенно, однако его относительная величина невелика, поскольку данная конструкцияприближается в бифилярной. И лишьпри удалении проводников один от1 Одругого за счет сил отталкиваниябудет происходить увеличение последнего в рабочем объеме. Вместе с темпри движении сегментов внутреннегослоя обмотки к центру соленоида при:15 заданной величине тока в них сечениерабочего объема сужается, благодаря,чему возрастает напряженность магнитного поля в этом объеме. Крометого, некоторое приращение магнитно2 О го поля происходит и за счет удаления один от другого двух бифилярныхслоев,В трехслойном соленоиде начальная величина магнитного поля несколько больше, чем в двухслойном, поскольку направление тока в первом итретьем слоях одинаковое, что создает воэможность магнитному потоку за"ьнкаться в пространстве"Вокруг соленоида через рабочий объем. Одна 1 ко наличие среднего (четногоу слояс противоположным направлением тока .дает некоторое уменьшение величинымагнитного потока от двух крайнихслоев. При срабатывании соленоидаЗ 5 происходит тот же процесс мгновенного сужения сечения рабочего объ-.ема, обуславливающий увеличение напряженности магнитного поля,4 р Все изложенное выше для двухи трехслойной конструкции соленоидовраспространяется и на конструкциисоленоидов с четным и нечетным коли-,чеством слоев соответственно, т.е.5 многослойных.Эффективность работы соленоидаопределяется требованием непременного наличия тока в слоях до окончания срабатывания соленоида, котороеопределяется, в свою очередь,.мар сой движущихся частей обмотки, т.е.их инерцией, Это время ориентировочно составляет 0,02-0,05. с.При выполнении конструкции наибо-"лее целесообразны варианты, указанные на фиг. 4 (по наружному токоподводу) и Фиг, б (по внутреннему).Такое сьчетание определит.стрргопараллельное и взаимно встречноенаправление токов во всех ветвях6 ф соленоида. Вариант выполнения нафиг. 5 предопределяет направлениетока в наружном и внутреннем слояхных 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 наружного слоя является вариант с числом сегментов наружного слоя, равным числу сегментов последующих слоев.Разрез в кольцах токоподводов выполнен для исключения образования короткозамкнутого витка на пути маг- нитного потока соленоида.Изолирующие втулки могут быть выполнены из материала с низким коэффициентом трения, например фторопласта.Формула изобретения1. Соленоид для получения сильных импульсных магнитных полей, содержащий слоевую обмотку, изоляцию между проводниками обмотки, токопод" воды и силовой бандаж иэ диэлектрика, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью снижения себестоимости изготовления, улучшения условий эксплуатации и повышения надежности, обмотка по наружному периметру снабжена изолирующими втулками, гибкими соединительными проводниками и направляющими 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 радиальном 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 которыхжестко соединены с сегментами по 1следнего внутреннего слоя, а на других размещены возвратные элементы сэлементами фиксации, в отверстиях5 сегментов проводника с наружного попредпоследний. слой, между штифтамии сегментами размещены изолирующиевтулки, а все прилегающие один кдругому сегменты проводников сосед 10 них слоев и сегменты внутреннегослоя с токоподводами соединены между собой последовательно посредствомгибких соединительных проводников,причем сегменты слоев соленоида вмес 15 те сизоляцией, считая с второго, иштифты,выполнены с воэможностью радиального перемещения к оси симметрии соленоида2. Соленоид по п. 1, о т л и -ч а ю щ и й с я тем, что силовойбандаж выполнен в виде отдельныхколец, между которыми размещены токоподводы, жестко соединенные ссегментик наружного слоя обмотки,3. Соленоид по п. 1, о т л и -ч а ю щ,и й с я тем, что каждыйтокоподвод к проводникам сегментоввыпОлнен в виде кольца иэ проводящего материала с радиальным разрезом,жестко закрепленного, например, насиловом бандаже и размещенного наторце соленоида, соосно с ним.4. Соленоид по пд, 1 и 2, о т -л и ч а ю щ и й с я тем, что токоподвод к проводникам сегментов внутЗ 5 реннего слоя выполнен в виде беличьейклетки со стержнями, раэмещенныьа параллельно оси соленоида,причем кольца выполнены с радиальным разрезом,жестко закреплены, например, на си 40 ловом бандаже и размещены соосно пообе стороны соленоида.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Карасик В.Р. Физика и техника45 сильных магнитных полей. И., "Наука",1964, с. 134-135.2. Кнопфель Г. Сверхсильные импульсные магнитные поля. И., "Иирф,1972 с. 262. фиг. 9-24,987688 актор Вака 5/40 Тираж 701 ПодписиВНИИПИ Государственного кожтета СССРпо делам изобретейий и открытий113035, Москва, З, Раушская наб., д 4/ ал ППП ф г. Ужгород, ул. Проектная Составитель И. Якимецович Техред А. Бабинец Еорректор С Шекмар