Патент на изобретение №2331979

(54) ИСТОЧНИК ИМПУЛЬСНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к источнику импульсных магнитных полей, который содержит: источник питания, выключатель питания, распределить тока, блок запуска, генератор тока, накопительные конденсаторы, генераторы тока, полеобразующую систему, которая включает не менее двух соленоидов, и выключатель управления. Полеобразующая система выполнена в двух вариантах. В первом этом варианте исполнения все соленоиды имеют одинаковую длину и размещены один в другом и так, что выводы начала их обмоток находятся с одного торца системы, а выводы концов с другого. Во втором варианте все соленоиды имеют осевую полость одинаковых размеров и размещены встык и соосно продольной полеобразующей системы и так, что вывод начала одной обмотки одного соленоида находится у вывода конца обмотки другого соленоида. Источник питания соединен с общей шиной (массой) и через последовательно включенный выключатель питания соединен с входами питания распределителя тока и блока запуска генераторов тока. Каждый выход распределителя тока соединен с одним выводом накопительного конденсатора, второй вывод которого соединен с общей шиной. Генераторы тока включены параллельно накопительным конденсаторам. Параллельно диодам генераторов тока включены обмотки дросселей полеобразующей системы. Выходы управляющего сигнала блока запуска генераторов соединены с управляющими входами генераторов тока. Выключатель управления блоком запуска подключен к входу и выходу управления блоком запуска генераторов тока. Техническим результатом изобретения является создание однополярных периодических импульсов магнитного поля большой интенсивности, обеспечение возможности увеличения энергии импульсного магнитного поля и уменьшение габаритов и веса. 6 ил.

Изобретение относится к области получения импульсных магнитных полей высоких энергий при питании индуктивной нагрузки от генератора ударной мощности.

Уровень техники

Известен генератор импульсов магнитного поля (Авт. св. №491197, Н03К 17/64, Бюл. №41, 05.11.75.), который содержит блок запуска, соединенный со входами двух генераторов импульсов, каждый из которых подключен соответственно к полосковой линии и кольцам Гельмгольца. Кольца Гельмгольца и полосковая линия индуктивно связаны между собой, что обеспечивает расширение пределов изменения магнитного поля.

Недостатками этого генератора являются:

– низкий КПД (менее 30%), обусловленный использованием одновременно двух генераторов импульсов, подключаемых одним блоком запуска через индуктивно связанную полосковую линию с кольцами Гельмгольца, что требует точной синхронизации во времени ЭДС двух генераторов, достижение которой является сложной задачей;

– необходимость введения дополнительного импульсного генератора для расширения пределов изменения магнитного поля, что приводит к дополнительному применению быстродействующих устройств сравнения амплитуд импульсов обоих генераторов;

– устройство может быть использовано только в лабораторных условиях;

– не обеспечивает возможность увеличения энергии импульсного магнитного поля.

Также известен способ передачи энергии индуктивной нагрузке от генератора ударной мощности и устройство для его осуществления (Авт.св. №192922, Н03К 17/64, Бюл. №6, 02.03.1967). Это устройство принято за прототип изобретения. Оно состоит из генератора тока, индуктивной нагрузки – соленоида, блока накопительных конденсаторов и двух контактно-вентильных коммутаторов. Генератор тока через контакт одного коммутатора соединен параллельно с конденсаторной батареей, которая через контакт второго коммутатора также соединена параллельно с соленоидом. Недостатками этого устройства являются:

– не обеспечивает возможность увеличения энергии импульсного магнитного поля;

– необходимость подключения к генератору предварительно заряженной конденсаторной батареи, к которой подсоединена нагрузка, что приводит к необходимости точной синхронизации ЭДС генератора и напряжения на конденсаторной батарее;

– необходимость применения быстродействующих устройств сравнения в определенные моменты времени напряжений на конденсаторной батарее и генераторе;

– срок службы устройства ограничен сроком службы контактно-вентильных бездуговых коммутирующих аппаратов (механических выключателей);

– малый КПД (25%) ударного генератора, который может быть увеличен (за счет точной синхронизации моментов коммутации ключей К1 и К2 только на 10-12%;

– большие габариты и масса ударного генератора и конденсаторной батареи не позволяют использовать устройство вне лабораторных условий.

Технический результат изобретения

Техническим результатом изобретения является создание однополярных периодических импульсов магнитного поля большой интенсивности, обеспечение возможности увеличения энергии импульсного магнитного поля и уменьшение габаритов и веса.

Описание фигур и обозначений

На фиг.1 представлена электрическая схема источника импульсного магнитного поля.

На фиг.2а представлено продольное осевое сечение полеобразующей системы первого варианта ее исполнения.

На фиг.2б представлено продольное осевое сечение полеобразующей системы второго варианта ее исполнения.

На фиг.3 представлен график зависимости интенсивности импульсного магнитного поля во времени в поперечном сечении полости полеобразующей системы.

На фиг.4 представлены графики изменения напряжения Uk на конденсаторе при его зарядке во времени от t₀ до t1 и разрядке – от t₁ до t₂ и напряженности магнитного поля Н при разрядке конденсатора, где t₀ – момент включения выключателя ВП2, t₁ – момент включения выключателя В12, t₂ – момент полной разрядки конденсатора.

На фиг.5 представлена эпюра интенсивности суммарного магнитного поля вдоль оси полости полеобразующей системы первого варианта ее исполнения, где Н – суммарная интенсивность магнитных полей двух соленоидов (продольное сечение полости изображено пунктиром).

На фиг.6 представлены эпюры интенсивности магнитных полей вдоль оси полости второго варианта ее исполнения полеобразующей системы, где H₁ – эпюра интенсивности магнитного поля вдоль оси полости первого соленоида, Н₂ – то же, вдоль оси полости второго соленоида, H – эпюра интенсивности суммарного магнитного поля вдоль оси полости полеобразующей системы (продольное сечение полости изображено пунктиром).

На фигурах введены обозначения:

1 – источник питания; 2 – выключатель питания; 3 – распределить тока; 4 – блок запуска генератора тока; 5 – первый накопительный конденсатор; 6 – второй накопительный конденсатор; 7 – первый генератора тока; 8 – второй генератор тока; 9 – полеобразующая система; 10 – первый соленоид; 11 – второй соленоид; 12 – выключатель управления; 13 и 14 – распределительные диоды; 15 и 16 – диоды; 17 и 18 – тиристоры; 19 – резистор делителя напряжения; 20 – токоограничивающий резистор; 21 – стабилитрон; 22 – электролитический конденсатор; 23 – твердотельное реле; 24 и 25 – резисторы делителя напряжения.

Устройство источника импульсного магнитного поля

Технический результат изобретения достигается благодаря тому, что источник импульсных магнитных полей содержит (фиг.1): источник питания (ИП) 1, выключатель питания (ВП) 2, распределить тока (РТ) 3, блок запуска генератора тока (БЗГ) 4, накопительные конденсаторы (НК) 5 и 6, генераторы тока (ГТ) 7 и 8, полеобразующую систему (ПС) 9, которая включает не менее двух соленоидов (С) 10 и 11 и выключатель управления (В) 12.

Источник ИП1 постоянного напряжения имеет два вывода: плюс (1) и минус (2). Выключатель питания ВП2 имеет также два вывода (1) и (2).

Распределитель тока РТЗ имеет вход питания (1) и не менее двух равнозначных выходов тока (2) и (3). Увеличение выходов тока в распределителе тока РТЗ дает возможность безгранично увеличивать мощность источника импульсного магнитного поля за счет дополнительных накопительных конденсаторов НК и генераторов тока ГТ, которые включаются параллельно конденсаторам.

Блок запуска генератора БЗГ4 имеет вход питания (1) и выходы сигнала управления (2) и (3) и вход (5) и выход (6) управления блоком запуска.

Выключатель управления блоком запуска В 12 имеет два вывода (1) и (2).

В полеобразующей системе ПС9 соленоиды С10 и С11 имеют одинаковое направление намотки их обмоток и выполнены на диэлектрическом каркасе с полостью круглого или прямоугольного поперечного сечения. Обмотки соленоидов имеют по два вывода: (1) – начало обмотки и (2) – конец обмотки (фиг.1). Собираются соленоиды в полеобразующей системе так, что векторы напряженности магнитного поля всех соленоидов лежат на продольной оси системы и направлены в одну сторону.

Полеобразующая система ПС9 может быть выполнена в двух вариантах.

1-ый вариант исполнения ПС9. В этом варианте (фиг.2а) все соленоиды имеют одинаковую длину и размещены один в другом (по принципу «Матрешки») и так, что выводы начала их обмоток находятся с одного торца ПС9, а выводы концов – с другого. Соленоид, у которого наименьшие поперечные размеры осевой полости имеют наружные размеры, равные поперечным размерам осевой полости соленоида, размещенного снаружи первого соленоида.

2-ой вариант исполнения ПС9. В этом варианте (фиг.2б) все соленоиды имеют осевую полость одинаковых размеров, размещены встык друг за другом и соосно продольной оси ПС9 и так, что вывод начала одной обмотки одного соленоида находится у вывода конца обмотки другого соленоида.

Соединения устройств источника импульсного магнитного поля

Минус (2) источника питания ИП1 соединен с общей шиной (массой), а его плюс (1) через последовательно включенный выключатель питания ВП2 соединен с входами питания РТЗ и БЗГ4 (фиг.1).

Каждый выход распределителя тока РТ3 соединен с одним выводом накопительного конденсатора НК, второй вывод которого соединен с общей шиной.

Параллельно накопительным конденсаторам включены генераторы тока ГТ7 и ГТ8, которые содержат последовательно включенные диод (15 или 16) и тиристор (17 или 18).

Параллельно диодам генераторов тока ГТ включены обмотки соленоидов С10 и С11 полеобразующей системы.

Выходы (2) и (3) управляющего сигнала блока запуска генераторов БЗГ4 соединены с управляющими входами (2) (с управляющими электродами тиристоров) генераторов тока ГТ.

Выключатель В 12 управления блоком запуска подключен к входу (5) и выходу (6) управления блоком запуска генераторов тока БЗГ4.

Работа источника импульсного магнитного поля

После включения выключателя ВП2 на входы распределителя тока РТ3 и блока запуска генераторов БЗГ4 поступает постоянное напряжение от источника питания ИП1 (фиг.1). Распределитель тока РТ3 обеспечивает равное распределение токов в его цепях для обеспечения работы генераторов тока ГТ7 и ГТ8 и накопительных конденсаторов НК5 и НК6 с одинаковым режимом питания. Накопительные конденсаторы НК5 и НК6 через диоды 13 и 14 заряжаются до значения напряжения источника питания ИП1. Для получения импульсов, управляющих работой генераторов тока ГТ7 и ГТ8 в момент времени включения выключателя В12, на блок запуска генераторов БЗГ4 подается напряжение питания, на входе которого делитель напряжения, выполненный на резисторах 19 и 20, обеспечивает пропорциональное деление напряжения между цепью создания управляющих импульсов, генераторами токов ГТ7 и ГТ8 и цепью управления блоков запуска генератора БЗГ4. С делителя через токоограничивающий резистор 20 ток поступает на стабилизатор напряжение 21, с которого стабилизированное напряжение поступает на нормально открытые контакты (НОК) твердотельного реле 23.

При включении управляющего выключателя В 12 происходит замыкание цепи питания и по цепи управления блоком запуска генераторов тока БЗГ 4 течет ток, который в пороговом элементе (входит в состав твердотельного реле) создает импульс переключения НОК твердотельного реле 23 в замкнутое положение. Такое включение обеспечивает высокоомную развязку по цепям управления, исключает наводки электромагнитных полей на цепи управления и обеспечивает электромагнитную совместимость элементов схемы при их компактном размещении. С выхода реле 23 через резистор 24 делителя напряжения сформированный сигнал управления одновременно с выходов (2) и (3) блока запуска генератора тока БЗГ4 поступает на входы (2) генераторов тока ГТ7 и ГТ8, через которые на соленоиды С10 и С11 разряжаются конденсаторы НК5 и НК6 соответственно. По мере увеличения силы тока в этих цепях (фиг.3 и 4) происходит уменьшение напряжения на конденсаторах НК5 и НК6, за счет протекающего импульсного тока большого значения в соленоидах С10 и С11 формируется импульсное однополярное магнитное поле с одинаковым направлением вектора напряженности магнитного поля, которое в полеобразующей системе ПС9 суммируется (фиг.5 и 6).

В момент достижения максимальной силы тока электродвижущая сила соленоидов меняет полярность, формируя управляющий сигнал, который поступает на генераторы тока ГТ7 и ГТ8, первый вход которых (1) открывает диоды 15 и 16. Далее ток течет через диоды 15 и 16 и закрывает тиристоры 17 и 18 соответственно.

Процесс начинает повторяться, снова начинается заряд конденсаторов НК5 и НК6. Период работы источника магнитных полей зависит от постоянной времени цепи заряда конденсаторов, в которую входят ИП1-ВП2-РТ3-НК1 (НК2). Этот процесс повторяется многократно до момента отключения питания выключателем ВП2.

При запуске генераторов тока ГТ7 и ГТ8 в короткий промежуток времени, который определяется постоянной времени цепи разряда конденсаторов (не более 10 мс), через тиристоры 17 и 18 и диоды 15 и 16 протекают импульсные токи больших значений, что обуславливает создание импульсного магнитного поля, значение напряженности которого в полеобразующей системе зависит от конструкции этой системы и постоянной времени цепи заряда и разряда конденсаторов.

Пример выполнения источника импульсного магнитного поля

Источник импульсного магнитного поля был выполнен по схеме фиг.2, в которой применены следующие комплектующие изделия.

Генератор тока выполнен на тиристоре типа 2Т143-500-16 и диоде 2Д133-500-26. Блок запуска генераторов тока выполнен на твердотельном реле типа КР293КП11АП, стабилитроне типа КС515А и электролитическом конденсаторе типа К50-16. Управляющий выключатель типа П2КнТ4-2В.

Источник постоянного напряжения Б5-71 (номиналы: напряжение от 0 до 30 В и ток от 0 до 10 А). Выключатель питания – тумблер типа ТВ 1-2. Разделитель тока – диоды типа КД 257 А. Накопительные конденсаторы типа К50-77.

Полеобразующая система выполнена по первому варианту, в котором применены цилиндрические соленоиды С10 и С11, у которых внутренние диаметры равны 97 мм и 100 мм соответственно. Длина соленоидов равна 150 мм. Внешний диаметр внутреннего соленоида равен внутреннему диаметру внешнего соленоида. Число витков каждого соленоида равно 50, сечение медного провода обмотки – 3 кв.мм. Намотка обмотки соленоидов выполнена в одном направлении в один слой.

Опытный образец источника импульсного магнитного поля имел технические характеристики:

– ток в импульсе генератора тока 50000 А;

– интенсивность магнитного поля в каждом соленоиде 210000 Э.

Устройство дает возможность увеличить почти неограниченно интенсивность магнитного поля путем увеличения числа параллельных каналов в распределителе тока с использованием соответствующих источников питания и пространственного суммирования векторов напряженности магнитного поля одинаковой направленности, создаваемой соленоидами.

Формула изобретения

Источник импульсных магнитных полей, содержащий источник питания постоянного напряжения, генератор тока, накопительный конденсатор, два коммутатора тока и полеобразующую систему, состоящую из одного соленоида причем один вывод генератора тока соединен с одним выводом конденсатора, одним выводом соленоида, и общей шиной, отличающийся тем, что введены не менее одного генератора тока и не менее одного накопительного конденсатора, не менее одного соленоида в полеобразующую систему, распределить тока и выключатель управления, причем первый коммутатор тока выполнен в виде выключателя питания, а второй в виде блока запуска генераторов тока, кроме того, распределить тока имеет вход питания и выходы по числу генераторов тока, которые имеют входы питания, выходы тока и входы сигнала управления, блок запуска генераторов тока имеет вход питания, выходы сигнала управления, причем в полеобразующей системе соленоиды размещены соосно один внутри другого или друг за другом, кроме того, минусовая клемма источника питания соединена с общей шиной, а плюсовая через выключатель питания соединена с входами питания распределителя токов и блока запуска генераторов тока, каждый выход распределителя токов соединен с одним выводом одного конденсатора, входом питания одного генератора тока и одним выводом обмотки одного соленоида, другой вывод введенного конденсатора и выход введенного генератора тока соединены с общей шиной, а выход тока генератора тока соединен с другим выводом обмотки соленоида, управляющий выход каждого генератора тока соединен с выходом управляющего сигнала блока запуска генераторов, вход и выход его управления соединены с выводами выключателя управления.

РИСУНКИ