Соленоид максимального магнитного поля
Использование: в электротехнике, электронике для создания магнитных полей. Технический результат заключается в оптимизации параметров с учетом параметров источника питания. Параметры соленоида связаны соотношением где d0 - диаметр провода катушки соленоида, - удельное сопротивление провода, D - диаметр катушки, L - длина катушки, k - число слоев обмотки, R0 - внутреннее сопротивление источника питания. Тогда магнитное поле будет максимальным для данного источника где 0- магнитная постоянная; Е - ЭДС источника питания. 2 ил.
Изобретение относится к электротехнике, электронике и может быть использовано для создания магнитных полей.
Известны устройства для создания магнитных полей, содержащие постоянные магниты, соединенные в магнитную схему [1]. Недостатком указанных устройств является то, что они не предусматривают регулировки величины магнитного поля без геометрических перемещений магнитов. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является соленоид, изготовленный из изолированного провода, намотанного на изолирующий каркас [2] . Изменяя ток в обмотке, можно регулировать магнитное поле внутри него в соответствии с известной формулой B = 0nI, (1) где В - индукция магнитного поля внутри соленоида, 0 - магнитная постоянная, n - число витков на единицу длины соленоида, I - ток в соленоиде. Недостатком такого соленоида является то, что он не является согласованным с параметрами источника питания: электродвижущей силой (Е) и внутренним сопротивлением (R0). Т.е. реальные источники питания не смогут создать достаточного тока в обмотке соленоида и, как следствие, высокого магнитного поля внутри соленоида. Техническим результатом изобретения является повышение максимальной индукции магнитного поля соленоида путем связи его параметров с параметрами источника питания. Указанный технический результат достигается путем подбора параметров соленоида, обеспечивающих максимальное магнитное поле для данного источника питания. Связь между параметрами устанавливается исходя из следующих соображений. Выражение (1) преобразуемгде N - число витков в слое катушки,
L - длина катушки соленоида,
k - число слоев обмотки,
d=L/N - диаметр намоточного провода. Закон Ома для полной цепи связывает ток в цепи (I) с внешним (R) и внутренним (R0) сопротивлением и ЭДС источника (Е).
Активное сопротивление обмотки соленоида можно определить из выражения (4).
где - удельное сопротивление провода,
L1 - длина провода,
S - площадь поперечного сечения провода. Преобразуем (4) с учетом (2).
где D - диаметр катушки соленоида,
d - диаметр намоточного провода. С учетом (3) и (5) преобразуем (2) к виду (6).
где
Исследование (6) показывает, что функция имеет максимум для аргумента d0.
Подставив (8) в (7), получим выражение, удобное для расчета оптимального диаметра провода соленоида.
Необходимо отметить, что изложенные выкладки делались в предположении ограничений параметров: dD, kdD, DL. Выражения (7) и (9) дают оптимальное соотношение между параметрами катушки соленоида и источника питания, при котором достигается максимальная индукция магнитного поля (8). Сопоставительный анализ заявленного решения с прототипом показывает, что заявленное устройство отличается тем, что параметры катушки соленоида и внутреннее сопротивление источника питания находятся в оптимальной связи, позволяющей получать максимальное для данного случая магнитное поле. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна". Анализ известных авторам технических решений и сравнение их с предлагаемым техническим решением показали, что реализация катушки соленоида для максимального магнитного поля при оптимальной связи параметров катушки и источника питания неизвестна. Кроме того, совокупность существенных признаков, состоящая из оптимальной связи параметров соленоида и источника питания, в совокупности с ограниченными признаками, позволят обнаружить у предложенного устройства иные в отличие от известных решений свойства, к числу которых можно отнести:
- снижение массогабаритных показателей катушки в силу оптимальности ее характеристик,
- возможность максимального использования ресурса источника питания для создания магнитного поля. На фиг.1 представлен соленоид с обозначениями, принятыми в тексте. Соленоид максимального магнитного поля содержит каркас (1) и намотанную на него катушку (2). На фиг.2 представлена схема включения соленоида в источник питания (3). Предлагаемое устройство было реализовано следующим образом. Необходимая индукция магнитного поля в соленоиде - Вm=25 мТл. Внутреннее сопротивление источника питания - R0=3,35 Ом, его ЭДС - Е=29,5 В. Подставив данные в выражение (9), получим соотношение для расчета оптимального диаметра провода соленоида:
dопт=0,29510-3k. Приняв k=1, намотали катушку соленоида проводом 0,3 мм. Параметры соленоида выбрали согласно (7): D=6 мм, L=90 мм, N=300 витков. Такой соленоид при токе 6 А образовал магнитное поле, индукция которого (В=25,13 мТл) удовлетворяет условиям задачи. Для сравнения была намотана катушка проводом неоптимального диаметра (d= 0,1 мм, N= 1800 витков) с теми же габаритами, что и в первом случае. Такая катушка должна была бы образовывать задание магнитного поля при токе в 1 А (1), однако, максимальный ток в цепи был 0,5 А и необходимое поле не было получено. Использование предложенного технического решения позволит получать максимальное магнитное поле от источника питания путем оптимизации параметров катушки соленоида с учетом внутреннего сопротивления и ЭДС источника питания. Источники информации
1. Арнольд Р.Р. Расчет и проектирование магнитных систем с постоянными магнитами. М.: Энергия, 1969 - 184 с. - С. 5-11. 2. Элементы приборных устройств, ч. 1- М.: В.Ш., 1982 - 304 с. - С. 273-276.
Формула изобретения
а максимальная индукция Вm магнитного поля соленоида составляет
где Е - эдс источника питания,
0 - магнитная постоянная.
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2
Похожие патенты:
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано, в частности, в конструировании и технологии изготовления электротехнических элементов, а конкретно в катушках возбуждения грузоподъемных электромагнитов постоянного тока
Изобретение относится к термообработке кристаллов и может быть использовано в ювелирной промышленности
Измерительная катушка индуктивности // 2107964
Изобретение относится к устройствам индикации и измерения электрических и магнитных полей
Электроиндукционное устройство // 2104596
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в мощных электроиндукционных устройствах с воздушным охлаждением
Изобретение относится к обработке субстрата в поле магнитного векторного потенциала
Многовитковый соленоид // 2084034
Электрическая катушка // 2040056
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в измерительных механизмах индукционных счетчиков электрической энергии
Каркас электрической катушки // 2024976
Изобретение относится к электротехнике и может найти применение при изготовлении катушек трансформаторов и реакторов
Дроссельная катушка // 1838841
Изобретение относится к электротехнической промышленности, в частности к конструкциям многоходовых регулировочных обмоток силовых трансформаторов
Дифференциальный трансформатор тока // 2173904
Трансформатор с обдувом // 2170651
Изобретение относится к электросварочному или электросталеплавильному оборудованию и может найти применение в различных отраслях металлургической промышленности и машиностроения
Токоограничивающий реактор // 2170466
Изобретение относится к электротехнике, в частности к трансформаторостроению, и может найти применение в силовых, в частности токоограничивающих, реакторах
Сверхпроводящая обмотка трансформатора // 2168783
Изобретение относится к области электротехники, а именно к сверхпроводящей обмотке трансформатора, и может быть использовано в энергетике, связанной с криогенной электротехникой
Высокочастотный трансформатор // 2125310
Изобретение относится к электротермии, в частности к индукционному нагреву, и может быть использовано в электротермических установках для высокочастотной сварки металлов, плавки, пайки, закалки и т.д
Трехфазная трехпроводная катушка // 2221294
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в магнитных пускателях, контакторах, приводах выключателей и других электромагнитных аппаратах небольшой мощности, преобразующих трехфазный ток в однофазный