Способ изготовления спиральной катушки взрывомагнитного генератора

Изобретение относится к взрывной импульсной технике и предназначено для использования в технологии изготовления спиральных взрывомагнитных генераторов (ВМГ) для получения импульсов тока мегаамперного уровня. При создании данного изобретения решалась задача разработать способ изготовления спиральной катушки ВМГ, позволяющий улучшить ее эксплуатационные свойства. При решении данной задачи техническим результатом является получение данным способом спиральной катушки с более плотной намоткой и, как следствие, увеличение ее индуктивности и соответственно повышение коэффициента усиления тока ВМГ. Способ изготовления спиральной катушки заключается в намотке изолированных проводников на оправку, заливке катушки компаундом, отвердении его и снятии катушки с оправки. Перед намоткой проводник круглого сечения деформируют до сечения, ограниченного овалом, покрывают изоляцией, а намотку проводников осуществляют таким образом, что малую ось овала располагают параллельно оси спиральной катушки. 2 ил.

 

Изобретение относится к взрывной импульсной технике и предназначено для использования в технологии изготовления спиральных взрывомагнитных генераторов (ВМГ) для получения импульсов тока мегаамперного уровня.

Известен способ изготовления спиральной катушки ВМГ. Например, в работе «Многосекционный генератор МК-2» А.И.Павловский, Р.З.Людаев, А.С.Юрыжев, Г.М.Спиров, Н.П.Биюшкин. Сверхсильные магнитные поля. Физика. Техника. Применение. М., Наука, 1984, с.312-320 описан способ изготовления спиральной катушки ВМГ, заключающийся в намотке изолированных проводников круглого сечения на оправку параллельно друг другу.

Недостатком известного способа изготовления спиральной катушки ВМГ является ограничения в шаге намотки спиральной катушки, связанные с сечением проводников. Шаг намотки проводников не может быть меньше диаметра проводника, а диаметр проводника не может быть меньше глубины скин-слоя проникновения магнитного поля внутрь проводника из-за диффузионных потерь магнитного потока.

Известен также способ изготовления спиральной катушки, описанный в работе «Взрывные генераторы мощных импульсов электрического тока» Э.А.Асиновский и др. Сборник трудов под ред. В.Е.Фортова. М., Наука, 2002 г. В этой работе описан способ изготовления спиральной катушки ВМГ, заключающийся в намотке изолированных проводников на оправку, заливке катушки компаундом, отвердении его и снятии катушки с оправки.

Недостатками этого способа изготовления спиральной катушки ВМГ являются ограничения, связанные с формой намоточных проводников. При уменьшении диаметра проводов с целью повышения индуктивности катушки за счет увеличения числа витков на единицу длины возрастают потери магнитного потока из-за диффузии части магнитного потока через намоточные проводники за пределы контура ВМГ.

При создании данного изобретения решалась задача разработать способ изготовления спиральной катушки ВМГ, позволяющий улучшить ее эксплуатационные свойства.

При решении данной задачи техническим результатом является получение данным способом спиральной катушки с более плотной намоткой и, как следствие, увеличение ее индуктивности и соответственно повышение коэффициента усиления тока ВМГ.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным способом изготовления спиральной катушки, заключающимся в намотке изолированных проводников на оправку, заливке катушки компаундом, отвердении его и снятии катушки с оправки, перед намоткой проводник круглого сечения деформируют до сечения, ограниченного овалом, покрывают изоляцией, а намотку проводников осуществляют таким образом, что малую ось овала располагают параллельно оси спиральной катушки.

Для уменьшения потерь магнитного потока в прототипе использовалась спиральная катушка конической формы. В этом случае замыкание витков спирали стенками центральной трубы ВМГ происходит под большим углом, чем при цилиндрической форме спиральной катушки, и потери на отсекание части магнитного потока на неоднородностях витков спирали уменьшаются.

Но этот способ не позволяет увеличивать число витков спирали на единицу длины. Недостатком способа изготовления спиральной катушки ВМГ по прототипу является использование намоточных проводников круглого сечения. При условии сохранения магнитного потока коэффициент усиления тока (К_Т) ВМГ равен:

, где I₀ - начальный ток запитки ВМГ, L₀ - начальная индуктивность спиральной катушки, L_K - конечная индуктивность, I_К - конечный ток ВМГ. Отсюда видно, что К_Т зависит от соотношения начальной и конечной индуктивностей спиральной катушки ВМГ. Для увеличения эффективности работы ВМГ необходимо на единицу длины спиральной катушки наматывать как можно больше витков проводников, т.е. обеспечивать максимально возможное значение индуктивности спирали на единицу длины. Уменьшая диаметр проводников, мы можем увеличить число витков спирали на единицу длины, но мы не можем делать диаметр проводников меньше глубины проникновения магнитного поля в провода из-за потерь магнитного потока вследствие просачивания магнитного поля через проводники.

Вблизи точки динамического контакта стенок центральной трубы с витками спирали во время работы ВМГ магнитные силовые линии направлены перпендикулярно оси спиральной катушки. Для уменьшения потерь магнитного потока намотку проводников осуществляют таким образом, чтобы малая ось овала в сечении проводников располагалась параллельно оси спиральной катушки (в этом случае просачивание магнитного потока через проводники минимально).

В предполагаемом способе изготовления спиральной катушки взрывомагнитного генератора перед намоткой на оправку проводник круглого сечения деформируют до сечения, ограниченного овалом, покрывают изоляцией, а намотку проводника осуществляют таким образом, что малую ось овала располагают параллельно оси спиральной катушки. Это позволяет увеличить число витков на единицу длины, причем индуктивность катушки увеличивается пропорционально квадрату числа витков.

Длина большой оси овала (l) в поперечном сечении проводника должна быть больше глубины (δ) проникновения магнитного поля внутрь проводника l≥δ.

Глубина проникновения магнитного поля внутрь проводника (толщина скин-слоя) определяется соотношением , где χ₀ - коэффициент диффузии магнитного поля для материала проводника, τ - характерное время нарастания тока в спиральной катушке. При деформации проводника должно выполняться следующее соотношение: где d - диаметр проводника.

Величина индуктивности спиральной катушки определяется соотношением

,

где K_L - поправочный коэффициент индуктивности, зависящий от отношения длины к диаметру спиральной катушки, N - число витков катушки, С - длина катушки, S - площадь поперечного сечения катушки, μ - магнитная проницаемость. Отсюда видно, что величина индуктивности спиральной катушки квадратично зависит от числа витков. Например, если за счет деформации намоточного проводника мы вдвое увеличим число витков на единицу длины катушки по сравнению с катушкой, намотанной проводником с круглым сечением, то тем самым в четыре раза увеличим начальную индуктивность спиральной катушки и во столько же раз повысим коэффициент усиления тока (при условии сохранения потерь магнитного потока на прежнем уровне).

На фиг.1 изображено устройство для реализации способа изготовления спиральной катушки взрывомагнитного генератора.

На фиг.2 изображен взрывомагнитный генератор со спиральной катушкой, изготовленной по предлагаемому способу.

Устройства по фиг.1 и 2 содержат:

1 - намоточный проводник спиральной катушки ВМГ;

2 - изоляция проводника;

3 - оправка для намотки спиральной катушки;

4 - компаунд;

5 - вставка;

6, 7 - фланцы спиральной катушки и ВМГ;

8 - нагрузка ВМГ;

9 - заряд центральной трубы ВМГ;

10 - центральная труба ВМГ;

11 - детонатор;

12 - источник начальной запитки ВМГ.

Обозначения на фиг.1:

h - шаг намотки спирали;

а - малая ось овала в поперечном сечении намоточного провода;

l - большая ось овала в поперечном сечении намоточного провода.

Способ изготовления спиральной катушки ВМГ заключается в намотке по меньшей мере одного изолированного проводника (поз.1, 2) на оправку (3), заливке катушки компаундом (4), отвердении его и снятии катушки с оправки (3). Перед намоткой катушки проводник круглого сечения диаметром d деформируют до сечения, ограниченного овалом с малой осью (а) и большой осью (l), покрывают намоточный проводник (1) изоляцией (2). Намотку проводника осуществляют таким образом, что малую ось овала (а) располагают параллельно оси катушки. Оправку (3) выполняют из полиэтилена в форме тонкостенного цилиндра, на котором с наружной стороны выполняют специальные канавки, вдоль которых размещают намоточный провод. Вставку (5) выполняют из металла, которая служит для придания жесткости оправке (3).

На фиг.2 схематично изображен ВМГ, использующий спиральную катушку, изготовленную по предлагаемому способу. В примере реализации предлагаемого способа перед намоткой цилиндрический проводник диаметром 0,5 мм был пропущен через вальцы и деформирован так, что его поперечное сечение стало иметь форму овала с малой осью 0,25 мм и большой осью 0,75 мм. После деформации проводник был покрыт изоляцией, изготовленной из лавсановой и фторопластовой пленок общей толщиной 0,2...0,3 мм, и размещен в канавки оправки (3). Концы проводников были подсоединены к фланцам (6, 7). После намотки проводники были залиты компаундом. После отвердения компаунда катушка были снята с оправки и размещена в конструкции ВМГ, показанной на фиг.2. Если бы спиральная катушка была намотана проводником, имеющим в поперечном сечении круг диаметром 0,5 мм, то на длине 10 см число витков не превышало бы 12,5 (шаг намотки - 0,8 мм). Спиральная катушка, намотанная деформированным проводником, в сечении имеющим вид овала с малой осью 0,25 мм и большой осью 0,75 мм, имеет число витков 18 (шаг намотки - 0,55 мм). Начальная индуктивность спиральной катушки, намотанной по заявляемому способу, увеличилась в два раза, т.е. без учета потерь магнитного потока коэффициент увеличения тока может быть повышен в два раза при эффективном времени нарастания тока в спиральной катушке 15 мкс. В проводнике из меди толщина скин-слоя проникновения магнитного поля составляет 0,45 мм.

Если бы намотали катушку проводником, имеющим в сечении круг диаметром 0,25 мм, то толщина провода была бы заведомо меньше толщины скин-слоя, и были бы большие потери магнитного потока за счет диффузии через проводник (>50%).

Угол разлета стенок центральной трубы (α) ВМГ, шаг намотки спирали h и величина неоднородности спиральной намотки Δx связаны следующим соотношением: Под неоднородностью намотки витков спиральной катушки здесь подразумеваются колебания расположения проводника на оправке в вертикальной плоскости относительно среднего положения.

Расчетные оценки показывают, что в спиральной катушке диаметром 80 мм и длиной 100 мм, изготовленной по заявляемому способу (намоточный круглый проводник диаметром 0,5 мм деформируется в проводник, имеющий в сечении овал с малой осью 0,25 мм и большой осью 0,75 мм, покрывается изоляцией и укладывается на оправке так, что малая ось овала располагается параллельно оси катушки), начальная индуктивность может быть увеличена с 14 мкГн до 28 мкГн. За счет этого возрастает коэффициент увеличения тока, и с учетом потерь магнитного потока конечный ток ВМГ возрастает более чем на 50% и достигает величины более 1 МА.

Способ изготовления спиральной катушки взрывомагнитного генератора, заключающийся в намотке изолированного проводника на оправку, заливке катушки компаундом, отвердении его и снятии катушки с оправки, отличающийся тем, что перед намоткой проводник круглого сечения деформируют до сечения, ограниченного овалом, покрывают изоляцией, а намотку проводника осуществляют таким образом, что малую ось овала располагают параллельно оси спиральной катушки.