Магнитная система

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для исследований характеристик плазменных образований больших объемов в поперечном и продольном магнитных полях, космических явлений природного характера, лабораторного моделирования космической плазмы, а также в медицине и биологии для исследования влияния постоянных магнитных полей умеренной интенсивности на биологические объекты. Техническим результатом является возможность исследования характеристик и свойств плазменных образований больших объемов в поперечном и продольном магнитных полях напряженностью до 0.02 Тл, а также различных биологических, технических и технологических объектов и процессов. Магнитная система включает магнитопроводы с расположенными на них соленоидами, замкнутые на полюсные наконечники. Устройство содержит, по крайней мере, два магнитопровода, выполненных С-образными, причем между ними и полюсными наконечниками установлены переходники в виде усеченных конусов, меньший диаметр которых совпадает с диаметром магнитопроводов. Магнитопроводы могут быть выполнены с возможностью изменения высоты воздушного зазора между полюсными наконечниками, а соленоиды распределены равномерно по длине магнитопровода. Магнитопроводы и полюсные наконечники с переходниками могут быть выполнены из конструкционной стали 20. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к различным областям науки и техники и может быть использовано для исследований характеристик плазменных образований больших объемов в поперечном и продольном магнитных полях, лабораторного моделирования космической плазмы, медико-биологических исследований и т.д.

Уровень техники

Конструкция полюсных магнитных систем (МС) малых (до 10 мл) рабочих объемов с высокой степенью однородности поля к настоящему времени изучены достаточно полно [1-3]. При этом высокая однородность поля обеспечивается выбором геометрии МС, а именно соотношением между диаметром полюсных наконечников d и высотой межполюсного зазора h. В подобных системах эта величина лежит в интервале . Конструктивно указанные МС представляют собой С-образный магнитопровод образующий своими торцами рабочий промежуток достаточно малого объема. На магнитопроводе, изготовленном из дорогостоящих материалов с высокой магнитной проницаемостью, расположен соленоид. Опыт разработки МС малых объемов не всегда применим при создании однородных квазистационарных магнитных полей (МП) больших рабочих объемов (более 10 л) для величины .

Обозначенным МС присущ ряд недостатков: малый объем рабочего зазора данных систем не позволяет вносить в него достаточно большие объекты исследований, что накладывает существенные ограничения на применимость указанных устройств в различных областях науки и техники; в конструкциях указанных МС применяются дорогостоящие материалы с высокой магнитной проницаемостью, например специальные электротехнические стали.

За прототип выбрана МС [1].

Раскрытие изобретения

Техническим результатом изобретения является возможность исследования характеристик и свойств плазменных образований больших объемов в поперечном и продольном однородных магнитных полях напряженностью до 0.02 Тл, а также различных биологических, технических и технологических объектов и процессов.

Технический результат достигается тем, что в магнитной системе, включающей магнитопроводы с расположенными на них соленоидами, замкнутые на полюсные наконечники, новым является то, что магнитопроводы в количестве два и более выполнены С-образными, причем между ними и полюсными наконечниками установлены переходники в виде усеченных конусов, меньший диаметр которых совпадает с диаметром магнитопроводов. При этом магнитопроводы выполнены с возможностью изменения высоты воздушного зазора между полюсными наконечниками. Соленоиды (источники магнитного поля) распределены равномерно по длине магнитопроводов, которые также как и полюсные наконечники с переходниками выполнены из конструкционной стали 20.

На фиг.1 и фиг.2 представлены МС с объемом рабочего промежутка 0.1 м³ и 0.04 м³ соответственно. На фиг.3 представлена фронтальная проекция МС с указанием ее основных конструктивных элементов. На фиг.4 представлена визуализация МП в центральной части МС.

Рассмотрим пример выполнения предлагаемой магнитной системы. Разработанная МС состоит из четырех С-образных периферийных магнитопроводов (1) ⊘61 мм с расположенными на них 20 соленоидами (2), имеющих на концах восемь конусных переходников (4) с большим диаметром ⊘175 мм и меньшим, равным диаметру магнитопровода, замкнутых на двух круглых плоских полюсных наконечниках (3) ⊘500 мм. Возможность изменения объема рабочего промежутка МС реализуется за счет перестыковки съемных секций магнитопроводов (1) длиной 150 мм. В ходе работ реализованы и исследованы три конфигурации МС, отличающиеся объемом рабочего промежутка:

1 вариант - воздушный зазор h=500 мм, рабочий объем V˜0.1 м³ (фиг.1);

2 вариант - воздушный зазор h=350 мм, рабочий объем V˜0.07 м³ (внешний вид аналогичен представленному на фиг.1);

3 вариант - воздушный зазор h=200 мм, рабочий объем V˜0.04 м³ (фиг.2).

Рабочий промежуток магнитной системы выполнен без боковых стенок, что существенно упрощает его конструкцию и дает возможность внесения в рабочий объем МС различных конфигураций экспериментальных устройств с характерным размером вплоть до 600 мм (диаметр наконечника +100 мм). Источники МП - соленоиды представляют собой цилиндрические катушки диаметром ⊘70 мм и длиной 100 мм, на каждую из которых равномерно намотано 500 витков медного провода ⊘1.5 мм. На каждом магнитопроводе равномерно распределено по пять соленоидов.

Данное расположение соленоидов явилось результатом предварительного численного моделирования распределения магнитных полей в рабочем промежутке МС. Результаты численного моделирования показали, что соленоиды целесообразно располагать на обратных магнитопроводах по всей их длине, возможно ближе к рабочей области.

Выбор материала МС обусловлен разумным компромиссом между его техническими характеристиками, доступностью и стоимостью. Более жесткие требования к химическому составу и технологии производства предъявляются к конструкционным сталям. Это подразумевает под собой стабильность характеристик, в том числе и магнитных, образцов конструкционных сталей из различных партий поставки. Поэтому для изготовления элементов МС целесообразно использовать один из наиболее распространенных сортов конструкционных сталей - сталь 20. Применение стали 20 существенно снизило затраты на изготовление элементов МС, а также позволило использовать эти элементы в качестве несущих.

Источник питания соленоидов, выполненный на основе двух промышленных аккумуляторов, обеспечивает при напряжении питании 12 В максимальный ток в соленоидах на уровне (10±0.1) А при времени нарастания до одной секунды. Постоянство во времени тока питания соленоидов обеспечивает квазистационарность МП.

Импульсный режим работы магнитной системы с медленным нарастанием поля позволил отказаться от традиционного секционирования поперечного сечения магнитопроводов ввиду малых величин вихревых токов и связанных с ними потерь при транспортировке магнитного потока. Изготовление магнитопроводов сплошными по сечению позволило использовать элементы, предназначенные для передачи магнитного потока, в качестве силовых. При выбранных параметрах источника питания, диаметре провода в соленоидах и количестве витков на каждом магнитопроводе 5×500 потребляемая МС мощность составляет 120 Вт.

Исследование пространственного распределения индукции в рабочем объеме МС выполнено при помощи измерителя магнитной индукции фирмы SYPRIS GAUSS/TESLA METER MODEL 6010 и специально изготовленной координатной стойки. Шаг измерений - 50 мм, точность измерений - не хуже 3%.

На фиг.4 представлена визуализация магнитного поля (МП) в рабочем промежутке МС, полученная с помощью металлических опилок. При наложении МП опилки выстраивают упорядоченную структуру - индикатор интенсивности и направленности МП. Из рисунка следует, что магнитное поле в центральной части рабочей области МС однородно - направление металлических структур совпадает с направлением нормали к плоскостям полюсных наконечников. Некоторая неоднородность поля становится заметной в основном на краях полюсных наконечников - появляется отклонение направления структур от нормали.

Из проведенных измерений следует, что практически во всем рабочем объеме МС неоднородность МП не превышает 9%. Существенный рост неоднородности (до 40%), наблюдаемый в периферийных областях полюсных наконечников, связан с некоторым градиентом индукции, направленным от оси симметрии к краю полюсных наконечников МС.

Проведенные исследования показали, что величина индукции МП в заметной части (около 50%) рабочего промежутка составляет В₀=(20±2) мТл. Величина индукции МП для данной геометрии МС близка к предельному значению, что объясняется работой магнитопроводов в режиме, близком к режиму насыщению магнитной индукцией. Поэтому представляется возможным повысить величину индукции магнитного поля в рабочем промежутке МС в основном только за счет увеличения диаметра магнитопроводов системы. Это в свою очередь повлечет существенное увеличение габаритных размеров и массы МС. Поэтому для конкретного устройства найден оптимальный компромисс между параметрами магнитной системы, источника питания и затратами на их изготовление.

Детальное изучение распределения магнитного поля в реализованной конфигурации МС и обзор известных литературных данных [1-3] позволяют сделать ряд общих выводов. В описанном в настоящей работе полюсном электромагните имеет место наложение двух эффектов, влияющих на распределение магнитной индукции по рабочему объему системы [2]. Первый - заключается в уменьшении величины поля в центральной части рабочего промежутка от оси симметрии МС к периферии. Второй - обусловлен увеличением магнитной индукции от центра рабочего объема к его краям и наблюдается, в основном, рядом с поверхностью полюсных наконечников. Указанные эффекты обуславливают реальное распределение магнитного поля в рабочем промежутке МС.

Согласно [1-3] уменьшение магнитной индукции от края к центру полюса обнаруживается в подавляющем большинстве электромагнитов при величине отношения . В настоящей работе такой эффект имеет место при . Отмеченное в [1] появление в магнитах области, в которой значение индукции понижается от краев к центру полюсных наконечников, теоретически показано в работе [3].

Испытания МС показали, что использование в качестве основного материала МС конструкционной стали 20, являющейся недорогим и легкодоступным, по сравнению с электротехническими сталями материалом, обеспечивает максимальную величину индукции МП в воздушном зазоре высотой 500 мм при диаметре полюсных наконечников 500 мм на уровне 200 Гс. При этом потребляемая МС мощность составляет 120 Вт.

На предприятии проведено расчетно-теоретическое обоснование работоспособности предложенного устройства, разработан и в настоящее время интенсивно эксплуатируется экспериментальный стенд на базе данной МС. Испытания показали, что заявляемое устройство решает поставленную задачу с достижением указанного технического результата.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Зингерман В.И. Электромагнит с однородным стабильным магнитным полем для метрологических работ // Измерительная техника. - 1964. - №2. - С.19.

2. Коробов В.А., Линев В.Н. Формирование однородных магнитных полей в малогабаритных магнитных системах // ЖТФ. - 1989. - т.59. - в.10. - С.182-185.

3. Ishikawa Y., Chikazumi S. Japanese Journal of Applied Physics. - 1962. - v.1. - №3.

1. Магнитная система, включающая магнитопроводы, с расположенными на них соленоидами, замкнутые на полюсные наконечники, отличающаяся тем, что магнитопроводы в количестве двух и более выполнены С-образными, причем между ними и полюсными наконечниками установлены переходники в виде усеченных конусов, меньший диаметр которых совпадает с диаметром магнитопроводов.

2. Магнитная система по п.1, отличающаяся тем, что магнитопроводы выполнены с возможностью изменения высоты воздушного зазора между полюсными наконечниками.

3. Магнитная система по п.1, отличающаяся тем, что соленоиды распределены равномерно по длине магнитопровода.

4. Магнитная система по п.1, отличающаяся тем, что магнитопроводы и полюсные наконечники с переходниками выполнены из конструкционной стали 20.