Многовитковый соленоид

1 Изобретение относится к электротехнике,конкретно к технике сильных магнитных полей. Может быть использовано, например, для создания мощных индуктивных аккумуляторов высокой удельной энергоемкости и с большим энергозапасом. Известен [1] многовитковый соленоид с бессиловой обмоткой, состоящей из двух частей, одна из которых образована проводниками,уложенными в виде кольцевых витков, плоскости которых перпендикулярны оси тела вращения, а вторая часть обмотки образована проводниками, уложенными по образующей тела вращения поверх первой части обмотки перпендикулярно проводникам последней, причем проводники второй части обмотки отогнуты внутрь тела вращения. Недостаток рассматриваемой конструкции заключается в наличии отогнутых внутрь тела вращения проводников второй части обмотки. Последние подвергаются воздействию не скомпенсированных ЭДУ, для удержания которых используется массивное тело вращения, играющее роль механического бандажа. Таким образом, бессиловое состояние во всем объеме указанного соленоида не достигается. Наличие массивного бандажа и отогнутых в него проводников второй части обмотки снижает удельную энергоемкость и усложняет магнитную систему индуктивного накопителя. Второй недостаток указанного аналога состоит в том, что вторая часть обмотки уложена поверх первой. При таком взаимном расположении частей обмотки стенки соленоида подвергаются всестороннему растяжению. Поэтому для получения в таком соленоиде сильных магнитных полей необходимо поверх второй части обмотки накладывать механический бандаж. Это дополнительно усложняет конструкцию соленоида и уменьшает его удельную энергоемкость. Наиболее близок по технической сущности к заявляемому устройству выбранный в качестве прототипа многовитковый соленоид [2], выполненный в виде тела вращения из проводников, расположенных на поверхности тела в слое,толщина которого пренебрежимо мала по сравнению с характерным размером поперечного сечения устройства, и образующих обмотку,состоящую из двух частей, одна из которых образована проводниками, уложенными по образующей тела вращения, а вторая - проводниками, уложенными в виде кольцевых витков,плоскости которых перпендикулярны оси тела вращения и проводникам первой части обмотки,причем проводники первой части обмотки целиком размещены на поверхности тела вращения, а вторая часть обмотки плотно охватывает первую. Достоинствами прототипа по сравнению с аналогом служат отсутствие массивной силовой конструкции (механического бандажа),удерживающей обмотку от разрушающего воздействия электродинамических усилий, простота конструкции, повышенная удельная энерго 004919 2 емкость. Недостаток прототипа заключается в том, что он создает в окружающем пространстве рассеянные магнитные поля. Вблизи обмотки(на расстояниях порядка 1-5 м) напряженность магнитного поля может достигать 3-10 Тл для сверхпроводящего соленоида и 30-50 и более Тл- для гиперпроводящего (резистивного) соленоида. Это обстоятельство существенно ограничивает область применения прототипа, поскольку сильные магнитостатические поля оказывают вредное воздействие на здоровье человека и животных, нарушают работу электромагнитных устройств (компьютеров, измерительных приборов и т. д.), взаимодействуют с ферромагнитными телами и т.д. Это вынуждает либо удалять прототип на большое расстояние от указанных объектов, либо искусственно ограничивать напряженность магнитного поля соленоида значениями, существенно меньшими тех, которые могут быть достигнуты в нем по критерию механической устойчивости. Последнее обстоятельство снижает удельную энергоемкость прототипа и дополнительно ограничивает область его применения. Задача изобретения состоит в снижении уровня рассеянных магнитных полей при сохранении преимуществ, присущих прототипу перед аналогами (отсутствие механического бандажа, простота конструкции, технологичность, высокая удельная энергоемкость и т. д.) и расширении области применения соленоида. Указанная задача решается тем, что в многовитковом соленоиде, выполненном в виде первого тела вращения из проводников, расположенных на поверхности тела в слое, толщина которого пренебрежимо мала по сравнению с характерным размером поперечного сечения устройства, и образующих обмотку, состоящую из двух частей, одна из которых образована проводниками, уложенными по образующей тела вращения, а вторая - проводниками, уложенными в виде кольцевых витков, плоскости которых перпендикулярны оси тела вращения и проводникам первой части обмотки, причем проводники первой части обмотки целиком размещены на поверхности тела вращения, а вторая часть обмотки плотно охватывает первую, введен электромагнитный экран, состоящий по крайней мере из двух соленоидов, выполненных в виде второго и третьего тел вращения, идентичных по конструкции первому телу вращения и расположенных соосно с первым телом вращения по обе стороны от последнего, причем значения полных токов во вторых частях обмоток соленоидов, расстояния между соленоидами вдоль общей оси и диаметры соленоидов удовлетворяют условию минимума рассеянных магнитных полей в окружающем пространстве, а также условию минимума результирующих осевых и радиальных интегральных электродинамических усилий, воздействующих 3 на каждый соленоид со стороны прочих соленоидов. Сравнение предложенного соленоида не только с прототипом, но и с другими техническими решениями и объектами не выявило в них такую же совокупность признаков, которая отличает заявляемое решение от прототипа,причем именно такая совокупность признаков необходима и достаточна и позволит получить новый технический результат, заключающийся в практически полной ликвидации рассеянных магнитных полей в окружающем заявляемое устройство пространстве при сохранении основных преимуществ прототипа перед аналогами (отсутствие механического бандажа, простота и технологичность конструкции и т. д.), что дает основание для вывода о соответствии указанного устройства критериям изобретения. Поскольку второе и третье тела вращения(в дальнейшем называемые экранирующими соленоидами) представляют собой электромагнитный экран для первого тела вращения (далее- экранируемый соленоид), то токи во вторых частях обмоток экранирующих соленоидов текут встречно току во второй части обмотки экранируемого соленоида. При этом магнитное поле последнего располагается в основном в пространстве между ним и экранирующими соленоидами. Магнитное поле в пространстве,окружающем заявляемое устройство, пропорционально алгебраической сумме полных токов вторых частей обмоток соленоидов, входящих в состав заявляемого устройства. Выбором оптимальных соотношений между полными токами во вторых частях обмоток этих соленоидов, расстояний между ними вдоль общей оси, диаметров соленоидов, а также (при необходимости) увеличением количества последних в поперечном сечении заявляемого устройства можно добиться того, что эта сумма будет близка к нулю. Соответственно, окажутся близкими к нулю и рассеянные магнитные поля. За счет того, что токи во вторых частях обмоток экранирующих соленоидов направлены согласно по отношению друг к другу, становится возможным достичь равенства между электродинамическими усилиями, отталкивающими экранирующие соленоиды от экранируемого соленоида вдоль оси заявляемого устройства, и электродинамическими усилиями, притягивающими экранирующие соленоиды друг к другу вдоль указанной оси. Благодаря тому, что все соленоиды, входящие в состав заявляемого устройства, имеют одинаковую конструкцию, становится возможным за счет регулирования полных токов в первой и второй частях обмоток этих соленоидов, а также оптимизацией распределения тока в частях обмоток и профилей поперечных сечений соленоидов достичь состояния полной интегральной разгруженности в каждом из соленоидов, входящем в состав заявляемого устройства. 4 Изобретение поясняется чертежом, на котором представлено поперечное сечение заявляемой магнитной системы (фиг. 1). Для простоты изображена магнитная система, состоящая из трех соленоидов. Заявляемое устройство состоит из двух экранирующих соленоидов 1 и 3 и экранируемого соленоида 2, размещенного соосно (по оси Z-Z) с соленоидами 1, 3. Поперечные сечения соленоидов 1-3, изображенных на фиг. 1, круговые,хотя в общем случае они могут быть и некруговыми. Средние радиусы соленоидов 1-3 равны соответственно R01, R02, R03, наружные радиусы поперечных сечений - r2(1), r2(2), r2(3). Для простоты на фиг. 1 изображено устройство, в которомR03 = R01, r2(3) = r2(1). На фиг. 1 расстояния между центрами тяжести поперечных сечений (центрами окружностей поперечных сечений) соленоидов 1, 2 и 2, 3 одинаковы и равны H12 = Н 23 = Н (в частности можно выбрать Н 12 = Н 23 = 0, что важно для случаев, когда необходимо минимизировать объем, занимаемый магнитной системой), но в общем случае H12 Н 23. Зазоры между соленоидами (расстояния между точками a, b и с, d) составляют 12 = Н 12-[r2(1) + r2(2)] и 23 = Н 23-[r2(2) + r2(3)]. Заданное взаимное расположение соленоидов 1-3 и его фиксация обеспечиваются легкими поддерживающими опорами (не показаны). Устройство работает следующим образом. При подаче тока в соленоиды (источник тока и токовводы на фиг. 1 не показаны) полоидальные полные токи I2(1), I2(2) и I2(3), текущие по вторым частям обмоток соленоидов 1-3, создают в окружающем пространстве магнитные поля В 2(1),В 2(2), В 2(3) (где В 2(1), В 2(2), В 2(3) - магнитные поля,создаваемые полными токами I2(1), I2(2), I2(3. В устройстве, показанном на фиг. 1, I2(3) = I2(1). При этом В 2(3) = В 2(1) в силу равенства токовI2(1) и I2(3), а также идентичности экранирующих соленоидов 1 и 3. Направления токов I2(1), I2(2) иI2(3) во вторых частях обмоток соленоидов 1-3 обозначены на рисунке символами(линии тока направлены в плоскость рисунка) и(линии тока направлены из плоскости рисунка к читателю). Поскольку токи I2(1) и I2(3) направлены встречно току I2(2), то магнитные поля соленоидов 1-3 концентрируются в зазорах 12 и 23. Поле рассеяния, создаваемое в окружающем пространстве системой соленоидов 1-3 (поле взаимоиндукции) В = В 2(1) + В 2(2) + В 2(3), силовые линии которого охватывают заявляемое устройство вдоль контура l (см. фиг. 1), по закону полного тока прямо пропорционально алгебраической сумме полных токов во вторых частях обмоток соленоидов 1-3. Таким образом,В = K[I2(1)-I2(2) + I2(3)] = K[2I2(1) -I2(2)], (1) где K - коэффициент пропорциональности. 5 Как следует из (1), отсутствие рассеянных полей (В =0) в заявляемом устройстве определяется условиемI2(2)(В=0) = I2(1) + I2(3) = 2I2(1). (2) На каждый из соленоидов 1-3 заявляемого устройства в общем случае воздействуют осевые (действующие по оси Z) Fijh и радиальные(действующие по оси R) FIJR интегральные электродинамические усилия (ЭДУ) со стороны прочих соленоидов (под интегральными ЭДУ понимаются электродинамические усилия, воздействующие на соленоид в целом). Здесь индекс i обозначает номер соленоида, на который оказывается воздействие, а индекс j - номер соленоида, поле которого оказывает воздействие на i-ый соленоид. В зависимости от соотношения между токами I2(1)I2(3) результирующие осевые ЭДУ, воздействующие на соленоиды 1 и 3, могут быть как притягивающими, так и отталкивающими Результирующее осевое ЭДУ,воздействующее на соленоид 2, всегда равно нулю в силу симметричного расположения последнего по оси Z относительно соленоидов 1 и 3. Результирующие радиальные ЭДУ, воздействующие на соленоиды 1-3, также могут носить различный характер в зависимости от соотношения между средними радиусами соленоидов и осевыми расстояниями между последними. Так, например, если средний радиус соленоида 2 больше средних радиусов соленоидов 1 и 3, то результирующее радиальное ЭДУ, воздействующее на соленоид 2, окажется сжимающим (отрицательным), а результирующие радиальные ЭДУ, воздействующие на соленоиды 1 и 3, будут в этом случае растягивающими (положительными). Если же средний радиус экранируемого соленоида 2 меньше средних радиусов экранирующих соленоидов 1 и 3, то результирующее радиальное ЭДУ, воздействующее на соленоид 2, окажется растягивающим (положительным), а результирующие ЭДУ, воздействующие на соленоиды 1 и 3, будут сжимающими (отрицательными). Значение радиальных ЭДУ, воздействующих на соленоиды 1-3, зависит не только от соотношения между средними радиусами упомянутых соленоидов, но также и от осевых расстояний между последними. Отсюда вытекает, что, варьируя осевыми расстояниями и соотношениями между средними радиусами соленоидов 1-3, можно добиться равновесия соленоидов по оси Z и минимизации радиальных ЭДУ, воздействующих на каждый из соленоидов 1-3 со стороны прочих соленоидов. Воздействие этих ЭДУ на соленоиды 1-3 можно скомпенсировать регулированием соотношений между полными токами частей обмоток соленоидов, оптимизацией распределения тока в соленоидах или (и) профилей поперечных сечений последних. В результате каждый из соленоидов 1-3 оказывается в состоянии полной 6 интегральной разгруженности, так что для заявляемого устройства, как и для прототипа, отпадает надобность в механическом бандаже. Благодаря тому, что полный ток вторых частей обмоток соленоидов 1-3 равен нулю, рассеянные магнитные поля, создаваемые заявляемым устройством, становятся близкими к нулю уже в непосредственной близости от последнего (а именно на дистанциях порядка осевого расстояния между соленоидами). Это дает возможность отказаться от обычно применяемых массивных ферромагнитных экранов или удаления соленоида на большое расстояние, выбираемое по условиям безопасности для людей и иных живых существ и нормального функционирования приборов и оборудования. Таким образом, в заявляемом устройстве достигается такая же по порядку величины удельная энергоемкость, что и в прототипе. Сохраняются также простота конструкции, технологичность и иные положительные качества, свойственные прототипу. В то же время благодаря пониженному уровню рассеянных магнитных полей расширяется область применения заявляемого устройства по сравнению с прототипом. Если степень снижения рассеянных полей конструкцией, показанной на фиг. 1, по тем или иным причинам недостаточна, то дополнительное снижение упомянутых полей достигается увеличением числа экранирующих соленоидов. На фиг. 2 приведен пример заявляемого устройства с шестью соленоидами (на этом рисунке первые части обмоток соленоидов не показаны,поскольку магнитные поля, создаваемые этими частями обмоток, не участвуют во взаимодействии соленоидов). Применение в заявляемом устройстве большого числа соленоидов позволяет не только полностью уничтожить поля рассеяния, но и существенно снизить (по сравнению с конструкцией, показанной на фиг. 1) результирующие радиальные и осевые интегральные ЭДУ, воздействующие на каждый из соленоидов со стороны прочих соленоидов. Это приводит к дополнительному расширению области применения заявляемого устройства. В частности, становится возможным создавать мощные и компактные индуктивные аккумуляторы электроэнергии с большой запасенной энергией (до 1013 - 1014 Дж), не нуждающиеся в механическом бандаже и размещаемые непосредственно на территории предприятия или жилого района. Преимущества заявляемого устройства в сравнении с прототипом состоят в следующем. 1) Снижается напряженность рассеянных магнитных полей за счет взаимного экранирования каждого из соленоидов прочими соленоидами. 2) Благодаря этому отпадает необходимость в громоздком и массивном ферромагнитном экране либо удалении заявляемого устройства на безопасное для экранируемых объектов 7 расстояние. Отсутствие ферромагнитного экрана повышает удельную энергоемкость заявляемого устройства. 3) Напряженность магнитного поля на поверхности обмотки каждого из соленоидов, входящих в состав заявляемого устройства, может быть увеличена до пределов, определяемых критерием механической устойчивости обмотки прототипа. Это позволяет повысить удельную энергоемкость заявляемого устройства по сравнению с прототипом в тех случаях, когда заявляемое устройство располагается вблизи объектов, для которых воздействие сильных магнитных полей представляет опасность (людей, животных, электромагнитных и электроизмерительных приборов и т. д.). Тем самым полностью используются потенциальные возможности повышения удельной энергоемкости, заложенные в прототипе. Общественно-полезные свойства заявляемого устройства по сравнению с прототипом состоят в следующем. 1) Повышается электромагнитная безопасность индуктивных аккумуляторов электроэнергии, выполненных на основе заявляемого устройства. Это делает возможным расположение их вблизи объектов, для которых сильные магнитные поля представляют опасность (людей,животных, электроизмерительных приборов и т. д.). Тем самым расширяется область применения индуктивных аккумуляторов. 2) Становится возможным построение легких и компактных индуктивных аккумуляторов на большие запасенные энергии (до 1013-1014 Дж и более). Это дополнительно расширяет область применения индуктивных аккумуляторов. Так,например, индуктивные аккумуляторы на основе заявляемого устройства можно использовать в качестве источника тяговой энергии различных транспортных средств (электровозов, речных и морских судов и т.д.). 3) Снижается стоимость индуктивных аккумуляторов на основе заявляемого устройства благодаря отсутствию ферромагнитного экрана и других средств пассивного экранирования магнитных полей. Предложенное устройство может быть использовано при создании мощных индуктивных аккумуляторов электроэнергии для сглаживания суточной неравномерности загрузки энергосистемы, магнитных систем термоядерных реакторов, мощных автономных экологически чистых вторичных источников электропитания, напри 004919 8 мер для транспортных средств, электрофизических установок длительного и импульсного действия и т. д. По сравнению с прототипом заявляемое устройство позволяет повысить электромагнитную безопасность, удельную энергоемкость и запасаемую энергию индуктивных аккумуляторов, расширить область их применения, снизить стоимость. Список использованных источников 1. А.с. 1236955 СССР, МКИ Н 01F 5/00. Многовитковый соленоид с бессиловой обмоткой/Г.А. Шнеерсон (СССР)//Заявл. 02.07.1984. 3757613/24-07. 2. Патент Украины 46819, МПК Н 01F 5/00. Многовитковый соленоид/Аристов Ю.В.(Украина)//Приоритет от 22.07.1998, заявка 98074023. - Опубл. 17.06.2002, Бюл.6 (прототип). ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Многовитковый соленоид, выполненный в виде первого тела вращения из проводников, расположенных на поверхности тела в слое, толщина которого пренебрежимо мала по сравнению с характерным размером поперечного сечения устройства, и образующих обмотку, состоящую из двух частей, одна из которых образована проводниками, уложенными по образующей тела вращения, а вторая - проводниками, уложенными в виде кольцевых витков, плоскости которых перпендикулярны оси тела вращения и проводникам первой части обмотки, причем проводники первой части обмотки целиком размещены на поверхности тела вращения, а вторая часть обмотки плотно охватывает первую, отличающийся тем, что он содержит электромагнитный экран, состоящий по крайней мере из двух соленоидов, выполненных в виде второго и третьего тел вращения, идентичных по конструкции первому телу вращения и расположенных соосно с первым телом вращения по обе стороны от последнего, причем значения полных токов во вторых частях обмоток соленоидов, расстояния между соленоидами вдоль общей оси и диаметры соленоидов удовлетворяют условию минимума рассеянных магнитных полей в окружающем пространстве, а также условию минимума результирующих осевых и радиальных интегральных электродинамических усилий, воздействующих на каждый соленоид со стороны прочих соленоидов.