Устройства и установки для генерации сильных импульсных магнитных полей

1. Введение

К сильным магнитным полям можно условно отнести поля, индукция которых находится в диапазоне 5 ... 100 Тл (50 ... 1000 кГс), а к сверхсильным - поля с индукцией больше 100 Тл (больше 1 МГс) [13]. Классификация обусловлена следующими, скорее, затратными по своей сущности соображениями. Постоянные магнитные поля с индукцией до 5 Тл можно получать с помощью сравнительно недорогих электромагнитов с медными обмотками и стальными сердечниками. При получении постоянных магнитных полей с большей индукцией затраты существенно возрастают, например, приходится использовать сверхпроводящие электромагниты. Импульсные магнитные поля с амплитудой индукции 5 ... 100 Тл могут быть получены также не слишком дорогими методами, причем многократно с помощью неразрушаемых соленоидов. Генерация импульсных магнитных полей с амплитудой индукции больше 100 Тл носит, как правило, одноразовый характер и сопровождается частичным разрушением установки, что, конечно, ведет к росту затрат.

2. Малогабаритный импульсный электромагнит (ИЭМ) с проходным отверстием диаметром 12 мм и высотой рабочей зоны от 1 до 40 мм (амплитуда магнитной индукции в рабочей зоне до 10 Тл)

Для получения импульсного магнитного поля длительностью до 20 миллисекунд с амплитудой индукции до 10 Тл разработан ИЭМ, конструкция которого показана на рис. 2.1, а внешний вид - на рис. 2.2. Изначально ИЭМ предназначался для проведения исследовательских работ по изучению влияния напряженности намагничивающего поля на величину остаточной намагниченности образцов постоянных редкоземельных магнитов с высокой коэрцитивной силой и их температурную стабильность, но может быть использован и в иных целях.

Рис. 2.1. Конструкция ИЭМ для генерации импульсных магнитных полей длительностью до 20 мс с амплитудой индукции до 10 Тл: 1 - цилиндрический соленоид (медная обмотка), 2 - верхняя крышка (сталь), 3 - нижняя крышка (сталь), 4 - цилиндрический корпус (сталь), 5 - верхний полюсной наконечник (сталь), 6 - нижний полюсной наконечник (сталь), 7 - рабочая зона (воздух).

ИЭМ состоит из цилиндрического соленоида (1) с проходным отверстием диаметром 12 и высотой 40 мм, установленного в цилиндрическом стальном корпусе (4). Соленоид предварительно был рассчитан с помощью программ Coil [1], dTWire [2] и UNI [3]. Сверху и снизу корпус (4) закрыт крышками (2, 3), стянутыми между собой шпильками. В отверстия крышек, совмещенные с проходным отверстием соленоида, при необходимости могут быть вставлены с использованием калиброванных прокладок полюсные наконечники (5, 6). Внутри соленоида имеется рабочая зона (7), в которой и создается импульсное магнитное поле. Размеры рабочей зоны: диаметр до 12 мм, высота от 1 мм (полюсные наконечники установлены без прокладок) до 40 мм (полюсные наконечники отсутствуют). Габариты ИЭМ: диаметр не более 105 мм, высота не более 120 мм. Масса ИЭМ не более 3 кг.

Рис. 2.2. ИЭМ с проходным отверстием диаметром 12 мм и высотой рабочей зоны от 1 до 40 мм для генерации импульсных магнитных полей длительностью до 20 мс с амплитудой индукции до 10 Тл (внешний вид).

Для создания импульса тока в обмотке ИЭМ использовались различные генераторы мощных импульсов тока [5 - 7]. Внешний вид установки в комплекте с однополярным импульсным генератором [6], принцип работы которого основан на кратковременном включении нагрузки непосредственно в сеть переменного тока напряжением 220/380 В частотой 50 Гц, показан на рис. 2.3. Эта установка позволяет получать импульсное магнитное поле длительностью 10 мс с амплитудой индукции 7 Тл (без полюсных наконечников), 7.5 Тл (один полюсной наконечник) и до 8 Тл (два полюсных наконечника). Максимальная частота следования импульсов: один импульс за две минуты.

Рис. 2.3. Установка для генерации импульсных магнитных полей длительностью 10 мс с амплитудой индукции до 8 Тл.

3. Малогабаритный ИЭМ с проходным отверстием диаметром 12 мм и высотой рабочей зоны от 1 до 50 мм (амплитуда магнитной индукции в рабочей зоне до 10 Тл)

Для получения как одиночных импульсов, так и серий импульсов магнитного поля с переменной полярностью сконструирован похожий ИЭМ с соленоидом несколько больших размеров и индуктивности. ИЭМ имеет проходное отверстие диаметром 12 мм, в которое могут быть вставлены с использованием прокладок полюсные наконечники. Рабочая зона ИЭМ может иметь высоту от 1 мм (полюсные наконечники установлены без прокладок) до 50 мм (полюсные наконечники отсутствуют). Внешний вид ИЭМ показан на рис. 3.1. Габариты ИЭМ: ширина не более 105 мм, высота не более 130 мм, глубина не более 140 мм. Масса ИЭМ не более 3.5 кг. На рис. 3.2 показана установка в комплекте с емкостным накопителем энергии 4 кДж 900 В [7] для генерации импульсов магнитного поля заданной полярности с амплитудой индукции до 10 Тл (при использовании двух полюсных наконечников). При использовании емкостного накопителя энергии 8 кДж 900 В амплитуда магнитной индукции в рабочей зоне увеличивается примерно на 25 ... 30 %, также увеличивается и длительность импульса. Форма импульса магнитной индукции в центре ИЭМ без полюсных наконечников при работе с емкостным накопителем 4 кДж 900 В при полном заряде, измеренная с помощью импульсного тесламетра [4], с подключенным к выходу осциллографом UTD2102CEL-R, показана на рис. 3.3.

Рис. 3.1. ИЭМ с проходным отверстием диаметром 12 мм и высотой рабочей зоны от 1 до 50 мм для генерации серий импульсов магнитного поля переменной полярностью с амплитудой индукции до 10 Тл (внешний вид).

Рис. 3.2. Установка для генерации импульсов магнитного поля заданной полярности длительностью примерно 10 мс с амплитудой индукции до 10 Тл.

Рис. 3.3. Форма импульса магнитной индукции в центре рабочей зоны ИЭМ без полюсных наконечников при максимальном заряде емкостного накопителя энергии 4 кДж 900 В: цена деления по вертикали 2 Тл/дел., по горизонтали - 5 мс/дел. Амплитуда магнитной индукции примерно 9 Тл.

На рис. 3.4 представлена установка в комплекте с биполярным генератором мощных импульсов тока [5], позволяющая получать серию импульсов магнитного поля переменной полярности с амплитудой индукции до 6 Тл.

Рис. 3.4. Установка для генерации серий импульсов магнитного поля переменной полярности длительностью 10 мс каждый с амплитудой индукции до 6 Тл.

4. Малогабаритный ИЭМ с проходным отверстием диаметром 10 мм и высотой рабочей зоны от 1 до 40 мм (амплитуда магнитной индукции в рабочей зоне до 10 Тл)

ИЭМ аналогичной конструкции, но уменьшенных габаритов, был сконструирован для проведения исследований электромагнитных приводов и ускорителей, а также испытаний и магнитной обработки различных материалов. Внешний вид ИЭМ показан на рис. 4.1.

Рис. 4.1. ИЭМ с проходным отверстием диаметром 10 мм для генерации импульсных магнитных полей длительностью до 10 мс с амплитудой индукции до 10 Тл (внешний вид).

Размеры рабочей зоны ИЭМ: диаметр до 10 мм, высота от 1 мм (полюсные наконечники установлены без прокладок) до 40 мм (полюсные наконечники отсутствуют). Габариты ИЭМ: высота не более 110 мм, ширина не более 70 мм, глубина не более 110 мм. Масса ИЭМ не более 1 кг.

ИЭМ использовался совместно с генераторами мощных импульсов тока [5 - 7]. Внешний вид установки в комплекте с однополярным импульсным генератором [6] показан на рис. 4.2. Эта установка позволяет получать импульсное магнитное поле длительностью 10 мс с амплитудой индукции 7.5 Тл (без полюсных наконечников), 8 Тл (один полюсной наконечник) и до 8.5 Тл (два полюсных наконечника). Максимальная частота следования импульсов: один импульс за три минуты. На рис. 4.3 представлена установка в комплекте с емкостным накопителем энергии 4 кДж 900 В [7], которая позволяет получать одиночные импульсы магнитного поля заданной полярности длительностью примерно 6 мс с амплитудой индукции до 10 Тл (без полюсных наконечников - в проходном отверстии ИЭМ). С двумя полюсными наконечниками амплитуда индукции может достигать 11 Тл. Частота следования импульсов примерно один импульс за пять - десять минут (пока соленоид ИЭМ не охладится до температуры не выше 50 ⁰C).

Рис. 4.2. Установка для генерации импульсных магнитных полей длительностью 10 мс с амплитудой индукции до 8.5 Тл.

Рис. 4.3. Установка для генерации импульсов магнитного поля заданной полярности длительностью примерно 6 мс с амплитудой индукции до 11 Тл.

5. Малогабаритный ИЭМ с проходным отверстием диаметром 6 мм и высотой рабочей зоны от 1 до 20 мм (амплитуда магнитной индукции в рабочей зоне до 15 Тл)

Повысить амплитуду магнитной индукции в рабочей зоне, не увеличивая подводимую к импульсному электромагниту мощность, можно, уменьшая диаметр проходного отверстия, насколько это возможно, и его высоту. Внешний вид ИЭМ с проходным отверстием диаметром 6 мм показан на рис. 5.1. ИЭМ использовался для исследований электромагнитных приводов и ускорителей, испытаний и магнитной обработки различных материалов, а также при проведении опытов с лазерными излучателями.

Рис. 5.1. ИЭМ с проходным отверстием диаметром 6 мм для генерации импульсных магнитных полей длительностью до 10 мс с амплитудой индукции до 15 Тл (внешний вид).

Размеры рабочей зоны ИЭМ: диаметр до 6 мм, высота от 1 до 20 мм (устанавливается с помощью полюсных наконечников). Габариты ИЭМ: высота не более 50 мм, ширина не более 65 мм, глубина не более 120 мм. Масса ИЭМ не более 0.8 кг.

ИЭМ использовался совместно с генераторами мощных импульсов тока [5 - 7]. Внешний вид установки в комплекте с однополярным импульсным генератором [6] показан на рис. 5.2. Эта установка позволяет получать импульсное магнитное поле длительностью 10 мс с амплитудой индукции 10.5 Тл (без полюсных наконечников), 11 Тл (один полюсной наконечник) и до 11.5 Тл (два полюсных наконечника). Максимальная частота следования импульсов: один импульс за три - четыре минуты. На рис. 5.3 представлена установка в комплекте с емкостным накопителем энергии 4 кДж 900 В [7], которая позволяет получать одиночные импульсы магнитного поля заданной полярности длительностью примерно 5 мс с амплитудой индукции до 15 Тл (в проходном отверстии ИЭМ без полюсных наконечников) при неполном заряде накопителя. С двумя полюсными наконечниками при полном заряде емкостного накопителя амплитуда индукции может достигать 18 Тл, но при этом ресурс ИЭМ сокращается существенно быстрее. Частота следования импульсов примерно один импульс за десять минут (пока соленоид ИЭМ не охладится до температуры не выше 30 ⁰C).

Рис. 5.2. Установка для генерации импульсных магнитных полей длительностью 10 мс с амплитудой индукции до 11.5 Тл.

Рис. 5.3. Установка для генерации импульсов магнитного поля заданной полярности длительностью примерно 5 мс с амплитудой индукции до 15 Тл (максимально до 18 Тл).

6. Малогабаритный ИЭМ для работы в жидком азоте с проходным отверстием диаметром 16 мм и высотой рабочей зоны 50 мм (амплитуда магнитной индукции в рабочей зоне не менее 10 Тл)

Для проведения исследовательских работ в среде жидкого азота разработан ИЭМ с проходным отверстием диаметром 16 мм (рис. 6.1). ИЭМ использовался для исследований магнитных свойств материалов при низких температурах.

Рис. 6.1. ИЭМ с проходным отверстием диаметром 16 мм для генерации импульсных магнитных полей длительностью до 25 мс с амплитудой индукции не менее 10 Тл при температуре кипящего азота (внешний вид).

Размеры рабочей зоны ИЭМ: диаметр до 16 мм, высота до 50 мм. Габариты ИЭМ: высота не более 80 мм без трубы с выводами, ширина не более 90 мм, глубина не более 100 мм, высота трубы с выводами 500 мм. Масса ИЭМ в сборе не более 3.5 кг.

ИЭМ разработан для совместного использования с емкостным накопителем энергии 4 кДж 900 В [7], дооборудованным интерфейсом для подключения к компьютеру. Данная установка (рис. 6.2) позволяет получать импульсное магнитное поле с задаваемой полярностью длительностью примерно 25 мс с амплитудой индукции до 10 Тл и выше (при температуре кипящего азота - около  77 K (-196 ⁰C)). Форма импульса магнитного поля, измеренная при комнатной температуре с помощью импульсного тесламетра [4], к выходу которого был подключен осциллограф UTD2102CEL-R, показана на рис. 6.3. Характеристики импульса соответствуют расчетным. При температуре кипящего азота амплитуда магнитной индукции будет больше примерно в полтора раза, длительность импульса также увеличится примерно в полтора раза.

Рис. 6.2. Установка для генерации импульсов магнитного поля заданной полярности длительностью примерно до 25 мс с амплитудой индукции до 10 Тл и выше (при температуре кипящего азота).

Рис. 6.3. Форма импульса магнитной индукции в центре рабочей зоны ИЭМ при комнатной температуре при максимальном заряде емкостного накопителя энергии 4 кДж 900 В: цена деления по вертикали 1 Тл/дел., по горизонтали - 5 мс/дел. Амплитуда магнитной индукции примерно 7.4 Тл.

7. Импульсный двухкатушечный индуктор в конфигурации системы катушек Гельмгольца с двухкоординатным доступом в зону однородного магнитного поля

В некоторых опытах при проведении измерений необходим как осевой, так и радиальный доступ в рабочую зону. Для этих целей может использоваться индуктор, состоящий из двух катушек Гельмгольца с внешним магнитопроводом [9] (см. рис. 7.1). Он имеет проходное отверстие диаметром не менее 20 мм и боковые окна сечением 10 х 40 мм².

Рис. 7.1. Внешний вид импульсного двухкатушечного индуктора.

В комплекте с емкостным накопителем энергии 16 кДж 1800 В [7] позволяет получать в рабочей зоне диаметром 10 мм высотой 10 мм импульсное однородное магнитное поле с амплитудой индукции не менее 7 Тл. Неоднородность магнитного поля в рабочей зоне не превышает 0.5 %. Внешний вид установки приведен на рис. 7.2. Форма импульса магнитного поля с амплитудой индукции 7.1 Тл, измеренная с помощью импульсного тесламетра [4] с подключенным к его выходу "1 В/Тл" осциллографом DSO2D15, показана на рис. 7.3. Перегрев обмоток индуктора при однократном импульсе тока от полностью заряженного емкостного накопителя 16 кДж 1800 В не превышает 50 ⁰C.

Рис. 7.2. Импульсный двухкатушечный индуктор в комплекте с емкостным накопителем 16 кДж 1800 В.

Рис. 7.3. Форма импульса магнитной индукции в центре рабочей зоны индуктора при подключении к емкостному накопителю энергии 16 кДж 1800 В: цена деления по вертикали 1 Тл/дел., цена деления по горизонтали 5 мс/дел. Амплитуда магнитной индукции 7.1 Тл.

8. Общие замечания

Измерения амплитуды магнитной индукции в установках производились с помощью импульсного тесламетра [4], к выходу которого подключался цифровой вольтметр и, при необходимости, осциллограф (для контроля формы импульса магнитного поля). В случае превышения амплитуды сигнала рабочего диапазона тесламетра пиковый вольтметр или осциллограф подключался непосредственно к выводам датчика Холла (на вход тесламетра).

Для расчета характеристик соленоидов ИЭМ и параметров импульсов тока и магнитного поля использовались программы Coil [1], dTWire [2] и UNI [3].

Импульсные электромагниты вышеприведенных конструкций позволяют многократно генерировать импульсные магнитные поля с амплитудой индукции до 10 ... 15 Тл (и даже выше) и длительностью до 10 ... 30 мс. Максимальные значения магнитной индукции могут быть получены при использовании в качестве импульсного генератора емкостного накопителя энергии [7] с подходящими параметрами.

При работе необходимо контролировать температуру обмотки ИЭМ, например, внутри проходного отверстия наощупь, с помощью датчика температуры или тепловизором, чтобы не допустить перегрева обмотки выше предела термостойкости изоляции обмоточного провода.

9. Соотношение между напряженностью и индукцией магнитного поля

В вакууме или воздухе:

(в системе единиц СИ)
где H – напряженность магнитного поля, B – индукция магнитного поля, m₀ = 4p ∙ 10^-7 В ∙ сек/А ∙ м = 4p ∙ 10^-7 Гн/м – магнитная постоянная [8].

Тл - тесла, кГс - килогаусс, МА/м - мегаампер на метр, кЭ - килоэрстед.

Ссылки:

1. Coil: Программа для расчета параметров и магнитного поля цилиндрического соленоида
2. dTWire: Программа расчета перегрева провода при одиночном синусоидальном импульсе тока
3. UNI: Программа расчета параметров импульса тока в активно-индуктивной нагрузке
4. Аналоговый импульсный тесламетр с датчиком Холла типа ПХЭ для измерения индукции магнитного поля
5. Генератор мощных импульсов тока биполярный
6. Генератор мощных импульсов тока однополярный
7. Генератор мощных импульсов тока (емкостной накопитель энергии)
8. Законы и уравнения магнитного поля
9. Импульсный двухкатушечный индуктор в конфигурации системы катушек Гельмгольца с двухкоординатным доступом в зону однородного магнитного поля
10. Карасик В. Р. Физика и техника сильных магнитных полей. - Издательство "Наука", Москва, 1964.
11. Кнопфель Г. Сверхсильные импульсные магнитные поля. Методы генерации и физические эффекты, связанные с созданием импульсных полей мегаэрстедного диапазона: Пер. с англ. - Издательство "Мир", Москва, 1972.
12. Лагутин А. С., Ожогин В. И. Сильные импульсные магнитные поля в физическом эксперименте. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 192 с. - ISBN 5-283-03910-2.
13. Паркинсон Д., Малхолл Б. Получение сильных магнитных полей: Пер. с англ. - М.: Атомиздат, 1971 г.
14. Сильные и сверхсильные магнитные поля и их применения: Пер. с англ. / Под ред. Ф. Херлаха. - М.: Мир, 1988. - 456 с., ил.

Словарь терминов:

• Амплитуда импульса - максимальное абсолютное значение величины, конкретизирующей импульс.
• Генератор импульсов - прибор или устройство для создания последовательности импульсов.
• Длительность импульса - длительность интервала времени, в течение которого величина, конкретизирующая импульс, имеет ненулевое значение.
• Импульсный генератор - генератор импульсов напряжения или тока.
• Импульсный электромагнит - электромагнит, питание которого осуществляется импульсами тока.
• Индуктор - генератор индукции.
• Катушка индуктивности - электрический контур (цепь), специально предназначенный для создания собственного магнитного поля за счет протекающего по контуру тока.
• Катушки Гельмгольца - система из двух одинаковых последовательно включенных цилиндрических соленоидов, расположенных соосно, причем расстояние между центрами соленоидов приблизительно равно их среднему радиусу. В центре системы имеется зона однородного магнитного поля.
• Магнитная индукция - вектор, численно равный пределу отношения силы, действующей со стороны магнитного поля на элемент проводника с электрическим током, к произведению тока и длины элемента проводника, если длина этого элемента стремится к нулю, а элемент так расположен в поле, что этот предел имеет наибольшее значение, и направленный перпендикулярно к направлению элемента проводника и к направлению силы, действующей на этот элемент со стороны магнитного поля, причем из его конца вращение по кратчайшему расстоянию от направления силы к направлению тока в элементе проводника должно быть видно происходящим против часовой стрелки.
• Магнитное поле - разновидность электромагнитного поля, создаваемая движущимися электрическими зарядами или токами и оказывающая силовое воздействие на движущиеся электрические заряды или токи.
• Однородное магнитное поле - магнитное поле, в каждой точке которого вектор магнитной индукции имеет одни и те же направление и величину.
• Сверхсильное магнитное поле - магнитное поле, индукция которого превышает 100 Тл (1000 кГс).
• Сильное магнитное поле - магнитное поле, индукция которого находится в диапазоне 5 ... 100 Тл (50 ... 1000 кГс).
• Соленоид (от греч. solen - трубка и eidos - вид) – осесимметричная катушка индуктивности.
• Тесламетр (гауссметр) - прибор для измерения магнитной индукции.
• Цилиндрический соленоид - соленоид в виде цилиндра с центральным цилиндрическим отверстием (если таковое имеется).
• Электромагнит - устройство, содержащее катушку индуктивности и магнитный контур (цепь).
• Электромагнитный привод - привод на основе электромагнита.

10.01.2007
14.01.2007
26.01.2007
02.02.2007
10.09.2010
28.01.2015
21.07.2015
07.07.2020
16.11.2024

Альтернативные источники энергии
Компьютеры и Интернет
Магнитные поля
Механотронные системы
Перспективные разработки
Электроника и технология

Главная страница