Преобразователь энергии взрыва химического взрывчатого вещества в электромагнитную энергию

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 02 N 11/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Е (21) 3604226/25 (22) 07.04.83 (46) 30.12.92. Бюл. № 48 (72) А.А. Бриш, В.С. Фоменко и В.В, Михеев (56) Авторское свидетельство СССР .

N 321190, кл, Н 02 N 11/00, 1975.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1079148, кл. Н 02 N 11/00, 1982. (54Х57) 1 ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ

ВЗРЫВА ХИМИЧЕСКОГО ВЗРЫВЧАТОГО

ВЕЩЕСТВА В ЭЛЕКТРОМАГНИТНУЮ

ЭНЕРГИЮ, содержащий заключенные в корпус последовательно соединенные между собой проводящие контуры сжатия, в каждом из которых обьединены одновитковый пассивный соленоид, разрезанный по образующей диаметрально зазору. образованному его концами, и эксцентрично расположенная в полости одновиткового соленоида по отношению к его зазору цилиндрическая активная оболочка, заполненная взрывчатым веществом с капсюль-детонаторами, разрезанная по образующей и концами разреза электрически замкнутая с концами пассивного соленоида, причем соленоиды расположены в одной плоскости по кругу, концами обращены на периферию круга, а разрезами — к центру и электрически соединены между собой и с выходом на потребитель, размещенным в центральной части круга. и устройство для создания начального магнитного потока, включающее постоянные магниты, внутренние разнополюсные торцы которых примы Ы„, 1158007 Al кают к торцам соленоидов, а внешние замкнуты магнитопроводом, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью увеличения КПД путем уменьшения электромагнитной энергии за счет снижения паразитной индуктивности на соединениях одновитковых пассивных соленоидов между собой и с потребителем, контуры сжатия выполнены из цельнометаллической шины с жестким изоляционным материалом на внешней поверхности соленоидов, а части шины, примыкающие к разрезам соленоидов, сведены в направлении к центральной части под углам а, определяемым соотношением а =2arcsin(-(- -), R

1 где I — расстояние от оси кругового расположения одновитковых пассивных соленоидов до оси пассивного соленоида;

R — внутренний радиус одновиткового пассивного соленоида:

I1 — расстояние от оси кругового расположения одновитковых пассивных соленоидов до пересечения внутренних токонесущих поверхностей частей шины, примыкающих к разрезусоленоида, причем

I«(I.

2,Преобразователь по п.1. о т л и ч а ющ.и и с я тем, что концы цельнометаллической шины размещены непосредственно вблизи центра кругового расположения контуров сжатия.

1158007

Изобретение относится к устройствам импульсной техники, а именно к одноразовым (взрывным) устройствам, способным генерировать большие короткоимпульсные токи в потребителях электромагнитной

=-нергии, По своему назначению оно может быть применено в экспериментальной итехнической физике быстропротекающих процессов, в частности для инициирования электродетонаторов, изучения поведения свойств веществ в экспериментальныхусловиях, Целью изобретения является увеличение КПД преобразователя путем уменьшения потерь электромагнитной энергии за счет существенного снижения (практически до нуля) конечной (паразитной) индуктивности на соединениях контуров сжатия между собой и с потребителем энергии с одновременным уменьшением веса контуров сжатия преобразователя при сохранении его габаритных характеристик.

На фиг,1 схематически изображен преобразователь, поперечный разрез (последовательное соединение пяти проводящих контуров сжатия); на фиг,2 — сечение А-А на фиг,1; на фиг.3 — центральная часть поперечного сечения преобразователя, поясняагца» р: r;!.ñëîæå-!ve выхода к потребителю (концов целлнометаллической шины) вблизи це»трз кругового расположен.:я одновит;;„a .i;, г:асc ивных соленоидов; на фиг.4 и 5— сх -.. ы.:ас гей преобразователей, поя-.íÿþuve расчетное оооснование достижения цели изобретения; (на фиг.4 -- схема для извест;oão технического решения-прототип"., !a фиг,5 — схема для предлагаемого решения), Преобразователь энергии (см. фиг.1) состоит из изоляционного корпуса 1, контуров с>катия, выполненных из цельнометаллической шины, из которой сделаны одновитковые пассивные соленоиды 2, последовательно соеди. енные между собой и с выходом 3 на потребитель энергии в местах разрезов 4 пассивных соленоидов, и соответствующее число эксцентрично расположенных в полостях одновитковых пассивных соленоидов цилиндрических активных оболочек 5 (на фиг.1 показано соединение пяти одновитковых пассивных соленоидов и пяти цилиндрических активных оболочек), Концы цельноме таллической шины (т.е, выход 3 к потребителю энергии) подведены к оси кругового расположения одновитковых пассивньix соленоидов, При необходимости концы цельнометаллической шины могут быть выведены на периферию корпуса. Активные оболочки 5 заполнены ВВ 6. К торцам зарядов.подведены одинаковой длины шнуры 7, 5

55 которые исходят от капсюль-детонатора (капсюль-детонатор не показан). Торцы зарядов прикрыты инертными изоляционными насадками 8, препятствующими разлету продуктов В8 в сторону торцов заряда. Напротив каждого заряда 9, образованного концами пассивного соленоида, выполнен разрез 10 активной оболочки по ее образующей. Концы разреза активной оболочки электрически замкнуты с концами зазора пассивного соленоида. К торцам пассивных соленоидов примыкают постоянные магниты 11 с полюсными наконечниками 12, внешние разнополюсные торцы постоянных магнитов замкнуты магнитопроводом

13. Преобразователь помещен в изоляционную оболочку 14. Инициирование ВВ в каждом заряде может выполняться по оси 15 активной оболочки 5.

Располо>кение концов цельнометаллической шины (т.е. выхода 3 к потребителю энергии) вблизи центра кругового расположенич одновитковых пассивных соленоидов показано на фиг,3.

Для предлагаемого преобразователя выполнение частей одновитковых пассивных соленоидов со стороны их разрезов частями 16 цельнометаллической шины показано на фиг.1. Для обеспечения жесткости соединений частей одновитковых пассивных соленоидов со стороны их разрезов в центре кругового расположения пассивных соленоидов установлен изолятор 17.

Последовательное соединение двух и более одновитковых пассивных соленоидов, располо>кенных по кругу в одной плоскости на минимальном и одинаковом расстоянии друг от друга. можно выполнить из монолитного изоляционного диска (корпуса) высотой h и площадью поперечного сечения S путем высверливания в нем соответствующего числа отверстий с последующей доработкой центральной части диска.

По внутренней поверхности обработанного изоляционного диска располагается цельнометаллическая шина — фольга (см. фиг.3).

Для повышения надежности одновременного инициирования зарядов ВВ разводка от одного (или двух) капсюль-детонатора может быть подведена к зарядам ВВ с обоих торцов преобразователя (см. фиг,2).

Для уменьшения разогрева токами Фуко полюсных наконечников последние могут быть выполнены набором пластин из материала с большой магнитной проницаемостью.

Преобразователь энергии работает ñëåдующим образом. Сигнал от капсюль-детонатора по детонационным шнурам 7

1158007 одновременно подходит к торцам зарядов, детонируя ВВ 6. Под действием образовавшихся продуктов ВВ цилиндрические активные оболочки (кольца) 5 расширяются, захватывая магнитный поток, заключенный 5 между активными кольцами 5, одновитковыми пассивными соленоидами 2 и частями

16 цельнометаллической шины, вытесняют его в потребитель энергии, подключенный к выходу 3. Одно из положений для одного 10 активного кольца на стадии работы преобразователя показано пунктирной линией 18 (фиг.1). На конечной стадии работы преобразователя роль активного кольца может выполнить введенная обечайка 19 (часть ак- 15 тивного кол,ьца, см. фиг.1), закрепленная в

-изоляторе 20, который изолирует собой активное кольцо и обечайку от полюсного наконечника 12.

Достоверность достижения цели изо-,20 бретения подтверждается нижеследующим. расчетом, для чего на фиг,4 и 5 приведены основные буквенные обозначения размеров элементов известного и предлагаемого преобразователей. .. 25

Для оценки КПД предлагаемого преоб-. . разователя и преобразователя по известному техническому решению необходимо, прежде всего, оценить величины, определяющие КПД сравниваемых устройств. 30

Сравнение конечной (параэитной) индуктивности преобразователей, выполненных по известному техническому решению и по предложенному решению, когда концы цельнометаллической шины расположены 35 на радиусе r от центра кругового расположения одновитковых пассивных соленоидов.

Конечную (паразитную) индуктивность

L1 каскадного преобразователя, образован- 40 ного последовательным соединением одновитковых пассивных осленоидов по известному техническому решению (2), можно представить как (см, фиг.4)

45 -1 =Po ,2

+„и (1} а для предложенного преобразователя (см. фиг.5) как -2 =/ 0 .

ЛГ (2) при

2 тг

И b,+2нh +иh. где R» — радиус диска (корпуса);

h — высота диска или высота цельнометаллической шины;

N —-. .количество каскадов;

r — радиус цилиндрической полости в центральной части проводящего корпуса в известном преобразователе(2);

r — радиус цилиндрической полости в центральной части предлагаемого преобразователя; ,и — магнитная проницаемость;

4, — толщина изолятора;

Ь»и — толщина цельнометаллической шины;

Л вЂ” ширина разреза одновиткового пассивного соленоида;

A(N) = =sin()(1+sin(<)) - oTR» ношение, которое следует из рассмотрения подобных треугольников 001С1 и ОВС (см. фиг.4), где R — внутренний радиус одновит- . кового пассивного соленоида, Возьмем отношение величин (1) и (2):

1 2

R 1— - 2А-r — ИЬ+ > (3)

При Л= 0,1 см; R» =. 3 см;

Лш=0,1 см; N=5 находим, что

r 0334см; А=037;r=0318см, Тогда отношение (3) составит — =1,9, L1 -2

Следовательно, при одинаковом количестве последовательно соединяемых каскадов (контуров сжатия) конечная (паразитная) индуктивность предложенного преобразователя примерно в 2 раза меньше, чем у преобразователя по известному техническому решению.

Сравнение конечной (паразиткой) индуктивности известного преобразователя и предлагаемого, когда концы цельнометаллической шины расположены вблизи центра кругового расположения одновитковых пассивных соленоидов.

Для данного случая в предложенном прсобраэователе радиус цилиндрической полости в центральной части кругового расположения одновитковых пассивных соленоидов принимает минимальное значение (см. фиг,3), равное

Л» г — rmin — + Аи + Ь.

Тогда при вышепринятых значениях Ь, Ьы. R», Й, Ьи = 0,1 см иэ(3) получим, что

l1 — =3, L2

1158007

Вывод; конечная (паразитная) индуктивность предложенного преобразователя в три раза меньше, чем у преобразователя по известному техническому решению.

Сравнение начальных индуктивностей предложенного и известного преобразователей при одинаковых их габаритах.

Начальная индуктивность преобразователя по известному техническому решению определяется соотношением

Sо x R го

i1О =Р N — =Po N и h где So — площадь поперечного сечения между внешним радиусом го активной оболочки и внутренним радиусом R пассивного соленоида (GM. фиг,4), а начальную индуктивность предлагаемого преобразователя можно определить как

So Я

L2O — — ро М(— + — } =

= и (л(В2 — а) +(1 — r - Я) тя,), h где ЯЛ вЂ” площадь части поперечного сечения Одновиткового пассивного соленоида, ограниченная частями 16 цельнометаллической шины, сведенными под углом а = 2 ггсз п (— — -) в направлении к центR — 1 ральной части корпуса, и Обечайкой 19 (см, фиг.1 и 51, Tarvia Огношение индуктивностей

1,,и

+ — -=

L>o S: а

\ l — г — й)

l 7 (4)

Л (Р2 — 1o) при значениях величин

r = 0,3-0,5 см; R = 2-5 см;

I -2R =4 — 10см; го . 1 — 1,5см, входя цих в отношение (4), составит

L2o

1,5

Вывод,начальная (полезная) индуктивность предлагаемого преобразователя увеличивается по сравнению с известным преобразователем при одинаковых габаритах преобразователей.

Сравнение рассеянной энергии магнитного потока на конечной (паразитной) индуктивности известного и предлагаемого преобразователей.

При одинаковой начальной энергии и редлагаемого (W2o) и известного (W1o) преОбразователей и при работе их на одинаковые конечные индуктивности (L1< = L2< = («) при одинаковых их габаритах конечный ток (l2,) предлагаемого преобразователя должен быть близким к конечному току (I1„) известного преобразователя.

Следовательно, выходную энергию преобразователей можно записать в виде

1 „1 „ I), W1 = 1/ /1п + 1/1/1р = — Ьк = — -1 +—

2 2 " 2

L1 для известного кагкадного преобразователя пРи L1» = Ьп + L1

W2 = И2п + W2P = - г-12к = — !-2п + -р- I 2

6к 6к 12к

2 для предлагаемого каскадного преобразователя пРи 1 2к = L2> + L2, ГДЕ О/1П, В/2п — КОНЕЧНаЯ (ПОЛЕЗНаЯ) ЭЛЕКТРОмагнитная энергия известного и предлагаемого преобразователей;

W1p, W2p энергия магнитного потока, рассеиваемая на конечной (паразитной) индуктивности известного и предлагаемого преобразователей; 1п, 2п — КОНЕЧНаЯ (ПОЛЕЗНаЯ) ИНДУКтИВность известного и предлагаемого преобразователей.

Тогда для рассеянной и полезной энергии преобразователей получим, что

W1p L1 1кр .. /1

30 W2p L2 (!2к L2

Мп - in . 1 2 /-1п

W2n L2n 2к L2n а с учетом данных, полученных в пп,1 и 2 теоретического Обоснования, будем иметь

35 WV L1 1И1п L1n /1/2Р L2 W2ï L2n -к Li /-к 3L2 (1 (5)

Lx L2 -к L2

Вывод: рассеянная энергия на конечной

40 (паразитной) индуктивности в предлагаемом преобразователе в 3 раза меньше, чем в преобразователе по известному техническому решению, Сравнение КПД известного и предло45 женного преобразователей, Цель изобретения направлена на обеспечение увеличения КПД преобразователя.

Действительно, КПД преобразователя можно представить в виде

50 КП Пп (В/о W)

N WBB Вlп Кп где М/и — конечная (полезная) электромагнитная энергия преобразователя;

И/о — НаЧаЛЬНаЯ ЭНЕРГИЯ МаГНИтНОГО ПО55 ля преобразователя;

Wp — энергия магнитного потока, рассеиваемая на конечной (паразитной) индуктивности преобразователя;

М/вв — энергия заряда ВВ;

1158007 /1 ) (6)

W1n W1n

W1P Ф/1 — >3 2Р В/1п <1

W2ï W2ï

P)

W1p

1/Ч1п

КПД1 W .

Тогда

W1n

Ч1/о 1/ /2Р

1 /гп Wzn

N SQ+

30 $1 так как

= — <1, В1

Вг так как

"/5 + < 1 а p

Wo И/1Р

B> W)n W)n

В2 1/Чо 1/ /2Р

1 — — ——

W2n WZn

1 — ()3) Вг (1

W2V

1 ——

И/2».

В= <1

W2n

Поскольку

W1Ð

1/1/1»

7,4 для меди и эбонита;

Р40 Ри

« 1/2Р

1/ /г»

N — количество зарядов ВВ.

Тогда для известного преобразователя а для предлагаемого преобразователя

ПД 1/ /гп (И/го 1/ /2Р)

N W2BB 1/ /гп W2n

При М/ю-Wzo-ЖМ/1вв-И/гвв-WBB и с учетом данных (5), полученных в п.4 расчетного обоснования, получим, что отноше-. ние слагаемого „„из (6) к слагаемому

И Р

101п из (7) составит значение

W2P /2п

Вывод: КПД предлагаемого преобразователя больше КПД известного преобразователя, Снижение веса проводящих контуров сжатия в предлагаемом преобразователе при одинаковых габаритах известного и предлагаемого преобразователей.

Снижение веса проводящих контуров сжатия в предлагаемом преобразователе достигается заменой проводящего корпуса и активных оболочек в известном преобразователе изоляционным корпусом и проводящей цельнометаллической шиной.

Вес контуров сжатия в преобразователе по известному техническому решению (2) можно записать в виде

P1 = (Si - M «.) h/ + a I. р, а вес контуров сжатия в предлагаемом преобразователе, как

P2 — — (S) — NS5 —.h i }hР +h I hР.

Здесь S> — часть площади поперечного сечения известного преобразователя, занятая проводящим корпусом и активными оболочками, т.е. металлом;

10 р - плотность материала проводящего корпуса известного преобразователя (плотность цельнометаллической шины) (напримерб для меди р=рс„=8,9 г/см ;для алюминияp =pal = 2,7 г/см );

h — высота корпуса преобразователей (высота цельнометаллической шины); р — плотность жесткого изоляционного корпуса предлагаемого преобразователя

20 (например, для эбонита р = = 1,2 г/cM );

iUj — длина цельнометаллической шины, Иэ сравнения Pi и Рг следует, что

2,25 для алюминия и эбонита, — 2 — 7,5.

Рг Р

Вывод: замена проводящего алюминиевого корпуса в известном преобразователе цельнометаллической алюминиевой шиной и изоляционным эбонитовым корпусом, как

50 предлагается в настоящем решении, приводит к снижению веса контуров сжатия в предлагаемом преобразователе более чем в

2 раза; замена проводящего медного корпуса в

55 известном преобразователе цельнометаллической медной шиной и изоляционным эбонитовым корпусом, как предлагается в настоящем решении, приводит к снижению веса контуров сжатия в преобразователе более чем в 7 раэ.

1158007

Из соображений обеспечения большего коэффициента сохранения магнитного потока чаще используют медные контуры сжатия.

Таким образом, результаты расчетного обоснования свидетельствуют о достижении цели изобретения, т.е. увеличения КПД путем повышения в 1,5 раза начальной (полезной) индуктивности при сохранении габаритов и снижения в 3 раза потери электромагнитной энергии на конечной (паразитной) индуктивности за счет уменьшения в 3 раза конечной (паразитной) индуктивности

5 на соединениях каскадов между собой и с выходом на потребитель энергии при одновременном снижении в 2 — 7 раз деса контуров сжатия

1158007

Составитель Е,Ефимов

Редактор Л.Письман Техред M,Moðãåíòàë Корректор Э.Лончакова

Заказ 571 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101