Ферромагнитный взрывной генератор электрического импульса

 

Использование: в автономных взрывных источниках, для создания источника начальной энергии для запитки взрывомагнитных генераторов, а также для устройств, где требуется импульсная электрическая энергия. Сущность изобретения: цилиндрический формирователь ударной волны создает цилиндрическую ударную волну, которая воздействует на расположенный коаксиально сердечник с набором радиальных пластин, размагничивает и вытесняет магнитный поток, формирующий электрический импульс в спиральной обмотке. 1 ил.

Изобретение относится к импульсной взрывной технике, в частности к взрывным источникам, которые могут быть использованы в экспериментальной и технической физике как импульсные источники тока.

Известен автономный взрывной генератор [1] содержащий полости сжатия магнитного потока, ограниченные и электрически соединенные между собой на входе генератора проводящей шиной и цилиндрическими проводниками с зарядами ВВ. Постоянные магниты из магнитодиэлектрика примыкают к шинам и цилиндрическим проводникам. Постоянные магниты выполнены в виде трапециевидных призм и расположены с чередованием относительно полостей сжатия, размещенных радиально в зазорах магнитов. Шины и наружные поверхности постоянных магнитов образуют цилиндрическую поверхность генератора.

Недостатком данного генератора является ограничение по индуктивности класса используемых нагрузок, определяемой конструкцией генератора. Из-за использования неэнергоемких барриевых постоянных магнитов низка начальная, а следовательно, и выходная энергия.

Наиболее близким к изобретению является ферромагнитный взрывной генератор электрического импульса [2] содержащий ферромагнитный сердечник, формирователь ударной волны (ФУВ) с системой инициирования и обмотку с выводами на нагрузку. Ферромагнитный сердечник выполнен из плоских шайб ферромагнетика, изолированных между собой. Формирователь плоской ударной волны расположен таким образом, что направление ударной волны перпендикулярно плоскости листов сердечника. Обмотка выполнена в виде одного витка, охватывающего кольцевой сердечник. При входе ударной волны в ферромагнетик он размагничивается и по закону сохранения магнитного потока в обмотке генератора возникает импульс тока.

Однако прототип имеет недостаточный уровень энергосъема с единицы объема из-за неоднородности магнитного поля в сердечнике, создаваемого обмоткой с ограниченным числом витков. Расположение пластин в сердечнике перпендикулярно направлению воздействия ударной волны и наличие изоляции из фторопластовой пленки 30 мкм между пластинами ведет к быстрому затуханию ударной волны в сердечнике, что ведет к ограничению объема сердечника и снижению энергосъема генератора. В прототипе рабочая обмотка, с которой снимается выходной импульс, одновитковая, что приводит к работе данного генератора только на низкоиндуктивные нагрузки.

Целью изобретения является увеличение энергосъема и расширение класса используемых нагрузок.

Для этого в ферромагнитном взрывном генераторе электрического импульса, содержащем ферромагнитный сердечник, формирователь ударной волны с системой инициирования и обмотку с выводами на нагрузку, формирователь ударной волны (ФУВ), сердечник и обмотка выполнены цилиндрическими и расположены коаксиально, система инициирования ФУВ расположена на оси генератора, причем ФУВ расположен внутри ферромагнитного сердечника с радиальным набором пластин, а обмотка выполнена спиральной и расположена на наружной поверхности сердечника.

Сердечник и обмотка в прототипе выполнены в виде тороида. При размагничивании сердечника ударной волной в цепи выходной обмотки и нагрузки возникает ток, который создает магнитное поле, равное H (1) где Н напряженность магнитного поля; I ток в обмотке с нагрузкой; r расстояние от оси тороида.

Энергия в тороидальной обмотке генератора равна E (2) где Φ_o магнитный поток в сердечнике; L индуктивность тороида.

Съем энергии с единицы размагничиваемого ферромагнетика равен E₁= · K· (3) где V_ф объем ферромагнетика; r₁, r₂ внутренний и наружный радиусы тороида соответственно.

Величина К зависит только от отношения r₂/r₁ тороида и всегда К < 1. При r₂/r₁=5 К=0,8, r₂/r₁=10, К=0,7.

Таким образом, в прототипе съем энергии с единицы объема ферромагнетика всегда меньше значения Н_o²/8 π.

В предлагаемом генераторе при размагничивании сердечника в обмотке возникает ток, который создает однородное магнитное поле. Энергия в обмотке равна E₂= V_ф· (4)
Из формулы (4) видно, что съем энергии с единицы объема ферромагнетика в предлагаемом генераторе выше, чем в прототипе. Так как генератор-прототип имеет одновитковую обмотку, то работать он может только на низкоиндуктивную нагрузку. Это видно из формулы (2). С увеличением индуктивности нагрузки энергия в генераторе уменьшается. Если вместо нагрузки с индуктивностью L нГн подключить нагрузку с индуктивностью L мкГн, то величина энергии генератора уменьшится в 1000 раз. В предлагаемом генераторе обмотка наматывается в виде спирали непосредственно на сердечник генератора. Число витков обмотки зависит от индуктивности нагрузки. С увеличением индуктивности нагрузки число витков обмотки увеличивается. Следовательно, магнитный поток в обмотке также растет, но при этом энергия в генераторе не уменьшается, как в прототипе, а определяется только объемом ферромагнетика и не зависит от индуктивности нагрузки.

Формирователь ударной волны расположен внутри сердечника, а спиральная обмотка на наружной поверхности его. Благодаря таком расположению ударная волна не воздействует на обмотку до тех пор, пока не разрушится весь объем ферромагнетика.

Преимущество цилиндрической формы сердечника с радиальным набором пластин перед другими заключается в том, что при его использовании получается плотная упаковка ферромагнитного материала без дополнительных конструктивных элементов, располагаемых между формирователем ударной волны и сердечником, что способствует более эффективному действию ударной волны, а размещение обмотки непосредственно на сердечнике уменьшает потери выходной энергии.

Коаксиальное расположение ФУВ с помощью ФС позволяет производить инициирование заряда ВВ одним электродетонатором, размещаемым на оси генератора. Коаксиальная компоновка ФУВ сердечника и обмотки делает конструкцию генератора простой, технологичной, с плотной упаковкой пластин сердечника и высокоэффективным использованием заряда ВВ, что способствует увеличению съема энергии.

Варьируя величиной заряда ФУВ, объемом сердечника и числом витков обмотки, легко достигается согласование генератора с индуктивной или емкостной нагрузками в широком диапазоне.

На чертеже изображен предлагаемый ферромагнитный взрывной генератор электрического импульса.

Ферромагнитный взрывной генератор электрического импульса содержит ферромагнитный сердечник 1, формирователь 2 цилиндрической ударной волны с системой 3 инициирования и обмотку 4 с выводами 5 на нагрузку. Формирователь 2 ударной волны, сердечник 1 и обмотка 4 выполнены цилиндрическими и расположены коаксиально. Система 3 иницирования формирователя 2 ударной волны расположена на оси предлагаемого генератора. Формирователь 2 ударной волны расположен внутри сердечника 1 с радиальным набором пластин. Обмотка 4 выполнена спиральной и расположена на наружной поверхности сердечника 1. Кроме того, предлагаемой генератор содержит цилиндрический элемент 6, являющийся короткозамкнутым витком, магнитопроводы 7 и 8 и постоянный магнит 9. Для формирования цилиндрической ударной волны используется ФУВ с фокусирующей системой 10.

Ферромагнитный взрывной генератор электрического импульса работает следующим образом.

С помощью постоянного магнита 9 через магнитопроводы 7 и 8 производится намагничивание сердечника 1. При подаче электрического импульса на электродетонатор он инициирует заряд ВВ фокусирующей системы (ФС) 10. Продукты взрыва разгоняют стенки конических лайнеров ФС, подлетающих одновременно к внутренней поверхности цилиндрического заряда формирователя 2 ударной волны. Происходит подрыв заряда и в нем формируется расходящаяся цилиндрическая детонационная волна. Под действием продуктов взрыва в сердечнике возникает расходящаяся цилиндрическая ударная волна, размагничивающая ферромагнетик. Высвободившийся магнитный поток формирует в обмотке 4 электрический импульс, который через выводы 5 передается в нагрузку.

В примере конкретного выполнения ферромагнитный генератор состоит из формирователя расходящейся цилиндрической ударной волны (ФУВ), ферромагнитного цилиндрического сердечника с обмоткой и системой намагничивания. Ударное размагничивание сердечника ФМГ производится с помощью взрыва заряда с внешним и внутренним диаметром 57,8 мм и 32 мм соответственно, высотой 24 мм, расположенного между дюралюминиевыми коническими основаниями и цилиндром 6. Для формирования расходящейся цилиндрической детонационной волны в заряде ФУВ 2 используется фокусирующая система 10, состоящая из двух конических лайнеров из АМц с толщиной стенки 0,3 мм, высотой 12,5 мм и углом при вершине конуса 43^о20' и заряда ВВ, расположенного между лайнерами и коническими основаниями. Цилиндр 6 с толщиной стенки 0,5 мм является короткозамкнутым витком, препятствующим выходу магнитных силовых линий внутрь генератора. Он является также каркасом сердечника 1.

Сердечник 1 состоит из изолированных пластин (25х5х0,1-0,3). Намагничивается сердечник 1 двенадцатью самарий-кобальтовыми магнитами 9 с размерами 20х18х5 с помощью стального кольцевого магнитопровода 7 с двенадцатью гранями по периферии, разделенного разрезами на двенадцать секторов, и двенадцати стальных элементов 8 магнитопровода, замыкающих магнитные цепи каждого из двенадцати блоков пластин сердечника 1.

По сравнению с прототипом в предлагаемом генераторе увеличен энергосъем с единицы объема в 1,7 раза. В прототипе энергосъем с 1 см³ равен 0,23 Дж, а в предлагаемом генераторе 0,4 Дж с 1 см³.

Формула изобретения

ФЕРРОМАГНИТНЫЙ ВЗРЫВНОЙ ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПУЛЬСА, содержащий ферромагнитный сердечник, формирователь ударной волны с системой инициирования и обмотку с выводами на нагрузку, отличающийся тем, что, с целью увеличения энергосъема и расширения класса используемых нагрузок, формирователь ударной волны, сердечник и обмотка выполнены цилиндрическими и расположены коаксиально, система инициирования формирователя ударной волны расположена на оси генератора, причем формирователь ударной волны расположен внутри сердечника, выполненного в виде радиального набора пластин, а обмотка выполнена в виде спирали и расположена на наружной поверхности сердечника.

РИСУНКИ

Рисунок 1