Устройство магнитной фокусировки
Изобретение относится к электротехническому оборудованию для мощных электронно-лучевых приборов СВЧ, в частности к магнитным фокусирующим устройствам с использованием длинного соленоида с жидкостным охлаждением. Техническим результатом является снижение потребляемой мощности и повышение надежности. Устройство содержит выполненный из немагнитного материала корпус с патрубками для подачи и отвода охлаждающей жидкости, состоящий из коаксиальных внутреннего и наружного цилиндров с торцевыми фланцами, систему соединенных последовательно катушек, закрепленных на втулках, которые установлены на внутреннем цилиндре корпуса вдоль его оси, систему обечаек, размещенных коаксиально с катушками и выполненных из изоляционного материала, при этом внутренний радиус обечаек больше наружного радиуса катушек. Каждая катушка выполнена монолитной и состоит из двух секций с перегородкой из изоляционного материала, которая размещена между секциями и выполнена в виде диска. Перегородки четных катушек выступают за пределы наружного радиуса катушек и закреплены по периметру между соответствующими обечайками. Втулки четных катушек выполнены с продольными пазами на наружных поверхностях, а между торцами соседних катушек установлены радиальные дистанцирующие планки, которые размещены между пазами втулок четных катушек идентично для каждой пары из системы катушек. Секция каждой катушки выполнена в виде одинарной или двойной дисковой обмотки из эмалированного прямоугольного провода с межвитковыми слоями пропиточной бумаги. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к электротехническому оборудованию для мощных электроннолучевых приборов СВЧ, в частности к магнитным фокусирующим устройствам с использованием длинного соленоида с жидкостным охлаждением, и предназначено для создания постоянного магнитного поля в объеме электроннолучевых приборов типа ЛБВ, ЛОВ и плазменно-пучковых приборов.
Соленоид для мощных приборов СВЧ подключается к источнику питания постоянного тока ограниченной мощности и должен отвечать следующим требованиям: - минимальная потребляемая мощность при массе обмоток, не превышающей допустимую; - высокая стойкость к механическим и тепловым воздействиям, что обеспечивает необходимую надежность устройства. Соленоид выполняется с жидкостным охлаждением и представляет собой систему катушек, внутри которой располагается прибор СВЧ с заданными наружным диаметром и высотой, поэтому внутренний радиус катушек Rв и полная высота соленоида Н, как правило, являются заданными. Из теории цилиндрического соленоида, например [1], могут быть получены следующие соотношения: mоб = 2R3вc(2-1) (2), G(,) = F1(,)F2(,) (4), где Р, mоб и J - соответственно потребляемая мощность, масса обмотки и плотность тока в витках катушек;Во - заданное магнитное поле в центральной части соленоида на его оси;
RH - наружный радиус соленоида;
, - удельное электрическое сопротивление и плотность материала обмотки;
0 - магнитная постоянная;
- коэффициент заполнения проводящим материалом проводников геометрического сечения соленоида;
W и Sw - число витков соленоида и сечение витка. Из представленных соотношений (1)-(6) следует, что с увеличением наружного радиуса и коэффициента потребляемая мощность Р снижается, а масса обмоток возрастает, поэтому значение коэффициента выбирается наибольшим с учетом допустимого значения массы обмоток. При выбранных значениях коэффициентов и основное влияние на снижение потребляемой мощности Р оказывает коэффициент заполнения c, который должен быть максимально увеличен. При повышении этого коэффициента уменьшается плотность тока, что приводит к снижению температуры витков катушек, уменьшению удельного сопротивления и дополнительному снижению потребляемой мощности, а также создаются более благоприятные условия для теплоотвода с использованием охлаждающей жидкости и повышается надежность устройства. Таким образом, для снижения потребляемой мощности и увеличения надежности устройства магнитной фокусировки с использованием соленоида необходимо выполнять следующие условия:
- осевое расстояние между торцами соседних катушек должно быть минимальным;
- коэффициент заполнения сечения каждой катушки проводящим материалом должен быть наибольшим;
- катушки должны быть монолитными, а вся система надежно стянута. Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому техническому решению и выбранной в качестве прототипа является конструкция устройства магнитной фокусировки с использованием охлаждаемого жидкостью соленоида [2], содержащего корпус, который выполнен из немагнитной стали, состоит из внутреннего и наружного коаксиальных цилиндров с фланцами на торцах и имеет патрубки для подачи и отвода охлаждающей жидкости. На внутреннем цилиндре установлена система последовательно соединенных катушек, намотанных медной лентой с межвитковой изоляцией. При этом на внутренней поверхности наружного цилиндра размещены обечайки из изоляционного материала для формирования системы охлаждения. В зазорах между торцами соседних катушек размещены дисковые перегородки из изоляционного материала с вырезами по периметру внутреннего диаметра для формирования радиальных охлаждающих каналов, по которым циркулирует жидкость в противоположных направлениях. При этом каждая перегородка закреплена по периметру наружного диаметра между соответствующими соседними обечайками. Поступающая снизу охлаждающая жидкость омывает торец нижней катушки и попадает в канал кольцевого сечения, ограниченный наружной поверхностью катушки и внутренней поверхностью обечайки, омывает верхний торец этой же катушки, двигаясь в радиальном направлении в канале между дисковой перегородкой и торцом катушки, проходит через вырезы в перегородке, изменяя направление движения на 180o, вновь движется в канале между верхней поверхностью той же перегородки и торцом следующей катушки. При указанной системе охлаждения даже при малой высоте радиальных каналов (1,5-2) мм зазор между торцами соседних катушек составляет не менее (4,5-5) мм, кроме того, коэффициент заполнения медью сечения катушек даже при достаточно большой толщине ленты (например - 0,2 мм) и толщине межвитковой изоляции 0,05 мм невелик. Поэтому и результирующий коэффициент заполнения c не превышает значения 0,55, что приводит к увеличению потребляемой мощности. Другой существенный недостаток, отмеченный в [2] - "наличие токов утечки между торцами катушек" и возможная эрозия торцевых частей меди, имеющих электрический контакт с охлаждающей жидкостью. При этом велика вероятность появления короткозамкнутых витков катушек, что не соответствует требованию надежности соленоида. В основу изобретения положена задача снизить потребляемую соленоидом мощность и увеличить надежность устройства. Для достижения указанного технического результата в предлагаемом устройстве магнитной фокусировки, содержащем выполненный из немагнитного материала корпус с патрубками для подачи и отвода охлаждающей жидкости, состоящий из коаксиальных внутреннего и наружного цилиндров с торцевыми фланцами, систему соединенных последовательно катушек, закрепленных на втулках, которые установлены на внутреннем цилиндре корпуса вдоль его оси, систему обечаек, размещенных коаксиально с катушками и выполненных из изоляционного материала, при этом внутренний радиус обечаек больше наружного радиуса катушек, каждая катушка системы выполнена монолитной, состоит из двух секций с перегородкой из изоляционного материала, которая размещена между секциями и выполнена в виде диска, при этом перегородки четных катушек выступают за пределы наружного радиуса катушек и закреплены по периметру между соответствующими обечайками, кроме того, втулки четных катушек выполнены с продольными пазами на наружных поверхностях, а между торцами соседних катушек установлены по радиусу дистанцирующие планки, которые размещены между пазами втулок четных катушек идентично для каждой пары из системы катушек. Предусмотрено, что секция каждой катушки выполнена в виде одинарной дисковой обмотки из эмалированного прямоугольного провода, при этом между витками каждой дисковой обмотки и на торцевых поверхностях катушки помещен слой пропиточной бумаги. Предусмотрено, что секция каждой катушки выполнена в виде двойной дисковой обмотки из эмалированного прямоугольного провода, при этом между витками каждого диска обмотки, между дисками каждой двойной дисковой обмотки и на торцевых поверхностях катушки помещен слой пропиточной бумаги. Сопоставительный анализ конструкции предлагаемого устройства магнитной фокусировки с уровнем техники и отсутствие описания аналогичных технических решений в известных источниках информации позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого устройства критерию "новизна". Заявленное устройство характеризуется совокупностью признаков, проявляющих новые качества, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень". На фиг. 1 и 2 схематически показано устройство магнитной фокусировки с продольным разрезом и в поперечном (А-А) сечении соответственно. На фиг.3 и 4 показаны конструкции четных катушек, секции которых выполнены в виде одинарных или двойных дисковых обмоток соответственно, с продольным разрезом. Устройство магнитной фокусировки снабжено выполненным из немагнитного материала корпусом с патрубками для подачи и отвода охлаждающей жидкости, который состоит из расположенных коаксиально относительно оси симметрии Z внутреннего 1 и наружного 2 цилиндров, а также двух торцевых фланцев 3 и 4. При этом на внутреннем цилиндре 1 установлена система соединенных последовательно нечетных 5 и четных 6 катушек, которые закреплены на втулках 7 и 8 соответственно, причем втулки 8 четных 6 катушек выполнены с продольными пазами на их наружных поверхностях. Любая из катушек 5 и 6 системы выполнена монолитной и состоит из объединенных в монолит двух секций 9, которые разделены соответственно перегородками 10 и 11 из изоляционного материала. Коаксиально системе катушек в корпусе размещена система обечаек 12, которые выполнены из изоляционного материала и имеют внутренний радиус, превышающий наружный радиус RH, катушек 5 и 6. При этом перегородки 11 четных катушек 6 выступают за пределы наружного радиуса RH катушки 6 и закреплены по периметру между соответствующими обечайками 12, а перегородки 10 нечетных катушек 5 не перекрывают осевой канал между поверхностями по наружному радиусу катушки 5 и внутреннему радиусу соответствующей обечайки 12. Дистанцирующие радиальные планки 13 (см. фиг.2), формирующие радиальные каналы системы охлаждения, установлены между торцами соседних четной 6 и нечетной 5 катушек и размещены между пазами втулок 8 четных катушек 6 идентично для каждой пары катушек. Секции 9 любой из катушек 5, 6 выполнены либо в виде одинарной (см. фиг. 3), либо в виде двойной (см. фиг.4) дисковой обмотки из эмалированного прямоугольного провода. При этом в первом случае между витками 14 каждой дисковой обмотки и на торцевых поверхностях катушек 5, 6 помещены слои пропиточной бумаги 15 и 16 соответственно. А во втором случае дополнительно к слоям пропиточной бумаги 15 и 16 помещен слой пропиточной бумаги 17 между дисками каждой двойной дисковой обмотки. Для формирования нижнего и верхнего радиальных каналов охлаждения соленоида предусмотрены перегородки 18 и 19. Для монолитного выполнения катушек 5, 6 с секциями 9 и соответствующей перегородкой 10 или 11 в любой из катушек после намотки на соответствующую втулку 7 или 8 катушка помещается в стяжное устройство и пропитывается компаундом, при этом межвитковая, междисковая и торцевая наружная изоляции 15, 17 и 16 из пропиточной бумаги обеспечивают необходимую монолитность катушек после пропитки. Вся система катушек стягивается с помощью фланцев 3 и 4, что обеспечивает необходимую механическую прочность соленоиду. Система охлаждения предлагаемого устройства построена следующим образом: охлаждающая жидкость поступает на вход нижнего патрубка корпуса, опускается вниз в полости между наружным цилиндром 2 корпуса и нижней (первой по ходу хладагента) обечайкой 12, поступает в радиальный канал, образованный нижним фланцем 3 и нижней перегородкой 18, поворачивает на 180o в вырезах этой перегородки, омывает нижний торец нижней (первой по ходу хладагента) нечетной катушки 5, проходит в осевой канал между наружной поверхностью этой катушки и внутренней поверхностью нижней обечайки 12, поворачивает на 90o в радиальный канал между торцами нижней нечетной 5 и расположенной над ней (второй по ходу хладагента) четной 6 катушек, через пазы во втулке 8 четной катушки 6 проходит в радиальный канал между торцами соседних (второй и третьей по ходу хладагента) четной 6 и расположенной над ней нечетной 5 катушек и т.д., до выхода из системы. В реализованном варианте исполнения при высоте радиальных каналов (зазоры между торцами соседних катушек) 1,7 мм перепад давления жидкости в системе вход - выход не превысил 1,5 атм при расходе жидкости 20 л/мин. Таким образом, в предлагаемом устройстве магнитной фокусировки с представленной выше системой охлаждения выполнение всех катушек системы двухсекционными с перегородкой между секциями при закреплении перегородок четных катушек между обечайками, наличии, кроме того, продольных пазов на втулках четных катушек, а также размещении дистанцирующих все катушки системы радиальных планок между пазами втулок четных катушек идентично в каждой паре соседних четной и нечетной катушек, позволяет существенно уменьшить высоту радиальных каналов охлаждения и, следовательно, увеличить коэффициент заполнения объема соленоида медью катушек. Применение эмалированного провода позволило существенно увеличить коэффициент заполнения медью сечения катушек, а все в совокупности существенно увеличить коэффициент заполнения c, что приводит к уменьшению потребляемой мощности Р, а также к повышению надежности устройства за счет снижения плотности тока и облегчения теплового режима соленоида. Монолитные катушки, отсутствие электрического контакта эмалированного провода и покрытых лаком мест соединений с охлаждающей жидкостью (что исключает явление эрозии поверхности меди) также позволяют обеспечить необходимую надежность устройства. В реализованном варианте при высоте радиальных каналов 1,7 мм, толщине пропиточной бумаги 0,05 мм и проводе ПЭЭИП 6,31,25 коэффициент заполнения составил: c=0,75, больше, чем при использовании провода того же сечения марки ПСДК (c= 0,69) и значительно больше, чем в указанном прототипе (c= 0,55), что позволило снизить среднюю температуру витков катушки до 75oС (при температуре на входе 50oС) и уменьшить потребляемую мощность. Для конкретных параметров, соответствующих разработанному устройству (Во=0,267 Тл; Rв=0,062 м; = 5,4; =1,75; 75 = 0,02110-6 Oмм; =8900 кг/м3; c=0,75), потребляемая мощность Р составила 10 кВт. В прототипе при тех же индукции и соотношениях размеров и c=0,55 мощность превышает 14 кВт. Используемая литература
1. Д. Монтгомери. Получение сильных магнитных полей с помощью соленоидов, изд. "Мир", Москва, 1971. 2. Труды ВЭИ под ред. И.К.Решидова, Москва, Информэлектро, 1990, стр. 81-84, Исследование и разработка цилиндрических соленоидов из ленточных катушек, охлаждаемых водой. И.В. Ермилов, Е.И. Степаненко (прототип).
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4