Способ генерации импульсных токов

 

Изобретение относится к импульсной технике, преимущественно к разделу мощной импульсной энергетики. Техническим результатом является повышение эффективности и кпд вывода энергии, а также улучшение в 1,5-2 раза массогабаритных показателей. Способ генерации импульсных токов включает создание магнитного поля вдоль оси трубы, выполненной из сверхпроводящих материалов, внутри которой находится обмотка, связанная с нагрузкой. Создают магнитное поле вдоль трубы, находящейся в нормальном (несверхпроводящем) состоянии, охлаждают трубу до температуры ниже температуры сверхпроводящего перехода, уменьшают внешнее магнитное поле, затем переводят трубу в нормальное состояние. Способ реализуют устройством, содержащим подключенную к источнику питания первичную обмотку, вторичную обмотку, подключенную к нагрузке, размещенный между ними магнитный экран, выполненный из сверхпроводника, а также блоки управления и охлаждения. Магнитная энергия запасается в объеме, ограниченном сверхпроводящей трубой, коэффициент связи которой с вторичной обмоткой может быть близок к единице, что обеспечивает кпд вывода энергии в нагрузку порядка 80-90%. 2 ил.

Изобретение относится к области электротехники, к разделу импульсной техники, преимущественно к разделу мощной импульсной энергетики. Изобретение может быть использовано для генерации мощных электромагнитных импульсов и серии электромагнитных импульсов, для создания импульсных магнитных полей, для питания лазеров и генераторов СВЧ-излучений.

Известен способ генерации импульсных токов с помощью магнитокумулятивного генератора [1], состоящего из соленоида, запитанного постоянным током, внутри которого размещены вторичная обмотка и электропроводящий цилиндр, заполненный конденсированным взрывчатым веществом (КВВ). Способ состоит в том, что запитывают соленоид постоянным током, затем поджигают заряд КВВ, горение КВВ увеличивает диаметр электропроводящего цилиндра, который “уплотняет” магнитное поле, и во вторичной обмотке возникает мощный импульс тока за счет изменения магнитного потока внутри вторичной обмотки.

Этот способ имеет следующие недостатки:

- одноразовость использования дорогостоящего оборудования,

- использование КВВ требует специальных условий, обеспечивающих безопасность работы и высокой механической прочности изделия в целом.

Прототипом может служить описание способа получения мощных импульсов тока, описанного в работе [2] в разделе "работа устройства", состоящего из первичной обмотки (соленоида), внутри которой размещена сверхпроводящая труба - магнитный экран, внутри которой, в свою очередь, размещены вторичная обмотка, соединенная с нагрузкой, и система охлаждения экрана.

Способ заключается в следующем: в соленоид вводят постоянный ток (в зазоре между соленоидом и сверхпроводящим магнитным экраном запасается энергия магнитного поля), для вывода энергии переводят экран в нормальное (несверхпроводящее) состояние (во вторичной обмотке возникает ток, вызванный изменением магнитного потока, проникающего через магнитный экран).

Основными недостатками этого способа являются сравнительно низкий кпд вывода энергии и низкие массогабаритные характеристики.

Количество запасаемой энергии плотностью w=B²/2·μ₀ запасается в зазоре между соленоидом (диаметром D₁) и экраном (диаметром D₂), и ее величина W₀~w(D²₁-D²₂) увеличивается при уменьшении D₂. Однако кпд вывода энергии кпд~D²₃/D²₁~D²₂/D²₁ уменьшается при уменьшении D₂ (соответственно уменьшается и диаметр вторичной обмотки D₃). Эффективность устройства пропорциональна кпд хW₀ и имеет максимальное значение при D²₁~2xD²₂, при этом коэффициент связи вторичной обмотки с нагрузкой К~0,5, а кпд вывода накопленной энергии менее 30%.

Низкие массогабаритные показатели устройства, работающего по способу, описанному в прототипе, связаны с тем, что диаметр первичной обмотки должен быть в 1,5-2 раза больше диаметра вторичной обмотки, т.к. энергия запасается в зазоре между экраном и первичной обмоткой.

Техническим результатом предложенного решения явилось устранение указанных недостатков, а именно повышение кпд и эффективности устройств накопления и вывода энергии с помощью сверхпроводящих магнитных экранов, значительное улучшение массогабаритных показателей таких устройств.

Повышение эффективности устройств накопления и вывода энергии с помощью сверхпроводящих магнитных экранов и повышения кпд осуществляется за счет того, что в предложенном способе энергия запасается в объеме, ограниченным экраном. При этом коэффициент связи между накопительной обмоткой, которой является теперь магнитный экран, и вторичной обмоткой, близок к единице.

Значительное снижение массогабаритных показателей и стоимости устройства в целом происходит за счет возможности уменьшения среднего диаметра первичной обмотки в 1,5-2 раза при обеспечении той же величины запасаемой энергии, что и в прототипе, при том же значении тока в первичной обмотке.

Цель достигается следующим образом.

Способ генерации импульсов тока, включающий создание магнитного поля вдоль оси магнитного экрана, изготовленного в виде трубы из сверхпроводящего материала, с помощью первичной обмотки, подключенной к источнику постоянного тока, внутри которой находится вторичная обмотка, связанная с нагрузкой, отличается тем, что создают магнитное поле вдоль оси указанного экрана, находящегося в нормальном состоянии, путем увеличения тока в первичной обмотке, охлаждают экран ниже температуры сверхпроводящего перехода с помощью блока охлаждения, затем уменьшают ток в первичной обмотке до нуля, а для генерации импульса во вторичной обмотке включают блок управления, переводящий указанный экран в нормальное состояние.

Предложенный способ реализуют устройством, аналогичным описанному в прототипе, содержащим подключенную к источнику питания первичную обмотку (соленоид), вторичную обмотку, подключенную к нагрузке, размещенный между ними магнитный экран (труба), выполненный из сверхпроводника, а также блоки управления и охлаждения, связанные с экраном.

Сущность изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, где на фиг.1 схематично изображено устройство, аналогичное прототипу, реализующее способ, а на фиг.2 представлена осциллограмма токов в соленоиде, экране и вторичной цепи.

Устройство для генерации импульса тока включает первичную обмотку 1, подключенную к источнику постоянного тока 2, вторичную обмотку 3, подключенную к нагрузке 4, магнитный экран 5, выполненный из сверхпроводника, блок управления 6 и устройство охлаждения экрана 7.

Способ реализуют следующим образом (см. фиг.2). Увеличивают ток I₁ в первичной обмотке до некоторой величины I₁ (в течение времени t₀-t₁) с помощью источника постоянного тока 2, охлаждают экран с помощью блока охлаждения 7 (в течение времени t₁-t₂) до температуры ниже температуры сверхпроводящего перехода, затем уменьшают ток I₁ до нуля с помощью источника тока 1 (в течение времени t₂-t₃), при этом ток I₂ в экране увеличивается до некоторой величины I₂, затем, при необходимости, реализуют режим хранения энергии, запасенной в экране, поддерживая его температуру ниже критической (время t₃-t₄). Для генерации импульса в момент времени t₄ включают блок управления 6 (на фиг.2 ток I_у), экран переходит в нормальное состояние, ток экрана I₂ уменьшается, а во вторичной обмотке, связанной с нагрузкой, генерируется импульс тока I₃ за счет изменения магнитного потока, проникающего в объем вторичной обмотки (величина I₃ максимальна в момент времени I₅).

Блок управления 6 может состоять из конденсаторной батареи, мощностью и энергоемкостью в десятки раз меньшей, чем мощность генератора, и связан с экраном индуктивным, кондуктивным или тепловым образом для того, чтобы перевести экран в нормальное состояние. Устройство охлаждения 7 может быть выполнено в виде криокулера или криостата, заполненного жидким хладагентом (гелий или азот в зависимости от типа сверхпроводящего материала экрана) или др.

Возможность снижения диаметра первичной обмотки в 1,5-2 раза приводит к снижению ее массы в 1,5-2 раза, уменьшению диаметра криостата, что приводит к улучшению массогабаритных показателей устройства в целом в 1,5-2 раза.

Новизна предложенного способа состоит в том, что магнитная энергия запасается непосредственно в объеме, ограниченном сверхпроводящим магнитным экраном (трубой), коэффициент связи которого со вторичной обмоткой может быть близок к 1, что увеличивает кпд вывода энергии в нагрузку до 80-90% и позволяет в 1,5-2 раза улучшить массогабаритные показатели устройств накопления и вывода энергии из индуктивных накопителей.

Источники информации

1. Азаркевич Е.И. Диденко А.Н. и др. Генерация импульсного СВЧ-излучения с помощью химических взрывчатых веществ. ДАН, т.319, №2, 1991 г., с.532-534.

2. SU №1736016, Н 05 Н 7/04, 08.09.1992.

Формула изобретения

Способ генерации импульсов тока, включающий создание магнитного поля вдоль оси магнитного экрана, изготовленного в виде трубы из сверхпроводящего материала, с помощью первичной обмотки, подключенной к источнику постоянного тока, внутри которой находится вторичная обмотка, связанная с нагрузкой, отличающийся тем, что создают магнитное поле вдоль оси указанного экрана, находящегося в нормальном состоянии, путем увеличения тока в первичной обмотке, охлаждают указанный экран ниже температуры сверхпроводящего перехода с помощью блока охлаждения, затем уменьшают ток в первичной обмотке до нуля, а для генерации импульса во вторичной обмотке включают блок управления, переводящий указанный экран в нормальное состояние.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2