Устройство для создания мощного высокочастотного переменного магнитного поля

Устройство для создания мощного высокочастотного переменного магнитного поля

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Устройство для создания мощного высокочастотного переменного магнитного поля относится к области электротехники и может быть применено для силового действия магнитного поля на атомы (молекулы) вещества, усиления магнитного поля и нагрева вещества индукционным способом.

Известно устройство для бесконтактной передачи электроэнергии с непосредственным преобразованием ее в тепловую, для возбуждения электрических токов в токопроводящих телах переменным электромагнитным полем, содержащее источник питания, блок реактивной емкостной мощности (конденсатор), индуктор в виде соленоида, нагреваемый объект, где для питания индукторов применяются машинные, статические преобразователи, а также генераторы (БСЭ т. №10, стр.262, столбец 772. Москва. Издательство «Советская энциклопедия» 1972 г.).

Для нагрева при помощи индуктора в виде соленоида на вещество в ограниченном объеме воздействуют мощным, высокочастотным, переменным магнитным полем.

При осуществлении данного процесса с применением классического соленоида возникают следующие проблемы. Поскольку мощность электромагнитного поля зависит от индуктивности, которая зависит от силы тока, протекающего по обмотке соленоида, возникают следующие побочные эффекты, затрудняющие получение сильного магнитного поля.

- на элемент обмотки действует сила Лоренца, стремящаяся изменить геометрию, способная разорвать обмотку;

- при протекании тока по проводнику с определенным сопротивлением выделяется мощность, пропорциональная квадрату силы тока, следовательно, для усиления магнитного поля необходимо на порядок увеличивать мощность, которая согласно закону Джоуля-Ленца вся выделится в тепло, передаваемое не только нагреваемому телу, но и нагреву всей установки.

Применение же высокой частоты переменного тока в соленоиде вызывает дополнительное индуктивное сопротивление, что усугубляет проблему с отводом тепла.

Проблемой является и то, что частота импульсов электромагнитного поля, индуцирующего магнитное поле, находится в обратной зависимости от индуктивности, что затрудняет совмещение мощности поля и его высокочастотности.

Данной установке присуще высокое реактивное сопротивление, за счет которого и происходит нагрев не только среды воздействия, но и самого индуктора.

Известен магнитодинамический, индукционный насос, содержащий индуктор, магнитопровод, обмотку индуктора, канал, жидкий металл и подающий электропроводящую жидкость с помощью электромагнитной силы, которая возникает от взаимодействия магнитного поля индуктора с полем электрического тока, индуктируемого в проходящей через насос среде (БСЭ т. №10, стр.262, столбец 773. Москва. Издательство «Советская энциклопедия» 1972 г.).

Для создания мощного электромагнитного поля, необходимого для работы насоса, необходимо высокое напряжение, которое требует мощного источника электроэнергии, при этом возникает перегрев всего устройства, для устранения которого применяются сложные инженерные решения.

Наиболее близким по технической сути является усилитель магнитного потока и силовые электротехнические устройства на его основе по патенту RU 2201001 от 2000.04.20, опубл. 2003.03.20, МПК 7, H01F 38/06, H01F 27/42, техническим результатом которого является создание усилителя магнитного потока, позволяющего достигнуть существенной экономии потребляемой энергии промышленного тока.

Усилитель магнитного потока в электротехническом устройстве выполнен в виде силового резонансного по току колебательного контура с собственной частотой колебаний, равной частоте колебаний тока в питающем его источнике, включающего параллельно соединенные катушку индуктивности с трансформаторным сердечником, емкость с образованием общего магнитопровода - приемника/преобразователя усиленного магнитного потока. Параметры катушки индуктивности, сердечника и емкости выбраны из расчета установления в общем магнитопроводе магнитной индукции, близкой к пределу его полного магнитного насыщения в диапазоне нагрузок от холостого хода до номинальной мощности электротехнического устройства.

Но в данном устройстве для усиления магнитного поля используется сердечник трансформаторного типа, что исключает использование рабочей зоны внутри соленоида для воздействие на что-либо.

Задачей предлагаемого технического решения является создание универсального устройства для создания мощного высокочастотного переменного магнитного поля при минимальном сопротивлении, силе тока и, как следствие, при минимальных параметрах силы Лоренца и низких температурах катушек индуктивности.

Задача решена за счет устройства для создания мощного высокочастотного переменного магнитного поля, содержащего управляющий колебательный контур с внешним генератором и катушкой индуктивности и замкнутые колебательные контуры, образованные катушкой индуктивности и конденсатором, при этом катушки индуктивности управляющего и замкнутых колебательных контуров образуют соленоид, составленный на множества катушек равного номинала, плоскости витков которых взаимно параллельны; конденсаторы в замкнутых колебательных контурах имеют равные номиналы, внешний генератор управляющего колебательного контура выполнен в виде генератора высокочастотного переменного электрического тока.

Образование соленоида из множества катушек индуктивности равного номинала, управляющего и замкнутых колебательных контуров приводит к тому, что при сравнительно малых по сравнению с индуктивностью и сопротивлением всего соленоида индуктивности и сопротивлении каждой индивидуальной катушки индуктивности колебательного контура время ее релаксации мало, что позволяет выполнить внешний генератор управляющего колебательного контура в виде генератора высокочастотного переменного электрического тока и использовать в работе контура высокую частоту переменных электромагнитных колебаний.

Взаимно параллельное расположение плоскости витков всех катушек обеспечивает максимальное магнитное сцепление управляющего и замкнутых контуров.

В силу равенства номиналов катушек индуктивности и конденсаторов все колебательные контуры работают в одной фазе, что позволяет создать когерентный электромагнитный поток.

Следовательно, устройство создает мощное высокочастотное переменное магнитное поле при минимальном сопротивлении, силе тока и, как следствие, при минимальных параметрах силы Лоренца и низких температурах катушек индуктивности.

Устройство для создания мощного высокочастотного переменного магнитного поля показано на чертежах, где на фиг.1 изображено расположение управляющего и колебательных контуров на диэлектрической платформе, на фиг.2 - то же, вид сверху, на фиг.3 - то же, вид сбоку, на фиг 4 - плоскость витка катушки индуктивности.

На фиг.1, 2, 3, 4 изображено устройство для создания мощного высокочастотного переменного магнитного поля, где управляющий колебательный контур 1, замкнутые колебательные контуры 2, катушка индуктивности L_y 3 управляющего контура; катушки индуктивности L₁, L₂, L_i, L_j 4 колебательных контуров, конденсаторы C₁, С₂, C_i, С_j 5 колебательных контуров, внешний генератор 6 высокочастотного переменного электрического тока, плоскость витков 7, диэлектрическая платформа 8.

Устройство для создания мощного высокочастотного переменного магнитного поля выполнено следующим образом.

В отличие от классического соленоида в предлагаемом устройстве соленоид разделен на множество маловитковых катушек с малым индукционным сопротивлением и, как следствие, малым временем релаксации, что позволяет создавать электромагнитное поле высокой переменной частоты.

Источник магнитного поля - соленоид, витками катушки которого являются катушки 3 и 4 индуктивности L_у, L₁, L₂, L_i, L_j, управляющего 1 и нескольких замкнутых колебательных контуров 2 с равными номиналами комплектующих деталей электрических цепей, с индукционным (бесконтактным) возбуждением электрического тока от внешнего генератора 6 высокочастотного переменного электрического тока.

Устройство выполнено в виде соленоида. Управляющий колебательный контур 1 выполнен из внешнего импульсного генератора 6 высокочастотного переменного электрического тока и катушки индуктивности 3 управляющего контура L_y.

Несколько колебательных контуров 2 выполнены из катушек индуктивностей 4, имеющих от 2 до 9 витков 7, при этом L₁=L₂=L_i=L_j, и конденсаторов 5, при этом C₁=С₂=С_i=С_j.

Конденсаторы 5 колебательных контуров, катушки индуктивности 3 управляющего колебательного контура 1 и катушки индуктивности 4 колебательных контуров 2 расположены на диэлектрической платформе 6.

Плоскости витков 7 всех катушек 3, 4 индуктивности взаимно параллельны для достижения максимального магнитного сцепления управляющего и замкнутых контуров.

Устройство для создания мощного высокочастотного переменного магнитного поля работает следующим образом.

Устройство работает по принципу соленоида как источника мощного высокочастотного переменного магнитного поля.

Источник магнитного поля - соленоид, витками катушки которого являются катушки индуктивности 4 нескольких замкнутых колебательных контуров 2 с равными номиналами комплектующих деталей электрических цепей, с индукционным (бесконтактным) возбуждением электрического тока от внешнего генератора высокочастотного переменного электрического тока.

При подаче генератором 6 импульсов электрического тока в катушку 3 управления L_у, управляющего колебательного контура 1 в ней создается магнитный поток мощностью пропорциональной числу витков, который пронизывает витки катушек 4 индуктивностей L₁, L₂, L_i, L_j, соседних колебательных контуров 2. Плоскости витков 7 всех катушек 3, 4 индуктивностей взаимно параллельны для достижения максимального магнитного сцепления управляющего и замкнутых контуров. Так как генератор 6 управления формирует высокочастотный переменный ток, то в катушках индуктивности 4 колебательных контуров 2 создается электрический ток взаимной индукции. Он заряжает конденсаторы 5 колебательных контуров 2, которые начинают работать самостоятельно в режиме генерации магнитного поля, каждый в своих катушках индуктивности 4.

В силу равенства параметров катушек индуктивности L₁=L₂=L_i=L_j, равенства параметров конденсаторов C₁=С₂=С_i=С_j все колебательные контуры 2 работают в одной фазе, что позволяет создать когерентный электромагнитный поток.

Согласно теории электромагнитной индукции взаимная суммарная индуктивность всех соседствующих катушек индуктивности 4, составляющих собственно соленоид, пропорциональна произведению количества их витков. То есть, каждый последующий колебательный контур 2, включенный в схему, увеличивает суммарный магнитный поток в количество раз витков своей катушки индуктивности 4, без увеличения силы электрического тока. В данном режиме вся схема работает по мощности как единый соленоид с количеством витков, равным сумме витков всех катушек 4 колебательных контуров 2.

При протекании через катушку индуктивности 4 переменного электрического тока ее индивидуальное сопротивление состоит из сопротивления материала катушки и индуктивного сопротивления, которое зависит от числа витков. Но сопротивление каждой катушки 4 колебательного контура 2 чрезвычайно мало, так как имеет малое количество витков (2-9 витков).

Следовательно, в рабочей зоне внутри соленоида имеется магнитный поток, формируемый суммой витков всех катушек 3 и 4 системы, при минимальном сопротивлении и силе электрического тока. Данные условия позволяют минимизировать все нежелательные физические процессы формирующегося при помощи соленоида магнитного поля.

Согласно теории электромагнитных колебаний частота электромагнитных импульсов обратно пропорциональна их мощности, определяемой номиналом емкости конденсатора 5 и катушки индуктивности 4, а время релаксации катушки индуктивности 4 зависит от отношения ее индуктивности к собственному сопротивлению.

Параметры конденсаторов 5, катушек индуктивности 4 и расстояния между катушками выбирают исходя из требуемой потребителю частоты высокочастотного электромагнитного поля.

При малых индуктивности и сопротивлении каждой индивидуальной катушки индуктивности 4 колебательного контура 2 время ее релаксации мало, что позволяет использовать в работе контура высокую частоту переменных электромагнитных колебаний.

Следовательно, соленоид работает как источник мощного высокочастотного переменного магнитного поля при минимальном сопротивлении, силе тока и, как следствие, при минимальных параметрах силы Лоренца и низких температурах катушек индуктивности 4.

Электрический ток для формирования магнитного поля создается не за счет мощности внешнего источника, а за счет наведения ЭДС индукции в каждом колебательном контуре. При этом температура непосредственно катушек индуктивности низка и не требует сложных технических решений для охлаждения и преодоления силы Лоранца, стремящихся разорвать катушки индуктивности.

Техническим результатом является создание устройства, создающего мощное высокочастотное переменное магнитное поле при минимальном сопротивлении, силе тока и, как следствие, при минимальных параметрах силы Лоренца и низких температурах катушек индуктивности за счет того, что катушки индуктивности управляющего и замкнутых колебательных контуров образуют соленоид, составленный на множества катушек равного номинала, плоскости витков которых взаимно параллельны; конденсаторы в замкнутых колебательных контурах имеют равные номиналы, внешний генератор управляющего колебательного контура выполнен в виде генератора высокочастотного переменного электрического тока.

Устройство для создания мощного высокочастотного переменного магнитного поля, содержащее управляющий колебательный контур с внешним генератором и катушкой индуктивности, и замкнутые колебательные контура, образованные катушкой индуктивности и конденсатором, отличающееся тем, что катушки индуктивности управляющего и замкнутых колебательных контуров образуют соленоид, составленный на множества катушек равного номинала, плоскости витков которых взаимно параллельны, конденсаторы в замкнутых колебательных контурах имеют равные номиналы, внешний генератор управляющего колебательного контура выполнен в виде генератора высокочастотного переменного электрического тока.