RU2509386C1 - Solenoid - Google Patents

Solenoid Download PDF

Info

Publication number
RU2509386C1
RU2509386C1 RU2012147169/07A RU2012147169A RU2509386C1 RU 2509386 C1 RU2509386 C1 RU 2509386C1 RU 2012147169/07 A RU2012147169/07 A RU 2012147169/07A RU 2012147169 A RU2012147169 A RU 2012147169A RU 2509386 C1 RU2509386 C1 RU 2509386C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
magnetic field
solenoid
winding
magnetic
magnetic circuit
Prior art date
Application number
RU2012147169/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Петрович Ишков
Original Assignee
Александр Петрович Ишков
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Александр Петрович Ишков filed Critical Александр Петрович Ишков
Priority to RU2012147169/07A priority Critical patent/RU2509386C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2509386C1 publication Critical patent/RU2509386C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)
  • Electromagnets (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: external magnetic conductor of armour type comprises a cylindrical side shell and two end flanges in the form of truncated cones. The cross section of the external magnetic conductor is equal-sized along the entire length of the power lines of the magnetic field passing through it, which provides for high radial homogeneity of magnetic field in the working space of the solenoid. The solenoid winding is partitioned and made of a tubular conductor. To ensure axial homogeneity of the magnetic field, the number of turns in sections increases as the turns move away from the centre.
EFFECT: increased efficiency of conversion of electric current into magnetic field during optimisation of material consumption and electric energy for development of magnetic fields of medium and high levels.
8 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к технике электромагнитов создающих однородные магнитные поля среднего и высокого уровней величин при большой аксиальной и радиальной протяженности, при высокой их однородности. Такие устройства нужны для экспериментальной физики и для создания рабочей области для авторезонансного ускорения или генерации.The present invention relates to the technique of electromagnets creating uniform magnetic fields of medium and high levels of magnitude with a large axial and radial extent, with a high uniformity. Such devices are needed for experimental physics and for creating a workspace for autoresonant acceleration or generation.

Целью предлагаемого изобретения является создание устройства с однородным магнитным полем в цилиндрическом объеме и эффективном преобразовании энергии электрического тока в магнитное поле.The aim of the invention is to provide a device with a uniform magnetic field in a cylindrical volume and efficiently converting the energy of electric current into a magnetic field.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в применении трубчатого проводника для изготовления обмотки соленоида в помещении соленоида во внешний магнитопровод броневого типа.The essence of the invention consists in the use of a tubular conductor for the manufacture of a solenoid winding in the room of the solenoid in an external armored magnetic circuit.

Аналогом предлагаемого изобретения является электромагнит синхротрона, см. Воробьев А.А. и др. "Синхротрон ТПИ на 1,5 ГэВ". М.: Атомиздат, 1963, с.43. Обмотка возбуждения электромагнита выполнена из медной трубки диаметром 22 мм при внутреннем диаметре 12 мм, которая изолировалась микалентовой лентой. Все секции обмотки включены электрически последовательно. Обмотка питалась импульсным источником мощностью 63,7 МВ·А при напряжении 12400 вольт и токе 5140 ампер в импульсе длительностью 0,084 сек и частоте следования 2 Гц. Импульсная плотность тока в обмотке достигала 19 А/мм2. Средняя потребляемая мощность в электромагните составляла 500 кВ·А.An analogue of the invention is the synchrotron electromagnet, see A. Vorobyov and others. "1.5 GeV Synchrotron TPI." M .: Atomizdat, 1963, p. 43. The electromagnet field winding is made of a copper tube with a diameter of 22 mm with an inner diameter of 12 mm, which was insulated with a nickel tape. All sections of the winding are connected electrically in series. The winding was fed by a pulsed source with a power of 63.7 MV · A at a voltage of 12,400 volts and a current of 5140 amperes in a pulse with a duration of 0.084 seconds and a repetition rate of 2 Hz. The pulsed current density in the winding reached 19 A / mm 2 . The average power consumption in an electromagnet was 500 kVA.

Для охлаждения обмотки все ее секции гидравлически соединялись параллельно и подавалась вода под давлением 10 атм. В номинальном режиме медь в обмотках нагревалась до 60°C.To cool the winding, all its sections were hydraulically connected in parallel and water was supplied under a pressure of 10 atm. In the nominal mode, the copper in the windings was heated to 60 ° C.

Вторым аналогом предлагаемого изобретения является электромагнит микротрона, см. С.П.Капица, В.Н.Мелехин. «Микротрон» М.: Наука, 1969. Известны микротроны с электромагнитами броневого типа. Конструктивно они состоят из двух идентичных кольцевых обмоток, которые монтируются на других противостоящих полюсах, которые снаружи опираются на кольцевой обратный магнитопровод, фиг.8. Аксиальный зазор между полюсами порядка 100 мм, а диаметр полюсов 700-2000 мм. Величина магнитного поля 1-3 кЭ, а неоднородность в рабочем пространстве 0,5-0,01%. Обмотки выполняются медной шиной, охлаждение естественное.The second analogue of the invention is the microtron electromagnet, see S.P. Kapitsa, V.N. Melekhin. Mikrotron M .: Nauka, 1969. Microtrons with armored type electromagnets are known. Structurally, they consist of two identical annular windings that are mounted on other opposing poles, which are externally supported by an annular reverse magnetic circuit, Fig. 8. The axial gap between the poles is about 100 mm, and the diameter of the poles is 700-2000 mm. The magnitude of the magnetic field is 1-3 kOe, and the heterogeneity in the working space is 0.5-0.01%. Windings are performed by a copper bus, natural cooling.

Недостаток обоих аналогов в том, что они не могут непосредственно примениться для создания магнитного поля в цилиндрическом протяженном объеме. Однако способы построения обмоток и магнитопроводов могут быть применены в предлагаемом изобретении.The disadvantage of both analogues is that they cannot be directly applied to create a magnetic field in a cylindrical extended volume. However, methods for constructing windings and magnetic circuits can be applied in the present invention.

Первым прототипом предлагаемого изобретения является соленоид С.П. Капицы, см. сборник «Электроника больших мощностей», АН СССР, М., 1963, с.109-118. Существенной особенностью этого устройства является увеличение магнитодвижущей силы обмотки на ее торцах. Обмотка изготовлялась из медной ленты шириной 25 мм, толщиной от 0,4 до 0,2 мм по мере удаления секции обмотки от центра к периферии. Секции обмотки состояли из парных кассет со встречной намоткой и последовательным их электрическим соединением. При удалении от центра к периферии количество витков в рулонах ступенчато увеличивалось при сохранении внешнего размера обмотки, который составлял 332 мм, а внутренний был 150 мм. Для охлаждения обмотка помещалась в цилиндрический кожух диаметром 410 мм, через который циркулировало трансформаторное масло под давлением 3 атм. При номинальном режиме питания соленоида 36 кВт, напряжении 378 В и токе 110 А средняя температура меди была 29°C. Плотность тока в обмотке возрастала от 5,5 А/мм2 для срединных до 11 А/мм2 для торцовых кассет. При общей длине соленоида 727 мм однородное поле на оси соленоида было на участке 370 мм с однородностью 0,06%. Максимальный уровень рабочего режима составлял 4500 эрстед.The first prototype of the invention is the solenoid S.P. Kapitsa, see the collection "Electronics of high power", Academy of Sciences of the USSR, M., 1963, pp. 109-118. An essential feature of this device is an increase in the magnetomotive force of the winding at its ends. The winding was made of copper tape 25 mm wide, 0.4 to 0.2 mm thick as the winding section moved away from the center to the periphery. The winding sections consisted of paired cassettes with counter winding and their serial electrical connection. When moving away from the center to the periphery, the number of turns in the rolls increased stepwise while maintaining the outer size of the winding, which was 332 mm, and the inner was 150 mm. For cooling, the winding was placed in a cylindrical casing with a diameter of 410 mm, through which transformer oil was circulated under a pressure of 3 atm. At a rated power supply mode of a 36 kW solenoid, a voltage of 378 V and a current of 110 A, the average copper temperature was 29 ° C. The current density in the winding increased from 5.5 A / mm 2 for median to 11 A / mm 2 for end cartridges. With a total length of the solenoid of 727 mm, a uniform field on the axis of the solenoid was in the area of 370 mm with a uniformity of 0.06%. The maximum level of the operating mode was 4500 oersted.

Главный недостаток этого прототипа в малой относительной длине однородного рабочего поля: 370/727=495. Это неприемлемо для авторезонансного ускорителя, инжектор и устройство вывода нужно где-то размещать.The main disadvantage of this prototype in the small relative length of a homogeneous working field: 370/727 = 495. This is unacceptable for an autoresonant accelerator, the injector and the output device need to be placed somewhere.

Вторым прототипом предлагаемого изобретения является устройство, см. Капица П.Л. Филимонов С.И. «Соленоид, создающий магнитное поле до 20 килоэрстед в объеме 5 литров и потребляющий 500 киловатт». Сборник 6 «Электроника больших мощностей» №6. М.: Наука 1969, с.147-160.The second prototype of the invention is a device, see Kapitsa P.L. Filimonov S.I. "A solenoid that creates a magnetic field of up to 20 kilo-oersted in a volume of 5 liters and consumes 500 kilowatts." Collection 6 "Electronics of high power" No. 6. M.: Science 1969, p. 147-160.

Сущность этого устройства в том, что обмотка изготовлялась из двух групп рулонных кассет разделенных зазором 32 мм. Плотность тока в меди увеличилась до 32 А/мм2. Обмотки каждой половины соленоида охлаждались отдельными кожухами, по которым циркулировала дистиллированная вода.The essence of this device is that the winding was made of two groups of roll cassettes separated by a gap of 32 mm. The current density in copper increased to 32 A / mm 2 . The windings of each half of the solenoid were cooled by separate casings, through which distilled water circulated.

Второе существенное отличие состояло в применении внешнего магнитопровода яремного типа из стальных плит толщиной 90 мм на всю ширину обмотки 540 мм при толщине обмотки 100 мм. При общей длине обмотки 406 мм рабочее поле 30 килоэстед было на участке 200 мм с однородностью 5,5%, что тоже неприемлемо для авторезонансных устройств.The second significant difference was the use of an external jugular type magnetic core made of steel plates 90 mm thick over the entire width of the winding 540 mm with a thickness of the winding 100 mm. With a total winding length of 406 mm, the working field of 30 kilo-ested was on a 200 mm section with a uniformity of 5.5%, which is also unacceptable for autoresonance devices.

Автор-заявитель с интересом и восторгом познакомился с этими прототипами на исходе 1969 года, когда представлял свою аспирантскую работу авторам авторезонанса Коломенскому А.А. и Лебедеву А.Н. ДАН СССР, 145. 1259, 1962.The author-applicant met with interest and enthusiasm these prototypes at the end of 1969, when he presented his post-graduate work to the authors of autoresonance A. Kolomensky. and Lebedev A.N. DAN USSR, 145.1259, 1962.

Третьим прототипом предлагаемого изобретения является устройство из трех катушек, помещенных во внешний магнитопровод броневого типа, см. кандидатскую дис. Ишков А.П. «Экспериментальное исследование авторезонансного ускорителя электронов» ТПИ, Томск, 1969.The third prototype of the present invention is a device of three coils placed in an external armored magnetic circuit, see candidate diss. Ishkov A.P. "An experimental study of an autoresonant electron accelerator" TPI, Tomsk, 1969.

В сущности система трех катушек представляла модификацию двух катушек Гельмгольца, которые обеспечивают высокую однородность магнитного поля на их оси и в прилегающей области. Непосредственное применение катушек Гельмгольца было нерациональным из-за большого их поперечного размера и соответственно большой мощности их питания. Длина области однородного магнитного поля 200 мм уже была задана размером ускоряющей системы. Поставленную задачу решило применение средней катушки. Проблему снижения мощности питания решило применение внешнего магнитопровода броневого типа.In essence, the system of three coils was a modification of two Helmholtz coils, which provide high uniformity of the magnetic field on their axis and in the adjacent region. The direct use of Helmholtz coils was irrational due to their large transverse size and, accordingly, the high power of their power. The length of the region of a uniform magnetic field of 200 mm was already given by the size of the accelerating system. The task was solved by the use of an average coil. The use of an external armored magnetic circuit solved the problem of reducing power supply.

С современной позиции недостатком этого устройства является малая толщина торцовых фланцев магнитопровода и наличие больших отверстий в них, т.е. нерациональная форма магнитопровода.From a modern position, the disadvantage of this device is the small thickness of the end flanges of the magnetic circuit and the presence of large holes in them, i.e. irrational form of the magnetic circuit.

Четвертым прототипом предлагаемого изобретения является патент RU 2364000, «Соленоид Ишкова однородный», который наиболее близко соответствует поставленной задаче создания однородного магнитного поля в цилиндрическом объеме. Однако и в нем имеются недостатки. Обмотка однородна по своей оси и не имеет средств компенсации спада магнитного поля на ее периферийных концах. Конструкция магнитопровода тоже не учитывает специфики структуры исходного магнитного поля создаваемого обмоткой на торцах. В целом устройство этого прототипа оправдано будет лишь для небольших настольных устройств. Для больших конструкций этот прототип нерационален.The fourth prototype of the invention is the patent RU 2364000, “Ishkova homogeneous solenoid”, which most closely corresponds to the task of creating a uniform magnetic field in a cylindrical volume. However, there are drawbacks to it. The winding is uniform along its axis and has no means of compensating for the decrease in the magnetic field at its peripheral ends. The design of the magnetic circuit also does not take into account the specific structure of the initial magnetic field created by the winding at the ends. In general, the device of this prototype will be justified only for small desktop devices. For large structures, this prototype is irrational.

В качестве примера предлагаемое изобретение представлено на фиг.1. Устройство состоит из секционированной обмотки 1 и внешнего магнитопровода броневого типа 2.As an example, the present invention is presented in figure 1. The device consists of a partitioned winding 1 and an external magnetic circuit of armor type 2.

Обмотка соленоида 1 симметрична относительно медианной плоскости, проходящей через центр соленоида, и каждая секция обмотки состоит из парных рулонов 3, Фиг.2. Рулоны 3 в секции намотаны встречно медной трубкой плоской формы 4 с внутренним каналом 5 для циркуляции охлаждающей воды. Внутри секции рулоны соединены косым витком 5, а снаружи смежные секции соединены косыми витками 7, от которых патрубки 8 изолированно проходят через цилиндрическую часть магнитопровода 12. Дальше они через изолирующие втулки 9 подают циркулирующую воду в коллекторные трубы 10 и 11, фиг.3.The winding of the solenoid 1 is symmetrical with respect to the median plane passing through the center of the solenoid, and each section of the winding consists of paired rolls 3, Fig.2. Rolls 3 in the section are wound counter-copper tube of flat shape 4 with an internal channel 5 for the circulation of cooling water. Inside the section, the coils are connected by an oblique turn 5, and outside the adjacent sections are connected by oblique turns 7, from which the nozzles 8 pass in isolation through the cylindrical part of the magnetic circuit 12. Then they supply circulating water through the insulating sleeves 9 to the collector pipes 10 and 11, Fig. 3.

Магнитопровод броневого типа 2 состоит из цилиндрической боковой оболочки 13 постоянной толщины Δ и торцовых фланцев 13 в форме усеченных конусов с высотою h>Δ. Внутренний радиус цилиндрической боковой оболочки 13 равен R, а внутренний радиус соленоида r. Коническая форма торцовых фланцев 13 обеспечит равновеликое сечение магнитопровода броневого типа 2 по всей длине магнитных линий 14. Это позволит рационально использовать материал для создания больших соленоидов и исключить появление рассеянных магнитных полей вокруг соленоидов. Толщина цилиндрической боковой оболочки 12 равна или сравнима с радиальной толщиной обмотки соленоида 1 Δ=R-r. Диаметр меньшего основания торцовых фланцев 13 равен внутреннему диаметру обмотки соленоида.The armored magnetic circuit 2 consists of a cylindrical side shell 13 of constant thickness Δ and end flanges 13 in the form of truncated cones with a height h> Δ. The inner radius of the cylindrical side shell 13 is equal to R, and the inner radius of the solenoid r. The conical shape of the end flanges 13 will provide an equal section of the armored type 2 magnetic circuit along the entire length of the magnetic lines 14. This will make it possible to rationally use the material to create large solenoids and to prevent the appearance of scattered magnetic fields around the solenoids. The thickness of the cylindrical side shell 12 is equal to or comparable with the radial thickness of the coil of the solenoid 1 Δ = R-r. The diameter of the smaller base of the end flanges 13 is equal to the inner diameter of the solenoid winding.

Действует предлагаемое изобретение следующим образом.The invention operates as follows.

Согласно закону Лапласа каждый элемент электрического тока создает в заданной точке окружающего пространства элемент магнитного поляAccording to Laplace’s law, each element of the electric current creates a magnetic field element at a given point in the surrounding space.

d B = k i [ d × r ] r 3 / 1 /

Figure 00000001
d B = k i [ d × r ] r 3 / one /
Figure 00000001

где dℓ- элемент электрического тока величиной i,where dℓ is an electric current element of value i,

r

Figure 00000002
- радиус-вектор заданной точки окружающего пространства, r
Figure 00000002
is the radius vector of a given point in the surrounding space,

k - коэффициент, зависящий от выбора размерности единиц.k is a coefficient depending on the choice of unit dimension.

Для центра кругового витка с током в системе СГСМ эта формула имеет вид d B = u o 4 β π i d r 2 / 2 /

Figure 00000003
For the center of a circular coil with current in the GHS system, this formula has the form d B = u o four β π i d r 2 / 2 /
Figure 00000003

Магнитное поле в центре этого кругового тока определится интеграломThe magnetic field at the center of this circular current is determined by the integral

B = d B = μ o 2 i r / 3 /

Figure 00000004
B = d B = μ o 2 i r / 3 /
Figure 00000004

см. Савельев И.В. «Курс общей физики», т.2, с.129-134.see Saveliev I.V. "The course of general physics", t.2, p.129-134.

На фиг.4 представлена схема расчета магнитного поля в точке отстоящей от центра кругового тока на расстоянии х. Рассмотрим треугольник oxA. Он имеет три стороны x, δ, R и угол φ между сторонами x и R. Согласно теореме косинусов можно определить длину стороны треугольника, противолежащей углу φ.Figure 4 presents the scheme for calculating the magnetic field at a point spaced from the center of the circular current at a distance x. Consider the triangle oxA. It has three sides x, δ, R and an angle φ between the sides x and R. According to the cosine theorem, we can determine the length of the side of the triangle opposite the angle φ.

δ = x 2 + R 2 2 R x cos ϕ . / 4 /

Figure 00000005
δ = x 2 + R 2 - 2 R x cos ϕ . / four /
Figure 00000005

Элемент магнитного поля в точке x, создаваемый элементом тока в точке A, в системе СГСМ будетThe magnetic field element at point x created by the current element at point A in the GHS system will be

d B = μ o 4 π i d δ 2 = μ o 4 π i R d ϕ δ 2 / 5 /

Figure 00000006
d B = μ o four π i d δ 2 = μ o four π i R d ϕ δ 2 / 5 /
Figure 00000006

После подстановки получаем интеграл для определения магнитного поля в искомой точкеAfter substitution, we obtain the integral for determining the magnetic field at the desired point

B ( x ) = μ o 2 π 0 π R d ϕ R 2 + x 2 2 R x cos ϕ . / 6 /

Figure 00000007
B ( x ) = μ o 2 π 0 π R d ϕ R 2 + x 2 - 2 R x cos ϕ . / 6 /
Figure 00000007

Не теряя общности рассуждений, можно положить R=1, тогда интеграл упростится для вычисленийWithout losing generality of reasoning, we can put R = 1, then the integral will be simplified for calculations

B ( x ) = μ o 2 π 0 π d ϕ 1 + x 2 2 R x cos ϕ . / 7 /

Figure 00000008
B ( x ) = μ o 2 π 0 π d ϕ one + x 2 - 2 R x cos ϕ . / 7 /
Figure 00000008

На фиг.5 показана схема расчета магнитного поля в пространстве, прилегающем к круговому току. Искомый интеграл имеет видFigure 5 shows a diagram of the calculation of the magnetic field in the space adjacent to the circular current. The desired integral has the form

B ( x , z ) = μ o 2 π 0 π d ϕ 1 + x 2 + z 2 2 R x cos ϕ . / 8 /

Figure 00000009
B ( x , z ) = μ o 2 π 0 π d ϕ one + x 2 + z 2 - 2 R x cos ϕ . / 8 /
Figure 00000009

Для соленоида круговой ток может быть представлен произведениемFor a solenoid, the circular current can be represented by the product

i = j d r d z , / 9 /

Figure 00000010
i = j d r d z , / 9 /
Figure 00000010

где j - есть плотность тока в его обмотке.where j is the current density in its winding.

Магнитное поле внутри соленоида теперь будет представляться тройным интеграломThe magnetic field inside the solenoid will now be represented by a triple integral

B z ( x , z ) = μ o π 0 π r R z o 2 z o 2 j R d ϕ d r d z R 2 + x 2 + z 2 2 R x cos ϕ . / 10 /

Figure 00000011
B z ( x , z ) = μ o π 0 π r R - z o 2 z o 2 j R d ϕ d r d z R 2 + x 2 + z 2 - 2 R x cos ϕ . / 10 /
Figure 00000011

где r - внутренний радиус обмотки соленоида,where r is the inner radius of the coil of the solenoid,

R - внешний радиус обмотки соленоида,R is the outer radius of the coil of the solenoid,

z0 - длина соленоида.z 0 is the length of the solenoid.

Для исследования относительного распределения магнитного поля внутри соленоида следует положить R=1, тогда интеграл упроститсяTo study the relative distribution of the magnetic field inside the solenoid, we should set R = 1, then the integral will be simplified

B z ( x , z ) = μ o π 0 π 1 μ Δ z o 2 z o 2 d ϕ d r d z 1 + x 2 + z 2 2 x cos ϕ . / 11 /

Figure 00000012
B z ( x , z ) = μ o π 0 π one μ Δ - z o 2 z o 2 d ϕ d r d z one + x 2 + z 2 - 2 x cos ϕ . / eleven /
Figure 00000012

где Δ - радиальная толщина обмотки соленоида.where Δ is the radial thickness of the solenoid winding.

x - расстояние исследуемой точки от оси соленоида.x is the distance of the investigated point from the axis of the solenoid.

В табл.1 представлены результаты компьютерного расчета распределений магнитного поля кругового тока по формуле 8.Table 1 presents the results of a computer calculation of the distribution of the magnetic field of a circular current according to formula 8.

Figure 00000013
Figure 00000013

Таким образом, магнитное поле в плоскости кругового тока радиально растет прогрессивно, а аксиально убывает полого. В пределах z≤0,5 поле сохраняет радиальный рост, а при z>0,5 поле убывает и аксиально, и радиально.Thus, the magnetic field in the plane of the circular current radially grows progressively, and axially decreases hollow. Within z≤0.5, the field retains radial growth, and for z> 0.5 the field decreases both axially and radially.

В табл.2 приведены результаты компьютерного расчета магнитного поля соленоида с параметрами R=z=1,0 при однородной плотности тока в его обмотке.Table 2 shows the results of a computer calculation of the magnetic field of a solenoid with parameters R = z = 1.0 at a uniform current density in its winding.

Анализ содержимого табл 2 показывает, что магнитное поле внутри соленоида радиально возрастает на порядок, а аксиально полого убывает. При этом видно, что крутизна изменений поля в соленоиде слабее, чем у одиночного кругового тока. Соленоид есть система множества одиночных круговых токов, поэтому у них такое сходство структур магнитных полей.An analysis of the contents of Table 2 shows that the magnetic field inside the solenoid radially increases by an order of magnitude, and axially hollow decreases. It can be seen that the steepness of field changes in the solenoid is weaker than that of a single circular current. A solenoid is a system of many single circular currents, so they have such a similarity of the structures of magnetic fields.

Figure 00000014
Figure 00000014

На фиг.6 представлен график радиального распределения магнитного поля кругового тока, который построен по табл.1. Figure 6 presents a graph of the radial distribution of the magnetic field of a circular current, which is built according to table 1.

На фиг.7 представлено семейство линий, построенных по табл.2, которые представляют структуру магнитного поля внутри соленоида с однородной обмоткой.Figure 7 presents a family of lines constructed according to table 2, which represent the structure of the magnetic field inside the solenoid with a uniform winding.

Таким образом, соленоид сам по себе создает неоднородное магнитное поле. Аксиальный спад магнитного поля можно компенсировать в известных пределах увеличением количества витков на торцах обмотки, что и сделано в первом прототипе.Thus, the solenoid itself creates an inhomogeneous magnetic field. The axial decrease in the magnetic field can be compensated within certain limits by increasing the number of turns at the ends of the winding, which is done in the first prototype.

Устранить или ослабить радиальный рост магнитного поля в соленоиде представляется только применением внешнего магнитопровода. В третьем прототипе достигнуто ослабление радиальной неоднородности магнитного поля с 3% до 1% в рабочей области соленоида, которая прилегает к оси симметрии соленоида.Eliminate or weaken the radial growth of the magnetic field in the solenoid is represented only by the use of an external magnetic circuit. In the third prototype, weakened radial inhomogeneity of the magnetic field from 3% to 1% in the working area of the solenoid, which is adjacent to the axis of symmetry of the solenoid, is achieved.

В предлагаемом изобретении конструкция и параметры внешнего магнитопровода согласованы с размерами возбуждающей обмотки. По ходу линий магнитного поля сечение внешнего магнитопровода равновелико и достаточно для сохранения всего магнитного потока, создаваемого возбуждающей обмоткой. Благодаря применению торцовых фланцев магнитопровода в форме усеченных конусов центральные и приосевые магнитные линии магнитного поля проходят больше в магнитопроводе, чем периферийные линии магнитного поля, поэтому они больше усиливаются, чем периферийные. Усиление магнитного потока происходит за счет снижения магнитного сопротивления магнитной цепи вне соленоида за счет применения эффективных магнитных материалов для внешнего магнитопровода. Во втором прототипе относительная магнитная проницаемость материала магнитопровода составляла величину 20000. В третьем прототипе применение точного магнитопровода из стали Ст-3 позволило снизить ток в обмотке с 280 А до 105 А.In the present invention, the design and parameters of the external magnetic circuit are consistent with the dimensions of the exciting winding. Along the lines of the magnetic field, the cross section of the external magnetic circuit is the same and sufficient to preserve the entire magnetic flux generated by the exciting coil. Due to the use of end flanges of the magnetic circuit in the form of truncated cones, the central and axial magnetic lines of the magnetic field pass more in the magnetic circuit than the peripheral lines of the magnetic field, so they are more amplified than peripheral. The magnetic flux is enhanced by reducing the magnetic resistance of the magnetic circuit outside the solenoid due to the use of effective magnetic materials for the external magnetic circuit. In the second prototype, the relative magnetic permeability of the material of the magnetic circuit was 20,000. In the third prototype, the use of an accurate magnetic circuit of steel St-3 made it possible to reduce the current in the winding from 280 A to 105 A.

Применение трубчатого проводника для изготовления обмотки соленоида повышает эффективность отвода теплоты от каждого элемента обмотки. Это повышает эксплуатационные параметры соленоида.The use of a tubular conductor for the manufacture of a solenoid winding increases the efficiency of heat removal from each element of the winding. This increases the operational parameters of the solenoid.

На фиг.8 представлена магнитная система второго аналога, микротрона, в котором достигается радиальная однородность магнитного поля 0,5-0,1%. Это достигается и обеспечивается тем, что в микротроне линии магнитного поля проходят в основном в теле магнитопровода и лишь на 1/10 проходят в межполюсном зазоре.On Fig presents the magnetic system of the second analogue, the microtron, which achieves a radial uniformity of the magnetic field of 0.5-0.1%. This is achieved and ensured by the fact that in a microtron magnetic field lines extend mainly in the body of the magnetic circuit and only 1/10 pass in the interpolar gap.

В предлагаемом изобретении на рабочее пространство солениода приходится 1/3-1/4 часть всей длины линий магнитного поля. Следовательно, для соленоида, представленного в табл.2 с параметрами R=Z0=1, можно ожидать радиальную однородность в 3-4 раза хуже однородности микротрона, т.е. 2%-0,4%.In the present invention, the working space of the solenoid accounts for 1 / 3-1 / 4 of the entire length of the lines of the magnetic field. Therefore, for the solenoid presented in Table 2 with the parameters R = Z 0 = 1, one can expect radial uniformity 3-4 times worse than the microtron uniformity, i.e. 2% -0.4%.

Конечно, для убедительных доводов требуется достоверный эксперимент.Of course, convincing arguments require a reliable experiment.

При этом следует отметить, что с увеличением длины соленоида радиальная однородность магнитного поля будет уменьшаться, а с укорочением соленоида соответственно улучшаться. При длине соленоида Z=0,1 он превратится /выродится/ в микротрон.It should be noted that with an increase in the length of the solenoid, the radial uniformity of the magnetic field will decrease, and with a shortening of the solenoid, it will improve accordingly. With the length of the solenoid Z = 0.1, it will turn / degenerate / into a microtron.

Главные итогиThe main results

1. Рассмотрено развитие соленоидов за последние 50 лет.1. The development of solenoids over the past 50 years is considered.

2. Получена интегральная формула структуры магнитного поля в соленоиде.2. An integral formula of the structure of the magnetic field in the solenoid is obtained.

3. Предложена формула соленоида, создающего однородное магнитное поле.3. The formula of a solenoid creating a uniform magnetic field is proposed.

Claims (1)

Соленоид, состоящий из обмотки, внешнего магнитопровода и водяной системы охлаждения, отличающийся тем, что обмотка выполнена из парных кассет трубчатым проводником прямоугольной формы и электрически включенных последовательно, а гидравлически параллельно и с помощью изолирующих втулок соединена с водяной системой охлаждения; внешний броневой магнитопровод состоит из цилиндрической боковой оболочки и торцовых фланцев в форме усеченных конусов, поперечное сечение внешнего броневого магнитопровода по всей длине магнитных линий, проходящих через него, равновелико.  A solenoid consisting of a winding, an external magnetic circuit and a water cooling system, characterized in that the winding is made of paired cassettes with a rectangular tubular conductor and electrically connected in series, and hydraulically connected in parallel with insulating sleeves to a water cooling system; the external armored magnetic circuit consists of a cylindrical side shell and end flanges in the form of truncated cones, the cross section of the external armored magnetic circuit along the entire length of the magnetic lines passing through it is equal.
RU2012147169/07A 2012-11-06 2012-11-06 Solenoid RU2509386C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012147169/07A RU2509386C1 (en) 2012-11-06 2012-11-06 Solenoid

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012147169/07A RU2509386C1 (en) 2012-11-06 2012-11-06 Solenoid

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2509386C1 true RU2509386C1 (en) 2014-03-10

Family

ID=50192210

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012147169/07A RU2509386C1 (en) 2012-11-06 2012-11-06 Solenoid

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2509386C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112312604A (en) * 2020-11-23 2021-02-02 中国航天空气动力技术研究院 Excitation coil

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU218314A1 (en) * В. В. Володин, А. В. Донской , Е. А. Донской INDUCTOR
US4593261A (en) * 1984-02-08 1986-06-03 Siemens Aktiengesellschaft Device for cooling a magnet system
US4896130A (en) * 1987-11-16 1990-01-23 Ermilov Igor V Magnetic system
RU2074431C1 (en) * 1994-09-20 1997-02-27 Владислав Ричардович Португальский Resistive electromagnet for nmr-tomograph
RU50044U1 (en) * 2005-02-25 2005-12-10 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт токов высокой частоты имени В.П. Вологдина" (ВНИИТВЧ имени В.П. Вологдина) INDUCTION COIL BLOCK
RU2006101362A (en) * 2006-01-17 2007-08-10 Александр Петрович Ишков (KZ) SOLENOID ISHKOV HOMOGENEOUS
RU2009115615A (en) * 2009-04-27 2010-11-10 Александр Петрович Ишков (KZ) HELMHOLZ-ISHKOV COILS

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU218314A1 (en) * В. В. Володин, А. В. Донской , Е. А. Донской INDUCTOR
US4593261A (en) * 1984-02-08 1986-06-03 Siemens Aktiengesellschaft Device for cooling a magnet system
US4896130A (en) * 1987-11-16 1990-01-23 Ermilov Igor V Magnetic system
RU2074431C1 (en) * 1994-09-20 1997-02-27 Владислав Ричардович Португальский Resistive electromagnet for nmr-tomograph
RU50044U1 (en) * 2005-02-25 2005-12-10 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт токов высокой частоты имени В.П. Вологдина" (ВНИИТВЧ имени В.П. Вологдина) INDUCTION COIL BLOCK
RU2006101362A (en) * 2006-01-17 2007-08-10 Александр Петрович Ишков (KZ) SOLENOID ISHKOV HOMOGENEOUS
RU2009115615A (en) * 2009-04-27 2010-11-10 Александр Петрович Ишков (KZ) HELMHOLZ-ISHKOV COILS

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112312604A (en) * 2020-11-23 2021-02-02 中国航天空气动力技术研究院 Excitation coil

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7541905B2 (en) High-field superconducting synchrocyclotron
Bertsche et al. A magnetic trap for antihydrogen confinement
US20090108969A1 (en) Apparatus and method for transcranial and nerve magnetic stimulation
US4933657A (en) Eddy current type multilayered coil for generating intense AC magnetic field
JPH07303624A (en) Gradient coil
JP5101520B2 (en) Method and apparatus for NMR imaging, particularly for generating a uniform magnetic field in a region of interest
RU2509386C1 (en) Solenoid
US10582604B2 (en) Device and method for the heating and confinement of plasma
CN112908609A (en) Large-aperture high-magnetic-field 7.0T superconducting magnet for magnetic resonance imaging
Fischer et al. Fast ramped superferric prototypes and conclusions for the final design of the SIS 100 main magnets
Caporaso et al. Compact accelerator concept for proton therapy
KR102008401B1 (en) high efficient and continuous electric generation cycle device employing ferrofluid with Tandem configuration of permanent magnet and generating coil of generator
Lopez et al. Development of a compact and fast trimmable FeCo magnet for medical gantries
Jeong et al. A study on optimization of compact high-voltage generator based on magnetic-core Tesla transformer
Lecouturier et al. Copper/stainless steel polyhelix magnets
JPS62257100A (en) Device for converting radioactive energy into electrical energy
RU2522191C2 (en) Helmholtz-ishkov coils
FI78852C (en) Continuously operating casting device
RU2521867C1 (en) Solenoid coil
JP2004134681A (en) Core apparatus and charged particle accelerator
US3437871A (en) Plasma containment apparatus with ion cyclotron resonance heating
Thuillier et al. High frequency ECR ion source (60 GHz) in pre-glow mode for bunching of beta-beam isotopes
RU2576391C1 (en) Electronic microwave gadget
Tsoupas et al. Design and measurements of a thin quadrupole magnet for the AGS synchrotron
Alabakhshizadeh et al. Optimum core dimension for minimizing proximity effect losses of an AC inductor for a galvanically isolated PV inverter