RU2521867C1 - Solenoid coil - Google Patents

Solenoid coil Download PDF

Info

Publication number
RU2521867C1
RU2521867C1 RU2013103571/07A RU2013103571A RU2521867C1 RU 2521867 C1 RU2521867 C1 RU 2521867C1 RU 2013103571/07 A RU2013103571/07 A RU 2013103571/07A RU 2013103571 A RU2013103571 A RU 2013103571A RU 2521867 C1 RU2521867 C1 RU 2521867C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
section
main winding
magnetic field
winding
magnetic
Prior art date
Application number
RU2013103571/07A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013103571A (en
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 RU2013103571/07A priority Critical patent/RU2521867C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2521867C1 publication Critical patent/RU2521867C1/en
Publication of RU2013103571A publication Critical patent/RU2013103571A/en

Links

Images

Landscapes

  • Electromagnets (AREA)
  • Magnetically Actuated Valves (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: solenoid coil comprises an excitation winding and an external magnet core consisting of a cylindrical shell and two end flanges, which inner surfaces are magnet poles. The excitation coil consists of the main winding with a rectangular cross-section and two compensating windings of a V-shaped cross-section, which are wound around peripheral parts of the main winding with the rectangular cross-section. The main winding with the rectangular cross-section is wound on top of a cylindrical water-cooling jacket of a non-magnet material. The space between the main winding, two compensating windings of the V-shaped cross-section and the cylindrical shell of the external magnet core forms a gas-cooling jacket. The end flanges have a shape of cones protruding outside, where coaxial cone cutouts with peaks at pole surfaces are made. The angles at the base of the cones ensure equal density of a magnetic flux along the whole length of the magnet lines in the external magnet core.
EFFECT: improvement of uniformity and homogeneity of a magnetic field and power.
12 dwg, 3 tbl

Description

Предлагаемое изобретение относится к технике электромагнитов, создающих однорядные магнитные поля среднего и высокого уровней величин при аксиальной протяженности, многократно превышающей радиальную, при высокой их однородности внутри всего пространства. Такие устройства нужны для современной экспериментальной физики и для создания рабочей области пространства при авторезонансном ускорении или генерировании.The present invention relates to the technique of electromagnets, creating single-row magnetic fields of medium and high levels of magnitude with an axial extent many times greater than the radial, with a high uniformity within the entire space. Such devices are needed for modern experimental physics and for creating a working space region with autoresonant acceleration or generation.

Целью предлагаемого изобретения является создание устройства с однородным магнитным полем в цилиндрическом объеме; диаметром порядка 100 мм и длиною порядка 300-500 мм, уровнем магнитного поля до 10 килогаусс, эффективном преобразовании энергии питающего электрического тока в магнитное поле и продолжительном режиме работы.The aim of the invention is to provide a device with a uniform magnetic field in a cylindrical volume; with a diameter of about 100 mm and a length of about 300-500 mm, a magnetic field level of up to 10 kilogauss, efficient conversion of the energy of the supplying electric current into a magnetic field, and continuous operation.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в применении компенсирующих обмоток поверх периферийных частей основной обмотки прямоугольного сечения, помещении всей обмотки во внешний магнитопровод броневого типа с профилированными торцовыми фланцами. Для отвода теплоты от обмоток применены рубашки водяного и газового охлаждения.The essence of the invention consists in the application of compensating windings over the peripheral parts of the main winding of rectangular cross-section, placing the entire winding in an external armored magnetic circuit with profiled end flanges. To remove heat from the windings, water and gas cooling shirts were used.

Аналогом предлагаемого изобретения является электромагнит микротрона, см. С.П. Капица, В.Н. Мелехин ′′Микротрон′′ Наука. М.: 1969, фиг 1. Конструктивно магнит микротрона состоит из броневого корпуса 1, с двумя противоположными полюсами 2, с обмотками возбуждения 3. Аксиальный зазор 4 между полюсами 2 определяется диаметром ускоряющего резонатора 5. Для типового микротрона, аксиальный зазор 4 составляет 120 мм. Диаметр полюсов 2 составляет 700-2000 мм. Величина магнитного поля составляет 1000 гс при однородности 0,01-0,5%. Обмотки выполняются медной шиной небольшого сечения и специального охлаждения не применяют.An analogue of the invention is a microtron electromagnet, see S.P. Kapitsa, V.N. Melekhin ′ ′ Mikrotron ′ ′ Science. M .: 1969, FIG. 1. Structurally, the microtron magnet consists of an armored housing 1, with two opposite poles 2, with field windings 3. Axial clearance 4 between the poles 2 is determined by the diameter of the accelerating resonator 5. For a typical microtron, axial clearance 4 is 120 mm . The diameter of the poles 2 is 700-2000 mm. The magnitude of the magnetic field is 1000 g with a uniformity of 0.01-0.5%. The windings are made of a small copper busbar and do not use special cooling.

Недостаток аналога состоит в том, что он создает короткий участок магнитного поля по сравнению с его диаметром и простое увеличение аксиального размера этого аналога не обеспечит создания протяженного однородного магнитного поля. А способ построения магнитопровода с толстыми полюсами заслуживает внимания.The disadvantage of the analogue is that it creates a short section of the magnetic field compared to its diameter and a simple increase in the axial size of this analogue will not ensure the creation of an extended uniform magnetic field. A method of constructing a magnetic circuit with thick poles deserves attention.

Первым прототипом предлагаемого изобретения является соленоид С.П. Капицы, см. Сборник ′′Электроника больших мощностей′′. АН СССР М.: 1963, с.103-118, фиг. 2. Существенной особенностью этого устройства является увеличение магнитодвижущей силы обмотки на периферии. Конструктивно обмотка состояла из ленточных рулонов 1 составленных по общей оси симметрии. Сечение ленты в центральных рулонах было 25×0,4 мм2,.a периферийных 2,5×0,2 мм2. Внутренний диаметр обмотки составлял 170 мм, внешний 332 мм, длина обмотки была 727 мм. Номинальный режим магнитного поля 4,5 кгс. Однородность магнитного поля была не хуже 0,06%, фиг. 3. Радиальное распределение магнитного поля не исследовалось.The first prototype of the invention is the solenoid S.P. Kapitsa, see Collection “′ High Power Electronics” ′. USSR Academy of Sciences M .: 1963, pp. 103-118, FIG. 2. An essential feature of this device is an increase in the magnetomotive force of the winding at the periphery. Structurally, the winding consisted of tape rolls 1 composed along a common axis of symmetry. The cross section of the tape in the central rolls was 25 × 0.4 mm 2 , .a peripheral 2.5 × 0.2 mm 2 . The inner diameter of the winding was 170 mm, the outer 332 mm, the length of the winding was 727 mm. The nominal mode of the magnetic field is 4.5 kgf. The uniformity of the magnetic field was no worse than 0.06%, FIG. 3. The radial distribution of the magnetic field has not been investigated.

Главный недостаток первого прототипа в малой относительной длине однородного магнитного поля 370/727=0,51.The main disadvantage of the first prototype in the small relative length of a uniform magnetic field 370/727 = 0.51.

Второй недостаток первого прототипа - в создании сильного магнитного поля в пространстве, окружающем соленоид, что затрудняет и даже делает невозможной работу многих приборов.The second drawback of the first prototype is the creation of a strong magnetic field in the space surrounding the solenoid, which complicates and even makes impossible the operation of many devices.

Третий недостаток связан со вторым, и он состоит в большой потребляемой мощности на питание, обмотки 36 кВт.The third drawback is associated with the second, and it consists in the large power consumption for food, winding 36 kW.

Вторым прототипом предлагаемого изобретения является устройство, см. Капица П.Л., Филимонов С.И. ′′Соленоид, создающий магнитное поле до 30 килоэрстэд в объеме 5 литров, и потребляющий 500 киловатт′′, Электроника больших мощностей №6, М.: Наука, 1969, с.147-160, фиг 4.The second prototype of the invention is a device, see Kapitsa P.L., Filimonov S.I. “Solenoid, creating a magnetic field of up to 30 kilo-ersted in a volume of 5 liters, and consuming 500 kilowatts” ”, High-power electronics No. 6, Moscow: Nauka, 1969, p.147-160, Fig. 4.

Сущность этого устройства в том, что обмотка изготовлялась из двух групп рулонных касет 1, разделенных зазором 32 мм и помещенных в кожух охлаждающей рубашки 2, по которой пропускалась дистиллированная вода.The essence of this device is that the winding was made of two groups of roll cassettes 1, separated by a gap of 32 mm and placed in the casing of the cooling jacket 2, through which distilled water was passed.

Второе отличие этого прототипа состояло в применении внешнего магнитопровода яремного типа 3 из стальной плиты сечением 540×90 мм2. Внутренний диаметр обмотки 160 мм, внешний 360 мм, длина соленоида по обмотке 408 мм, а по магнитопроводу 586 мм. B полюсах магнитопровода были сквозные аксиальные отверстия, равные внутреннему диаметру обмотки соленоида.The second difference of this prototype was the use of an external jugular type 3 magnetic circuit from a steel plate with a cross section of 540 × 90 mm 2 . The inner diameter of the winding is 160 mm, the outer is 360 mm, the length of the solenoid along the winding is 408 mm, and along the magnetic circuit is 586 mm. At the poles of the magnetic circuit there were through axial holes equal to the inner diameter of the solenoid winding.

При мощности питания обмотки 500 киловатт магнитное поле достигало 30 килоэрстэд. Аксиальное распределение магнитного поля в этом режиме было с однородностью 5,5%, фиг 5.With a power supply of the winding of 500 kilowatts, the magnetic field reached 30 kiloersted. The axial distribution of the magnetic field in this mode was with a uniformity of 5.5%, FIG. 5.

Недостаток второго прототипа - в низком уровне однородности магнитного поля, которое обусловлено применением разнесенных, разделенных зазором двух групп, кассет.The disadvantage of the second prototype is the low level of uniformity of the magnetic field, which is due to the use of spaced, divided by the gap of the two groups of cassettes.

Второй недостаток этого устройства - в низком качестве магнитного экранирования соленоида, потому что с двух сторон по бокам обмотка была открыта. И по торцам соленоид тоже был открыт большими отверстиями диаметром 140 мм. Все это снижало качество экранирования.The second disadvantage of this device is the low quality of the magnetic shielding of the solenoid, because the winding was open on both sides. And at the ends, the solenoid was also opened with large holes with a diameter of 140 mm. All this reduced the quality of shielding.

Третьим прототипом предлагаемого изобретения является устройство, см. канд. дис. Ишков. А.П. ′′Экспериментальное исследование авторезонансного ускорения электронов", ТПИ, Томск, 1969, с 50-52, фиг 6.The third prototype of the invention is a device, see cand. dis. Ishkov. A.P. ′ ′ Experimental study of autoresonant electron acceleration ", TPI, Tomsk, 1969, p. 50-52, Fig. 6.

Третий прототип состоит из модифицированной системы катушек Гельмгольца 1. Модификация состояла в применении третьей компенсирующей катушки 2, которая размещалась между основными катушками 1. При внутреннем диаметре 190 мм, внешнем 360 мм: и общей длине 260 мм рабочее магнитное поле 1000 гс было получено на участке длиною 160 мм по оси магнитной системы.The third prototype consists of a modified Helmholtz coil system 1. The modification consisted in the use of a third compensating coil 2, which was placed between the main coils 1. With an internal diameter of 190 mm, an external 360 mm: and a total length of 260 mm, a working magnetic field of 1000 gf was obtained on the site 160 mm long along the axis of the magnetic system.

Второе существенное отличие этого прототипа состояло в, применении внешнего магнитопровода в форме двух торцовых дисков 3 и восьми боковых пластин 4. Весь магнитопровод изготовлялся из мягкой стали толщиною 30 мм.The second significant difference of this prototype was the use of an external magnetic circuit in the form of two end disks 3 and eight side plates 4. The entire magnetic circuit was made of mild steel with a thickness of 30 mm.

Третья особенность этого прототипа состояла в применении дисков с проточной водой 5, которые аксиально прижимались к катушкам 1 и 2. Внутренние диски были латунными, а в наружных дисках 5 вытачивались спирали Архимеда.The third feature of this prototype was the use of disks with running water 5, which were axially pressed against coils 1 and 2. The inner disks were brass, and Archimedes spirals were machined in the outer disks 5.

В целом прототип в эксперименте показал приемлемые результаты: ток возбуждения обмотки снизился в 2,6 раза, продолжительность работы соленоида увеличилась с 1-2 мин до 5-6 мин, однородность магнитного поля улучшилась с 3% до 1-2%, фиг. 8.In general, the prototype in the experiment showed acceptable results: the excitation current of the winding decreased 2.6 times, the duration of the solenoid increased from 1-2 minutes to 5-6 minutes, the uniformity of the magnetic field improved from 3% to 1-2%, FIG. 8.

Структура магнитного поля в диаметральной проскости соленоида показана на фиг 7. Анализ линий равного уровня магнитного воля показывает, что каждая катушка создает свою локальную область магнитного поля с явными ′′лощинами′′, где уровень магнитного поля существенно ниже ′′бугров′′, прилегающих к катушкам.The structure of the magnetic field in the diametrical plane of the solenoid is shown in Fig. 7. An analysis of lines of equal level of the magnetic will shows that each coil creates its own local region of the magnetic field with obvious “hollows”, where the level of the magnetic field is much lower than the “hillocks” adjacent to the coils.

Основной недостаток третьего прототипа в нерациональности магнитопровода: боковая часть имела просветы между боковыми пластинами 4, торцовые диски 3 имели большие отверстия диаметром 190 мм.The main disadvantage of the third prototype is the irrationality of the magnetic circuit: the side part had gaps between the side plates 4, the end plates 3 had large holes with a diameter of 190 mm.

Недостаток обмотки состоял в том, что она была из трех разнесенных катушек, которые создавали свои локальные максимумы-′′бугры′′, а между ними были ′′лощины′′. Это снижало однородность магнитного поля.The disadvantage of the winding was that it was made up of three spaced coils that created their local maxima - ″ hillocks ″, and between them there were ″ hollows ″. This reduced the uniformity of the magnetic field.

Система охлаждения была недостаточной.The cooling system was inadequate.

Отмеченные недостатки были устранены в четвертом прототипе, см. патент RU2364000 ′′Соленоид Ишкова однородный′′, фиг. 9.The noted disadvantages were eliminated in the fourth prototype, see patent RU2364000 ″ Ishkova homogeneous solenoid ″, FIG. 9.

Четвертый прототип состоит из обмотки прямоугольного сечения 1 и внешнего магнитопровода броневого типа 2, линии магнитного поля 3 соединяют полюса 4. Соленоид такого устройства проверен экспериментально и действительно обеспечивает заданную однородность поля в нем.The fourth prototype consists of a winding of rectangular cross-section 1 and an external armored magnetic circuit 2, magnetic field lines 3 connect the poles 4. The solenoid of such a device has been tested experimentally and really provides a given uniformity of the field in it.

Недостатком его является сформулированный признак магнитопровода: его толщина должна быть равна внутреннему радиусу обмотки возбуждения. Такой соленоид легко изготовить, если он мал размерами. А если размеры возрастут, то соленоид становится нереализуемым.Its drawback is the formulated feature of the magnetic circuit: its thickness should be equal to the internal radius of the field coil. Such a solenoid is easy to manufacture if it is small in size. And if the dimensions increase, then the solenoid becomes unrealizable.

Требуется усовершенствовать и обмотку, и магнитопровод.It is required to improve both the winding and the magnetic circuit.

В качестве примера предлагаемое изобретение представлено на фиг. 10. Оно состоит из основной обмотки прямоугольного сечения 1, которая простирается на всю длину соленоида и двух компенсирующих обмоток треугольного сечения 2, которые намотаны поверх периферийных частей основной обмотки прямоугольного сечения 1. Устройство снабжено внешним магнитопроводом броневого типа 3, который состоит из цилиндрической оболочки 4 и двух торцовых фланцев 5. Толщина цилиндрической оболочки 4 одинакова во всей ее поверхности и выбирается по режиму магнитной не насыщенности.By way of example, the invention is shown in FIG. 10. It consists of a main winding of rectangular cross section 1, which extends the entire length of the solenoid and two compensating windings of triangular cross section 2, which are wound over the peripheral parts of the main winding of rectangular cross section 1. The device is equipped with an external armored magnetic circuit 3, which consists of a cylindrical shell 4 and two end flanges 5. The thickness of the cylindrical shell 4 is the same in its entire surface and is selected according to the mode of magnetic not saturation.

Торцовые фланцы 5 имеют форму усеченных конусов, внутренние поверхности которых являются неявными полюсами 6. Размер h при r=r1 выбирается по критерию равновеликости плотности магнитного потока во всех сечениях магнитопровода броневого типа 3: на неявных полюсах 6, внутри торцовых фланцев 5 и внутри цилиндрической оболочки 4.End flanges 5 have the shape of truncated cones, the inner surfaces of which are implicit poles 6. The size h at r = r 1 is selected according to the criterion for the magnetic flux density being equal in all sections of the armored magnetic circuit 3: at implicit poles 6, inside end flanges 5 and inside cylindrical shell 4.

πn2=2πnh=2πr3·Δ,πn 2 = 2πnh = 2πr 3 · Δ,

где h - высота торцовых фланцев 5 при r=r1,where h is the height of the end flanges 5 when r = r 1 ,

Δ - толщина цилиндрической оболочки 4,Δ is the thickness of the cylindrical shell 4,

r1 - внутренний радиус основное обмотки прямоугольного сечения 1,r 1 - inner radius of the main winding of rectangular cross section 1,

r3 - внешний радиус компенсирующей обмотки треугольного сечения 2.r 3 is the outer radius of the compensating winding of a triangular section 2.

Следовательно: h = r 1 2 ,

Figure 00000001
Δ = n 6
Figure 00000002
при r 3 = 3 r 1 .
Figure 00000003
Hence: h = r one 2 ,
Figure 00000001
Δ = n 6
Figure 00000002
at r 3 = 3 r one .
Figure 00000003

В торцовых фланцах 5 снаружи коаксиально сделаны вырезы конической формы 7 с вершинами на неявных полюсах 6. Они не нарушают структуры линий магнитного поля Bz 12 между неявными полюсами 6 и предназначены для коммуникаций с внутренним пространством соленоида.In the end flanges 5, cutouts of a conical shape 7 with vertices at the implicit poles 6 are coaxially made outside. They do not violate the structure of the magnetic field lines B z 12 between the implicit poles 6 and are intended for communication with the internal space of the solenoid.

Основная обмотка прямоугольного сечения 1 намотана поверх рубашки водяного охлаждения 8, которая снабжена патрубками 9 для подвода охлаждающей воды и слива ее в систему охлаждения известным способом.The main winding of rectangular cross section 1 is wound over a water cooling jacket 8, which is equipped with nozzles 9 for supplying cooling water and draining it into the cooling system in a known manner.

Пространство, образованное основной обмоткой прямоугольного сечения 1 компенсирующими обмотками треугольного сечения 2 и цилиндрической оболочкой 4, создает рубашку газового охлаждения 10, которая снабжена патрубком 11, через которые циркулирует охлаждающий газ известным способом. В качестве газового хладагента могут быть применены: водород, гелий или сжатый воздух. Их удельные теплоемкости приведены в табл. 1The space formed by the main winding of rectangular cross-section 1 with compensating windings of triangular cross-section 2 and cylindrical shell 4 creates a gas cooling jacket 10, which is equipped with a pipe 11 through which cooling gas circulates in a known manner. As a gas refrigerant can be used: hydrogen, helium or compressed air. Their specific heat is given in table. one

Табл.1Table 1 хлад. агентcool. agent режим температурtemperature mode удельная теплоемкостьspecific heat водаwater 0-100°С0-100 ° C 1 кал/гр.град1 cal / gr водородhydrogen 0-200°С0-200 ° C 3,413.41 гелийhelium 0-600°С0-600 ° C 1,241.24 воздухair 0-400°С0-400 ° C 0,240.24

Из них физически наиболее эффективен водород, но сжатый воздух технологически проще и удобнее.Of these, hydrogen is physically most effective, but compressed air is technologically simpler and more convenient.

Действует устройство следующим образом.The device operates as follows.

Электрический ток, протекающий в основной обмотке прямоугольного сечения 1, создает внутри нее магнитное поле Bz(xz). Согласно исследований первого прототипа, фиг. 3, его аксиальное распределение имеет достаточно плоский максимум в центральной части и прогрессивный спад на периферии. Для выравнивания величины Bz(xz) по всей длине соленоида используются две компенсирующие обмотки треугольного сечения 2. Их профиль согласован с аксиальным спадом магнитного поля, создаваемого основной обмоткой прямоугольного сечения 1. При соответствующем подборе электрического тока в компенсирующих обмотках треугольного сечения 2 будет достигнуто магнитное поле Bz(xz) одного уровня с достаточной точностью.An electric current flowing in the main winding of rectangular cross-section 1 creates a magnetic field B z (xz) inside it. According to studies of the first prototype, FIG. 3, its axial distribution has a fairly flat maximum in the central part and a progressive decline in the periphery. To equalize the value of B z (xz) along the entire length of the solenoid, two compensating windings of triangular section 2 are used. Their profile is consistent with the axial decrease in the magnetic field created by the main winding of rectangular section 1. With appropriate selection of the electric current in compensating windings of triangular section 2, a magnetic the field B z (xz) of one level with sufficient accuracy.

Теплота, выделяющаяся в основной обмотке прямоугольного сечения 1 и в компенсирующих обмотках треугольного сечения 2, удаляется проточной водой, протекающей по рубашке водяного охлаждения 8 и потоком охлаждающего газа по рубашке газового охлаждений 10 известными способами.The heat released in the main winding of rectangular cross-section 1 and in the compensating windings of triangular cross-section 2 is removed by running water flowing through the water cooling jacket 8 and the flow of cooling gas through the gas cooling jacket 10 by known methods.

Магнитное поле Bz(xz), создаваемое основной обмоткой прямоугольного сечения 1 и компенсирующими обмотками треугольного сечения 2 согласно исследованиям прототипа 3, фиг. 7, имеет радиальную неоднородность: при оси симметрии магнитное поле Bz(xz) имеет минимум, при радиальном удалении от оси симметрии к внутренней поверхности основной обмотки прямоугольного сечения 1 величина магнитного поля Bz(xz) возрастает параболически. Применение в магнитопроводе 3 двух торцовых фланцев 5 в форме усеченных конусов перераспределяет линии магнитной индукции Bz(xz) так, что и радиальное распределение магнитного поля Bz(xz) становится однородным, независящим от радиальной координаты x.The magnetic field B z (xz) created by the main winding of rectangular cross-section 1 and compensating windings of triangular cross-section 2 according to studies of prototype 3, FIG. 7, has a radial heterogeneity: with the axis of symmetry, the magnetic field B z (xz) has a minimum, with a radial distance from the axis of symmetry to the inner surface of the main winding of rectangular cross section 1, the magnitude of the magnetic field B z (xz) increases parabolic. The use in the magnetic circuit 3 of two end flanges 5 in the form of truncated cones redistributes the lines of magnetic induction B z (xz) so that the radial distribution of the magnetic field B z (xz) becomes uniform, independent of the radial coordinate x.

Аксиальное утолщение торцовых фланцев 5 в приосевой области соленоида значительнее снижает магнитное сопротивление для линий магнитного поля Bz(xz)12, чем в периферийной части, удаленной от оси симметрии. Это способствует радиальному выравниванию уровня магнитного поля внутри соленоида.The axial thickening of the end flanges 5 in the axial region of the solenoid significantly reduces the magnetic resistance for the magnetic field lines B z (xz) 12 than in the peripheral part remote from the axis of symmetry. This contributes to the radial alignment of the magnetic field inside the solenoid.

Финишную доводку однородности магнитного поля Bz(xz) можно обеспечить профилированием неявных полюсов 6 торцовых фланцев 5 по методике, применяемой для микротронов, т.е. для аналога.The final refinement of the magnetic field uniformity B z (xz) can be achieved by profiling the implicit poles 6 of the end flanges 5 according to the technique used for microtrons, i.e. for analogue.

Табл.2Table 2 ПрототипPrototype r1/r2 r 1 / r 2 ΔZ/ZΔZ / Z неоднородностьheterogeneity h, ммh mm Δ, ммΔ, mm 1one 85/166=095185/166 = 0951 370/727=0,51370/727 = 0.51 0,06%0.06% 4242 2222 22 80/180=0,4480/180 = 0.44 200/406=0,49200/406 = 0.49 5,5%5.5% 4040 18eighteen 33 85/170=0,585/170 = 0.5 200/240=0,83200/240 = 0.83 2%2% 42 (30)42 (30) 21 (0)21 (0) 4four 15/35=0,4315/35 = 0.43 82/82=182/82 = 1 5%5% 99 99

В табл.2 представлены основные параметры прототипов. В первой колонке номера прототипов по порядку употребления их в тексте. Во второй колонке приведены отношения радиусов их обмотки: внутреннего к внешнему. В третьей колонке отношение длины участка с однородным магнитным полем к общей длине обмотки. В четвертой колонке показан достигнутый уровень однородности магнитного поля.Table 2 presents the main parameters of the prototypes. In the first column, the numbers of the prototypes in order of their use in the text. The second column shows the ratio of the radii of their windings: internal to external. In the third column, the ratio of the length of the section with a uniform magnetic field to the total length of the winding. The fourth column shows the achieved level of uniformity of the magnetic field.

В последних двух колонках проведены расчетные параметры внешних магнитопроводов полученных по методике предлагаемого изобретения, стр 4.In the last two columns, the calculated parameters of the external magnetic cores obtained by the method of the invention, page 4 are carried out.

Для первого прототипа применение цилиндрической оболочки толщиною Δ=22 мм и торцовых фланцев с расчетным параметром h=42 мм снизило бы потребляемую мощность питания с 36 кВт до 6-8 кВт. При этом пространство, окружающее соленоид, было бы без сильного внешнего магнитного поля.For the first prototype, the use of a cylindrical shell with a thickness Δ = 22 mm and end flanges with a design parameter h = 42 mm would reduce the power consumption from 36 kW to 6-8 kW. In this case, the space surrounding the solenoid would be without a strong external magnetic field.

Второй прототип с цилиндрической оболочкой Δ=18 мм и закрытыми, без отверстий, фланцами с параметром h=40 мм обеспечил бы лучшую однородность магнитного поля.The second prototype with a cylindrical shell Δ = 18 mm and closed, without holes, flanges with the parameter h = 40 mm would provide better uniformity of the magnetic field.

В третьем прототипе сплошная цилиндрическая оболочка толщиною 21 мм вместо периодической из восьми пластин толщиною по 30 мм и торцовыми фланцами с параметром h=42 мм вместо 30 мм обеспечили-бы лучшую однородность, при закрытых фланцах, и лучшую защиту окружающего пространства от радиационного излучения при работе ускорителя.In the third prototype, a continuous cylindrical shell 21 mm thick instead of a periodic of eight plates 30 mm thick and end flanges with the parameter h = 42 mm instead of 30 mm would provide better uniformity with closed flanges and better protection of the surrounding space from radiation during operation accelerator.

В последней строке приведены параметры четвертого прототипа.The last line shows the parameters of the fourth prototype.

Общий итог информации, содержащейся в табл.2, сводится к тому, что внешний магнитопровод пo предлагаемому изобретению эффективнее повышает однородность магнитного поля исходного соленоида и защищает окружающее пространство от внешнего магнитного поля соленоида.The overall result of the information contained in Table 2 is that the external magnetic circuit of the present invention more effectively increases the uniformity of the magnetic field of the original solenoid and protects the surrounding space from the external magnetic field of the solenoid.

Особый интерес представляет теоретический расчет структуры магнитного поля создаваемого круговым током.Of particular interest is the theoretical calculation of the structure of the magnetic field created by a circular current.

На фиг. 11 представлен круговой контур с током i. Магнитное поле Bz в произвольной точке x на оси x, на расстоянии x от начала координат согласно закона Лапласа будет определяться суммой всех элементарных полей dBz, создаваемых всеми элементами кругового тока i по формуле ЛапласаIn FIG. 11 shows a circular circuit with current i. The magnetic field B z at an arbitrary point x on the x axis, at a distance x from the origin according to the Laplace’s law will be determined by the sum of all elementary fields dB z created by all elements of the circular current i according to the Laplace’s formula

d B z = i d l δ 2 = i r d y δ 2 .                                                              (1)

Figure 00000004
d B z = i d l δ 2 = i r d y δ 2 . (one)
Figure 00000004

длина отрезка δ определится теоремой косинусовthe length of the segment δ is determined by the cosine theorem

δ 2 = x 2 + r 2 2 r x cos y .                                                    (2)

Figure 00000005
δ 2 = x 2 + r 2 - 2 r x cos y . (2)
Figure 00000005

В итоге магнитное поле в точке x, отстоящей от центра кругового тока i на расстоянии x, будет численно равно интегралуAs a result, the magnetic field at point x, which is spaced from the center of circular current i at a distance x, will be numerically equal to the integral

B z (x) = i r 0 T 2 h d y x 2 + r 2 2 r x cos y .                                           (3)

Figure 00000006
B z (x) = i r 0 T 2 h d y x 2 + r 2 - 2 r x cos y . (3)
Figure 00000006

и точке x1, отстоящей от плоскости кругового тока на расстоянии Z магнитное поле Bz(xz) будет согласно фиг. 12 определяться интегралом.and the point x 1, spaced from a circular current in the region Z plane magnetic field B z (xz) according to FIG. 12 is determined by the integral.

B ' ( x ˙ z ) = i r 0 2 h d y x 2 + r 2 + Z 2 2 r x cos y .                                      (4)

Figure 00000007
B '' ( x ˙ z ) = i r 0 2 h d y x 2 + r 2 + Z 2 - 2 r x cos y . (four)
Figure 00000007

Его проекция на ось Z определяется cosα, который численно равенIts projection onto the Z axis is determined by cosα, which is numerically equal to

cos α = δ δ ' = x 2 + r 2 2 r x cos y x 2 + r 2 + Z 2 2 r x cos y .                                         (5)

Figure 00000008
cos α = δ δ '' = x 2 + r 2 - 2 r x cos y x 2 + r 2 + Z 2 - 2 r x cos y . (5)
Figure 00000008

В итоге получается формула для определения пространственного распределения магнитного поля, создаваемого круговым током iThe result is a formula for determining the spatial distribution of the magnetic field created by the circular current i

B z ( x , z ) = i r 0 2 h x 2 + r 2 2 r x cos y ( x 2 + r 2 + Z 2 2 r x cos y ) 3 2 d y                                     (6)

Figure 00000009
B z ( x , z ) = i r 0 2 h x 2 + r 2 - 2 r x cos y ( x 2 + r 2 + Z 2 - 2 r x cos y ) 3 2 d y (6)
Figure 00000009

Если r=1 и координаты x, Z измерять в его долях, то формула упроститсяIf r = 1 and the x, Z coordinates are measured in its shares, then the formula will be simplified

B z ( x , z ) = 2 i 0 π 1 + x 2 2 x cos y ( 1 + x 2 + Z 2 2 x cos y ) 3 2 d y                                        (7)

Figure 00000010
B z ( x , z ) = 2 i 0 π one + x 2 - 2 x cos y ( one + x 2 + Z 2 - 2 x cos y ) 3 2 d y (7)
Figure 00000010

В табл.3 представлено магнитное поле, создаваемое круговым током i=1.Table 3 shows the magnetic field created by the circular current i = 1.

Табл.3Table 3

x Zx Z 00 0,2500.250 0,50.5 1,01,0 1,51,5 00 0,9130.913 1,01,0 0,7160.716 0,3530.353 0,1710.171 0,20.2 0,9410.941 1,041,04 0,7200.720 0,3490.349 0,1690.169 0,40.4 1,0321,032 1,191.19 0,7380.738 0,3360.336 0,1620.162 0,60.6 1,1561,156 1,5621,562 0,7430.743 0,3110.311 0,1530.153 0,80.8 1,4061,406 1,4061,406 0,6970.697 0,2810.281 0,1430.143

Поле в центре кругового тока принято за 1,0. По оси Z магнитное поле Bz(xz) монотонно убывает, а по оси x в плоскости кругового тока магнитное поле растет параболически. Это так называемое следообразное распределение.The field at the center of the circular current is taken as 1.0. The magnetic field B z (xz) along the Z axis decreases monotonically, and along the x axis in the plane of circular current, the magnetic field increases parabolic. This is the so-called trace distribution.

В плоскости, отстоящей на 0,25 радиуса, магнитное поле тоже радиально растет, а на расстоянии 0,5 радиуса оно имеет максимум при x=0,6 и дальше идет на спад. При дальнейшем удалении от плоскости кругового тока магнитное поле по радиусу только убывает.In a plane separated by 0.25 radius, the magnetic field also grows radially, and at a distance of 0.5 radius it has a maximum at x = 0.6 and then goes down. With further distance from the plane of the circular current, the magnetic field only decreases in radius.

Пользуясь полученной формулой 7, можно с помощью компьютера рассчитывать внутреннюю структуру магнитного поля любого соленоидаUsing the obtained formula 7, you can use a computer to calculate the internal structure of the magnetic field of any solenoid

На очереди стоит экспериментальная проверка формулы 7.The next step is an experimental verification of formula 7.

Claims (1)

Соленоид, состоящий из обмотки возбуждения и внешнего магнитопровода, состоящего из цилиндрической оболочки и двух торцовых фланцев, внутренние поверхности которых являются магнитными полюсами, отличающийся тем, что обмотка возбуждения состоит из основной обмотки прямоугольного сечения и двух компенсирующих обмоток треугольных сечений, которые намотаны поверх периферийных частей основной обмотки прямоугольного сечения, основная обмотка прямоугольного сечения намотана на цилиндрической рубашке водяного охлаждения, которая выполнена из немагнитного материала, пространство между основной обмоткой прямоугольного сечения, двумя компенсирующими обмотками треугольных сечений и цилиндрической оболочкой внешнего магнитопровода является рубашкой газового охлаждения, торцовые фланцы имеют форму конусов, которые выступают наружу и в них сделаны коаксиальные конусные вырезы с вершинами на полюсных поверхностях; углы при основаниях конусов обеспечивают равновеликость плотности магнитного потока по всей длине магнитных линий во внешнем магнитопроводе. A solenoid consisting of an excitation winding and an external magnetic circuit consisting of a cylindrical shell and two end flanges, the inner surfaces of which are magnetic poles, characterized in that the excitation winding consists of a main winding of a rectangular section and two compensating windings of triangular sections, which are wound over the peripheral parts the main winding of a rectangular section, the main winding of a rectangular section is wound on a cylindrical water-cooling shirt, which is made on a non-magnetic material, the space between the main winding of rectangular cross section, the two triangular cross sections of the compensating coils and the cylindrical outer shell magnetic circuit is jacketed cooling gas, front flanges are in the form of cones that protrude outwardly and are made of coaxial conical recesses with vertices on the pole surfaces; the angles at the bases of the cones provide uniform magnetic flux density along the entire length of the magnetic lines in the external magnetic circuit.
RU2013103571/07A 2013-01-25 2013-01-25 Solenoid coil RU2521867C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013103571/07A RU2521867C1 (en) 2013-01-25 2013-01-25 Solenoid coil

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013103571/07A RU2521867C1 (en) 2013-01-25 2013-01-25 Solenoid coil

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011142733 Substitution 2011-10-21

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2521867C1 true RU2521867C1 (en) 2014-07-10
RU2013103571A RU2013103571A (en) 2014-07-27

Family

ID=51217133

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013103571/07A RU2521867C1 (en) 2013-01-25 2013-01-25 Solenoid coil

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2521867C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
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

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
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
RU2364000C2 (en) * 2006-01-17 2009-08-10 Александр Петрович Ишков Ishkov's uniform solenoid coil

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013103571A (en) 2014-07-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102208837B (en) Rotating machine
EP3125257B1 (en) Dipole ring magnetic field generator
US11972896B2 (en) Compact inductor employing redistributed magnetic flux
EP0374189A1 (en) Electromagnet and method of forming same
Peng et al. Axial magnetic field produced by axially and radially magnetized permanent rings
KR101629214B1 (en) Plasma processing apparatus for shaping plasma with controlling magnetic field
RU2521867C1 (en) Solenoid coil
CN105070455A (en) Non-moment solenoidal magnetic field coil with radial openings
JP5172817B2 (en) Magnetic field generator for physical treatment of water
CN206099564U (en) Electric motor rotor structure, motor and compressor
Efremov et al. Status of the ion source DECRIS-SC
Tosin et al. Super hybrid quadrupoles
Zlobin et al. Superconducting magnets for accelerators
RU2509386C1 (en) Solenoid
Kalimov et al. Investigation of the power losses in a laminated dipole magnet with superconducting coils
RU2522191C2 (en) Helmholtz-ishkov coils
KR101086471B1 (en) Transformer Structure For High Voltage
KR101746504B1 (en) High magnetic cavity apparatus and rf neutron spin flipper apparatus having the same
Wallén et al. Magnetic calculations of a superconducting undulator at the ESRF
Thuillier et al. Recent results of PHOENIX V2 and new prospects with PHOENIX V3
Tkachenko et al. New geometry of wide-aperture quadrupole magnets for plasma experiments in the FAIR project
Zaghloul et al. Magnetic design and field optimization of a superferric dipole for the RISP fragment separator
Sanchez et al. Concepts of tunable magnets using permanent magnetic material for synchrotron radiation sources
Radovinsky et al. A Ioffe Trap Magnet for the Project 8 Atom Trapping Demonstrator
Okuno et al. Superconducting bending magnet for the RIKEN superconducting ring cyclotron