Багатовитковий соленоїд

Багатовитковий соленоїд ,що виконаний у вигляді тіла обертання з провідників, розташованих на поверхні тіла в шарі, товщина якого нехтовно мала у порівнянні з розміром поперечного пе Винахід відноситься до електротехніки, конкретно до техніки сильних магнітних полів Може бути використаний, наприклад, для створення потужних індуктивних накопичувачів високої питомої енергоємності та з великим енергозапасом ВІДОМІ [1] соленоїди циліндричної та тороїдальної форми, витки котрих розташовані в площинах, що перпендикулярні їхній подовжній ВІСІ, і ввімкнені згідно, тобто обтікаються током, однаковим за величиною та напрямом Недолік вказаних соленоїдів полягає в наявності розриваючих електродинамічних зусиль (ЕДЗ) та ВІДПОВІДНИХ механічних напружень у витках, що обмежує питому енергоємність індуктивного накопичувача та ускладнює його магнітну систему ВІДОМІ [2] безсилові соленоїди, витки котрих створюють гвинтову обмотку, яка намотана з шагом, що забезпечує (теоретично) паралельність векторів напруженості магнітного поля та ЩІЛЬНОСТІ струму в будь якій точці струмонесучого шару Позитивна якість таких соленоїдів - зменшення (приблизно в 3 - 5 разів) інтегральних ЕДЗ, недоліки - складність виготовлення гвинтової обмотки, та (головне) неможливість досягнення безсилового стану в соленоїді, що може бути практично виконаний (тобто в соленоїді, що має кінцевий об'єм та дискретний розподіл струму) Вказані недоліки значною мірою знецінюють перевагу безсилових соленоїдів перед звичайними ВІДОМІ також [3] безсилові соленоїди тороїдальної форми, які обладнані зовнішньою магнітною системою, що складається з двох колових витків, розміщених рерізу пристрою, і які утворюють обмотку, що складається з двох частин, одна з яких утворена провідниками, укладеними по твірній тіла обертання, а друга - провідниками, укладеними в вигляді кільцевих витків, площини яких перпендикулярні осі тіла обертання та провідникам першої частини обмотки, який відрізняється тим, що провідники першої частини обмотки цілком розташовані на поверхні тіла обертання, а друга частина обмотки обхоплює першу, причому щільно соосно з тороїдом і симетрично його екваторіальній площині Застосування зовнішньої магнітної системи забезпечує безсиловий стан (точніше, стан повної інтегральної розвантаженості) у всьому об'ємі практично виконуваної гвинтової обмотки Це досягається за рахунок сприйняття зовнішньою магнітною системою залишкових ЕДЗ в гвинтовій обмотці, спричинених неідеальністю останньої Недоліки пристроїв даного типу ускладнення конструкції, наявність інтегральних ЕДЗ в ЗОВНІШНІЙ магнітній системі, різке збільшення габаритів та маси всієї установки із зростанням и енергоємності, Найбільш близьким по технічній сутності до пристрою, що заявляється, є вибраний в якості прототипу багатовитковий соленоїд з безсиловою обмоткою [4] Соленоїд виконано у вигляді тіла обертання з провідників, розташованих на поверхні тіла в шарі, товщина котрого нехтовно мала у порівнянні з характерним розміром поперечного перерізу пристрою Обмотка соленоїда складається з двох частин, одна з котрих утворена провідниками, укладеними в вигляді колових витків, площини котрих перпендикулярні ВІСІ тіла обертання, а друга частина обмотки утворена провідниками, укладеними по твірній тіла обертання поверх першої частини обмотки перпендикулярно провідникам останньої, причому провідники другої частини обмотки відігнуті усередину тіла обертання В конструкції що розглядається значення вектора магнітної індукції, усередненого по струмонесучому шару, паралельно вектору поверхневої щільно О 00 (О 46819 обмотки пристрою, що заявляється (другої частисті струму, утвореному складанням його тороїдани обмотки в прототипі), ніде не перетинають польної та полоідальної складових Тим самим досяверхні тіла обертання, а друга частина обмотки гається (причому без застосування зовнішньої розміщена поверх першої и частини (тобто взаєммагнітної системи) безсиловий стан у всьому об'не розташування частин обмотки зворотно прийнємі практично виконуваного струмонесучого шару, ятому в прототипі) і щільно охоплює останню, сорозміщеного на поверхні тіла обертання, внаслідок леноїд стає інтегрально розвантаженим у всьому взаємної компенсації радіальних та осьових ЕДЗ, своєму об'ємі за рахунок того, що радіальні та що виникають в частинах обмотки В цьому поляосьові інтегральні ЕДЗ, що виникають у частинах гає головна позитивна якість прототипу Однак обмотки, повністю (а не частково, як у прототипі) такий пристрій має і суттєві недоліки Перший з взаємно компенсуються В результаті відпадає них полягає у наявності відігнутих усередину тіла необхідність в масивному ТІЛІ обертання, який грає обертання провідників другої частини обмотки в прототипі роль бандажа, що збільшує питому Останні піддаються дії некомпенсованих ЕДЗ, для енергоємність індуктивного накопичувача та розсприйняття котрих використовується масивне тіло ширює галузь застосування останнього Відсутобертання, що грає роль механічного бандажу ність відігнутих усередину тіла обертання ділянок Таким чином, безсиловий стан у всьому об'ємі провідників першої частини обмотки (оскільки згапрототипа не досягається Наявність масивного дані провідники цілком, тобто по всій своїй довжибандажу та відігнутих в нього провідників другої ні, розміщені на поверхні тіла обертання), а також частини обмотки знижує питому енергоємність і масивного тіла обертання спрощує конструкцію ускладнює магнітну систему індуктивного накопипристрою Для підвищення зручності розміщення чувача Другий недолік прототипа полягає в тому, соленоїда (наприклад, в транспортному засобі, де що друга частина обмотки укладена поверх пероб'єм простору, що відводиться під джерело тягшої Можна показати [5], що при такому взаємному лової енергії, обмежений), а конфігурація його чарозташуванні частин обмотки стінки соленоідасто не дозволяє розмістити тіло обертання, форма прототипа будуть піддаватися всебічному розтягостаннього може довільним чином відрізнятися від ненню Тому для одержання в прототипі сильних тіла обертання і бути, наприклад, еліптичною, магнітних полів необхідно поверх другої частини прямокутною тощо Таке виконання соленоїда дообмотки накладати механічний бандаж Це додатдатково розширює галузь його застосування у поково ускладнює конструкцію соленоїда і зменшує рівнянні з прототипом його питому енергоємність Задача винаходу полягає в збільшенні питомої енергоємності та спрощенні конструкції соленоїда Вказана задача вирішується тим, що у відомому багато витко во му соленоїді, виконаному у вигляді тіла обертання з провідників, розташованих на поверхні тіла в шарі, товщина котрого нехтовно мала у порівнянні з характерним розміром поперечного перерізу пристрой, і які утворюють обмотку, що складається з двох частин, одна з котрих утворена провідниками, укладеними по твірній тіла обертання, а друга - провідниками, укладеними в вигляді кільцевих витків, площини котрих перпендикулярні ВІСІ тіла обертання та провідникам першої частини обмотки, провідники першої частини обмотки цілком розташовані на поверхні тіла обертання, а друга частина обмотки охоплює першу, причому щільно (без зазорів) Порівняння запропонованого соленоїда не тільки з прототипом, але і з іншими технічними рішеннями та об'єктами не виявило в них таку ж сукупність ознаку котра відрізняє рішення що заявляється від прототипу, причому саме така сукупність ознак необхідна і достатня і дозволить одержати новий технічний результат, що полягає в створенні потужного, надійного та відносно дешевого індуктивного накопичувача, здатного накопичувати і зберігати в одиниці маси та об'єму магнітної системи не менше енергії, ніж її зберігається в одиниці маси та об'єму ХІМІЧНИХ (зокрема ракетних) палив, причому без застосування механічних бандажів, ЗОВНІШНІХ магнітних систем та інших традиційних засобів отримання обмотки від розриву електродинамічними зусиллями, що дає підставу для висновку про ВІДПОВІДНІСТЬ вказаного пристрою критеріям винаходу Завдяки тому, що провідники першої частини Винахід пояснюється кресленням, на котрому представлений поперечний переріз соленоїда (фиг 1) Задля простоти зображений соленоїд, що має форму тора Пристрій, що заявляється, складається з соленоїда, наприклад тороїдальної форми, з середнім радіусом Ro, що містить дві обмотки 1 і 2, котрі щільно (без зазорів) вкладені одна в другу, розділені ІЗОЛЯЦІЙНИМ шаром 3 та укладені на легкий каркас 4, виконаний, наприклад, з того ж матеріалу, що й тіло обертання в прототипі Товщина стінки соленоїда, яка представляє собою суму товщин обмоток та ІЗОЛЯЦІЙНОГО шару, що їх розділяє, як і в прототипі нехтовно мала в порівнянні з характерним розміром поперечного перерізу пристрою Внутрішня обмотка 1, що має Wi витків, внутрішній радіус поперечного перерізу qi та наружний радіус поперечного перерізу г-і, утворена провідниками, укладеними по твірній тороіда, конкретно вздовж периметру поперечного перерізу каркаса 4 Провідники зовнішньої обмотки 2, що має W2 витків, внутрішній радіус поперечного перерізу q2 та наружний радіус поперечного перерізу гг, укладені перпендикулярно провідникам обмотки 1 у вигляді кільцевих витків, площини котрих перпендикулярні до ВІСІ тороіда Z-Z (див фіг 1), а центри лежать на цій ВІСІ Пристрій працює наступним чином При подачі струму в соленоїд (струмовводи на кресленні не показані), обмотка 1 обтається, наприклад, по годинниковій стрільці, повним тороїдальним струмом h = W-і • h (де h - струм у витку обмотки 1), який створює в об'ємі Vi = 2 • ті • Ro • гі 2 полоідальне магнітне поле В-і, силові лінії котрого замикаються вздовж кола великого радіусу тороіда Обмотка 2 обтається повним полоідальним струмом 46819 b = \Л/г • Іг (де Іг - ток у витку обмотки 2), котрий стінки соленоіда-прототипа піддаються, навпаки, збуджує на поверхні обмотки 2 та в оточуючому и всебічному розтягненню внаслідок взаємного розпросторі тороїдальне магнітне поле Вг, силові лінії ташування обмоток, протилежного пристрою, що котрого охоплюють тороїд по твірній, тобто перпезаявляється) При такому характері навантаження ндикулярно силовим лініям поля Ві ВІДМІТИМО, ЩО соленоїда, що заявляється, стає можливим, на поле Вг у загальному випадку має дотичну B2t і відміну від прототипу, оптимізувати розміри і форнормальну В-іп компоненти Останнє зумовлено му поперечного перерізу соленоїда, повні струми кінцевістю відносного радіуса обмотки 2 уг = Гг / Ro обмоток 1 і 2 та розподіл струму в останніх за криі визваною цим неоднорідністю магнітного поля Вг теріями вздовж периметру поперечного перерізу цієї обмоF(6) = 0, тки Результуючі вектори поля В та ЩІЛЬНОСТІ dpi (qi, Ф) струму J в будь якій точці на поверхні соленоїда =0 dф одержуються векторним складанням їхніх тороїдальних і колоїдальних компонент dp 2 (г2, =0 2 dф ,2 •K В 2t/ V' в=в в= +| де { ) ч ~2 - вектор результуючого інтег.1/2 J = J Ф) . магнітний тиск, прикладений до зовнішньої (г = гг) поверхні обмотки 2, прототипі фіктивним стільки вектор ^ , а вектор В є реальним Останнє обумовлено тим, що обмотка ? = (q-і < ?