КАТУШКА ИНДУКТИВНОСТИ - КОНДЕНСАТОР

.
Рубрики международной патентной классификации (МПК) полезной модели:
Н01F - Магниты; индуктивности; трансформаторы; выбор материалов, обеспечивающих магнитные свойства.
Подклассы этого класса:
5/00 - катушки;
6/00 - сверхпроводящие катушки и магниты;
27/00 - конструктивные элементы вообще;
38/00 - приспосабливание трансформаторов или
индуктивностей для специального применения или
функционирования.
Название полезной модели: «Катушка индуктивности - конденсатор».
Полезная модель относится к областям аккумулирования и стабилизации электроэнергии; сверхпроводящим приборам. Полезная модель может быть применена при создании: мощных индуктивных накопителей и стабилизаторов энергии; сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии; сверхпроводящих установок различного назначения
(в том числе: источников энергии, стабилизаторов, томографов, левитирующих транспортных систем, и других устройств, где может быть использовано явление сверхпроводимости).
Из уровня техники известно, что катушки индуктивности способны аккумулировать и, в случае сверхпроводниковых катушек, длительное время сохранять энергию магнитного поля. Однако аккумулированию большого количества энергии препятствуют силы Ампера, возникающие в обмотке катушки и стремящиеся разрушить материал катушки. Одной из наиболее распространенных форм для сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии (далее - «СПИНЭ») является форма тора. Указанная форма является энергоэффективной, позволяет сконцентрировать линии магнитного поля внутри тора. В то же время в обмотке такой формы возникают следующие силы Ампера: центробежная сила (далее - «ЦБС»), стремящаяся разорвать каждый виток; продольная сила (далее - «ПС»), стремящаяся вдавить соседние витки друг в друга; центростремительная сила (далее - «ЦСС») стремящаяся сжать внутреннюю поверхность тора к центру. Поэтому при создании современных СПИНЭ используются специальные технологии намотки для снижения указанных сил Ампера и/или создаются специальные мощные и достаточно тяжелые фермы для внешней поддержки СПИНЭ. Так в токийском институте технологий применяется специально рассчитанная «косая» намотка, при которой силы Ампера, балансируются, взаимно уравновешивая друг друга. При этом напряжения в обмотке не устраняются совсем, но существенно снижаются. Из уровня техники известно, также, что удельная энергоемкость СПИНЭ оценивается как, примерно, 40 кДж/кг. Применение новых технологических решений, уменьшающих, либо устраняющих напряжения в обмотке означало бы возможность создания более прочных катушек индуктивности и более энергоемких СПИНЭ. Задачей создания данной полезной модели было проектирование устройства, которое могло бы выдерживать высокие токи, разрушающие обычные катушки индуктивности и, в связи с этим, могло бы аккумулировать высокую энергию магнитного поля.
Результатом использования данной полезной модели будет, в частности, появление устройств, которые могли бы применяться областях накопления энергии, стабилизации уровня энергии в сетях.
Для решения поставленной задачи необходимо осуществить следующие существенные решения:
- подобрать наиболее прочный материал для изготовления сердечника катушки, который находится на ее оси;
- подобрать форму, на которую наматывается обмотка;
- рассчитать и изготовить обмотку, включая не только расчет прочности материала, но и «геометрию» намотки;
- рассчитать и изготовить систему диэлектрических опор, фиксирующих сердечник внутри катушки.
Таким образом, сущностью полезной модели является компоновка устройства, позволяющая обеспечить возникновение компенсирующих друг друга сил.
Катушка индуктивности - конденсатор может иметь форму тора и может быть, в принципе, создана путем:
- использования в качестве обмотки, сверхпроводящей проволоки (например на основе современных материалов с высокой температура перехода в сверхпроводящее состояние (критической температурой) YBaCuO);
- использования в качестве формы, на которую наматывается обмотка полого тора из не сверхпроводящего материала;
- использования системы диэлектрических опор, фиксирующих сердечник внутри катушки материалов, достаточно прочных при низких температурах, например стеклопластик марки АГ-4В;
- использования в качестве сердечника, закрепленного с помощью диэлектрических опор по оси (окружности) тора наиболее прочного и легкого стержня, не являющегося сверхпроводником, например из сплава Локеллой или АБМ.
- использования термостата, например, из алюминия, наполненной жидким хладагентом (например, жидкий азот, гелий, водород), в которую погружен тор.
Как уже упоминалось ранее, энергоемкость современных СПИНЭ ограничивается требованиями к системам поддержки для предотвращения повреждения обмотки силами Ампера. Предлагается предварительно создавать в сердечнике, описанном выше, высокий положительный потенциал. Далее, предлагается постепенно запитывать обмотку током, например, в следующем порядке. К разомкнутой обмотке подводится внешнее магнитное поле, после этого она
замыкается. Так как в сердечнике создан положительный потенциал, напряженность электрического поля снаружи не заземленной обмотки не будет равна нулю (положительные заряды располагаются по наружной поверхности обмотки). Если к обмотке присоединить сверхпроводящим проводом отрицательный заряженный объект (или отрицательный полюс источника питания), то на каждый электрон в этом объекте будет действовать сила, равная qE, где Е - суммарная напряженность электрического поля, создаваемая как иными отрицательными зарядами этого объекта, так и полем, создаваемым системой сердечник/обмотка вовне, a q - заряд электрона. Эта сила будет заставлять электроны двигаться из объекта в сторону обмотки. Как только они окажутся в обмотке, они будут равномерно распространяться по всей обмотке, выравнивая потенциал. Затем внешнее магнитное поле постепенно устраняется. По мере устранения внешнего магнитного магнитного поля, ток в обмотке будет возрастать. Возможны и другие варианты запитывания. Допустим, сверхпроводящая обмотка разомкнута. В сердечнике в постепенно создается высокий положительный потенциал (например, с помощью генератора Ван де Граафа). Когда между обмоткой и сердечником возникает электрическое
поле, оно поляризует диэлектрическую форму, та которую намотана обмотка. Таким образом, ближайший к обмотке слой диэлектрика оказывается заряжен положительно. Часть электронов обмотки покидает ее и оказывается в очень узком пространстве (шириной порядка ангстрема) между диэлектриком и обмоткой, у поверхности диэлектрика (как обычно и происходит в конденсаторах). Тем не менее эти электроны притягиваются и к обмотке так называемыми силами изображения (силы притяжения сторонних зарядов к индуцированным зарядам, которые значительны и превышают силы отталкивания на очень малых расстояниях от поверхности даже одноименно заряженного проводника). Далее, разомкнутая обмотка подключается к источнику питания, и в ней появляется электрический ток; обмотка замыкается на сверхпроводящий диод; источник питания отключается, а диод потом шунтируется сверхпроводником. Если обмотка не сверхпроводящая, а имеет достаточно низкое сопротивление, описанные варианты процессов будут теми же (но с постепенным затуханием тока в обмотке). Ток в обмотке создает магнитное поле внутри обмотки. Это поле никак не влияет на положительно заряженный сердечник (так как заряды в нем покоятся), но на куперовские
2
2
0
0
0
0
пары, движущиеся в обмотке, действуют центробежные силы Лоренца (сумма которых является силой Ампера, действующая на обмотку). Силы Лоренца не действуют на неподвижные ионы обмотки. В случае, если бы количество отрицательных зарядов в обмотке было бы равно количеству положительных зарядов в обмотке, электростатическое поле, создаваемое положительно заряженным сердечником, не создавало бы сил, действующих на обмотку в целом. Пользуясь формулами для давлений электрического и магнитного полей можно определить условия равновесия обмотки катушки индуктивности. Как известно, давление электрического поля в конденсаторе (которым можно приблизительно считать систему из отрицательно заряженной обмотки и положительно заряженного сердечника) определяется по формуле: Еεε/2 (где Е - напряженность электрического поля, ε - диэлектрическая постоянная, ε - относительная диэлектрическая проницаемость вещества между обмоткой и сердечником). Давление магнитного поля определяется как: В/2μμ (где В - индукция магнитного поля, μ - магнитная постоянная, μ - относительная магнитная проницаемость вещества между обмоткой и сердечником).
2
2
0
0
Для равновесия давлений в обмотке имеем: Еεε/2=В/2μμ.
0
0
1/2
10
1/2
9
1/2
6
8
Пусть целевое значение магнитной индукции равно 90Тл. Тогда требуемое значение напряженности электрического поля: Е=В/(μμεε)=1,9*10/(εμ) В/м. Известно, что в случае использования высоких напряженностей электрического поля (порядка 10 В/м) в вакууме обычно возникнает полевая эмиссия. При этом, пробоя между соседними, одноименно заряженными витками быть не должно, и они могут не иметь дополнительной изоляции. Для предотвращения полевой эмиссии между обмоткой и сердечником в описываемом устройстве может служить форма, на которую наматывается обмотка. Расположение между обмоткой и сердечником материала с высокой электрической прочностью и с высоким показателем (εμ) устраняет риск полевой эмиссии при высоких напряженностях электрического поля. Эти материалы достаточно распространены и различны по составу. Известно, например, что некоторые современные керамики имеют высокое значение диэлектрической проницаемости (около 10) и высокое значение электрической прочности (около 10 В/м).
К описанию полезной модели не прилагается фигур.
Техническим результатом применения описанной полезной модели будет являться создание таких устройств, которые будут способны:
- проводить электрический ток, больший тока, который проводят катушки индуктивности сопоставимых размеров и масс;
- накапливать энергию магнитного поля, большую той, которую накапливают катушки индуктивности сопоставимых размеров и масс;
- накапливать энергию электростатического поля;
- стабилизировать токи, большие токов, которые стабилизируют катушки индуктивности сопоставимых размеров и масс.
Полезная модель может быть материализована путем выбора сверхпроводника, для материала обмотки, с определенными параметрами. Существует большое количество материалов (только металлов 27 (олово, свинец, титан, …), ряд сплавов, керамик, и даже сероводород), которые переходят в сверхпроводящее состояние при низких температурах и обладают различными иными свойствами. Подбирается сверхпроводника и специальная емкость для сохранения низкой температуры хладагента. Если же достижение необходимой низкой температуры осуществляется иным способом (например, с помощью фазовых переходов, расширением газов и паров, термоэлектрическим эффектом, десорбцией газов, адиабатическим размагничиванием парамагнетиков), то, применяется соответствующая установка для охлаждения обмотки. Также, в зависимости от целей устройства, рассчитываются размеры катушки и сердечника, рассчитываются и создаются необходимые напряжение между обмотками и сердечником и сила тока в обмотке.
1 Сердечник с круглым сечением в катушке индуктивности - конденсаторе может быть выполнен из не сверхпроводящих материалов, например из сплава Локеллой или АБМ. Сердечник удерживается на оси катушки с помощью диэлектрических опор и погружен вместе с обмоткой и опорами в хладагент. Может быть в форме кольца, если катушка в форме тора.
2 Диэлектрические опоры, фиксирующие сердечник внутри катушки из материалов, достаточно прочных при низких температурах, выполненных, например из стеклопластика марки АГ-4В. Погружены в хладагент, прикреплены как к форме, так и к сердечнику, удерживают сердечник внутри формы с обмоткой.
3 Обмотки из сверхпроводящей проволоки (например на основе современных материалов с высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние (критической температурой) YBaCuO). Обмотка намотана на форму. И форма и обмотка погружены в хладагент.
4 Форма, на которую наматывается обмотка полого тора из не сверхпроводящего материала (например, из стеклопластика марки АГ-4В).
5 Емкость в которой находится хладагент, выполнена из прочного материала, например из тонкой стали, имеет двойные стенки, между которыми находится вакуум. Емкость может герметично запираться.
6 В качестве хладагента используется жидкий газ, например азот или гелий. Хладагент находится внутри емкости, в хладагент помещены форма, обмотка, диэлектрические опоры и сердечник.
Емкость (5) заполняется хладагентом (6). При этом обмотка (3), намотанная на форму (4) переходит в сверхпроводящее состояние. Избыточный положительный заряд создается в сердечнике (1), удерживаемом диэлектрическими опорами (2) внутри формы с обмоткой. В обмотку (3) наводится электрический ток, при этом количество отрицательных зарядов в обмотке превышает количество положительных. В результате силы Ампера, действующие на участки обмотки, уравновешиваются силами электрического притяжения, возникающими между участками обмотки и сердечником и силами отталкивания между отдельными витками обмотки. В результате обмотка выдерживает электрический ток, более высокого номинала, чем в обмотка в обычных сверхпроводящих катушках индуктивности.
Таким образом, полезная модель «Катушка индуктивности - конденсатор» позволяет создать целый класс устройств которые способны накапливать энергию магнитного и электростатического поля, большую, чем обычные катушки индуктивности, в случае использования в качестве накопителя энергии, а также стабилизировать больший электрический ток в случае применения в системах системах стабилизации электроэнергии.