ТОРОИДАЛЬНАЯ ОБМОТКА С ОДНОРОДНЫМ МОДУЛЕМ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
TOROIDAL WINDING WITH HOMOGENEOUS MODULE OF MAGNETIC FIELD

Предложенное изобретение может применяться при создании индуктивных накопителей энергии, а также магнитных экранов, защищающих космонавтов от космического ионизирующего облучения.
Параметрами, характеризующими качество этих устройств, являются отношение запасенной в накопителе энергии к его объему и отношение интеграла по длине траектории компоненты поля, нормальной к траектории заряженной частицы и отклоняющей ее от защищаемого объема, к объему защитной обмотки. Предпочтительна максимальная величина этих параметров. В обоих случаях существенным требованием является отсутствие магнитного поля вне объема, охваченного обмоткой, что заставляет выбирать для таких применений обмотки с магнитным потоком, замыкающимся внутри них, в частности, тороидальные обмотки [1, 2]. Обычно рассматриваются тороидальные обмотки, состоящие из набора (N) компактных плоских катушек круглой, овальной или D-образной формы, расставленных вокруг главной оси тора. Угловые расстояния между плоскостями соседних катушек одинаковы и равны 2π/N. Вблизи главной оси катушки соприкасаются, а по мере удаления от нее зазор между катушками увеличивается. С точки зрения указанных применений, описанные обмотки имеют два существенных недостатка:
2
0
1. Магнитное поле в такой тороидальной обмотке увеличивается по мере приближения к главной оси обратно пропорционально расстоянию до оси и достигает максимума на внутренней поверхности катушек. В этой области модуль поля (В) и плотность энергии магнитного поля (В/µ) максимальны. По мере удаления от главной оси поле снижается обратно пропорционально расстоянию, а плотность энергии обратно пропорционально квадрату расстояния от оси. Поскольку максимальное поле на обмотке всегда ограничено (либо критическим полем в случае сверхпроводящих обмоток, либо прочностью материала и доступной мощностью питания в случае обмоток из нормального металла), приходится существенно увеличивать размеры составляющих тор катушек, чтобы увеличить запасенную в накопителе энергию, или увеличить интеграл магнитного поля в случае магнитной защиты космического корабля.
2. Зазоры между соседними катушками приводят к тому, что магнитное поле существенно изменяется по длине окружности с центром на главной оси тора. Хотя суммарный ток, охватываемый такими окружностями, расположенными вне тора, и равен нулю, что, согласно закону Ампера, приводит к занулению интеграла по длине окружности от касательной компоненты поля. Эта компонента оказывается знакопеременной, а абсолютная величина рассеянного поля оказывается значительной даже на больших расстояниях от обмотки.
Большое преимущество дало бы постоянство модуля магнитного поля в объеме тороида. В случае индуктивных накопителей плотность запасенной в магните энергии была бы постоянной, а в магнитных экранах нужная для отклонения заряженной частицы величина интеграла поля набиралась бы на минимальной длине ее траектории, Таким образом был бы обеспечен минимальный объем и вес устройств при заданной максимальной величине магнитного поля. Известно, что для достижения этой цели обмотка должна быть распределена внутри объема и на поверхности тороида таким образом, чтобы величина тока одного направления, охватываемая окружностями с центром на главной оси, была пропорциональной радиусу этой окружности, а части витков с током противоположного направления были равномерно распределены по внешнему обводу тороида. Последнее требование обеспечивает отсутствие поля вне обмотки, что важно для сохранения работоспособности электронного и электротехнического оборудования, расположенного вблизи нее. В работе [3] описана конструкция такой обмотки (Фиг.1), представляющая набор из N секторов, расположенных вокруг главной оси и представляющих собой согнутые листы с наклеенными на них секциями обмотки из М витков, причем на плоской части листа, лежащей в плоскости, проходящей через главную ось тора, части витков, параллельные главной оси, распределены равномерно с шагом а/М, где а - максимальный радиус тора, а на цилиндрической части листа части витков, несущих обратный ток, распределены равномерно с шагом 2πa/NM. Эта конструкция выбрана в качестве прототипа. Геометрия этой обмотки удовлетворяет поставленной задаче, однако имеет существенные недостатки: во-первых, технологические трудности крутого изгиба листа с приклеенной на него обмоткой так и не были преодолены, во-вторых, цилиндрическая часть листа не способна сама удерживать действующее на нее давление со стороны магнитного поля, что требует наложения дополнительного бандажа на поверхность тора, в-третьих, открытые торцевые части обмотки не позволяют полностью избавиться от рассеянных полей.
Техническим результатом предложенного изобретения является упрощение конструкции, оптимизация структуры, обеспечивающей прочность обмотки, повышение технологичности обмотки и полное устранение рассеянного магнитного поля.
Этот результат достигнут усовершенствованием известной тороидальной обмотки с однородным модулем магнитного поля, состоящей из секторов, расположенных вокруг главной оси, с витками, распределенными внутри секторов таким образом, что их количество внутри любой из множества концентрических окружностей с центром на главной оси, лежащих в плоскости, перпендикулярной главной оси, пропорционально радиусу этой окружности. Усовершенствование заключается в том, что каждый сектор состоит из плоских параллельных друг другу секций, при этом секции, примыкающие к проходящей через главную ось плоскости симметрии сектора, имеют наибольшую ширину, а ширина других секций убывает по мере удаления от плоскости симметрии. Каждая из секций сектора закреплена на пластине, а в зазорах между пластинами размещены элементы наборных шпангоутов, обеспечивающих жесткость сектора под действием сил бокового распора, возникающего из-за того, что суммарная сила, действующая на все секции при включенном токе, направлена к главной оси.
Существо изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, где на фиг.2 показаны обмотки тороидального накопителя (А) и магнитного защитного экрана (Б), состоящие из секторов. Конструкция сектора изображена схематично на фиг.3. На фиг.3А представлен сектор в сборе, на фиг.3Б сектор с удаленными структурными пластинами, на фиг.3В поперечный разрез сектора. На фиг.4 изображены результаты расчета магнитного поля тороидального накопителя (12 секторов по 30 секций в каждом) внутри тороида и вне его. На фиг.4А приведено распределение модуля магнитного поля в серединной плоскости тороида, на фиг.4Б - распределение модуля магнитного поля в медианной плоскости сектора, проходящей через главную ось, на фиг.4В распределение рассеянных полей в той же плоскости.
Тороидальная обмотка индуктивного накопителя или магнитного экрана состоит из N секторов, расположенных вокруг главной оси (фиг.2А и 2Б). Каждый сектор представляет собой набор параллельных друг другу плоских секций. Как видно из фиг.3, секции отличаются по ширине. Секции (1), прилегающие к проходящей через главную ось медианной плоскости сектора, имеют наибольшую ширину, а ширина других секций (2) уменьшается по мере удаления от медианной плоскости таким образом, чтобы все элементы секций располагались внутри угла 2π/N, касаясь ограничивающих угол плоскостей, но не пересекая их. Однородная плотность модуля магнитного поля обеспечивается тем, что элементы обмотки секций, касающиеся этих плоскостей, распределены вдоль них с одинаковым интервалом, а каждая секция имеет одинаковое число витков. Благодаря этому круговые контура, с центром на главной оси, проходящие внутри секций, охватывают тем больший ток, чем больше радиус контура, что обеспечивает приближенное равенство модуля поля внутри тороида (фиг.4А и Б). Элементы обмотки секций, расположенные на внешней поверхности тороида, распределены по ней практически равномерно, благодаря чему рассеянные магнитные поля невелики, как это видно из фиг.4В.
Каждая секция состоит из одного или нескольких витков и наклеена на прочные опорные пластины (3, 4), обеспечивающие неподвижность витков обмотки и ее прочность по отношению к внутреннему давлению магнитного поля в радиальном и аксиальном направлениях. Витки, наклеенные на пластину, не испытывают изгибающих моментов, поэтому их форма может быть произвольной. Оптимальной представляется прямоугольная форма для обмоток накопителей (Фиг.2А) и С-образная форма для обмоток магнитной защиты (Фиг.2Б). Все сектора испытывают результирующую силу, действующую в направлении главной оси тороида. Эта сила удерживается за счет бокового распора секторов. Чтобы сектора не сминались под действием бокового распора, внутри них расположены наборные шпангоуты, элементы которых (5) вклеены между опорными пластинами. Эти элементы имеют толщину, равную толщине обмотки секции, а длину, равную длине полости внутри секции.
Предложенная тороидальная обмотка имеет простую конструкцию. Она состоит из плоских наматываемых секций. Все элементы имеют простую прямоугольную форму. Технология склеивания пластин и секций проста.
Источники информации
1. Spillantini P., Taccetti F., Papini P., Rossi L. Radiation shielding of spacecraft in manned interplanetary flights, Nucl.lnst.Meth. Hhys. Res. A2000, 443, 254-263.
2. So Noguchi, A.lsshiyama, S. Akita, H.Kasahara et al. An optimal Configuration Design Method for NTS SMES Coils, IEEE Transact. On Appl. Superconductivity, vol.15, N2, 1927-1930.
3. Е.Ю.Клименко, A.M.Малофеев, С.И.Новиков. Superconducting magnets for MHD Ship Propulsion. В книге «Applied Superconductivity», ред. H.C.Freyhardt, DGM informationsgesellschaft veriag, 1993, том 2, 953-955 (Материалы конференции EUCAS, октябрь 1993, Геттинген, Германия).