ГЕНЕРАТОР МОЩНЫХ ИМПУЛЬСОВ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Полезная модель относится к области получения импульсных магнитных полей высоких энергий и крутым задним фронтом, в частности к устройствам, используемым для электрического взрыва металла, питания плазмотронов, а также к устройствам, используемым для проведения биофизических экспериментальных исследований при воздействии мощным магнитным полем, с параметрами, близкими параметрам магнитного поля природных молний.
Известен генератор импульсов магнитного поля [1], который содержит блок запуска, соединенный с входами двух генераторов импульсов, каждый из которых подключен соответственно к полосковой линии и кольцам Гельмгольца. Кольца Гельмгольца и полосковая линия индуктивно связаны между собой, что обеспечивает расширение пределов изменения магнитного поля.
Недостатками этого генератора являются:
низкий КПД (менее 30%), обусловленный использованием одновременно двух генераторов импульсов, подключаемых одним блоком запуска через индуктивно связанную полосковую линию с кольцами Гельмгольца, что требует точной синхронизации во времени ЭДС двух генераторов, достижение которой является сложной задачей;
необходимость установки дополнительного импульсного генератора для расширения пределов изменения магнитного поля, что приводит к дополнительному применению быстродействующих устройств сравнения амплитуд импульсов обоих генераторов;
устройство может использоваться только в лабораторных условиях;
невозможность повысить энергию импульсного магнитного поля. Также известен способ передачи энергии индуктивной нагрузке от генератора ударной мощности и устройство для его осуществления [2]. Оно состоит из генератора тока, индуктивной нагрузки - соленоида, блока накопительных конденсаторов и двух контактно-вентильных коммутаторов.
Генератор тока через контакт одного коммутатора соединен параллельно с конденсаторной батареей, которая через контакт второго коммутатора также соединена параллельно с соленоидом.
Недостатками этого устройства являются:
невозможность повысить энергию импульсного магнитного поля;
необходимость подключения к генератору предварительно заряженной конденсаторной батареи, к которой подсоединена нагрузка, что приводит к необходимости точной синхронизации ЭДС генератора и напряжения на конденсаторной батарее;
необходимость применения быстродействующих устройств сравнения в определенные моменты времени напряжений на конденсаторной батарее и генераторе;
срок службы устройства ограничен сроком службы контактно-вентильных бездуговых коммутирующих аппаратов (механических выключателей);
малый КПД (25%) ударного генератора, который может быть увеличен (за счет точной синхронизации моментов коммутации ключей К1 и К2 только на 10-12%;
большие габариты и масса ударного генератора и конденсаторной батареи не позволяют использовать устройство вне лабораторных условий.
Также известен источник импульсного магнитного поля [3], который содержит источник питания, выключатель питания, распределить тока, блок запуска генератора тока, накопительные конденсаторы, генераторы тока, полеобразующую систему, которая включает не менее двух соленоидов и выключатель управления. Блок запуска генераторов тока выполнен на твердотельном реле. Устройство позволяет увеличить интенсивность магнитного поля путем увеличения числа параллельных каналов в распределителе тока с использованием соответствующих источников питания и пространственного суммирования векторов напряженности магнитного поля одинаковой направленности, создаваемой соленоидами.
Недостатками этого устройства являются:
опытный образец устройства имеет импульсный ток генератора всего 50 кА;
в связи с электрическими потерями на силовых полупроводниковых элементах твердотельное реле может нагреваться при коммутации нагрузки, что накладывает ограничение на величину коммутируемого тока;
сложная схема устройства, в которой невозможно контролировать амплитуду импульса магнитного поля;
большие габариты и масса конденсаторной батареи не позволяют использовать устройство вне лабораторных условий.
Целью данной полезной модели является создание малогабаритного генератора, позволяющего получать мощные магнитного поля с высокой стабильностью амплитуды и малой длительностью заднего фронта.
Указанная цель достигается тем, что генератор мощных импульсов магнитного поля состоит из источника питания, полеобразующей системы, которая связана с магнитоуправляемым контактом, первого ограничительного резистора, сопряженного с тиристором, электромагнита, механически связанного с автоматическим выключателем, конденсаторной батареи, соединенной с тиристорным блоком, второго ограничительного резистора, третьего ограничительного резистора, соединенного через кнопку запуска с управляющим электродом тиристорного блока. В качестве магнитоуправляемого контакта использован вакуумный высоковольтный магнитоуправляемый контакт - геркон, замыкание которого происходит при достижении заданной индукции магнитного поля внутри полеобразующей системы.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является создание мощных импульсов магнитного поля с повышенной стабильностью амплитуды и крутым задним фронтом.
Фиг. 1 показывает электрическую схему предлагаемого генератора мощных импульсов магнитного поля. Генератор мощных импульсов магнитного поля включает источник питания 1, полеобразующую систему 2, магнитосвязанную с магнитоуправляемым контактом 3, первый ограничительный резистор 4, сопряженный с тиристором 5, электромагнит 6, механически связанный с автоматическим выключателем 7, конденсаторную батарею 8, соединенную с тиристорным блоком 9, вторым ограничительным резистором 10 и третьим ограничительным резистором 11, соединенным через кнопку запуска 12 с управляющим электродом тиристорного блока 9. Генератор работает следующим образом.
После включения источника питания 1 и автоматического выключателя 7 на магнитоуправляемый контакт 3, электромагнит 6 и через второй ограничительный резистор 10 с блоком накопительных конденсаторов 8 поступает постоянное напряжение от источника питания 1. При достижении заданного напряжения на конденсаторной батарее 8 производится запуск тиристорного блока 9 с помощью кнопки 12 и ограничительного резистора 11, и через автоматический выключатель 7 и полеобразующую систему 2 проходит возрастающий во времени ток. Создаваемое полеобразующей системой 2 магнитное поле действует на магнитоуправляемый контакт 3, который при достижении заданной индукции магнитного поля внутри полеобразующей системы 2 замыкает свои контакты, и через первый ограничительный резистор 4 поступает напряжение на управляющий электрод тиристора 5. Тиристор 5 переходит в открытое состояние, электромагнит 6 срабатывает и воздействует на контакты автоматического выключателя 7, производя разрыв контура тока с полеобразующей системой. В результате ток, проходящий через полеобразующую систему 2, быстро спадает, и задний фронт импульса магнитного поля имеет высокую крутизну.
В опытном образце генератора мощных импульсов магнитного поля применены следующие комплектующие изделия.
Источник питания 1 выполнен на основе повышающего трансформатора 2:1, питающегося от однофазной сети, и мостового выпрямителя, обеспечивающего напряжение 450 В при токах от 0 до 5 А.
2
Полеобразующая система 2 выполнена в виде цилиндрического соленоида, у которого внутренний диаметр равен 60 мм, а длина равна 90 мм, сечение медного провода обмотки - 25 мм, обмотка выполнена в один слой, число витков - 10. В качестве магнитоуправляемого контакта 3 использован вакуумный высоковольтный магнитоуправляемый контакт - геркон типа МКА-40142, обладающий высокой скоростью перемещения контактирующих электродов с коммутируемым напряжением 5 кВ и током 3 А. Первый ограничительный резистор 4 - проволочный резистор 3 кОм, 10 Вт, тиристор 5 - быстродействующий тиристор типа ТБ161-80-10, электромагнит 6 - доработанный электромагнит автоматического выключателя типа ВА47-100. Автоматический выключатель 7 выполнен на основе 12 соединенных параллельно секций выключателя типа ВА47-100. Конденсаторная батарея 8 имела емкость 1,12 Ф при напряжении до 450 В, тиристорный блок 9 содержал 112 параллельно соединенных тиристоров типа ТБ161-160-10 с пиковым током 4 кА каждый. Второй ограничительный резистор 10 выполнен на основе 10 термоизлучателей с общей мощностью 2 КВт, третий ограничительный резистор 11 - проволочный резистор 10 кОм, 5 Вт, кнопка запуска 12 - выключатель типа П2КнТ4-2 В.
Опытный образец источника импульсного магнитного поля показал следующие технические характеристики:
ток в импульсе генератора тока 100000 А;
максимальное значение индукции магнитного поля в соленоиде составляло 13 Тл.
Литература
1. Патент РФ №491197, H03K 17/64, Бюл. №41, 05.11.75.
2. Патент РФ №192922, H03K 17/64, Бюл. №6, 02.03.1967.
3. Патент РФ №2331979, H03K 17/64, Бюл. №23, 20.08.08.