взрывомагнитный генератор

Формула изобретения

Взрывомагнитный генератор, содержащий подключенную к источнику питания деформируемую цилиндрическую спираль, размещенный соосно внутри нее обратный токопровод в виде трубы с зарядом взрывчатого вещества (ВВ), индуктивную нагрузку и замыкающий ключ, соединяющий деформируемую спираль и трубу, и размещенные вне деформируемой спирали со стороны, противоположной от нагрузки, причем деформируемая спираль выполнена в виде многозаходной спирали с четным числом заходов, при этом все заходы в каждой из этих спиралей с четным и соответственно с нечетным порядковым номерами соединены параллельно с образованием в каждой из спиралей двух равных по величине и электрически изолированных одна от другой частей, в то же время один из свободных концов деформируемой спирали соединен с другим концом трубы, а ко второму свободному концу деформируемой спирали подключена нагрузка, отличающийся тем, что деформируемая спираль состоит из двух соосных, расположенных друг над другом и индуктивно связанных частей, при этом нижняя спираль является полностью деформируемой (полностью деформируема) и образует рабочую полость генератора, в то время как верхняя спираль образует частично деформируемую зону трансформации магнитного потока из рабочей полости генератора в индуктивную нагрузку, при этом все заходы полностью деформируемой нижней спирали включены согласно относительно друг друга, а заходы с четными и нечетными номерами частично деформируемой спирали зоны трансформации магнитного потока включены встречно друг с другом таким образом, что частично деформируемая спираль образует двухслойную структуру из четного числа элементов со встречными магнитными потоками по всем направлениям; в то же время нечетные заходы полностью деформируемой спирали и нечетные заходы частично деформируемой спирали соединены последовательно и согласно друг с другом, четные же заходы полностью деформируемой спирали и четные заходы частично деформируемой спирали зоны трансформации соединены между собой и индуктивной нагрузкой последовательно, при этом полностью деформируемая спираль с четными заходами и частично деформируемая спираль так же с четными заходами включены встречно друг с другом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетике, а именно к технике генерирования сильных магнитных полей и токов, в частности к устройствам взрывомагнитных генераторов (ВМГ), и может быть использовано при разработке устройств для создания сильных магнитных полей и токов, для исследования в области физики плазмы, твердого тела, сильноточных разрядов в газах и т.д.

Известны различные устройства, которые при своей работе используют преобразование энергии ВВ в электромагнитную, см. например: А.С. Кравченко, Р.З. Людаев, А.И. Павловский и др. Питание индуктивных и омических нагрузок магнитокумулятивного генератора с помощью трансформатора // ПМТФ, 1981, № 5 с.116-121. [1], В.К. Чернышев, В.А. Давыдов, В.Е. Ванеев Исследование процесса магнитной кумуляции в системе с перехватом магнитного потока // Сверхсильные магнитные поля: Тр. III Междунар. конф. по генерации мегагаусных магнитных полей и родственным экспериментам. Физика. Техника. Применение. М.: Наука, 1984. с.278. [2], E.I. Bichenkov, V.S. Prokopiev, and A.M. Trubachev Magnetic flux transformation in inductively coupled systems using magnetic cumulation // Megagauss fields and pulsed power systems., edited by V.M. Titov and G.A. Shvetsov, Nova Science Publishers, New York. 1990. pp.601-606. [3], С. Випф Обратимая передача энергии между индуктивностями // Накопление и коммутация энергии больших плотностей. М.: Мир, 1979. с.421.[4], Е.И. Биченков, B.C. Прокопьев, A.M. Трубачев Взрывной способ трансформации магнитного потока А.с. СССР № 1550594. 1989 г. [5], Yu. V. Vilkov, V.A. Zolotov, A.S. Kravchenko, V.D. Selemir et all. Study of Spark Discyarge in Ground at Lighting Current Pulse Reproduction Using MCG // Proceeding of the Eleventh International Conference on Megagauss Magnetic Field Generation and Related Topics., Edited by Ivor Smith and Bucur Novae, London, 10-14 September 2006., p.p.310-313 [6] и другие.

В качестве прототипа выбран наиболее близкий к заявляемому взрывомагнитный генератор по а.с. СССР № 1562961 (1990 г.) [7].а

Известный генератор содержит подключенную к источнику питания цилиндрическую спираль, размещенные внутри нее деформируемую цилиндрическую спираль и обратный токопровод в виде трубы с зарядом взрывчатого веществе (ВВ), индуктивную нагрузку и замыкающий ключ, соединяющий деформируемую спираль и трубу и размещенный вне деформируемой спирали со стороны, противоположной от нагрузки. Между деформируемой спиралью и индуктивной нагрузкой снаружи деформируемой спирали дополнительно размещен тороид. Деформируемая спираль и тороид выполнены в виде многозаходных спиралей с четным числом заходов. Все заходы в каждой из этих спиралей с четными и соответственно с нечетными порядковыми номерами соединены параллельно с образованием в каждой из спиралей двух равных по величине и электрически изолированных одна от другой частей. Все заходы тороида и деформируемой спирали соответственно с четными и нечетными порядковыми номерами соединены друг с другом последовательно, причем так, что части тороида, образованные из заходов спирали с четными и нечетными порядковыми номерами, включены друг относительно друга встречно. При этом один из свободных концов частей тороида соединен с другим концом трубы, а к свободным концам обеих частей тороида подключена индуктивная нагрузка, которая снабжена дополнительным замыкающим ключом, приводимым в действие взрывом и расположенным вне деформируемой спирали.

Таким образом, известный взрывомагнитный генератор содержит подключенную к источнику питания деформируемую цилиндрическую спираль, размещенный соосно внутри нее обратный токопровод в виде трубы с зарядом взрывчатого вещества (ВВ), индуктивную нагрузку и замыкающий ключ, соединяющий деформируемую спираль и трубу, и размещенные вне деформируемой спирали со стороны, противоположной от нагрузки, причем деформируемая спираль выполнена в виде многозаходной спирали с четным числом заходов, при этом все заходы в каждой из этих спиралей с четным и соответственно с нечетным порядковым номерами соединены параллельно с образованием в каждой из спиралей двух равных по величине и электрически изолированных одна от другой частей, в то же время один из свободных концов деформируемой спирали соединен с другим концом трубы, а ко второму свободному концу деформируемой спирали подключена нагрузка.

Недостатком известного устройства является недостаточно высокий коэффициент преобразования энергии ВВ в электромагнитную.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение коэффициента преобразования энергии ВВ в электромагнитную энергию.

Для решения поставленной задачи, сущность заявляемого изобретения состоит в том, что, в отличие от известного взрывомагнитного генератора, содержащего подключенную к источнику питания деформируемую цилиндрическую спираль, размещенный соосно внутри нее обратный токопровод в виде трубы с зарядом взрывчатого вещества (ВВ), индуктивную нагрузку и замыкающий ключ, соединяющий деформируемую спираль и трубу, и размещенные вне деформируемой спирали со стороны, противоположной от нагрузки, при этом цилиндрическая деформируемая спираль выполнена в виде многозаходной спирали с четным числом заходов, причем все заходы в каждой из этих спиралей с четным и соответственно с нечетным порядковым номерами соединены параллельно с образованием в каждой из спиралей двух равных по величине и электрически изолированных одна от другой частей, в то же время один из свободных концов деформируемой спирали соединен с другим концом трубы, а ко второму свободному концу деформируемой спирали подключена нагрузка, согласно изобретению деформируемая спираль состоит из двух соосных, расположенных друг над другом и индуктивно связанных частей, при этом нижняя спираль является полностью деформируемой (полностью деформируема) и образует рабочую полость генератора, в то время как верхняя спираль образует частично деформируемую зону трансформации магнитного потока из рабочей полости генератора в индуктивную нагрузку. При этом все заходы полностью деформируемой нижней спирали включены согласно относительно друг друга, а заходы с четными и нечетными номерами частично деформируемой спирали зоны трансформации магнитного потока включены встречно друг с другом, таким образом, что частично деформируемая спираль образует двухслойную структуру из четного числа элементов со встречными магнитными потоками по всем направлениям. В то же время нечетные заходы полностью деформируемой спирали и нечетные заходы частично деформируемой спирали соединены последовательно и согласно друг с другом. Четные же заходы полностью деформируемой спирали и четные заходы частично деформируемой спирали зоны трансформации соединены между собой и индуктивной нагрузкой последовательно. При этом полностью деформируемая спираль с четными заходами и частично деформируемая спираль так же с четными заходами включены встречно друг с другом.

Кроме того вся конструкция, в зависимости от используемых проводов в спиралях, может быть размещена в бандаже из диэлектрика для придания жесткости и увеличения инерционности элементов генератора.

Технический результат, который может быть получен в результате использования изобретения, заключается в повышении коэффициента преобразования энергии ВВ в электромагнитную.

Изобретение поясняется чертежами:

На фиг.1 показана конструкция заявляемого взрывомагнитного генератора, на фиг.2 - схема электрического соединения устройства, а на фиг.3 - схема образования элементов со встроенными магнитными потоками.

Взрывомагнитный генератор содержит: 1 - заряд ВВ, 2 - обратный токопровод, 3 - часть полностью деформируемой цилиндрической многозаходной спирали первичного контура, 4 - часть полностью деформируемой цилиндрической многозаходной спирали вторичного контура, 5 - часть частично деформируемой спирали зоны трансформации магнитного потока первичного контура, 6 - часть частично деформируемой спирали вторичного контура зоны трансформации магнитного потока, 7 - индуктивная нагрузка вне пределов деформации, 8 - замыкаемый взрывом ключ.

Таким образом, генератор (см. фиг.1 и фиг.2) включает заряд ВВ 1 в цилиндрическом обратном токопроводе 2. Рабочая зона генератора образована полностью деформируемой многозаходной спиралью с четным числом заходов, которая состоит из частей 3 и 4. Часть 3 образована из заходов с нечетными номерами, а часть 4 образована из заходов с четными номерами полностью деформируемой спирали. Зона трансформации образована частями 5 и 6 в виде двухслойной многозаходовой спирали, состоящей из четного числа элементов со встречными магнитными потоками по всем направлениям (см. фиг.3). На фиг.1 знаками «кружочек с крестиком» и «кружочек с точкой» обозначены направления токов в частях 3, 4, 5, 6. Часть 3 подключена последовательно к части 6 и нагрузке 7. Ключ 8 замыкается с помощью взрыва и производит захват магнитного потока от частей 4 и 6 частями 3 и 5 (в процессе работы).

Части 3 и 4 имеют индуктивную связь между собой с коэффициентом связи К₃₄ 1. Части 5 и 6 имеют также индуктивную связь между собой с коэффициентов связи К₅₆ 1. Зона трансформации (части 5 и 6) и рабочая зона (части 3 и 4) тоже индуктивно связаны с коэффициентом связи К<1.

Начальные параметры (т.е. при t=0) генератора выбирают из следующих соображений (см. фиг.2):

L₁₀ >>L₂₀; L₃₁₀>>L₃₂₀ ; L₄>>L₃₂₀(1-k² ₅₆).

Вся конструкция, в зависимости от используемых проводов в спиралях, может помещаться в бандаж из диэлектрика для придания жесткости и увеличения инерционности элементов генератора.

Взрывомагнитный генератор работает следующим образом:

В начальный момент времени (t=0) запитывается контур из частей 4, 6, 7 током I ₂₀ или потоком Ф₂₀. Затем производят подрыв заряда ВВ 1 и одновременно приводят в действие ключ 8, который замыкает контур из частей 3 и 5. При этом происходит захват магнитного потока от частей 4, 6 частями 3, 5. Поток магнитного поля связанный с частями 3, 5 равен Ф₁₀ (М₃₄+М₃₆)I₂₀, а М ₅₆<<М₃₄+М₃₆.

Далее части 3 и 4 деформируются обратным токопроводом 2 под действием взрыва, обуславливая вытеснение магнитного потока из L₃₁ (начальный поток в L₃₁ равен Ф₃₁₀=L ₃₁₀I₂₀) в зону трансформации (части 5, 6) и нагрузку L₄ (часть 7), а так же вытеснение магнитного потока Ф₁₀ из L₁ (часть 3) в L₁ (часть 5) зону трансформации. Поскольку части 5 и 6 включены встречно, то вытеснение магнитных потоков из частей 3 и 4 приводит к передаче энергии в нагрузку L₄ (часть 7).

При этом часть магнитного потока от частей 3 и 4 остается в материале обратного токопровода 2 из-за неизбежной диффузии. К концу деформации частей 3 и 4 характерное время диффузии из токопровода 2 магнитного потока оказывается много меньше (из-за деформации стенок токопровода и разогрева) характерного времени диффузии магнитного потока из частей 6, 7 и части 5. Поэтому к концу деформации частей 3 и 4 магнитный поток из материала обратного токопровода 2 будет диффундировать значительно быстрее, чем магнитный поток из частей 6, 7 и 5, а это обстоятельство приведет к возникновению дополнительной ЭДС, тока и энергии в нагрузке 7, из-за наличия индуктивной связи между зоной трансформации (части 6, 5) и рабочей зоной (части 3, 4). При этом в нагрузке (часть 7) окажется дополнительно магнитный поток Ф,

Ф [ 2 rB_fN₃₂/(L₄+L₃₂ )L₄], и энергия W -

W= Ф²/2L₄,

где: - толщина материала обратного токопровода 2 к концу деформации,

r - радиус оболочки обратного токопровода к концу деформации,

B_f - магнитное поле в материале обратного токопровода 2 к концу деформации,

N ₃₂ - число витков части 6.

Применение изобретения позволит значительно увеличить коэффициент преобразования энергии ВВ в электромагнитную. Кроме того, использование изобретения позволит уменьшить габариты устройства, улучшить его экономичность, а также увеличить коэффициент передачи энергии из первичного контура во вторичный.