Квазибессиловые неразрушаемые магнитные системы для получения сверхсильных полей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.13, кандидат технических наук Колтунов, Олег Сергеевич

• Колтунов, Олег Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Колтунов, Олег Сергеевич

Введение.

Глава 1. Применение и способы создания сильных импульсных магнитных полей в неразрушаемых магнитах. Задачи работы

1.1 Сильные магнитные поля как инструмент научных и технологических применений.

1.2 Проблемы создания неразрушаемых магнитов и традиционные пути их решения.

1.3 Принцип устройства соленоида с квазибессиловой обмоткой.

Задачи работы.

Глава 2. Механический расчет средней части обмотки квазибессилового магнита

2.1 Расчет напряжений в цилиндрической области, вызванных объемной радиальной силой.

2.2 Способы реализации квазибессиловой области и аналитические оценки остаточных напряжений.

2.2.1 Квазибессиловая обмотка с парами уравновешенных токовых слоев.

2.2.2 Квазибессиловая обмотка из слоев с переменным направлением тока.

2.3 Компьютерный расчет углов намотки и механических напряжений в квазибессиловой зоне.

2.4 Расчет дискретного токораспределения и напряжений в зоне обратного тока.

2.5 Влияние неточности расположения проводников на остаточные напряжения в квазибессиловой обмотке.

2.5.1 Аналитические оценки.

2.5.2 Численный расчет.

Основные результаты главы 2.

Глава 3. Нагрев проводников и связанные с ним ограничения

3.1 Исходные положения.

3.2 Выбор числа и толщины слоев обмотки, состоящей из скинированных проводников.

3.2.1 Нагрев плоского проводящего слоя униполярным импульсом магнитного поля.

3.2.2 Расчет нагрева в многослойной системе.

3.3 Учет дискретности токовых слоев системы.

3.4. Выбор толщины слоев транспонированной обмотки.

3.5. Оценка нагрева и размера проводников в транспонированном слое.

Основные результаты главы 3.

Глава 4. Конфигурация торцевых частей, основные геометрические и электрические параметры магнита

4.1 Условия разгрузки торцевой части соленоида.

4.2 Возможности расчета торцевых частей в модели обмотки малой толщины.

4.3 Построение профиля торцевой части соленоида с трехслойной квазибессиловой обмоткой.

4.4 Электрический расчет. Выбор числа витков в слоях обмотки.

4.4.1 Эквивалентная схема квазибессилового соленоида.

4.4.2 Методика электрического расчета.

Основные результаты главы 4.

Глава 5. Предложения по конструкции магнитной системы.

Модель квазибессилового соленоида

5.1 Предварительный расчет магнита. Выбор основных геометрических характеристик.

5.1.1 Расчет в средней плоскости и выбор геометрии слоев.

5.1.2 Численное моделирование квазибессилового магнита в условиях осевой симметрии.

5.1.3 Результаты электрического расчета для модельного соленоида.

5.2 Экспериментальная модель и результаты исследования ее электрических характеристик в сравнении с расчетом.

5.2.1 Особенности технологии изготовления.

5.2.2 Результаты измерений электрических параметров и исследования распределения магнитного поля.

5.2.3 Уточнение параметров эквивалентной схемы.

Основные результаты главы 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Квазибессиловые неразрушаемые магнитные системы для получения сверхсильных полей»

Прогресс физики и техники магнитных полей предельной напряженности, помимо общенаучного интереса, представляется существенным также и для дальнейшего развития многих разделов современной науки и технологии, поскольку такие поля позволяют получать огромные концентрации энергии. Достаточно отметить, что давление, создаваемое магнитным полем с индукцией в 1000 Тл, составляет около 4 млн. атм., то есть превосходит давление в центре Земли и соответствует плотности энергии свыше 105 Дж/см3. Отсюда очевидна важность использования сильных и сверхсильных магнитных полей в решении проблем термоядерного синтеза и физики плазмы, астрофизики и геофизики, физики твердого тела и ядерной физики, а также в ряде других задач физики энергии высоких плотностей, где сильные и сверхсильные магнитные поля являются важным, а порой и единственным «инструментом» исследования. Кроме того, интересны и технологические приложения сверхсильных магнитных полей: магнитно-импульсная обработка металлов, высокоскоростное ускорение макротел в сильном магнитном поле (исследования поведения материала в условиях импульсного нагружения, привода механизмов быстродействующих выключателей и устройства быстрого напуска газа), сепарация материалов и другие.

Большинство важных открытий современной физики тем или иным образом связано с магнитными полями. Поскольку новые эффекты часто удается обнаружить после расширения диапазона измерений основного экспериментального параметра, предпринимаются постоянные попытки разработки и изготовления все более сильных магнитов.

Началом истории генерирования сильных и сверхсильных магнитных полей можно считать первые работы П.Л. Капицы (1923-1927 годы) [1-=-5], в результате которых были получены поля с индукцией более 30 Тл. В этих П.Л. Капицей было отмечено, что создание сильных магнитных полей связано со значительными трудностями, и использование импульсов малой длительности может решить проблему нагрева и повысить предел разрушения катушек.

Надо отметить, что возникновение громадных электромагнитных сил при достижении сверхсильных магнитных полей привело к следующему разделению в способах их получения: получение магнитных полей в неразрушающихся катушках (как импульсных так и стационарных); получение импульсных магнитных полей в разрушающихся катушках когда сохраняется объект исследования; получение магнитных полей методом магнитной кумуляции, основанном на сжатии магнитного потока проводящей оболочкой и приводящей к разрушению как магнитной системы, так и изучаемого объекта. Выбор того или иного способа зависит от тех целей, которые ставит перед собой исследователь или проектировщик, то есть условий, в которых будут происходить опыты: значение амплитуды индукции, время существования импульса, сохранение исследуемого объекта.

Характеризуя уровень полей, достигнутый в настоящее время, следует учитывать то, каким методом они достигались. Так, например, поля с рекордной индукцией (до 2800 Тл) [4], получены с применением взрывчатых веществ методом магнитной кумуляции. Максимальные поля, полученные в разрушающихся одновитковых катушках, имеют индукцию примерно 400 Тл [5]. Пределом достигаемых импульсных магнитных полей в неразрушаемых катушках можно считать 75 Тл [6]. Максимальный уровень стационарных полей характеризуется индукцией 30 Тл [7]. Надо отметить, что "постоянные" (с длительностью 0.1 с и более) магнитные поля с индукцией около. 10 Тл могут быть получены при помощи сверхпроводящих магнитов умеренной стоимости.

Различие в источнике энергии установки существенно при разработке "внешних" устройств, используемых для ускорения оболочки или создания тока в соленоиде. Эти различия отступают на второй план в последней стадии опыта, когда в данном объеме возникает сильное магнитное поле, и появляется проблема преодоления тех механических и тепловых ограничений, которые имеют место в полях большой интенсивности и препятствуют их получению.

Известно, что действие магнитного поля на поверхность проводящей среды при резковыраженном скин-эффекте можно описать, как действие магнитного давления [8], равного Bq2/2/Jq (где В0 - индукция созданного магнитного поля, juq - магнитная проницаемость среды). В случае статического режима напряжения, (радиальные и азимутальные) возникающие в цилиндре, прямо пропорциональны давлению, действующему на внутренний радиус, и зависят от отношения внешнего радиуса к внутреннему [5,9]. Напряжения, возникающие на внутренней поверхности цилиндра при такой нагрузке, численно равны этому давлению (если отношение внешнего радиуса к внутреннему много больше единицы). Таким образом, целесообразно ввести характеристику позволяющую сравнивать различные материалы применительно к созданию сильных магнитных полей. Такой характеристикой является магнитный предел прочности, равный 5м=(2/4)Оо)1/2 (где сг0 - допустимое механическое напряжение материала). Величина Вм - это индукция такого поля, в котором магнитное давление численно равно допустимому механическому напряжению: Bm2/2/Jq=(Tq. Так, например, для меди магнитный предел прочности равен 26 Тл, для конструкционных сталей около 40 Тл, для бериллиевой бронзы 70.80 Тл. Отсюда видна и сложность при создании сильных полей в неразрушаемых системах: в одновит-ковых соленоидах поля большие, чем данный предел используемого материла -просто недостижимы (при условии, что за время действия импульса магнитного поля инерциальные свойства соленоида не успевают проявляться).

В полях с индукцией выше чем один мегагаусс (мегагаусс - соответствует 100 Тл) прочностные и тепловые пределы оказываются превзойденными у всех материалов, включая тантал. Поэтому диапазон полей, ограниченный снизу полем с индукцией 100 Тл, можно называть "сверхсильными" магнитными полями, а поля с меньшей индукцией - сильными полями. Примерной нижней границей области сильных магнитных полей можно считать поле с индукцией около 10 Тл, которое может быть получено в стационарных условиях.

Очевидно, для получения сильных магнитных полей в неразрушающихся катушках возникает необходимость в разработке особых конструкций, позволяющих выдерживать большие нагрузки за время действия импульса магнитного поля. При этом используют различные приемы для увеличения прочности магнитной системы: применение дополнительных креплений в виде цилиндров (бандажей), применение более прочных материалов для изготовления обмотки и наиболее слабого элемента конструкции - изоляции, использование разгружающих экранов, сокращение длительности импульса. Кроме того, необходимо решать проблемы, связанные с выделением джоулева тепла в элементах катушки. Однако очевидно и главное преимущество неразрушаемых катушек — создание поля без необходимости замены рабочего инструмента (катушки) после каждого опыта, а, следовательно, исключительное удобство в их применении.

Получение сверхсильных импульсных магнитных полей в неразрушаемых системах является актуальной задачей, несмотря на многолетнюю историю работ в указанной области. Сейчас устойчиво и надежно работают много-витковые магниты с полем масштаба 60-70 Тл, и ведутся усиленные разработки соленоидов с полем 100 Тл [10,11], в то время как, уже в пионерских работах П.Л. Капицы 20-х годов было получено поле с индукцией около 30 Тл. Столь медленный прогресс обусловлен огромными трудностями, связанными главным образом с нагревом и с обеспечением механической прочности обмотки, Так как сокращение длительности импульса, а в перспективе применение сверхпроводящих материалов с высоким значением критической индукции магнитного поля, позволяют снизить тепловые ограничения, поэтому фактором, ограничивающим уровень полей, получаемых без разрушения соленоидов, прежде всего, является механическая прочность.

Применение, наиболее продвинутых на сегодняшний день, равнонагру-женных по радиусу обмоток [6,11], у которых существует только азимутальная составляющая плотности тока, позволяет, в принципе, снять эту проблему. Однако существенное снижение механических напряжений в такой обмотке по сравнению с ее пределом прочности с0 возможно лишь за счет экспоненциально большого роста внешнего радиуса обмотки R2 к внутреннему R\: Д2/Д^ехр(До/Ям)2 [5,12].

Для материала с ст0=Ю9 Па (Вм=50 Тл) это отношение составляет 55 если 50=ЮО Тл, и возрастает до значение 8-Ю3 при 50=150 Тл. Из приведенных оценок следует, что для получения поля с индукцией 100 - 150 Тл и выше следует искать другие пути решения данной проблемы. В качестве радикального средства преодоления указанных ограничений и предлагается рассмотреть возможность реализации магнита с резко ослабленными механическими напряжениями, в основе создания которого лежит идея применения квазибессилового распределения тока.

Известно, что строго бессиловое поле может существовать только в неограниченной области. Однако может существовать магнитная система, в которой бессиловое поле занимает область конечных размеров, а за границей этой области электромагнитные силы не равны нулю, но снижены до допустимого значения. Бессиловое поле возможно лишь при непрерывном токораспределении, но, тем не менее, можно создать реальную систему, состоящую из дискретных проводников, с полем близким к бессиловому. Такую магнитную систему естественно назвать квазибессиловой. Применение квазибессилового токораспреде-ления дает принципиальную возможность достижения величин магнитного поля значительно выше, чем существующие на сегодняшний день в неразрушаемых системах.

Цель работы - научное обоснование метода генерации сверхсильного магнитного поля с помощью неразрушаемых квазибессиловых систем. Подтверждение численными расчетами резкого снижения механических усилий в таких системах и возможности получения поля с индукцией масштаба 100 Тл при использовании доступных материалов. Разработка практических рекомендаций по созданию конкретной магнитной системы с квазибессиловой обмоткой.

Заключение диссертации по теме «Электрофизика, электрофизические установки», Колтунов, Олег Сергеевич

Основные результаты главы 5

1. Впервые разработана и сконструирована реальная модель магнита с квазибессиловой обмоткой.

2. Подтверждена численными расчетами возможность резкого снижения механических усилий в предложенной конструкции магнита, где слои обмотки с азимутальным током уравновешены благодаря наличию аксиальной компоненты тока.

3. Созданная модель и проведанные на ней измерения подтверждают реальность создания подобных систем и подтверждают работоспособность разработанных методик по выбору основных параметров системы, расчету числа витков и согласованию ее с источником энергии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данная диссертация — шаг в развитии достижения сильных и сверхсильных полей в неразрушаемых магнитных системах. В ней проведено исследование возможности создания нового типа магнита с квазибессиловой обмоткой. Представлены преимущества такого магнита. Поставлены и решены задачи, необходимые для его реального исполнения.

1. Показано, что применение в наиболее нагруженных частях обмотки специального токораспределения, близкого к бессиловому, («квазибессилового») обеспечивает резкое снижение механических напряжений. Приближение к бессиловому токораспределению достигается за счет наличия в обмотке по-лоидальных токов. Преимуществом предложенной системы является теоретическая возможность получения требуемых значений индукции при линейном росте радиальных размеров, в то время как в известных на сегодняшний день конструкциях такой рост является экспоненциальным. Это дает принципиальную возможность генерации значительно больших величин магнитного поля, чем достигнутые в современных конструкциях.

2. Выявлен наиболее эффективный вариант минимизации напряжений, возникающих под действием электромагнитных сил, — реализация слоев обмотки токами переменного направления, и выполнены оценки влияния отклонения угла намотки от расчетных значений. Напряжения при такой реализации со

2 2 ставляют величину В0 /(2p<)N ), где Во — индукция рабочего поля, N — число слоев.

3. Разработана методика выбора радиусов слоев в зоне обратного тока, обеспечивающих возникновение равных допустимых напряжений в удерживающих бандажах и минимизацию радиальных размеров системы.

4. На примере соленоида с трехслойной квазибессиловой обмоткой с токами переменного направления показано, что при создании поля с индукцией

100 Тл в средней части соленоида можно обеспечить механические напряжения на уровне допустимых напряжений обычных конструкционных материалов (порядка 400 МПа) по всему сечению, включая как зону квазибессиловой обмотки, так и зону обратного тока.

5. Тепловой расчет с учетом скин-эффекта показал, что даже при оптимальном режиме требуемое число слоев выше, чем необходимо по соображениям прочности. Это заставляет использовать транспонированные проводники.

6. Показан способ выбора конфигурации и токораспределения в слоях, обеспечивающий равновесие квазибессиловой обмотки системы не только в средней зоне, но и в торцевой части магнита. Приведен пример, который показывает техническую возможность реализации трехслойного магнита с полем L00 Тл в системе с плоским торцевым экраном без превышения прочностных пределов конструкционных материалов.

7. Разработана методика согласования магнитной системы и емкостного источника энергии. Составлена эквивалентная схема соленоида, разработана методика выбора числа витков и дополнительных индуктивностей.

8. Разработан и реализован алгоритм моделирования распределения магнитного поля и механических напряжений методом конечных элементов в программном комплексе ANSYS в приближении осевой симметрии магнитной системы. Численные расчеты подтверждают возможность резкого снижения механических усилий в магнитной системе, где слои обмотки с азимутальным током уравновешены благодаря наличию аксиальной компоненты тока.

9. Создана первая натурная модель квазибессилового магнита. Модель позволяет путем сравнения результатов компьютерных расчетов и экспериментов подтвердить выдвинутую концепцию квазибессилового магнита. Одновременно при ее создании были решены вопросы технологии изготовления обмоток, имеющих сложную пространственную конфигурацию.

10. Созданная модель и проведенные на ней измерения подтверждают реальность создания подобных систем и работоспособность представленных методик по выбору основных параметров системы, расчету числа витков и согласованию ее с источником энергии.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Колтунов, Олег Сергеевич, 2004 год

1. Kapitza P.L. A method of producing strong magnetic fields // Roy. Soc. Proc.,1924, vol. 105. -p.691-710.

2. Kapitza P.L. The Zeeman effect in strong magnetic fields // Roy. Soc. Proc.,1925, vol. A109. p.224-239.

3. Kapitza P.L. Further developments of the method of obtaining strong magnetic fields//Roy. Soc. Proc., 1927, vol. A115. p.658-683.

4. Herlach. F. A critical evaluation of methods to generate strong pulsed magnetic fields // Ninth international conference on magnetic field generation and related topics. Sarov, VNIIEF, 2004. - p.74-85.

5. Шнеерсон Г.А. Сильные электромагнитные поля. Учебное пособие. Л.: изд. ЛПИ, 1985.

6. First experiments in fields above 75 T in the European coilin-coilex magnet / Jones H. et al. // Physica B, 2004, vol. 346-347. p.553-560.

7. The Grenoble high magnetic field laboratory as a user facility / Mossang E. et al. // Physica B, 2004, vol. 346-347. p.638-642.

8. Шнеерсон Г.А. Поля и переходные процессы в аппаратуре сверхсильных токов. -М.: Энергоатомиздат, 1992.

9. Монтгомери Д.Б. Получение сильных электромагнитных полей с помощью соленоидов. М.: Мир, 1971.

10. Progress of the insert coil for the US-NHMFL 100 T multi-shot pulse magnet / v-*' Swenson C.A. et al. // Physica B, 2004, vol. 346-347. p.561-565.

11. Schnieder-Muntau H.-J. Nondestructive megagauss fields // Proceedings of Megagauss-V. Nova Science Publishers, New York, 1990. - p.99-106.

12. Сильные и сверхсильные магнитные поля и их применения: Пер. с англ./ Под ред. Ф. Херлаха. М.: Мир, 1988.

13. Champel Т., Mineev V.P. Giant quantum oscillations of longitudinal magne-toresistance in quasi-two-dimensional metals // Physica B, 2004, vol. 346-347. p.392-396.

14. Паркинсон Д., Малхолл Б. Получение сильных магнитных полей. М.: Атомиздат, 1971.

15. JL, 16. Кнопфель Г. Сверхсильные импульсные магнитные поля: Пер. с англ. —1. М.: Мир, 1972.

16. Магнитная кумуляция / Сахаров А. Д., Людаев Р. 3. и др. ДАН СССР, 1965, т. 165, №1, с.65.

17. Карасик В.Р. Физика и техника сильных магнитных полей. М.: Наука, 1964.

18. Furth Н.Р., Lenine М.А., Waniek R.W. Production and use of the high transient magnetic fields // Rev. Sci. Instr., 1957, vol.28, №11.- p.949.

19. Техника больших импульсных токов и магнитных полей / Дашук П.Н., Зайенц C.J1., Комельков B.C. и др. М.: Атомиздат, 1979.

20. Получение импульсных магнитных полей напряженностью 3 МЭ при разряде конденсаторной батареи / Андрианов A.M., Демичев В.Ф. и др. // Письма в ЖТФ, 1970, т.2, №12. с.582-583.

21. Игнатченко В.А., Карпенко М.М. О возможности получения постоянный ^ сверхсильных магнитных полей // ЖТФ, 1968, т.38, № 12. с. 200-204.

22. H.J. Shneider-Muntau, P. Rub. The Helix Project. Colloques internatiaus C.N.R.S. N242 // Physique Sous Champes Intenses, 1974-. p. 161.

23. Date M.A. New method of high magnetic field generation // Journal of Phys. Soc. of Japan, 1975, vol.39, №.4. p.892.

24. Lust R., Schluter A. Kraftfreie magnetfelder. Z. Astrophys., 1954, B.34. -s.263-282.

25. Gaume F. Bobines Suns Fer la Production de Champs Magnetiques Constants tres Intenses; Calcut et Realisation. Constraction des Bobines // J. CNRS, 1958, vol.9, №45.-p.287.

26. Кузнецов A.A. О бессиловых катушках магнитного поля неограниченной длины // ЖТФ, 1961, т.31, №6 с.650-656.

27. Hand G.L., Levine M.A. New approach to force-free magnetic fields // Physical Review, 1962, vol.127, № 6, p. 1856-1857.

28. Furth H.P., Waniek R.W. New ideas on magnetic forming // Metalworking Prodaction, 1962, vol.106, №18 p.50.

29. Шнеерсон Г.А. Длинные соленоиды с бессиловой обмоткой без внешних разгружающих проводников // ЖТФ, 1986, т.56, №1 с.36-43.

30. Wakefield К.Е. Design of force-free toroidal magnets. Princeton Plasma Physics Lab., Report MATT - 208, 1964.

31. Емец Ю.П., Ковбасенко Ю.П. О свойствах бессиловых магнитных полей // Техническая электродинамика, 1981, № 6. с.3-7.

32. Емец Ю.П., Ковбасенко Ю.П. К вопросу о построении бессиловых магнитных конфигураций //ЖТФ, 1983, т.53, № 8. с. 1425-1429.

33. Демиденко С.К., Замидра А.И. Бессиловые распределения тока, ограниченные сферическими поверхностями // Техническая электродинамика, 1985, №5.-с.27-31.

34. Емец Ю.П., Замидра А.И. Эллипсоид с бессиловыми вихрями тока // Техническая электродинамика, 1985, №6. с.3-7.

35. Shneerson G.A. Force-free winding solenoids with optimized reverse current distribution // IEEE Transaction on Magnetics, 1992, vol.28, №1, p.505-508.

36. Shneerson G.A., Khosikov V.,Yu., Amromin E.L. // Plasma Devices and Operations, 1998, vol.4, -p.321-327.

37. Бодров С.Г., Шнеерсон Г.А. Письма в ЖТФ, 12 мая 1994г, т.20(9). с.47-70.

38. Колтунов М.А., Васильев Ю.Н., Черных В.А. Упругость и прочность цилиндрических тел. М.: Высш. Школа, 1975.

39. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1986.

40. Нейман Л.Р., Демерчан К.С. Теоретические основы электротехники. — М.: Энергоатомиздат, 1986.

41. Нейман J1.P. Поверхностный эффект в ферромагнитных телах. М.: Гос-энергоиздат, 1949.

42. Смайт В. Электростатика и электродинамика. М.: Изд-во иност. лит., 1954.

43. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел: Пер. с англ. — М.: Наука, 1964.

44. Титков В.В., Карпова И.М., Гумерова Н.И. Высоковольтная электроэнергетика и электротехника. Учеб. Пособие. СПб.: Изд-во СПБГТУ, 2002.

45. Брехна Г. Сверхпроводящие магнитные системы. — М.: Мир, 1976.

46. Домбровский В.В., Хуторецкий Г.М. Основы проектирования электрических машин переменного тока. Д.: Энергия, 1974.

47. Lust R., Schluter A. Kraftfreie magnetfelder. Z. Astrophys., 1954, B.34. -s.263-282.

48. Кочин Н.Е. Векторное исчисление и начала тензорного исчисления. — М.: Изд-во Академии наук СССР, 1961.

49. ANSYS Theory Reference. Eleventh edition. SAS IP, Inc., 2001.

50. Калантаров П.Л., Цейтлин JI.А. Расчет индуктивностей: справочная книга. Л.: Энергоатомиздат, 1986.