Циліндрична індукторна система з внутрішнім біфілярним соленоїдом. Аналіз електромагнітних характеристик

Abstract

Розглянуто циліндричну індукторну систему з внутрішнім коаксіальним соленоїдом, обмотка якого виконана у вигляді біфіляра. Фізико-математична модель запропонованої системи передбачає такі умови роботи, коли зовнішній індуктор вимкнений, його витки виконані з металу з високою електропровідністю досить щільно прилягають один до одного, так що їхню внутрішню поверхню можна вважати суцільною й ідеально провідною. У витках біфілярної обмотки з металевої стрічки протікає гармонічний струм. На підставі розрахункових співвідношень для напруженостей збуджених полів отримані числові оцінки характеристик електромагнітних процесів. Проведено аналіз випадку, коли струми в кожній з гілок-жил біфіляра спрямовані в протилежні сторони. Розглянуто різновиди поперечних і поздовжніх розмірів системи, а також варіанти підключення однієї або двох обмоток біфіляра. Показано, що інтегральний магнітний потік у внутрішній порожнині цієї системи, незалежно від її конструктивних особливостей, дорівнює нулю і, відповідно, індуктивність усієї системи в цілому рівна нулю. Магнітний потік в системі з біфіляром сконцентрований в порожнині між обмотками, що пояснюється позитивною суперпозицією односпрямованих векторів індукції збуджених полів. Зміни геометрії й кількості компонентів дозволяють варіювати характеристики радіальних розподілів електромагнітних полів в розглянутій індукторній системі. Отримані числові оцінки для характеристик збуджених магнітних полів в реальній і вперше запропонованій в роботі конструкції індукторної системи будуть корисні для вибору робочих конструкторських рішень нових схем обладнання магнітно-імпульсної обробки металів. Запропонована методика аналізу дозволить провести відповідні експериментальні дослідження, а також розрахунок і аналіз електромагнітних процесів в індукторних системах, де біфілярні котушки розміщують над циліндричними соленоїдами, що є вельми цікавим під час формування нових схем обладнання для магнітно- імпульсної обробки металів.

A cylindrical inductor system with an internal coaxial solenoid, the winding of which is made in the form of a bifilar, is considered. The physical and mathematical model of the proposed system assumes the working conditions when the external inductor is turned off, its turns are made of metal with high electrical conductivity; sufficiently close to each other, so that their inner surface can be considered a continuous surface of the ideal conductor. The coils of the bifilar winding are made of metal tape and do not affect the occurring electromagnetic processes. A harmonic current flows in the bifilar. Based on the calculated ratios for the strengths of the fields excited in the system, numerical estimates of the characteristics of the electromagnetic processes are obtained. The case when the currents in each of the branches of the bifilar which directed in opposite directions is analyzed. Various cases of the transverse and longitudinal dimensions of the system are considered, as well as options for connecting one or two bifilar coils. It is shown that the integral magnetic flux in the internal cavity of the system under consideration, regardless of its design features, is zero and, accordingly, the inductance of the entire system as a whole is zero. The concentration of the magnetic flux in the system with a bifilar takes place in the cavity between its windings, which is explained by the positive superposition of the unidirectional induction vectors of the excited fields. Changes in the geometry and number of components allow varying the indices of the radial distributions of electro-magnetic fields in the inductor system considered. The obtained numerical estimates for the characteristics of magnetic fields excited in inductor system, real design first proposed by the authors, excited by directed in opposite directions currents in the windings of the bifilar, will be useful in choosing working design solutions for the corresponding elements of magnetic pulse metal processing equipment. The proposed method of analysis will also allow appropriate experimental studies, as well as calculation and analysis of electromagnetic processes in inductor systems, where bifilar coils are placed on top of cylindrical solenoids, which is very interesting for the formation for new equipment magnetic-pulse processing of metal.

Рассмотрена цилиндрическая индукторная система с внутренним коаксиальным соленоидом, обмотка кото-рого выполнена в виде бифиляра. Физико-математическая модель предложенной системы предполагает усло-вия работы, когда внешний индуктор отключён, его витки выполнены из металла с высокой электропроводно-стью; достаточно плотно прилегают друг к другу, так что их внутреннюю поверхность можно считать сплошной поверхностью из идеального проводника. Витки бифилярной обмотки выполнены из металлической ленты и не влияют на протекающие электромагнитные процессы. В бифиляре протекает гармонический ток. На основании расчётных соотношений для напряжённостей возбуждаемых в системе полей получены численные оценки характеристик электромагнитных процессов. Проведен анализ случая, когда токи в каждой из ветвей-жил бифиляра направлены в противоположные сто-роны. Рассмотрены различные случаи поперечных и продольных размеров системы, а также варианты подклю-чения одной или двух обмоток бифиляра. Показано, что интегральный магнитный поток во внутренней полос-ти рассматриваемой системы вне зависимости от её конструктивных особенностей равен нулю и, соответ-ственно, равна нулю индуктивность всей системы в целом. Концентрация магнитного потока в системе с бифиляром имеет место в полости между его обмотками, что объясняется суперпозицией однонаправленных векторов индукции возбуждаемых полей. Изменения геометрии и количества компонент позволяет варьиро-вать показатели радиальных распределений электромагнитных полей в предложенной индукторной системе. Полученные численные оценки для характеристик магнитных полей, возбуждаемых в реальной и впервые предложенной конструкции индукторной системы, возбуждаемой токами, текущими в противоположных на-правлениях в обмотках бифиляра, будут полезны при выборе рабочих конструкторских решений для соответ-ствующих элементов новых схем оборудования магнитно-импульсной обработки металлов. Предложенная ме-тодика анализа позволит провести также соответствующие экспериментальные исследования, а также рас-чёт и анализ электромагнитных процессов в индукторных системах, где бифилярные катушки размещают поверх цилиндрических соленоидов, что является весьма интересным для формирования новых схем оборудова-ния для магнитно-импульсной обработки металлов.