RU2164052C2

RU2164052C2 - Electromagnetic energy pulse generating and converting device

Info

Publication number: RU2164052C2
Application number: RU99109145A
Authority: RU
Inventors: В.Д. Селемир; А.С. Кравченко; А.С. Борискин; Ю.В. Вилков
Original assignee: Министерство Российской Федерации по атомной энергии
Priority date: 1999-04-27
Filing date: 1999-04-27
Publication date: 2001-03-10

Abstract

FIELD: large pulsed electromagnetic energy sources and their matching with load. SUBSTANCE: device that depends for its operation on magnetic energy cumulating effect has components of its magnetocumulative generator and transformer specifically designed and arranged to attain desired effect. Primary and secondary windings of transformer as well as current conductor are coaxially arranged above generator components. Primary winding is placed between external secondary winding and current conductor; the latter, in its turn, is assembled of a number of insulated conductors arranged along center line under transformer primary winding. EFFECT: enhanced efficiency and reduced size of device. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области мощных импульсных источников электромагнитной энергии, в основе которых заложен эффект кумуляции магнитной энергии. Магнитокумулятивные генераторы (МКГ) перспективны в качестве источников мощных импульсов электромагнитной энергии. При непосредственном включении нагрузки в цепь МКГ его эффективная работа возможна лишь при наложении ограничений на параметры нагрузки. Одним из способов согласования параметров МКГ и нагрузки является применение повышающего трансформатора, при этом нагрузка подключается ко вторичной обмотке, а МКГ - к первичной. The invention relates to the field of powerful pulsed sources of electromagnetic energy, which are based on the effect of cumulation of magnetic energy. Magnetocumulative generators (MCG) are promising as sources of powerful pulses of electromagnetic energy. With the direct inclusion of the load in the ICG circuit, its effective operation is possible only with restrictions on the load parameters. One way to match the parameters of the MCH and the load is to use a step-up transformer, while the load is connected to the secondary winding, and the MCH to the primary.

Известно устройство для получения и преобразования импульса электромагнитной энергии (Бухаров В. Ф. и др. "Магнитокумулятивные генераторы с трансформаторным выводом энергии", ж. "Прикладная механика и техническая физика" ПМТФ N 1, 1982 г., стр. 4-10, фиг. 2). Устройство выполнено в виде двух отдельных блоков (блок МКГ и трансформаторный узел), соединенных с обеспечением надежного контакта. МКГ включает центральный проводник с зарядом взрывчатого вещества (ВВ) и спиральный проводник. Трансформаторный узел состоит из четырех цилиндрических трансформаторов с 32-витковой вторичной обмоткой, расположенной внутри первичного витка. МКГ присоединяется к трансформаторному блоку через две токоведущие квадратные пластины (токопровод), разделенные изолятором, к каждой стороне которых присоединен трансформатор, намотанный кабелем. Начальная энергия от конденсаторной батареи подается к спиральному и центральному проводнику со стороны входного торца МКГ, а нагрузка подключается к вторичной обмотке трансформатора. A device for receiving and converting a pulse of electromagnetic energy (Bukharov V. F. et al. "Magnetocumulative generators with transformer energy output", g. "Applied mechanics and technical physics" PMTF N 1, 1982, pp. 4-10, Fig. 2). The device is made in the form of two separate blocks (MKG block and transformer unit) connected to ensure reliable contact. The ICG includes a central conductor with an explosive charge (BB) and a spiral conductor. The transformer assembly consists of four cylindrical transformers with a 32-turn secondary winding located inside the primary turn. The MCG is connected to the transformer block through two current-carrying square plates (conductors), separated by an insulator, to each side of which a transformer is wound with a cable. The initial energy from the capacitor bank is supplied to the helical and central conductor from the input end of the MCG, and the load is connected to the secondary winding of the transformer.

Данное устройство имеет большие габариты из-за трансформатора, который подключается к выходному торцу МКГ и удлиняет конструкцию. Кроме того, в этой конструкции большое соотношение между диаметром трансформатора и диаметром спирального наружного проводника МКГ (~9:1). Это ограничивает использование известного устройства, где габариты имеют существенное значение. This device is large due to the transformer, which is connected to the output end of the MKG and extends the design. In addition, in this design, a large ratio between the diameter of the transformer and the diameter of the spiral outer conductor MKG (~ 9: 1). This limits the use of the known device, where the dimensions are essential.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для получения и преобразования импульса электромагнитной энергии (А. И. Павловский и др. "Каскадная система с небольшим генератором МКГ" доклад на VI "Международной конференции по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам", США, Альбукерк, 92 г., сб. трудов часть II, стр. 631, рис. 1). Устройство содержит магнитокумулятивный генератор, включающий коаксиальные центральный проводник с зарядом взрывчатого вещества и спиральный проводник, трансформатор, включающий первичную и вторичную обмотки и токопровод. Один конец первичной обмотки трансформатора соединен на выходном торце МКГ с центральным проводником, а второй конец через токопровод - со спиральным проводником МКГ. Closest to the claimed is a device for receiving and converting a pulse of electromagnetic energy (A. I. Pavlovsky et al. "Cascade system with a small ICG generator" report at the VI International Conference on the Generation of Megauss Magnetic Fields and Related Experiments, USA, Albuquerque, 92 g., Collection of works part II, p. 631, Fig. 1). The device comprises a magnetocumulative generator, including a coaxial central conductor with an explosive charge and a spiral conductor, a transformer including a primary and secondary windings and a current conductor. One end of the primary winding of the transformer is connected at the output end of the MCG to the central conductor, and the other end is connected through the current lead to the spiral conductor of the MCG.

Трансформаторный узел так же, как и у аналога, является продолжением общей конструкции и расположен за генератором отдельным блоком. Первичная и вторичная обмотки выполнены коаксиальными. Первичная обмотка располагается над вторичной обмоткой. Трансформатор отнесен от МКГ не менее чем на величину, равную Z=0,2 D, где D - диаметр первичной обмотки трансформатора. Это соотношение необходимо выполнить для уменьшения влияния работающего генератора на трансформаторный узел. Токопровод выполнен в виде двух частей. Первая часть - это длина, на которую отнесен трансформатор от генератора. Вторая часть расположена над первичной обмоткой. Т.е. трансформатор выполнен таким образом, что снаружи расположена вторая часть токопровода, первичная обмотка под ней, а вторичная обмотка на внутреннем диэлектрическом каркасе. The transformer unit, like the analogue, is a continuation of the general design and is located behind the generator as a separate unit. The primary and secondary windings are made coaxial. The primary winding is located above the secondary winding. The transformer is assigned from the ICG by at least an amount equal to Z = 0.2 D, where D is the diameter of the primary winding of the transformer. This ratio must be performed to reduce the impact of a running generator on the transformer assembly. The conductor is made in two parts. The first part is the length to which the transformer from the generator is assigned. The second part is located above the primary winding. Those. the transformer is made in such a way that the second part of the current lead is located outside, the primary winding under it, and the secondary winding on the inner dielectric frame.

Недостатками прототипа также являются увеличенные габариты устройства из-за удлинения общей конструкции и снижение выходной энергии из-за паразитной индуктивности и потерь магнитного потока при передаче его из первичного контура во вторичную обмотку. The disadvantages of the prototype are also the increased dimensions of the device due to the lengthening of the overall structure and a decrease in output energy due to stray inductance and loss of magnetic flux when transferring it from the primary circuit to the secondary winding.

При создании данного изобретения решалась задача получения мощного импульса электромагнитной энергии и согласования параметров генератора с параметрами нагрузки. When creating this invention, the problem was solved of obtaining a powerful pulse of electromagnetic energy and matching the parameters of the generator with the load parameters.

Техническим результатом при решении данной задачи являлось сокращение габаритов и повышение выходной энергии. The technical result in solving this problem was to reduce the size and increase the output energy.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным устройством для получения и преобразования импульса электромагнитной энергии, содержащим магнитокумулятивный генератор, включающий коаксиальные центральный проводник с зарядом ВВ и спиральный проводник, трансформатор, включающий первичную и вторичную обмотки, и токопровод, причем один конец первичной обмотки соединен на выходном торце МКГ с центральным проводником, а второй - через токопровод со спиральным проводником, новым является то, что обмотки трансформатора и токопровод расположены коаксиально над спиральным проводником генератора на диэлектрическом каркасе. Первичная обмотка расположена между наружной вторичной обмоткой и токопроводом, выполненным в виде набора изолированных проводников, расположенных вдоль оси под первичной обмоткой. Направление намотки витков первичной обмотки совпадает с направлением намотки спирального проводника. Кроме того, в диэлектрическом каркасе выполнена полость, открытой частью обращенная к входному торцу генератора. The specified technical result is achieved in that, in comparison with the known device for receiving and converting a pulse of electromagnetic energy, comprising a magnetocumulative generator including a coaxial central conductor with an explosive charge and a spiral conductor, a transformer including a primary and secondary windings, and a current conductor, with one end of the primary the windings are connected at the output end of the ICG with the central conductor, and the second through the current lead with a spiral conductor, new is that the windings are trans The ormatator and current lead are located coaxially above the spiral conductor of the generator on the dielectric frame. The primary winding is located between the external secondary winding and the current conductor, made in the form of a set of insulated conductors located along the axis under the primary winding. The direction of winding the turns of the primary winding coincides with the direction of winding of the spiral conductor. In addition, a cavity is made in the dielectric frame, the open part facing the input end of the generator.

При расположении первичной и вторичной обмоток трансформатора и токопровода коаксиально над спиральным проводником генератора и совпадении направлений намотки витков первичной обмотки и спирального проводника во время расширения центральной трубы под действием продуктов детонации заряда ВВ величина индуктивности первичной обмотки уменьшается. Это приводит к увеличению отношения L₁₀/L_1к, где L₁₀ и L_1к - соответственно начальная и конечная индуктивности контура МКГ, что в свою очередь позволяет увеличить входную энергию и коэффициент усиления энергии устройства. Физически это объясняется тем, что на магнитное поле спирального проводника МКГ накладывается магнитное поле трансформаторного узла. В этом случае торможение центрального проводника МКГ происходит в магнитном поле с величиной напряженности, большей, чем величина напряженности поля спирального проводника. Это приводит к увеличению отбора кинетической энергии центрального проводника в энергию магнитного поля в нагрузке. Выполнение токопровода в виде набора изолированных проводников, расположенных вдоль оси под первичной обмоткой трансформатора, не мешает проникновению магнитного поля из первичной обмотки во вторичную, не влияет на взаимоиндукцию между первичной обмоткой и спиральным проводником МКГ и увеличивает выходную энергию за счет сокращения длины токопровода и его индуктивности. Такое выполнение обмоток трансформатора и токопровода и расположение этих элементов на части (30% и более) длины генератора и на общей оси существенно сокращает габариты устройства в целом. Наличие полости, выполненной в диэлектрическом каркасе, позволяет сохранить трансформаторный узел от разрушения ударной волной при разлете центрального проводника на время не менее времени работы МКГ из-за того, что давление ударной волны в воздухе значительно слабее, чем в материале каркаса.When the primary and secondary windings of the transformer and current lead are coaxially above the spiral conductor of the generator and the directions of winding the turns of the primary winding and the spiral conductor coincide during the expansion of the central pipe under the influence of detonation products of the explosive charge, the magnitude of the inductance of the primary winding decreases. This leads to an increase in the ratio L ₁₀ / L _1k , where L ₁₀ and L _1k are the initial and final inductances of the MCH circuit, respectively, which in turn allows you to increase the input energy and the energy gain of the device. Physically, this is due to the fact that the magnetic field of the transformer assembly is superimposed on the magnetic field of the spiral conductor MKG. In this case, the braking of the central MCG conductor occurs in a magnetic field with a magnitude greater than the field strength of the spiral conductor. This leads to an increase in the selection of the kinetic energy of the central conductor in the energy of the magnetic field in the load. The implementation of the current lead in the form of a set of insulated conductors located along the axis under the primary winding of the transformer does not interfere with the penetration of the magnetic field from the primary winding into the secondary, does not affect the mutual inductance between the primary winding and the spiral conductor MKG and increases the output energy by reducing the length of the current lead and its inductance . This embodiment of the transformer and current lead windings and the arrangement of these elements on the part (30% or more) of the generator length and on the common axis significantly reduces the overall dimensions of the device. The presence of a cavity made in a dielectric cage allows the transformer assembly to be protected from being destroyed by a shock wave during the expansion of the central conductor for at least the time of the MCH operation due to the fact that the pressure of the shock wave in air is much weaker than in the casing material.

На чертеже изображено заявляемое устройство. The drawing shows the inventive device.

Устройство для получения и преобразования импульса электромагнитной энергии содержит магнитокумулятивный генератор, включающий коаксиальные центральный проводник 1 с зарядом 2 взрывчатого вещества и спиральный проводник 3. Трансформатор включает первичную 4 и вторичную 5 обмотки, а также токопровод 6. Один конец первичной обмотки 4 соединен на выходном торце генератора с центральным проводником 1, а второй конец через токопровод 6 со спиральным проводником 3. Обмотки 4 и 5 трансформатора и токопровод 6 расположены коаксиально над спиральным проводником генератора на диэлектрическом каркасе 7. Первичная обмотка 4 расположена между наружной вторичной обмоткой 5 и токопроводом 6. Токопровод 6 выполнен в виде набора изолированных проводников, расположенных вдоль оси под первичной обмоткой 4 трансформатора. В диэлектрическом каркасе 7 выполнена полость 8, открытой частью обращенная ко входному торцу генератора. Кроме того, источник 9 начальной энергии подключен со стороны входного торца генератора. Система подключена со стороны входного торца генератора. Система инициирования 10 расположена на заряде ВВ 2 также со стороны входного торца генератора. Нагрузка 11 подключена ко вторичной обмотке 5 трансформатора. A device for receiving and converting a pulse of electromagnetic energy contains a magnetocumulative generator, including a coaxial central conductor 1 with a charge of 2 explosives and a spiral conductor 3. The transformer includes a primary 4 and secondary 5 windings, as well as a current lead 6. One end of the primary winding 4 is connected at the output end generator with a central conductor 1, and the second end through a conductor 6 with a spiral conductor 3. The transformer windings 4 and 5 and the conductor 6 are coaxially above the spiral Generator conductor on the dielectric frame 7. The primary winding 4 is arranged between the outer secondary winding 5 and 6. The conductive current lead 6 is made as a set of insulated conductors disposed along the axis at the primary winding 4 of the transformer. In the dielectric frame 7, a cavity 8 is made, the open part facing the input end of the generator. In addition, the source 9 of the initial energy is connected from the input end of the generator. The system is connected from the input end of the generator. The initiation system 10 is located on the explosive charge 2 also from the input end of the generator. The load 11 is connected to the secondary winding 5 of the transformer.

В примере конкретного выполнения первичная обмотка выполнена одним изолированным витком, состоящим из 64 проводников с диаметром каждого проводника, равным ~7,5 мм. Первичная обмотка расположена на диаметре 466 мм. Вторичная обмотка имеет 25 витков, намотанных изолированным проводником диаметром 20 мм, и расположена непосредственно на первичной обмотке. Токопровод состоит из 64 проводников, таких же, которые использовались для намотки первичной обмотки, уложенных в пазах диэлектрического каркаса, выполненных вдоль оси по образующим на диаметре 420 мм. Концы токопровода выведены со стороны выходного торца и соединены со спиральным проводником МКГ. Диэлектрический каркас выполнен из пенопласта и эпоксидного компаунда. Полость может быть образована в виде кольцевой проточки и выполнена на глубину ~250 мм. В качестве источника начальной энергии для МКГ используется конденсаторная батарея или другой МКГ. Система инициирования заряда выполнена в виде капсюля детонатора, расположенного на заряде ВВ со стороны входного торца генератора. Центральный проводник МКГ выполнен в виде трубы, заполненной ВВ. Спиральный проводник расположен коаксиально с центральным проводником. Элементы трансформатора обычно занимают ~45 - 65% длины генератора, а соотношение радиусов вторичной обмотки трансформатора и наружного спирального проводника МКГ могут варьироваться от 1,8 до 2,5. Общая длина конструкции в примере конкретного выполнения 1 м, трансформаторный узел занимает 63% длины генератора. Диаметр наружной вторичной обмотки - 500 мм, а внутренний диаметр спирального проводника - 240 мм. In a specific embodiment, the primary winding is made by one insulated coil, consisting of 64 conductors with a diameter of each conductor equal to ~ 7.5 mm. The primary winding is located on a diameter of 466 mm. The secondary winding has 25 turns wound by an insulated conductor with a diameter of 20 mm, and is located directly on the primary winding. The conductor consists of 64 conductors, the same ones that were used for winding the primary winding, laid in the grooves of the dielectric frame, made along the axis along generatrices on a diameter of 420 mm. The ends of the current lead are brought out from the side of the output end and are connected to the MKG spiral conductor. The dielectric frame is made of foam and epoxy compound. The cavity can be formed in the form of an annular groove and is made to a depth of ~ 250 mm. As a source of initial energy for the MCH, a capacitor bank or another MCH is used. The charge initiation system is made in the form of a detonator capsule located on the explosive charge from the input end of the generator. The central conductor MKG is made in the form of a pipe filled with explosives. The spiral conductor is coaxial with the center conductor. Transformer elements usually occupy ~ 45 - 65% of the generator length, and the ratio of the radii of the secondary winding of the transformer and the external helical conductor MCH can vary from 1.8 to 2.5. The total length of the structure in the example of a specific implementation is 1 m, the transformer assembly occupies 63% of the length of the generator. The diameter of the outer secondary winding is 500 mm, and the inner diameter of the spiral conductor is 240 mm.

Работает заявляемое устройство следующим образом. После запитки током от источника 9 начальной энергии в контуре МКГ создается магнитный поток. После срабатывания системы инициирования 10 и заряда ВВ 2 в момент достижения требуемой величины тока центральный проводник 1 под действием продуктов взрыва разлетается в форме конуса и соединяется со спиральным проводником 3. С этого момента начинается процесс магнитной кумуляции. Далее при заявляемом выполнении и расположении трансформатора на магнитное поле спирали накладывается магнитное поле трансформаторного узла и торможение центрального проводника МКГ происходит в магнитном поле с величиной напряженности, большей, чем величина напряженности поля спирального проводника. Это приводит к увеличению отбора кинетической энергии центрального проводника в энергию магнитного поля в нагрузке. The claimed device operates as follows. After energizing the initial energy source 9, a magnetic flux is created in the MCH circuit. After the triggering of the initiation system 10 and the explosive charge 2 at the moment the desired current value is reached, the central conductor 1 under the action of the explosion products flies in the shape of a cone and connects to the spiral conductor 3. From this moment, the process of magnetic cumulation begins. Further, with the claimed implementation and the location of the transformer, the magnetic field of the transformer assembly is superimposed on the spiral magnetic field and the central conductor MKG is braked in a magnetic field with a voltage value greater than the field strength of the spiral conductor. This leads to an increase in the selection of the kinetic energy of the central conductor in the energy of the magnetic field in the load.

Таким образом, по сравнению с прототипом в заявляемом устройстве удалось сократить габариты в 1,5 раза и увеличить выходную энергию на 15%. Thus, compared with the prototype in the inventive device, it was possible to reduce the dimensions by 1.5 times and increase the output energy by 15%.

Claims

1. A device for generating and converting a pulse of electromagnetic energy, comprising a magnetocumulative generator, including a coaxial central conductor with an explosive charge and a spiral conductor, a transformer including a primary and secondary winding, and a current conductor, with one end of the primary winding connected to the output end of the generator with a central conductor, and the second through the current lead - with a spiral conductor, characterized in that the transformer windings and the current lead are located coaxially above the c with the generator’s insulator on the dielectric frame, the primary winding is located between the external secondary winding and the current lead, made in the form of a set of insulated conductors located along the axis under the primary winding, the winding of which turns coincides with the direction of winding of the spiral conductor.

2. The device according to claim 1, characterized in that the cavity is made in the dielectric frame, the open part facing the input end of the generator.