Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
INDUCTION COIL/CAPACITOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/078757
Kind Code:
A1
Abstract:
An induction coil/capacitor relates to the fields of: magnets; inductances; transformers; selection of materials for their magnetic properties; coils; superconducting coils and magnets; structural elements in general; adaptation of inductances for specific applications or functions. The present invention is used for storing the energy of a magnetic and electrostatic field and for stabilizing an electrical current. Use of the invention allows the creation of lines and systems for electrical transmission with stable current and the creation of powerful and, at the same time, energy-intensive sources of energy. The induction coil/capacitor can be used by civilians, organizations and public bodies for performing diverse tasks: storing electrical energy, stabilizing electric power, transport, tomography etc. The essence of the described device is the possibility of compensating for Ampere's force-induced pressures arising in the winding and preventing the concentration of significant energy, by means of the pressures of ponderomotive forces arising due to the positive potential of the core and the excess negative charge of the winding. The induction coil/capacitor can be configured by placing a solid positively charged core within a negatively charged superconducting coil with a current, and placing a dielectric form therebetween. 

Inventors:
KHARITONOV, Dmitry Nikolaevich (Khoroshevskoe shosse, 16 korpus 1, kv. 22, Moscow 4, 125284, RU)
Application Number:
RU2018/000256
Publication Date:
April 25, 2019
Filing Date:
April 20, 2018
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
KHARITONOV, Dmitry Nikolaevich (Khoroshevskoe shosse, 16 korpus 1, kv. 22, Moscow 4, 125284, RU)
International Classes:
H01F27/34; H01F6/06; H01F27/28
Foreign References:
RU2084034C11997-07-10
UA46819C2
SU892486A11981-12-23
SU194945A1
Download PDF:
Claims:
Формула изобретения «КАТУШКА ИВДУКТИВНОСТИ-КОНДЕНСАТОР»

1. Катушка индуктивности - конденсатор, характеризующаяся тем, что имеет положительно заряженный сердечник и отрицательно заряженную обмотку с током, таким образом давление магнитного поля на обмотку скомпенсировано давлением электрического поля.

2. Катушка индуктивности - конденсатор по п.1, отличающееся тем, что обмотка выполнена из сверхпроводящего материала.

Description:
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ.

«Катушка индуктивности - конденсатор».

Область техники.

Изобретение относится, к областям аккумулирования и стабилизации электроэнергии; сверхпроводящим приборам. Изобретение может быть применено при создании: мощных индуктивных накопителей и стабилизаторов энергии; сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии; сверхпроводящих установок различного назначения (в том числе: источников энергии, стабилизаторов, томографов, левитирующих транспортных систем, и других устройств, где может быть использовано явление сверхпроводимости).

Предшествующий уровень техники.

Из уровня техники известно, что катушки индуктивности способны аккумулировать и, в случае сверхпроводниковых катушек, длительное время сохранять энергию магнитного поля. Однако аккумулированию большого количества энергии препятствуют силы Ампера, возникающие в обмотке катушки и стремящиеся разрушить материал катушки. Одной из наиболее распространенных форм для сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии (далее - «СПИНЭ») является форма тора. Указанная форма является энергоэффективной, позволяет сконцентрировать линии магнитного поля внутри тора. В то же время в обмотке такой формы возникают следующие силы Ампера: центробежная сила (далее - «ЦБС»), стремящаяся разорвать каждый виток; продольная сила (далее - «ПС»), стремящаяся вдавить соседние витки друг в друга; центростремительная сила (далее - «ЦСС») стремящаяся сжать внутреннюю поверхность тора к центру. Поэтому при создании современных СПИНЭ используются специальные технологии намотки для снижения указанных сил Ампера и/или создаются специальные мопщые и достаточно тяжелые фермы для внешней под держки СПИНЭ. Так в токийском институте технологий применяется специально рассчитанная «косая» намотка, при которой силы Ампера, балансируются, взаимно уравновешивая друг друга. При этом напряжения в обмотке не устраняются совсем, но существенно снижаются.

Из уровня техники известно, также, что удельная энергоёмкость СПИНЭ оценивается как, примерно, 40 кДж/кг. Применение новых технологических решений, уменьшающих, либо устраняющих напряжения в обмотке означало бы возможность создания более прочных катушек индуктивности и более энергоёмких СПИНЭ.

Раскрытие изобретения.

Задачей создания данного изобретения было проектирование устройства, которое могло бы выдерживать высокие токи, разрушающие обычные катушки индуктивности и, в связи с этим, могло бы аккумулировать высокую энергию магнитного поля.

Результатом использования данного изобретения будет, в частности, появление устройств, которые могли бы применяться областях накопления энергии, стабилизации уровня энергии в сетях.

Для решения поставленной задачи необходимо осуществить следующие существенные решения: - подобрать наиболее прочный материал для изготовления сердечника катушки, который находится на ее оси;

- подобрать диэлектрик, на который наматывается обмотка;

- рассчитать и изготовить обмотку, включая не только расчёт прочности материала, но и «геометрию» намотки;

Таким образом, сущностью изобретения является компоновка устройства, позволяющая обеспечить возникновение компенсирующих друг друга сил и давлений. В отличие от обычных катушек индуктивности в компоновке изобретения участвуют электроны, которые удаляются с сердечника изобретения и добавляются в обмотку. Поэтому в сердечнике появляется высокий положительный потенциал, а на обмотке - высокий отрицательный потенциал. Кроме того, сердечник начинает испытывать высокие разрывающие давления электрических сил (в отличие от обьшных катушек индуктивности, где на сердечник не действуют какие-либо давления), что и обусловливает необходимость применения для изготовления сердечника материалов повышенной прочности. В обмотке изобретения напротив давление магнитного поля уравновешено давлением электрического поля, в отличие от обмотки обычных катушек индуктивности, испытывающих только давление магнитного поля.

Катушка индуктивности - конденсатор может иметь форму тора и может быть, в принципе, создана путем:

- использования в качестве обмотки, сверхпроводящей проволоки (например на основе современных материалов с высокой температура перехода в сверхпроводящее состояние (критической температурой) YBaCuO); з - использования в качестве формы, на которую наматывается обмотка полого тора из диэлектрического материала;

- использования в качестве сердечника наиболее прочного и легкого стержня, не являющегося сверхпроводником, например из сплава Локеллой или углеродного волокна.

- использования термостата, например, из алюминия, наполненной жидким хладагентом (например, жидкий азот, гелий, водород), в которую погружен тор.

Как уже упоминалось ранее, энергоёмкость современных СПИНЭ ограничивается требованиями к системам поддержки для предотвращения повреждения обмотки силами Ампера. Предлагается предварительно создавать в сердечнике, описанном выше, высокий положительный потенциал. Далее, предлагается постепенно запитывать обмотку током, например, в следующем порядке. К разомкнутой обмотке подводится внешнее магнитное поле, после этого она замыкается. Так как в сердечнике создан положительный потенциал, напряженность электрического поля снаружи не заземленной обмотки не будет равна нулю (положительные заряды располагаются по наружной поверхности обмотки). Если к обмотке присоединить сверхпроводящим проводом отрицательный заряженный объект (или отрицательный полюс источника питания), то на каждый электрон в этом объекте будет действовать сила, равная qE, где Е - суммарная напряженность электрического поля, создаваемая как иными отрицательными зарядами этого объекта, так и полем, создаваемым системой сердечник/обмотка вовне, a q - заряд электрона. Эта сила будет заставлять электроны двигаться из объекта в сторону обмотки. Как только они окажутся в обмотке, они будут равномерно распространяться по всей обмотке, выравнивая потенциал. Затем внешнее магнитное поле постепенно устраняется. По мере устранения внешнего магнитного магнитного поля, ток в обмотке будет возрастать. Возможны и другие варианты запитывания. Допустим, сверхпроводящая обмотка разомкнута. В сердечнике в постепенно создается высокий положительный потенциал (например, с помощью генератора Ван де Граафа). Когда между обмоткой и сердечником возникает электрическое поле, оно поляризует диэлектрик, на который намотана обмотка. Таким образом, ближайший к обмотке слой диэлектрика оказывается заряжен положительно. Часть электронов обмотки покидает ее и оказывается в очень узком пространстве (шириной порядка ангстрема) между диэлектриком и обмоткой, у поверхности диэлектрика (как обычно и происходит в конденсаторах). Тем не менее эти электроны притягиваются и к обмотке так называемыми силами изображения (силы притяжения сторонних зарядов к индуцированным зарядам, которые значительны и превышают силы отталкивания на очень малых расстояниях от поверхности даже одноименно заряженного проводника). Далее, разомкнутая обмотка подключается к источнику питания, и в ней появляется электрический ток, потом обмотка замыкается через сверхпроводящий диод, а источник питания отключается. Далее сверхпроводящий диод может быть шунтирован участком обычного сверхпроводника и изъят из схемы обмотки.

В случае отсутствия диэлектрика между обмоткой и сердечником, электроны, которые покидают обмотку в результате полевой эмиссии будут возвращаться в нее магнитным полем. Однако, необходимо отметить, что в этом случае возникнут потери энергии на излучение электронов, движущихся между обмоткой и сердечником в вакууме. Таким образом наличие диэлектрика между обмоткой и сердечником не является необходимым условием функционирования устройства, но желательно.

Если обмотка не сверхпроводящая, а имеет достаточно низкое сопротивление, описанные варианты процессов будут теми же (но без образования куперовских пар и с постепенным затуханием тока в обмотке).

Ток в обмотке создаёт магнитное поле внутри обмотки. Это поле никак не влияет на положительно заряженный сердечник (так как заряды в нем покоятся), но на куперовские пары, движущиеся в обмотке, действуют центробежные силы Лоренца (сумма которых является силой Ампера, действующая на обмотку). Силы Лоренца не действуют на неподвижные ионы обмотки. В случае, если бы количество отрицательных зарядов (электронов) в обмотке было бы равно количеству положительных зарядов (ионов) в обмотке, электростатическое поле, создаваемое положительно заряженным сердечником, не создавало бы сил, действующих на обмотку в целом.

Пользуясь формулами для давлений электрического и магнитного полей можно определить условия равновесия обмотки катушки индуктивности. Как известно, давление электрического поля в конденсаторе (которым можно приблизительно считать систему из отрицательно заряженной обмотки и положительно заряженного сердечника) определяется по формуле: Ε 2 εο/2 (где Е - напряженность электрического поля, εο - диэлектрическая постоянная). Давление магнитного поля определяется как: Β 2 /2μο (где В - индукция магнитного поля, μο - магнитная постоянная). Для равновесия давлений в обмотке имеем: Ε εο 2 = Β72μο.

Пусть целевое значение магнитной индукции равно 90 Тл. Тогда требуемое значение напряженности электрического поля: Е = Β/(μο8ο) 1 2 = 1,9* 10 10 В/м. Известно, что в случае использования высоких напряженностей электрического поля (порядка 10 В/м) в вакууме обычно возникает полевая эмиссия. При этом, пробоя между соседними, одноименно заряженными витками быть не должно, и они могут не иметь дополнительной изоляции. Для предотвращения полевой эмиссии между обмоткой и сердечником в описываемом устройстве может служить форма, на которую наматывается обмотка. Расположение между обмоткой и сердечником материала с высокой электрической прочностью и с высокой диэлектрической проницаемостью устраняет риск полевой эмиссии при высоких напряженностях электрического поля. Эти материалы достаточно распространены и различны по составу. Известно, например, что некоторые современные керамики (LSNO) имеют высокое значение диэлектрической проницаемости (около 10 6 ) и высокое значение электрической прочности (около 10 8 В/м). Техническим результатом применения изобретения будет являться создание таких устройств, которые будут способны:

- проводить электрический ток, больший тока, который проводят катушки индуктивности сопоставимых размеров и масс;

- накапливать энергию магнитного поля, большую той, которую накапливают катушки индуктивности сопоставимых размеров и масс;

- накапливать энергию электрического поля;

- стабилизировать токи, большие токов, которые стабилизируют катушки индуктивности сопоставимых размеров и масс.

Краткое описание чертежей.

К описанию не прилагается фигур. Варианты осуществления изобретения.

Изобретение может быть материализовано путем выбора сверхпроводника, для материала обмотки, с определенными параметрами. Существует большое количество материалов (только металлов 27 (олово, свинец, титан, ... ), ряд сплавов, керамик, и даже сероводород), которые переходят в сверхпроводящее состояние при низких температурах и обладают различными иными свойствами. Подбирается хладагент, необходимый для охлаждения данного вида сверхпроводника и специальная ёмкость для сохранения низкой температуры хладагента. Если же достижение необходимой низкой температуры осуществляется иным способом (например, с помощью фазовых переходов, расширением газов и паров, термоэлектрическим эффектом, десорбцией газов, адиабатическим размагничиванием парамагнетиков), то, применяется соответствующая установка для охлаждения обмотки. Также, в зависимости от целей устройства, рассчитываются размеры катушки и сердечника, рассчитьшаются и создаются необходимые напряжение между обмотками и сердечником и сила тока в обмотке.

(1) Сердечник с круглым сечением в катушке индуктивности - конденсаторе может быть выполнен из не сверхпроводящих материалов, например из сплава Локеллой или углеродного волокна. Сердечник удерживается на оси катушки. Может быть в форме кольца, если катушка в форме тора.

(2) Обмотка из сверхпроводящей проволоки (например на основе современных материалов с высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние (критической температурой) YBaCuO). Обмотка намотана на форму. И форма и обмотка погружены в хладагент.

(3) Форма, на которую наматывается обмотка полого тора из не сверхпроводящего материала (например, из стеклопластика марки АГ-4В или другого диэлектрика с высокой электрической прочностью и высокой диэлектрической проницаемостью).

(4) Ёмкость в которой находится хладагент, выполнена из прочного материала, например из тонкой стали, имеет двойные стенки, между которыми находится вакуум. Ёмкость может герметично запираться.

(5) В качестве хладагента используется жидкий газ, например азот или гелий. Хладагент находится внутри ёмкости, в хладагент помещены форма, обмотка, и сердечник.

Ёмкость (4) заполняется хладагентом (5). При этом обмотка (2), намотанная на форму (3) переходит в сверхпроводящее состояние. Избыточный положительный заряд создается в сердечнике (1), находящемся внутри формы с обмоткой. В обмотку (2) наводится электрический ток, при этом количество электронов в обмотке превышает количество положительно заряженных ионов в узлах кристаллической решетки обмотки. В результате силы Ампера (и давления ими создаваемые) действующие на участки обмотки, уравновешиваются силами электрического притяжения (и давлениями ими создаваемыми), возникающими между участками обмотки и сердечником и силами отталкивания между отдельными витками обмотки. В результате обмотка выдерживает электрический ток, более высокого номинала, чем в обмотка в обычных сверхпроводян х катушках индуктивности. Таким образом, изобретение «Катушка индуктивности конденсатор» позволяет создать целый класс устройств которые способны накапливать энергию магнитного и электростатического поля, большую, чем обычные катушки индуктивности, в случае использования в качестве накопителя энергии, а также стабилизировать больший электрический ток в случае применения в системах системах стабилгоации электроэнергии.

Промышленная применимость.

Катушка индуктивности-конденсатор может использоваться гражданами, организациями, государственными органами для выполнения различных задач: аккумулирование электроэнергии, стабилизация электроэнергии, создание сильных магнитных полей и т.д..

ю