нет
В процессе многолетнего применения электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн, наши специалисты установили, что эффективность работы аппаратов значительно возрастает при предварительном воздействии на рефлекторную зону других преформированных физических факторов:
Это привело к необходимости разработки новых принципов создания приборов, обеспечивающих сочетанное применение ЭМИ КВЧ и других преформированных физических факторов.
1. Особенности конструкции излучателя
Для сочетанного применения электромагнитного излучения крайне высокой частоты (ЭМИ КВЧ) и магнитного поля (МП) в аппаратах для низкоинтенсивной резонансной физиотерапии был разработан рупорный излучатель ЭМИ КВЧ, конструктивно объединенный с электромагнитом. Внешний вид предлагаемого устройства представлен на рис.1, схематическое изображение конструкции приведено на рис.2.
Рис. 1
Рис.2
Излучатель выполнен в виде пустотелой цилиндрической конструкции, внутри которой расположена электромагнитная катушка (поз.3, рис.2). Цилиндр выполняет функцию магнитопровода и изготавливается из электротехнической стали. Для создания магнитного поля в плоскости облучения (поз.В-В, рис.2) в рупоре выполнен магнитный зазор (поз. В), благодаря которому в пространстве рупора формируется магнитное поле заданной конфигурации. Индукция магнитного поля в зоне облучения определяется расстоянием от середины зазора до плоскости В-В и зависит от величины магнитного зазора и намагничивающей силы катушки [1].
Для подведения ЭМИ КВЧ к зоне облучения в центральном внутреннем стержне магнитопровода выполнен волновод (поз.1, рис.2) круглого сечения, плавно переходящий в коническую рупорную антенну (поз.2, рис.2). Для оптимизации условий распространения ЭМИ КВЧ в рупоре антенны, в магнитный зазор устанавливается вставка (поз.4, рис.2) из немагнитного материала с хорошей электропроводностью, например из латуни или алюминия. В этом случае исключается отражение электромагнитной волны от плоскости магнитного зазора. Электромагнитная энергия от генератора ЭМИ КВЧ распространяется по круглому волноводу к рупорной антенне и воздействует на облучаемую поверхность. Диаметр облучаемой поверхности, для контактного метода воздействия определяется максимальным диаметром рупорной антенны Dобл.
2. Определение индукции магнитного поля в зоне облучения
Особенностью сочетанного применения ЭМИ КВЧ и магнитного поля является то, что плоскость облучения В-В и плоскость магнитного зазора А-А не совпадают (рис.3). В этом случае необходимо выразить индукцию магнитного поля Вх в плоскости В-В через индукцию магнитного поля в плоскости магнитного зазора А-А и геометрические размеры рупора антенны (угол раскрыва рупора b и радиус апертуры Rр).
Рис. 3
Допуская, что магнитное поле в плоскости зазора А-А близко к однородному, величину индукции находим из соотношения:
, (1)
где Фз-магнитный поток, пересекающий площадь рупора в сечении А-А; Rз - радиус середины сечения магнитного зазора.
Из рис.3 видно, что радиус сечения середины зазора Rз может быть выражен через апертуру Rр согласно выражению:
. (2)
Величина индукции Вхр в точке С пересечения силовой линии магнитного поля с плоскостью облучения определится выражением:
Вxp = Bз cos a, (3)
где
a = arcsin = arcsin (cos b), (4)
отсюда следует, что a = 90° - b.
Для воздействия на рефлекторные зоны максимальная индукция магнитного поля в плоскости воздействия Вхр макс не должна превышать значения 0,05 Тл. Тогда величина магнитного потока, пересекающего плоскость зазора А-А находится из выражения:
, (5)
и составляет Фз =113*10-7 Вб при геометрических параметрах рупора антенны Rр=9 мм и b =30°.
3. Расчет магнитных проводимостей воздушного зазора
Точность расчета индукции магнитного поля в зоне облучения во многом зависит от точности расчета магнитной проводимости между боковыми поверхностями полюсов 1 и 2 (рис.4) или проводимости воздушного зазора с учётом поля выпучивания. Эта проводимость при определённых значениях воздушного зазора составляет более 80 % от основной проводимости между торцами полюсов.
Рис. 4
Известные расчетные формулы магнитной проводимости воздушного зазора получены при весьма упрощённой и заранее заданной форме линий магнитной индукции. При этом влияние ширины полюса на удельную боковую проводимость не учитывалось.
В [3], на основании экспериментальных данных введен поправочный коэффициент Кхг, позволяющий снизить погрешность расчёта удельных магнитных проводимостей воздушного зазора до величины 5-8 %.
Рис. 5
На рис.5 показана область воздушного зазора рассматриваемого магнитопровода. Здесь показаны также зоны поля выпучивания с обеих сторон магнитопровода с координатами X¢= =4,8 мм и X¢¢=R3=6 мм и соответствующие им удельные магнитные проводимости g¢x и g¢¢x. Проводимость gрт учитывает магнитные потоки с ребра торца полюса. В соответствии с теорией магнитных цепей и, приемлемой для инженерной практики точностью расчётов, можно записать следующие выражения для определения магнитных проводимостей воздушного зазора:
Gз= М02pRср , (6)
где Gз - проводимость зазора между торцами полюсов;
G¢x= М02pRср (g¢x + gр.т.) К xг , (7)
G¢¢x= М02pRср(g¢¢x /2 + gр.т.) К xг , (8)
где G¢x и G¢¢x - проводимости, учитывающие магнитный поток между боковыми поверхностями полюсов и ребрами торцов слева и справа от оси магнитопровода (рис.5).
Тогда суммарная проводимость определится выражением:
Gdå = Gd + G¢x + G¢¢x . (9)
Для определения удельных проводимостей используются зависимости
графики которых приведены в [3]. В рассматриваемом случае целесообразно воспользоваться графиками, рассчитанными согласно теории Ротерса, поскольку эта теория имеет наилучшую достоверность получаемых результатов в области малых значений параметра (от 1 до 5), а Кхг для этой теории равняется 0,97.
Результаты выполненных расчётов приведены в табл. 1.
4. Анализ и преобразование магнитной цепи
Конструкция и габаритные размеры электромагнита определяются функциональными особенностями устройства и параметрами магнитного поля, которое необходимо получить в плоскости облучения. В частности, размеры волновода и рупора рассчитываются исходя из условий распространения и излучения электромагнитной волны КВЧ. Так диаметр волновода равняется 3.6 мм, угол раскрыва рупора антенны 300. Наружный диаметр магнитопровода в первом приближении целесообразно выбрать равным диаметру корпуса КВЧ генератора, который составляет 33 мм. Учитывая необходимость получения минимальной массы устройства, толщину стенок магнитопровода выбирается минимально возможной с учётом конструктивно-технологических ограничений и достижения минимальных магнитных сопротивлений.
Рис. 6
На рис.6, в качестве иллюстрации, представлена конструкция магнитной системы, на которой условно показано размещение катушки намагничивания. Как видно из рисунка магнитная цепь аксиально симметрична поэтому её можно привести к эквивалентной цепи П-образной формы, участки которой имеют магнитные сопротивления, зависящие от длины участка и площади поперечного сечения. Рассматриваемая магнитная цепь разбита на пять участков а-b, b-с, с-d, d-e, е-а. Средняя длина каждого участка иллюстрируется штриховой линией между соответствующими точками. Конструктивные размеры магнитной цепи приведены в табл.2.
Эквивалентный магнитопровод представлен на рис.4. Жирной линией условно показано расположение катушки намагничивания.
5. Расчёт магнитных сопротивлений эквивалентного магнитопровода
Рис. 7
Для магнитопровода (рис.4) полное комплексное сопротивление равно сумме комплексных сопротивлений участков цепи и активного магнитного сопротивления зазора Rз, то есть:
Здесь - удельные активное и реактивное магнитные сопротивления материала магнитопровода.
Следовательно, активное и реактивное магнитные сопротивления определяются выражениями:
Для вычисления этих сопротивлений необходимо предварительно определить удельные активные и реактивные магнтные сопротивления материала магнитопровода, которые зависят от величины индукции в магнитопроводе [3]. Поэтому вычислим индукцию магнитного поля на различных участках магнитопровода задаваясь индукцией на участке d-e (1-е расположения намагничивающей катушки). Величина индукции на участках определяется выражениями:
Результаты проведенных вычислений представлены в таблице 3.
Далее находим величины и используя [3] и результаты сводим в таблицу 4.
Полученные значения удельных реактивных магнитных сопротивлений для частоты Гц необходимо пересчитать на частоту 100 Гц в соответствии с выражением:
где - учитывает потери на вихревые токи и равно 3,41х103 см/Гн [3].
Принимая во внимание, что уравнение для запишется в виде
Результаты пересчёта на частоту Гц приведены в таблице 5.
Далее, используя результаты расчётов, приведенных в таблицах 4 и 5 вычисляем магнитные сопротивления и магнитопровода без зазора и результаты сводим в таблицу 6.
Далее вычисляем полное комплексное магнитное сопротивление магнитопровода и воздушного зазора и . Результаты расчётов, которые выполнены для различных значений величины воздушного зазора и индукции магнитного поля в среднем сердечнике магнитопровода сведены в таблицу 7.
Рис. 8
В качестве иллюстрации, на рис.8 построены зависимости для различных значений индукции в среднем сердечнике магнитопровода. По результатам выполненных расчётов строим эквивалентную схему магнитопровода, которая приведена на рис.7. В соответствии с эквивалентной схемой находим величину разности магнитных потенциалов в зазоре, необходимую для создания магнитного потока Фз:
Разность магнитных потенциалов , создаваемая потоком Фо в среднем сердечнике магнитопровода, находится из выражения:
Приравняв эти выражения, получаем трансцендентное уравнение, связывающее общий магнитный поток в сердечнике Фо и величину воздушного зазора :
Решение этого уравнения находится графо-аналитическим методом, для чего вычисляем магнитный поток Фо в зависимости от величины зазора и строим график (рис.9). Потом вычисляем магнитный поток Фо по ранее заданной индукции В=1.3 Гн (при расчёте магнитных сопротивлений магнитопровода):
Рис. 9
В соответствии с построениями, представленными на рисунке 9 находим значение удовлетворяющее уравнению для Фо. По найденной величине и используя графики на рисунке 6 определяем полное комплексное сопротивление магнитопровода для вычисленных значений индукции и магнитного зазора, которое равняется 1/Гн. Зная величину определяем угол потерь:
Полные потери в магнитопроводе Рм составляют:
В этом выражении значение берётся равным 1.11 согласно [3].
Намагничивающую силу катушки определим из выражения:
6. Расчет параметров намагничивающей катушки
При расчёте намагничивающей катушки задаются величиной допустимого тока протекающего по обмотке. В рассматриваемой задаче зададимся амплитудой допустимого тока Im=0.6А, тогда действующее значение будет равняться:
Зная величину допустимого тока, и принимая плотность тока в обмотке [4], чтобы тепловой режим электромагнита был облегчённым, находим диаметр провода обмотки dM.
Ближайший к расчетному стандартный диаметр обмоточного провода составляет 0.47 мм [5]. Выбираем провод ПЭВ-1, который характеризуется параметрами, приведенными в таблице 8.
Вычислим количество витков катушки намагничивания из соотношения:
Воспользуемся уравнением [3] для вычисления площади намотки: ,
где -высота и длинна намотки; N-количество витков; - коэффициент заполнения катушки медью.
Площадь намотки будет равна: , (36)
принимаем Sн=120 м.
Задаёмся длиной намотки 1н=22 мм и вычисляем высоту намотки
(37)
Далее определим активное сопротивление катушки, обусловленное потерям меди:
(38)
и активное сопротивление обусловленное потерями в магнитопроводе
(39)
а также реактивное сопротивление катушки
. (40)
Таким образом, полное сопротивление катушки равняется:
. (41)
Угол между током и напряжением определяется формулой:
(42)
Полная мощность потребляемая катушкой находится из выражения:
Активная мощность будет равна
(44)
Полученные в расчёте параметры являются исходными данными для проектирования источника питания катушки.
Заключение
Предложенный вариант конструкции излучателя и соответственно, новый сочетанный вариант применения ЭМИ КВЧ в клинической практике позволит расширить диапазон применения КВЧ терапии и повысить его эффективность.
1. Кузьмичёв В.Е. Законы и формулы физики. / Отв. Ред. Тартаковский.- Киев: Наукова думка,1989.-864 с.
2. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике.-М:,1956.-608с.
3. Буль Б.К. Основы теории и расчёта магнитных цепей. М.-Л., Энергия.-1964,-464с.
4. Радиодетали, радиокомпоненты и их расчёт ./ Под ред. А.В. Коваля. М.; Сов.радио.-1977.-368с.
5. Краткий справочник конструктора радиоэлектронной аппаратуры./Под ред. Р.Г.Варламова. М.; Сов. Радио.-1972.-856с.
Таблица 1
Таблица 2
Участок |
а-b |
b-с |
с-d |
d-е |
е-а |
Длина, мм |
9.6 |
31.5 |
13.6 |
27.5 |
10 |
Толщина, мм |
1.5 |
2.0 |
5.0 |
1.8 |
1.5 |
Средний диаметр, мм dср |
- |
31.0 |
- |
5.4 |
- |
Площадь, мм2 |
104.8 |
194.8 |
283.5 |
30.5 |
43.8 |
Таблица 3
Индукция на участке d-е, Гн |
Индукция на участке, Гн |
|||
а-b |
b-с |
с-d |
e-а |
|
0.8 |
0.184 |
0.0984 |
0.068 |
0.44 |
1.0 |
0.23 |
0.123 |
0.085 |
0.55 |
1.3 |
0.3 |
0.16 |
0.11 |
0.75 |
Таблица 4
Таблица 5
Таблица 6
Таблица 7
Таблица 8
Диаметр без изоляции, мм |
Сечение меди, мм |
Погонное сопротивление, при 200С, Ом/м |
Диаметр с изоляцией, мм |
0.47 |
0.1735 |
0.101 |
0.51 |