بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله یک سیستم مولد فشرده ساز شار براي انواع مختلف استاتور شبیه سازي شد. نتایج محاسبات نشان داد که ساختار میدان مغناطیسی، جریان اولیه و جریان خروجی به شدت به نوع استاتور وابسته می باشد. در این مجموعه محاسبات سه نوع استاتور با سطح مقطع پیچه هاي دایرهاي، مستطیلی و مستطیل لبه دار انتخاب گردید. استاتور از 50 حلقه سیم پیچ تشکیل شده است که در چهار سطح در مولد قرار گرفته است. نتایج نشان داد استاتور با پیچه دایره اي بهره بیشتري نسبت به سایر شکل ها دارد.
مقدمه
توان پالسی یا ضربهاي فرآیندي است که انرژِي ذخیره شده توسط آن به طور لحظهاي و در زمانی بسیار کوتاه آزاد شده و یا به سرعت به یک مصرف کننده بار داده میشود. مولدهاي تولید توان پالسی یکی از بزرگترین وسایل ذخیرهسازي انرژي بشمار میروند که میتوان آنها را بسیار کم حجم و سبک ساخت. در این تکنولوژي، بدلیل اینکه یک پالس قوي در زمانی بسیار کوتاه در اختیار داریم، استفاده و توسعه آن با محدودیتهاي اساسی مواجه است.
از آنجایی که در سالهاي اخیر براي این مولدها کاربردهاي متعددي از جمله تغذیه لیزرهاي پرقدرت، منابع مایکروویو توان بالا، شتاب دادن پلاسما و پرتوهاي الکترونی، شتاب دادن پرتابه در ریلگانها و گرم کردن پلاسما شناسایی معرفی شده است، توسعه و پیشرفت در این زمینه پیشنهاد میشود. سیستمهاي توان پالسی در انواع مختلفی ساخته شده است که مولدهاي فشرده ساز شار مغناطیسی - FCG - یکی از انواع اینها بشمار میرود.
اساس کار این مولد تغییر ناگهانی در شار میدان مغناطیسی در هوا یا یک گاز مانند SF6 میباشد. این تغییر ناگهانی شار میدان مغناطیسی منجر به تولید پالس توان بالا میشود. یک مولد فشردهساز شار از یک منبع اولیه1 براي ایجاد میدان مغناطیسی درون مولد، یک کویل حلقهاي به نام استاتور2، لوله فشرده کننده به نام آرمیچر3 با پرکننده ماده انفجاري، یک مدار خروجی و بار تشکیل شده است.
هنگامی که در اثر یک شوك، آرمیچر از یک طرف باز میشود، یک سطح شیبدار مخروطی ایجاد شده و میدان مغناطیسی به دام افتاده در بین استاتور و آرمیچر در زمان بسیار کوتاهی فشرده میشود و این امر منجر به تولید پالس توان بالا خواهد شد. تاکنون روشهاي مختلفی براي تغییر شار مغناطیسی در مولدها بکار گرفته شده است که عمدتاً بر پایه شکل هندسی آنها استوار است. این نوع مولدها را از نظر شکل هندسی به انواع مختلف استوانهاي، دیسکی، چنبرهاي، صفحهاي، نواري، سیلندري و مارپیچی تقسیم میکنند. مولدهاي استوانهاي براي تولید میدان مغناطیسی قوي و بقیه انواع مولدها براي تولید جریان و انرژي الکتریکی بالا بکار برده میشوند.
محققان در دانشگاههاي مختلف جهان از جمله دانشگاه تگزاس4 بر روي انواع مختلف این مولدها تحقیقات متعددي انجام دادند4-] .[1 در این مقاله یکیاز انواع نسبتاً جدید FCG مورد بررسی قرار گرفته و شار مغناطیسی حاصل از سه نوع پیچه استاتور با سطح مقطع دایرهاي، مربعی و مربع لبهدار در آن براي تولید پالس بهینه مورد بررسی قرار گرفته است. سیستم شبیهسازي شده در شکل 1 و مشخصات فیزیکی سیستم در جدول 1 نشان داده شده است.
شکل : 1 شماتیک مولد با آرمچیر با پایه مخروطی شکل و استاتور چهار بخشی - شکل بالا - ، سه نوع سطح مقطع استاتور - شکل پایین -
جدول :1 مشخصات مولد فشرده ساز شار شبیه سازي شده
روابط ریاضی
روابط مورد نیاز براي محاسبات میدان هاي الکتریکی و مغناطیسی در این مولدها، معادلات ماکسول می باشند:
در این روابط H شدت میدان مغناطیسی،j چگالی جریان، D چگالی شار الکتریکی یا جابجایی الکتریکی، E شدت میدان الکتریکی، B چگالی شار مغناطیسی و e چگالی بارهاي الکتریکی آزاد میباشند. روابط اساسی دیگري که خواص مواد یا محیط اطراف را تعیین میکنند،
σ ضریب رسانندگی ماده است که تابع دما و میدان مغناطیسی می-باشد. از پارامترهاي اساسی براي توصیف خواص الکتریکی یک ماده استفاده می شود. براي اعمال شرایط مرزي در صورتی که میدانهاي مغناطیسی، شبه ایستا در نظر گرفته شوند از جمله جابجایی در معادله 1 صرف نظر میشود. همچنین در فضاي آزاد که در آن j=0 است، میدان مغناطیسی با زمان تغییر میکند اما مستقل از موقعیت مکانی میباشد. در صورتی تقریب میدان شبه ایستا معتبر است که در آن طول موج ویژه تغییر میدان است و l طول ویژه یک پیچه مغناطیسی است. در فلزات واسطه نیز، تقریب میدان شبه ایستا معتبر است که در آن بسامد نوسانی میدان مغناطیسی است. براي رساناهاي خوبی از قبیل فلزات این وضع با بسامدهایی بالاتر از بسامد عملکرد FCG اعتبار دارد. چگالی جریان نیز با استفاده از رابطه زیر محاسبه میگردد.
نتایج و بحث
محاسبات با استفاده از نرمافزار FlexPDE براي پتانسیل برداري و میدان مغناطیسی انجام شد. نتایج حاصل از میدان مغناطیسی در شکل 2 نشان داده شده است. جریان ورودي 1/4 کیلوآمپر در نظر گرفته شد و همانگونه که مشاهده میشود میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط هر سه نوع پیچه ماگزیممی در قسمت تحتانی آرمیچر ایجاد خواهد کرد. شدت ماگزیمم میدان مغناطیسی براي پیچه با سطح مقطع دایره اي 5/1 تسلا، براي پیچه با سطح مقطع مربعی 4/5 تسلا و براي پیچه با سطح مقطع مربع لبه دار 3/6 تسلا محاسبه شد.
همان گونه که مشاهده میشود بیشترین میدان به پیچه هاي با سطح مقطع دایره اي اختصاص دارد و استفاده از این نوع پیچه به نظر می رسد بهره بهتري را براي مولد به ارمغان آورد. علت کاهش میدان مغناطیسی در دو نوع استاتور با سطح مقطع مستطیل و مستطیل لبه دار را به اثر گوشه میتوان نسبت دانست. گوشه بدلیل تجمع میدان و چگالی جریان القایی عاملی براي افت جریان بار ورودي به حساب میآید و بر این اساس جریان را کاهش داده و میدان ضعیفتري را انتظار داریم. همان گونه که مشاهده میشود پیچه با سطح مقطع مستطیل نیز میدان مغناطیسی بیشتري نسبت به استاتور با سطح مقطع مستطیل لبه دار ایجاد می-کند که این نیز بدلیل گوشههاي کمتر مستطیل می باشد.
شکل: 2 شار میدان مغناطیسی حاصل از جریان ورودي 14 کیلو آمپر در استاتور با سطح مقطع پیچه هاي دایرهاي، مربعی و مربع لبه دار
