13.2. Основные типы индуктивных накопителей, их параметры и показатели

Существуют два основных класса конструктивного исполнения ИН: линейные накопители, в которых витки катушек располагаются вокруг прямолинейной оси, и тороидальные ИН, в которых витки катушек охватывают кольцевую центральную линию.

Линейные ИН конструктивно просты и технологичны, но создают большие магнитные поля в окружающем пространстве.

Тороидальные ИН уступают линейным по массогабаритным показателям, имеют сложную конструкцию, однако позволяют практически полностью устранить внешние магнитные поля, что часто играет определяющую роль при разработке соответствующих энергоустановок.

13.3. Индуктивные накопители в виде цилиндрических катушек прямоугольного сечения

Параметры цилиндрической катушки прямоугольного сечения включают в себя осевую длину катушки , радиальную высоту (толщину) h и средний диаметр d, и число витков (рис. 13.4А). Индуктивность цилиндрической катушки:

(13.2)

где k_ф1—коэффициент формы, зависящий от относительных размеров сечения катушки, т. е. отношений и .

Индуктивность катушки с квадратным сечением ( ):

(13.3)

Значения и задаются в таблицах.

Максимальной индуктивностью при заданном объеме провода обладает катушка Брукса, у которой или где - внутренний радиус (рис. 13.4Б):

(13.4)

Если заданы сечение провода , из которого наматывается катушка Брукса, и значение индуктивности этой катушки L_Б, то с учетом равенства ws_пр=hlk_з,ц, где kз,ц - коэффициент заполнения активными проводниками сечения цилиндрической катушки, то легко найти ее размеры:

(13.5)

Рис. 13.4. Цилиндрическая катушка с прямоугольным сечением (а)

и катушка Брукса (б).

13.4. Индуктивный накопитель в виде тонкого соленоида

Катушка с h<<l, h <<d (тонкий однослойный соленоид) благодаря большой поверхности обеспечивает хорошие условия охлаждения проводника и может эффективно использоваться, например, в криопроводниковых ИН, а также в ИН трансформаторного типа, когда требуются высокие значения коэффициентов связи обмоток.

Индуктивность тонкого соленоида:

(13.6)

Значения k ф4 зависят от l*=l/d и задается таблицами.

Виды намоток проводов однослойных соленоидов приведены на рис. 13.5

Рис. 13.5. Катушка в виде тонкого соленоида из прямоугольной шины (А), и круглого провода (Б)

13.5 Тороидальные индуктивные накопители энергии.

В тороидальных катушках витки с током размещаются на тороидальной поверхности и охватывают кольцевую центральную линию. Линии магнитной индукции основного поля замыкаются вокруг оси тора.

Для идеального тора с однородным токовым слоем все магнитное поле сосредоточено внутри тора. В реальных конструкциях имеются внешние магнитные поля, но они быстро затухают, что является главным достоинством тороидальных ИН.

Рассмотрим тонкую тороидальную (с малой толщиной токового слоя), имеющую круговое меридиональное сечение (рис. 13.6). Ее индуктивность:

(13.7)

где D—большой диаметр тора; d—диаметр сечения, .

Рис. 13.6. Тонкая тороидальная катушка.

В ряде практических задач используют ИН на основе тороидальных катушек с прямоугольным сечением (рис. 13.8), индуктивность которых при малой толщине намотки  составляет:

(13.9)

где

Рис. 13.8. Тороидальные катушки с прямоугольным сечением.