The investigation of thermodynamic processes in pulsed magnets

Abstract

The analysis of thermodynamic processes in pulsed coils applicable for pulsed magnetic field generation has been done. Process modelling was carried out using Matlab Simulink software. Heating influence on maximal value of generated magnetic field and available coil failure are evaluated. The model was applied for numerical simulation of transient processes took place in pulsed coils generating magnetic fields in order of 50-70 T. It was found that overheating of wire wound coil can damage interlayer insulation led to further coil failure. The numerical simulation of pulsed currents, magnetic field and temperature rise were done for different pulsed coil constructions generated equivalent magnetic field using the same experimental equipment. Recommendations to protect pulsed coils against overheating by the increase of thermal capacity were offered. Applied model was verified experimentally and acceptable compliance of experimental and numerically simulated results was achieved.

Pateikta termodinaminių procesų, vykstančių impulsiniam magnetiniam laukui generuoti naudojamuose induktoriuose, analizė, kuri buvo atlikta tiek laboratorijoje, tiek imituojant kompiuteriu. Imitacijai pritaikytas programų paketas Matlab Simulink, įgalinantis sudaryti lankstų ir universalų, lengvai tobulinamą bei keičiamą sistemos elektromagnetinį ir termodinaminį modelį. Imitavimo tikslas buvo nustatyti induktorių įšilimo įtaką generuojamai maksimaliai magnetinio lauko vertei bei induktoriaus naudojimo ilgaamžiškumui, taip pat patikrinti ir pagrįsti anksčiau eksperimentiškai gautus rezultatus bei įvertinti modelio tikslumą ir jo taikymo minėtiesiems procesams imituoti galimybes. Sudarytas modelis pritaikytas eksperimentiškai patikrintiems ir dar projektuojamiems induktoriams. Remiantis gautaisiais apvijų srovių, magnetinio lauko impulsų bei apvijų įšilimo pereinamaisiais procesais nustatyta, kad įšilimas impulso metu gali turėti didelę įtaką magnetinio lauko impulso formai ir amplitudei bei pažeisti tarpvijinę ir tarpsluoksninę izoliaciją ir tapti visiško induktoriaus sugadinimo priežastimi. Remiantis šiais rezultatais pateiktos rekomendacijos impulsinio induktoriaus naudojimo trukmei ilginti didinant jo šiluminę talpą, kai generuojamas 50–70T amplitudės magnetinis laukas. Taip pat pasiektas pakankamas skaitmeninių eksperimentų, atliekamų imituojant, tikslumas ir galimybė modelį bei gautus rezultatus taikyti termodinaminiams ir elektromagnetiniams procesams impulsiniuose induktoriuose prognozuoti, induktoriams tobulinti ir jų geometriniams bei elektriniams parametrams parinkti.