Остов трансформатора и его магнитная система. Классификация магнитных систем - сборка трансформаторов

силового трансформатора мощностью 25-630 кВ·А.

Первой задачей, решаемой при проектировании магнитной системы силового трансформатора, является выбор ее конструктивной схемы. Плоская магнитная система может быть принята для производства на любом трансформаторном заводе. Пространственные магнитные системы позволяют получить экономию электротехнической стали и уменьшение потерь холостого хода до 9-10%, но для их изготовления необходимо иметь специальное оборудование для навивки и длительного отжига навитых частей. Для предлагаемых в курсовой работе трансформаторов принимаем плоскую магнитную систему.

При расчете плоской магнитной системы из рулонной холоднокатанной стали должен быть выбран план шихтовки пластин магнитопровода. Самая простая и наиболее распространенная заготовка пластин и сборки магнитной системы представлена на рис. 1 c.

Рис.1. План шихтовки магнитной системы косыми стыками в четырех и прямыми в двух углах.

Магнитная система (остов) служит также и механической основой трансформатора. На остове располагаются и укрепляются обмотка и отводы от обмоток, и в некоторых конструкциях на остове в процессе сборки трансформатора укрепляется крышка бака с вводами и различной арматурой.

Для того чтобы магнитная система, собранная из массы пластин тонколистовой стали, обладала достаточной устойчивостью, могла выдерживать механические силы, возникающие между обмотками при коротком замыкании, и не разваливалась при подъеме остова или активной части, ее верхнее и нижнее ярма должны быть надежно соединены механически.

Таким соединением верхних и нижних ярмовых балок в остове с плоской магнитной системой могут служить вертикальные шпильки, расположенные вне обмоток ВН и достаточно от них удаленные или надежно изолированные. В масляных трансформаторах такие шпильки применяют при напряжениях обмоток ВН-10, 35 и 110 кВ, а в сухих до 10 кВ. Вертикальные шпильки также могут быть использованы для осевой прессовки обмоток за счет небольшого сдвига вниз верхних ярмовых балок.

Поперечное сечение стержня в стержневых магнитных системах обычно имеет вид симметричной ступенчатой фигуры, вписанной в окружность. Диаметр этой окружности d называется диаметром стержня трансформатора и является одним из основных его размеров. Ступенчатое сечение стержня и ярма образуется сечениями пакетов пластин. При этом пакетом называется стопа пластин одного размера. Чистое сечение стали в поперечном сечении стержня или ярма называется активным сечением стержня или ярма.

Число ступеней, определяемое по числу пакетов стержня в одной половине круга, может быть различным. Увеличение числа ступеней увеличивает коэффициент заполнения площади круга К кр площадью ступенчатой фигуры, но одновременно увеличивает число типов пластин, имеющих различные размеры, чем усложняет заготовку пластин и сборку магнитной системы.

Для ориентировки в этом вопросе может служить табл. 5, в которой приведены значения чисел ступеней в стержнях современных трехфазных трансформаторов различной мощности.

Таблица 5. Число ступеней в сечении стержня современных

трехфазных трансформаторов.

Ширина пластин, определяющая ширину и толщину пакетов, образующих сечение стержня, выбирается так, чтобы при заданном диаметре было обеспечено получение наибольшего сечения стержня при максимальном использовании и минимальных отходов листовой или рулонной стали. Для ширины пластин существует нормализованная шкала, приведенная в табл. 6.

Для диаметров стержней силовых трансформаторов принят стандарт, который содержит следующие нормализованные диаметры, м:0,08;

0,085; 0,09; 0,092; 0,095; 0,10; 0,105; 0,11; 0,115; 0,12; 0,125; 0,13; 0,14; 0,15; 0,16; 0,17; 0,18; 0,19; 0,20; 0,21, 0,22; 0,225; 0,23; 0,24; 0,245; 0,25; 0,26; 0,27; 0,28; 0,29; 0,30; 0,31; 0,32; 0,33; 0,34; 0,35; 0,36; 0,37; 0,38; 0,39; 0,40; 0,42; 0,45; 0,48; 0,50; 0,53; 0,56; 0,60; 0,63; 0,67; 0,71, 0,75- для магнитных систем без поперечного каналов.

При определении активного сечения стержня, т.е. чистого сечения стали

в площади круга с диаметром стержня d, в предварительном расчете, когда размеры пакетов пластин стержня еще не установлены, обычно пользуются коэффициентом заполнения сталью К с, равным отношению активного сечения стержня П с к площади круга диаметром d. Этот коэффициент равен произведению двух коэффициентов - коэффициента заполнения площади круга площадью П ф.с. ступенчатой фигуры сечения стержня Ккр и коэффициента заполнения площади ступенчатой фигуры Пф.с чистой сталью Кз

К кр =4П ф. с /(d 2); П ф. с =К кр d 2 /4; К з =4П с /(К кр d 2);

П с =К кр К з d 2 /4; П с =К с d 2 /4; К с =К кр К з

Ориентировочные практические значения коэффициента К кр для различных диаметров стержня при оптимальных размерах пластин и пакетов приведены в табл. 5, данными которой можно пользоваться в предварительном расчете. При окончательном расчете магнитной системы сечения стержня определяется по табл. 6 или реальным размерам пакетов стержня.

Коэффициент К з выбирается по табл. 2 в соответствии с видом стали - рулонная или листовая, с типом изоляционного покрытия.

Выбор правильной формы и размеров поперечного сечения ярма, особенно в магнитных системах, собираемых из холоднокатанной текстурованной стали, играет существенную роль. Наиболее рациональной является многоступенчатая форма сечения ярма с числом ступеней, равным числу ступеней в сечении стержня, и активным сечением, равным или несколько большим активного сечения стержня. Для обеспечения более равномерного сжатия ярма между ярмовыми балками обычно два-три крайних пакета объединяют, несколько увеличивая их общее сечение. При такой форме ярма магнитный поток (индукция) практически равномерно распределяется по сечению стержня и ярма, а активное сечение ярма оказывается несколько большим активного сечения стержня, что учитывается коэффициентом усиления ярма, равным отношению П я /П с

К я = П я /П с

Для нормализованных размеров пакетов пластин по табл. 6 можно принять К я =1,021,03.

Т а б л и ц а 6. Размеры пакетов-ширина пластин “а”и толщина пакетов “в”, мм,(п с и п я – число ступеней в сечении стержня и ярма;”а я ”- ширина крайнего наружного пакета ярма;”к кр ”- коэффициент заполнения круга для стержня.

Диаметр стержня d,м				а я ,	Размеры пакетов ав, мм, в стержне

В современных конструкциях плоских магнитных систем трансформаторов до 6300кВА, собираемых из холоднокатанной стали, прессовка ярм осуществляется при помощи стальных ярмовых балок, стягиваемых шпильками, вынесенными за пределы ярма. Стальная шпилька над средним стержнем иногда заменяется стальной скобой с нажимным болтом.

Площадь ступенчатой фигуры поперечного сечения стержня, м 2

П ф. с.=а п.с.  в п.с.  10 –6

Активное сечение стержня

П с =К з П ф.с. .

Аналогично для ярма

П ф. я.=а п.я. в п.я. 10 -6 ,

П я =К з П ф. с.

Расчет основных электрических величин трансформаторов.

Расчет трансформатора начинается с определения основных электрических величин-мощности на одну фазу и стержень, номинальных токов на стороне ВН и НН, фазных токов и напряжений.

Мощность одной фазы трансформатора, кВА,

Мощность на одном стержне

где С- число активных (несущих обмотки) стержней трансформатора; S-номинальная мощность трансформатора, кВ·А.

Номинальный (линейный) ток обмоток ВН и НН трехфазного трансформатора, А,

I=S10 3 /(

U),

где S-мощность трансформатора, кВА; U-номинальное линейное напряжение соответствующей обмотки, В.

Фазный ток обмотки одного стержня трехфазного трансформатора, А:

при соединении обмоток в звезду или зигзаг

при соединении обмоток в треугольник

I Ф =I/

Фазное напряжение трехфазного трансформатора, В:

при соединении обмотки в звезду или зигзаг

U Ф =U/

,

при соединении обмотки в треугольник

здесь U-номинальное линейное напряжение соответствующей обмотки, В.

При соединении в зигзаг результирующее фазное напряжение образуется геометрическим сложением напряжений двух частей обмотки, находящихся на разных стержнях (рис.2).

Рис. 2. Схема соединения в зигзаг.

В силовых трансформаторах общего назначения обе части обмотки на каждом стержне имеют равное число витков. В этом случае фазное напряжение образуется суммой равных напряжений двух частей обмоток, сдвинутых на 60 о. Напряжение одной части обмотки фазы при этом может быть определено из формулы:

U=U Ф /

.

Общее число витков такой обмотки на одном стержне будет определяться не U Ф, как при соединении обмотки в звезду, а 2 U Ф /

, т.е. увеличится в 1,155 раза.

Для определения изоляционных промежутков между обмотками и другими токоведущими частями и заземленными деталями трансформатора существенное значение имеют испытательные напряжения, при которых проверяется электрическая прочность изоляции трансформатора. Эти испытательные напряжения определяются по табл. 7 и табл. 8 для каждой обмотки по ее классу напряжения.

Потери короткого замыкания, указанные в задании, дают возможность определить активную составляющую напряжения короткого замыкания, %:

где Р к -в Вт; S-в кВ·А.

Т а б л и ц а 7. Испытательные напряжения промышленной частоты (50 Гц) для масляных силовых трансформаторов (ГОСТ 1516.1-76)

Т а б л и ц а 8. Испытательные напряжения промышленной частоты (50Гц) для сухих силовых трансформаторов (ГОСТ 1516.1-76)

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания при заданном U k определяется по формуле

U p =

Определение основных размеров трансформатора.

Магнитная система трансформатора является основой его конструкции. Выбор основных размеров магнитной системы вместе с основными размерами обмоток определяет главные размеры активной части и всего трансформатора.

Рассмотрим двухобмоточный трансформатор с плоской магнитной системой стержневого типа со стержнями, имеющими сечение в форме симметричной ступенчатой фигуры, вписанной в окружность, и с концентрическим расположением обмоток. Магнитная система такого трехфазного трансформатора с обмотками схематически изображена на рис.3.

Рис.3. Основные размеры трансформатора

Диаметр d окружности, в которую вписано ступенчатое сечение стержня, является одним из его основных размеров. Вторым основным размером трансформатора является осевой размер L (высота) его обмоток. Обычно обе обмотки трансформатора имеют одинаковую высоту. Третьим основным размером трансформатора является средний диаметр витка двух обмоток или диаметр осевого канала между обмотками d 12 , связывающий диаметр стержня с радиальными размерами обмоток а 1 и а 2 и осевого канала между ними а 12 .

Если эти три размера выбраны или известны, то остальные размеры, определяющие форму и объем магнитной системы и обмоток, например, высота стержня L с, расстояние между осями соседних стержней С и т.д., могут быть найдены, если известны допустимые изоляционные расстояния от обмоток ВН до заземленных частей и до других обмоток (а 12 , а 22 , L o).

Два основных размера, относящихся к обмоткам d 12 и L могут быть связаны отношением средней длины окружности канала между обмотками d 12 к высоте обмотки L :

d 12 L

Величина  определяет соотношение между диаметром и высотой обмотки. Значения  может варьироваться в широких пределах и практически изменяется в масляных и сухих трансформаторах существующих серий в пределах от 1 до 3,5. При этом меньшим значением  соответствуют трансформаторы относительно узкие и высокие, большим -широкие и низкие.

Различным значениям  соответствуют и разные соотношения между массами активных материалов - стали магнитной системы и металла обмоток. Меньшим значениям  соответствует меньшая масса стали и большая масса металла обмоток. С увеличением  масса стали увеличивается, масса металла обмоток уменьшается. Таким образом, выбор  существенно влияет не только на соотношение размеров трансформатора, но и на соотношение масс активных и других материалов, следовательно, и на стоимость трансформатора.

Вместе с этим изменение  сказывается и на технических параметрах трансформатора: потерях и тока холостого хода, механической прочности и нагревотостойкости обмоток, габаритных размерах.

Формулу, связывающую диаметр стержня трансформатора с его мощностью, впервые предложил Г. Н. Петров

(1)

Величины, входящие в подкоренное выражение этой формулы, можно подразделить на три категории:

1) величины, заданные при расчете - мощность обмоток на одном стержне трансформатора S, кВ·А, частота сети , Гц, и реактивная составляющая напряжения короткого замыкания U p ,%;

2) величины, выбираемые при расчете - отношение длины окружности канала между

обмотками к высоте обмотки , максимальная индукция в стержне В с, Тл, и коэффициент заполнения активной сталью площади круга, описанного около сечение стежня К с;

3)величины, определяемые в ходе последующего расчета, - приведенная ширина канала рассеяния а р, м, и коэффициент приведения идеализированного поля рассеяния к реальному К р (коэффициент Роговского).

Таким образом, определение диаметра стержня связано с выбором некоторых исходных данных В, В с, К с и предварительным определением данных обмоток трансформатора, получаемых обычно после завершения расчета обмоток а р и к р.

1. Мощность одного стержня трансформатора, кВ·А, определяется так

где S-мощность трансформатора пор заданию;

C-число активных (несущих обмотки) стержней трансформатора.

2. Ширина приведенного канала рассеяния трансформатора

при определении диаметра стержня еще не известна. Размер а 12 канала между обмотками ВН и НН определяется как изоляционный промежуток и может быть выбран по испытательному напряжению обмотки ВН из табл. 9.

Т а б л и ц а 9. Главная изоляция. Минимальные изоляционные расстояния обмоток ВН с учетом конструктивных требований.

Мощность трансформатораS, кВ·А	U исп для ВН, кВ	ВН от ярма, мм	Между ВН и НН, мм	Между ВН и ВН, мм

Для сухих трансформаторов следует пользоваться данными, приведенными в табл. 10.

Т а б л и ц а 10. Изоляция обмоток ВН и НН сухих трансформаторов, мм.

U исп для ВН, кВ	ВН от ярма L 01	НН от ярма L 02	Между ВН и НН а 12	Между ВН и НН а 22	НН от стержня а 01

Этот промежуток, выраженный в метрах, может быть принят равным а 12= а 12 10 –3 , где а 12 , мм, -промежуток, найденный по табл.9 для масляных или по табл. 10 для трансформаторов с естественным воздушным охлаждением.

Суммарный приведенный радиальный размер обмоток ВН и НН

при определении диаметра стержня может быть приближенно найден по формуле

, (2)

где К- в зависимости от мощности трансформатора, металла обмоток, напряжения обмотки ВН и потерь короткого замыкания Р к может быть найдено по табл.11.

Т а б л и ц а 11. Значения коэффициента К в формуле (2) для масляных трехфазных двухобмоточных трансформаторов ПБВ с медными обмотками и потерями короткого замыкания по ГОСТ

Примечания к табл. 11:

1.Для обмоток из алюминиевого провода значения К, найденные из таблицы, умножить на 1,25.

2. Для сухих трансформаторов с медными обмотками мощностью 10-160 кВ·А принимать К=0,80,74; мощностью 160-1600 кВ·А класса напряжения 10 кВ-К=0,580,48.

Это первое допущение, позволяющее приближенно определить сумму радиальных размеров обмоток на стадии предварительного расчета.

Формула (2) позволяет определить (а 1+ а 2)/3 приближенно на стадии предварительного расчета, предполагая эту величину постоянной при изменении . В действительности с ростом  радиальные размеры обмоток также несколько возрастают. С учетом того, что (а 1+ а 2)/3 входит в слагаемое а р, где первое слогаемое а 12 постоянно, а также что в (1) а р умножается на коэффициент Кр, который с ростом  несколько уменьшается, предпологаемое постоянство (а 1 +а 2)/3 по существу является постоянством произведения а р к р.

Значением (а 1 +а 2)/3, найденным по (2), можно пользоваться только при определении основных размеров трансформатора. Во всех последующих расчетах следует пользоваться реальными радиальными размерами обмоток рассчитываемого трансформатора.

3. Значение  приближенно равно отношению средней длины витка двух обмоток L в трансформатора к их высоте L и определяет соотношение между шириной и высотой трансформатора.

В ряде случаев при определенном уровне потерь для наиболее часто употребляемых материалов магнитной системы и обмоток для определения оптимального значения  можно пользоваться рекомендациями табл. 12. В этой таблице приведены оптимальные значения , полученные в результате исследования масляных трансформаторов современных серий с классами напряжения ВН 6, 10 и 35 кВ, отвечающих требованиям ГОСТ 12022-76, 11920-85 и 12965-85, а также рекомендуемые значения  для современных сухих трансформаторов .

При выборе  следует учитывать, что уменьшение  при сохранении параметров короткого замыкания ведет к уменьшению массы стали магнитной системы, потерь и тока холостого хода, а также к увеличению массы металла стали, потерь и тока холостого хода, но ведет к уменьшению массы металла обмоток.

Изменение  влияет на массу не только активных, но и остальных материалов трансформатора. Вместе с увеличением  растут потери холостого хода и стоимость системы охлаждения, возрастают масса и стоимость конструктивных деталей остова, металла бака, трансформаторного масла, общая масса трансформатора. Поэтому в целях экономии всех материалов трансформатора рекомендуется при прочих равных условиях выбирать меньше из рекомендуемых значений .

а) Масляные трансформаторы

б) Сухие трансформаторы

4. Коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному полю (коэффициент Роговского) при определении основных размеров можно принять

К р  0,95.

5. Частота  подставляется из задания на расчет трансформатора.

6. Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания,%, определяется по формуле

7. Индукция в стержне В с выбирается по табл. 4. В трансформаторах относительно небольшой мощности (S25 кВА) выбирают обычно пониженную индукцию во избежание получения повышенных значений тока холостого хода. Из этих же соображений не рекомендуется выбирать индукцию выше значений, данных в табл. 4. Уменьшение индукции хотя и дает заметное снижение тока и некоторое снижение потерь холостого хода, однако приводит к увеличению массы и стоимости активных материалов-стали и металла обмоток.

8. Коэффициент заполнения активным сечением стали площади круга, описанного около сечения стержня, К с, зависит от выбора числа ступеней в сечении стержня, способа прессовки стержня, толщины листов стали и вида междулистовой изоляции. Общий коэффициент Кс равен произведению двух коэффициентов.

К с =К кр К з (3)

В свою очередь коэффициенты К кр и К з могут быть определены по табл. 2; 5; 13.

Т а б л и ц а 13. Число ступеней в сечении стержня современных трехфазных сухих трансформаторов.

Примечания:1. В коэффициенте К кр учтено наличие охлаждающих каналов в сечении стержня.

2. До диаметра стержня d=0,22 м стержень прессуется расклиниванием с обмоткой; при d>0,22 прессовка осуществляется бандажами.

После определения и выбора всех значений, входящих в (1), по этой формуле рассчитывается диаметр стержня d.

Если полученный диаметр d не соответствует нормализованной шкале диаметров (см. ранее), то следует принять ближайщий диаметр по нормализованной шкале d н и определить значение  н, соответствующее нормализованному диаметру.

При выборе  по табл. 12 определение производится по формуле

 н =(d н /d) 4 (4)

Второй основной размер трансформатора – средний диаметр канала между обмотками d 12 -может быть предварительно приближенно определен (см. рис. 3) по формуле

d 12 =d н +2а 01 +2а 1 +а 12 (5)

или d 12  ad.

Исследование данных большого числа трансформатора различных серий, в том числе старых, рассчитанных на применение горячекатанной стали, и в современных с применением холоднокатанной стали, показало, что отношение среднего диаметра витка двух обмоток d 12 к диаметру стержня трансформатора d изменяется в очень узких пределах и для любой заданной серии трансформаторов, и тем более для отдельного трансформатора, может быть принято равным постоянной величине а

Величина а зависит от мощности и класса напряжения, а также от принятого уровня потерь короткого замыкания трансформатора и металла обмоток. С уменьшением Рк растут масса металла и радиальные размеры обмоток, что приводит к некоторому увеличению а. Для алюминиевых обмоток а больше, чем для медных. Ориентировочные значения а для приближенного расчета основных размеров масляного трансформатора могут быть выбраны по табл. 14 в зависимости от мощности трансформатора, номинального напряжения обмотки ВН и принятых потерь короткого замыкания в долях нормы Рк по ГОСТ.

Т а б л и ц а 14. Ориентировочные значения а= d 12 / d для медных обмоток.

Примечание. Для обмоток из алюминия значения а, полученные из таблицы, умножить на 1,06.

Для трансформаторов с естественным воздушным охлаждением мощностью от 10 до 160 кВ·А класса напряжения 10 кВ при медных обмотках можно применять соответственно а 1,71,6; при алюминиевых а 1,81,7. Для трансформаторов мощностью 160-1600 кВ·А класса напряжения 10кВ при медных обмотках а 1,71,6; при алюминиевых а 1,81,7.

Принято выше [см (6) ] положение о постоянстве отношения двух диаметров является вторым допущением, входящим в расчет трансформатора.

При расчете d 12 по (5) радиальные размеры осевых каналов а 01 между стержнем и обмоткой НН и а 12 между обмотками НН и ВН определяются из условий электрической прочности главной изоляции трансформатора по испытательным напряжениям обмоток НН и ВН по табл. 9 и 15.

Т а б л и ц а 15. Главная изоляция. Минимальные изоляционные расстояния обмоток НН с учетом конструктивных требований.

В (5) подставляются а 12 = а 12 10 –3 и а 01 = а 01  10 –3

Радиальный размер обмотки НН а 1 может быть приближенно подсчитан по формуле

(7)

где (а 1 +а 2)/3, определяется приближенно по (2); коэффициент К 1 может быть принят 1,10 для трансформаторов мощностью 25-630 кВА с плоской магнитной системой.

Третий основной размер трансформаторов - высота обмотки, определяется по формуле

L =d 12 /. (8)

В (8) подставляется величина  н, определенная для нормализованного диаметра по (4).

После расчета основных размеров трансформатора подсчитывается активное сечение стержня, т.е., чистое сечение стали, м 2:

(9)

Электродвижущая сила одного витка, В,

U в = 4,44ƒ В с П с (10)

Определение размеров стержня и обмоток, проводимое в начале расчета, является предварительным. Задача предварительного расчета заключается в приближенном определении размеров магнитной системы и обмоток d, d 12, l и в расчете активного сечения стержня П с и ЭДС одного витка обмотки U в, что необходимо в дальнейшем для полного расчета обмоток. Сечение стержня П с в предварительном расчете определяется по коэффициенту заполнения К с без расчета размеров пакетов и при окончательном расчете магнитной системы может быть скорректировано на 0,5 – 1%. Размеры пакетов стержня и ярма могут быть также найдены по табл. 6.

В окончательном расчете магнитной системы, проводимой после полного расчета обмоток, проверки и подгонки к заданной норме параметров короткого замыкания, определяют размеры ступеней в сечении стержня и ярма и все остальные размеры магнитной системы, уточняют активные сечения стержня и ярма, а также индукцию, рассчитывают массу стали, потери и ток холостого хода.

В процессе полного расчета обмоток и окончательного расчета магнитной системы размеры и параметры, приближенно найденные в предварительном расчете, могут быть несколько изменены. Поэтому при расчете параметров короткого замыкания и холостого хода и других подсчетах, которые проводятся в конце расчета, после окончательной раскладки обмоток и определения реальных размеров магнитной системы следует пользоваться не предварительно полученными здесь значениями d, d 12, l, (а 1 +a 2) /3, а 1 , П с и В с, а размерами и параметрами, найденными для реальных обмоток и магнитной системы.

Страница 13 из 68

Магнитной системой трансформатора называют комплект пластин из электротехнической стали, собранный в определенной геометрической форме. Ее обычно разделяют на стержни и ярма.
Стержни - это часть магнитной системы, на которой располагаются основные обмотки трансформатора, а ярма соединяют стержни, замыкая магнитную цепь, и обычно не несут обмоток. Различают торцовые и боковые ярма. Ярмо, соединяющее концы двух или нескольких стержней, называют торцовым, а соединяющее оба конца одного и того же стержня - боковым (рис. 11).
Магнитные системы трансформаторов различают: по взаимному расположению стержней и ярм (торцовых и боковых), количеству стержней, способу сборки.
По взаимному расположению стержней и торцовых ярм магнитные системы могут быть плоского или пространственного исполнения. Те, в которых продольные оси всех стержней и ярм расположены в одной плоскости, называют плоскими (рис. 11), а в которых не все оси стержней или ярм в одной плоскости - пространственными (рис. 12).
По взаимному расположению стержней и боковых ярм различают стержневые, бронестержневые и броневые магнитные системы.
У стержневой системы (см. рис. 11, б, в) стержни соединяются только торцовыми ярмами (верхним и нижним) при отсутствии боковых ярм у бронестержневой системы (см. рис. 11, а) один стержень - одним боковым ярмом, у броневой системы (см. рис. 11, г) оба конца одного и того же стержня - не менее чем двумя боковыми ярмами.

Рис. 11. Плоские магнитные системы трансформаторов:
а- бронестержневая с одним стержнем, б - стержневая с двумя стержнями, в - стержневая с тремя стержнями, г - броневая; 1 - стержень, 2 - боковое ярмо, 3 - верхнее и нижнее торцовые ярма, 4 - обмотка

Рис. 12. Пространственная магнитная система:

I - элементы навитой ленточной магнитной системы, 2 - стеклобандаж, скрепляющий составной стержень, 3 - изоляционная прокладка стыка двух частей составного стержня

18. СТЕРЖНЕВЫЕ МАГНИТНЫЕ СИСТЕМЫ

Наиболее распространены плоские стержневые магнитные системы. Стержни этих систем (от одного до трех в зависимости от числа таз и конструкции трансформатора) располагают обычно вертикально (см. рис. 11,б, в). Большинство отечественных трансформаторов имеет стержни и ярма, собранные способом шихтовки; т. е. их собирают из пластин, плоскости которых только параллельны (рис. 13).

Рис. 13. Сечение стержня магнитной системы

Обмотки стержневых магнитных систем имеют цилиндрическую форму, поэтому и форму сечения стержней стремятся приблизить к кругу. Сечения стержней выполняют ступенчатыми, набирая их из пластин и пакетов различной ширины, при этом ступенчатую фигуру сечения вписывают в окружность, диаметр которой равен диаметру стержня.
Отношение площади поперечного сечения стержня к площади круга с диаметром, равным диаметру стержня, называют коэффициентом заполнения площади круга. Это очень важная величина. Чем больше этот коэффициент, тем в меньшем диаметре можно разместить заданное сечение стержня и, следовательно, меньше должны быть диаметр обмоток, масса проводов и потери короткого замыкания. При ступенчатом сечении коэффициент заполнения увеличивают за счет большего числа пакетов, что, однако, повышает трудоемкость изготовления: растет номенклатура пластин, усложняется сборка.
Для уменьшения потерь от вихревых токов пластины стали тщательно изолируют друг от друга. Существует несколько видов электроизоляционных покрытий различной толщины (от 3- 4 до 20-30 мкм). Чем тоньше изоляция, тем больше суммарная площадь селения пластин стали (активное сечение) в поперечном сечении стержня (ярма).
Отношение активного сечения стержня (ярма) к площади его поперечного сечения называют коэффициентом заполнения сечения стержня (ярма). При термостойком покрытии, принятом сейчас для большинства конструкций, коэффициент заполнения сечения стержня (ярма) достигает 0,96, т. е. лишь 4% сечения стержня составляет неактивную часть (не является сталью).
Каждая ступень сечения образуется пакетом (стопой) изолированных пластин одинаковых размеров. Между пакетами при больших диаметрах оставляют один или несколько каналов для охлаждения. У масляных трансформаторов эти каналы делают шириной 5-6 мм, у воздушных - до 20 мм.
Форма сечения торцовых ярм, как правило, повторяет сечение стержня. Исключение составляют один-два крайних пакета, ширину которых обычно увеличивают до ширины соседнего внутреннего пакета. Такое «уширение» крайних пакетов улучшает прессовку и фиксацию ярм магнитной системы.
Стержневые магнитные системы кроме шихтованной конструкции могут быть стыковые и навитые (ленточные).
К стыковым относят магнитосистемы с разъемом в плоскости поперечного сечения стержней; их стержни и ярма собирают отдельно, а затем устанавливают встык по плоскости разъема, как указано на рис. 14, а.
При наличии разъемов облегчается сборка магнитной системы (отдельные элементы устанавливают друг на друга и скрепляют стяжными шпильками) и упрощается насадка обмоток (снимают целиком верхнее торцовое ярмо).
Однако стыковые системы имеют существенные недостатки, определяемые необходимостью точной стыковки пластин ярма и стержня. Всегда возможны какие-то несовпадения, а следовательно, и замыкания пластин в месте стыка (рис. 14, б). Замыкание приводит к циркулирующим токам, а усиленный нагрев стыка может стать причиной аварии трансформатора. Для предупреждения замыкания в месте стыка устанавливают прокладку из прессованного электрокартона или другого изоляционного материала (рис. 14, в). Толщина прокладки должна быть минимальной, поскольку наличие зазора в стыке увеличивает магнитное сопротивление и ток холостого хода.



Рис. 14. Схема стыковки магнитной системы (а) с соединением элементов стержня без прокладки (б) и с изолирующей прокладкой (в):
1 - торцовые ярма, 2 - элементы стержня магнитной системы, 3 - изолирующие прокладки, 4 - пластины элементов стержня

Однако слишком тонкие прокладки ненадежны: ошибки в изготовлении пластин или их небрежная сборка, наличие заусенцев « «гребешков» (выступов пластин) могут привести (в результате вибраций) к разрушению прокладки и замыканию между пластинами.
Стыковые магнитопроводы из-за указанных недостатков почти не используются в трансформаторах, но широко применяются в электрических реакторах.
Шихтованная магнитная система отличается от стыковой тем, что ее стержни и ярма собирают из пластин, не имеющих сплошного стыка в плоскости поперечного сечения. Места стыка пластин в каждом смежном слое смещены друг относительно друга, и пластины собираются (шихтуются) в переплет: каждый стык пластин в одном слое перекрывается сплошными участками в смежных слоях. На рис. 15 видно, что лишь часть магнитного потока проходит через зазор, где сопротивление ему в сотни раз выше, чем в стали, а основная часть - по сплошному участку соседней пластины. Благодаря этому ток холостого хода снижается в несколько раз (по сравнению со стыковой конструкцией).
Сборку (шихтовку) магнитной системы производят в одну или две пластины, т. е. толщина слоя шихтовки равна толщине одной или двух пластин. Наименьший ток холостого хода получается при шихтовке в одну пластину, несколько больший - при шихтовке в две пластины. Дальнейшее увеличение толщины слоя (три и более пластин) нецелесообразно, так как растет площадь стыка и заметно повышается ток холостого хода.
Шихтовка в три пластины более производительна, чем в одну-две пластины, однако этот видимый «выигрыш» обманчив, поскольку завышенная реактивная мощность, определяемая током холостого хода за срок службы трансформатора (25 лет и более), вызовет потери, стоимость которых во много раз превышает экономию на время сборки.

Рис. 15. Схема шихтовки магнитной системы в две пластины. Штриховыми линиями показано направление магнитного потока

В шихтованной магнитной системе стык отдельных пластин ярма и стержня может иметь форму прямую, косую или комбинированную.
У прямого стыка пластины имеют прямоугольную форму (рис. 16, а), у косого - пластины срезаны в месте сочленения под углом (рис. 16,6), у комбинированного - прямые и косые стыки при шихтовке чередуются (рис. 16, г).
Холоднокатаная сталь обладает, как известно, анизотропией (имеет различные магнитные свойства вдоль и поперек прокатки). Для ее экономичного использования необходимо совпадение направлений прокатки и основного магнитного потока, что достигается везде, кроме углов магнитной системы.
При использовании прямого стыка (рис. 16, а) в углах существуют зоны несовпадения направлений прокатки стали и магнитного потока (на рисунке - заштрихованный участок), в которых потери холостого хода (Вт/кг) в 2-2,5 раза превышают потери на участках, где направления прокатки и потока совпадают.
Для уменьшения потерь в углах применяют иногда двухрамную конструкцию магнитной системы с прямым стыком (рис. 16, в). Объем углов в такой конструкции снижается вдвое по сравнению с однорамной, следовательно, в 2 раза уменьшаются и потери в углах.
Зону несовпадения потока и прокатки уменьшают, используя косой срез пластин - косой стык (рис. 16, б). Косым стыком называют место сочленения пластин ярма и стержня, срезанных под углом, близким к 45° к направлению прокатки, т. е. к продольной оси пластины.

Рис. 16. Стыки стержней:
а- прямой, б- косой, в - прямой у двухрамной магнитной системы, г - комбинированный; А - направление прокатки. Заштрихованные участки обозначают зоны несовпадения магнитного потока с направлением прокатки

Перекрытие стыков достигается взаимным смещением пластин смежных слоев по длине, в результате чего один из острых углов («ус») каждого слоя выступает над ярами (рис. 17, в). Во избежание травм при сборке острый конец «уса» обрезают.
Пластины с косым стыком могут иметь сложную конфигурацию (рис. 17, а, б), их изготовление требует специального оборудования, а сборка магнитной системы с ними более трудоемка, чем при прямом стыке, но косой стык снижает потери холостого хода на 15-25%, поэтому его широко применяют.
Несколько большие потери холостого хода получаются в магнитной системе с комбинированным стыком. Схемы шихтовки с комбинированным стыком на крайних стержнях (I положение) и прямым на среднем стержне (II положение) были показаны на рис. 16, г.
Как видно из рисунка, пластины имеют сравнительно простую форму; смежные слои при шихтовке смещать не обязательно, «усы» отсутствуют; шихтовка лишь немногим сложнее, чем с пластинами, имеющими прямой стык.
В последние годы для трансформаторов небольшой мощности начали применять навитые (ленточные) магнитные системы из «непрерывной» стальной ленты без стыков. Название они получили по способу изготовления: их навивают (наматывают) из стальных лент соответствующей ширины.



Рис. 17. Магнитная система трехфазного трансформатора с косым стыком пластин (а - над крайним стержнем, б - над средним стержнем) и схема шихтовки (в):
1, 4 - пластины крайнего и среднего стержней, 2 - верхнее ярмо, 3 - прессующее кольцо, 5 - устройство для подъема, 6 - обмотка ВН, 7 - «ус»

2 Магнитная система и ее расчет

Целью магнитных расчетов является установление количественной зависимости магнитного потока от тока возбуждения, а также определение магнитной индукции в отдельных частях машины, что необходимо для анализа свойств машины.

2.1. Устройство магнитной системы и принципы ее расчета

Магнитный поток в электрических машинах возникает из-за наличия тока в обмотках: в машинах постоянного тока и синхронных по обмоткам возбуждения проходит постоянный ток, по обмоткам якоря - переменный; в асинхронных машинах и трансформаторах по всем обмоткам проходит переменный ток. В малых машинах постоянного тока и синхронных иногда применяются постоянные магниты.

Для улучшения магнитной связи между обмотками и увеличения магнитного потока магнитная система машин выполняется из ферромагнитных материалов, обладающих хорошей магнитной проницаемостью. В большинстве случаев применяется электротехническая сталь, легированная кремнием (1 ...5,0%) и другими присадками, уменьшающими потери в переменном магнитном поле. Иногда применяется литая сталь, чугун, а иногда, в очень малых машинах, пермаллой и феррит.

Основной магнитный поток замыкается по стали (рис. 2.1) и через воздушный зазор между статором и ротором; потоки рассеяния замыкаются в междуполюсном пространстве и вокруг проводников, лежащих в пазах.

Цель расчета магнитной системы - установление связи между магнитным потоком и токами в обмотках машины. Кроме того, представляет интерес плотность магнитного потока - магнитная

индукция - в воздушном зазоре машины и других частях магнито-провода.

Основные положения расчета магнитной системы. Методы расчета базируются на уравнениях Максвелла.

Магнитный поток, пронизывающий замкнутую поверхность, всегда равен нулю:

Так как интегрирование ведется по объему конечной величины, а равенство интеграла нулю сохраняется при любом значении этого объема, подынтегральное выражение должно быть равно нулю:

Рис. 2.1. Магнитный поток в четырех-полюсной машине

Это означает, что магнитная индукция не имеет дивергенции, т. е. не имеет ни источ-

ников, ни стоков. Линии магнитной индукции всегда непрерывны и образуют замкнутые петли; они нигде не начинаются и нигде не заканчиваются. Уравнение (2.3) называется уравнением непрерывности.

Магнитная индукция в некоторой точке связана с напряженностью магнитного поля соотношением

где \л - магнитная проницаемость вещества.

Напряженность поля связана с плотностью тока выражениями:

Согласно (2.6) циркуляция вектора напряженности (интеграл по замкнутому контуру) равна полному току, проходящему через поверхность, охваченную циркуляцией. Это равенство называется законом полного тока.

Интеграл напряженности по части пути от U до / 2

где ф1 и фг - скалярные магнитные потенциалы в точках / и 2, а Fi2 - магнитное напряжение между точками 1 и 2.

Часто полный ток называют магнитодвижущей силой (МДС) или намагничивающей силой по аналогии с электродвижущей силой. Магнитные напряжения участков называются составляющими МДС.

Закон Ома магнитной цепи. При практических расчетах уравнение (2.6) принимает вид

где F = <£ НсИ=2/ - МДС; F it F 2 ,... ,F k - магнитные напряжения однородных участков магнитопровода.

Магнитная цепь машины разбивается на следующие однородные участки, для каждого из которых определяется магнитное напряжение: F e - магнитное напряжение воздушного зазора; Fzi - зубцового слоя статора; F Z i - зубцового слоя ротора; F a - сердечника ротора; F] - ярма статора; F m - сердечников электромагнитов.

С учетом (2.8)

В уравнениях машин конкретных видов отсутствуют некоторые члены правой части: в машинах постоянного тока часто нет зубцового слоя на статоре, в синхронных с явновыраженными полюсами- зубцов на роторе, а с неявновыраженными полюсами - сердечников электромагнитов, как и в асинхронных машинах. Однако эти различия несущественны и могут быть легко учтены в каждом конкретном случае.

В многополюсных машинах (см. рис. 2.1), в силу симметрии, можно подсчитать магнитное напряжение только для одного из параллельных контуров замыкания магнитного потока, т. е. определить поток, сцепленный с обмотками двух соседних полюсов (расчет на пару полюсов).

Магнитное напряжение каждого из последовательно включенных участков

где Я, - среднее значение напряженности на данном участке; /,- средняя длина магнитной линии данного участка.

Рис 2 2 Картина маг нитного поля

Формула (2 13) называется законом Ома магнитной цепи и полностью тождественна закону Ома электрической цепи Однако практическое использование этой формулы ограничено качественным рассмотрением процессов

Для количественных расчетов формула (2 13) неудобна по двум причинам 1) магнитное сопротивление стальных участков магнитопровода - переменная величина, так как магнитная проницаемость стали зависит от индукции в ней, 2) участки магнитопровода машин обычно имеют ширину, соизмеримую с длиной, что затрудняет определение расчетных значений площади поперечного сечения и средней длины магнитной линии

Первое затруднение - непостоянство \i -

решается сравнительно просто магнитные расчеты ведут, задаваясь известным значением магнитного потока, затем находят индукцию, по индукции - магнитную проницаемость, затем - напряженность магнитного поля и магнитное напряжение

То обстоятельство, что начинать расчет, задаваясь магнитным напряжением, невозможно, не вызывает сложностей на практике

Главная трудность заключается в построении картины поля, по которой определяются площадь расчетного сечения и средняя длина магнитной линии

Картина магнитного поля. Картина поля (рис 2 2)-графическое изображение магнитного поля в пространстве На ней показаны линии направления магнитной индукции и линии уровня (эквипотенциальные линии), связывающие между собой точки с одинаковым скалярным магнитным потенциалом Эти линии пересекаются между собой под прямым углом, так как в точке пересечения не может быть составляющей индукции, совпадающей с эквипотенциальной линией

Поскольку линии индукции, по определению, не могут пересекаться между собой, магнитный поток, ограниченный двумя линиями индукции, неизменен на всем их протяжении Его значение

а все пространство, в котором существует магнитное поле, оказывается разбитым на криволинейные квадраты

Построенная таким образом картина поля дает наглядное представление о магнитном поле

Сгущение магнитных линий указывает на увеличение индукции, определяемой как В ср =АФ/(Ь С р1а), подразделяя крупные квадраты на множество мелких, можно достаточно точно определить распределение индукции по любой интересующей поверхности

Абсолютное значение потока трубки, к которой приложена разность потенциалов (магнитное напряжение), определяется из условия

где /"/т=Д<р - разность потенциалов между соседними эквипотенциальными поверхностями, m - число последовательно соединенных звеньев трубки

Поток, замыкающийся через рассматриваемую поверхность,

где п - число трубок, замыкающихся через данную поверхность Если п не целое число, то в (2 20) подставляют дробное число Для более точного определения числа трубок в этом случае исходная единичная трубка разбивается на частичные трубки, сначала пополам, потом на четыре части и т д Поле частичных трубок тоже образует криволинейные квадраты, если одновременно с делением единичной трубки производить соответствующее дробление и

потенциалов, проводя линии уровня, соответствующие 0,5Дф, 0,25Дф и т. д.

Магнитное сопротивление участка можно определить по формуле

хотя чаще по картине поля определяются расчетные площадь поперечного сечения S, и средняя длина магнитной линии /,.

Обычно значение одной величины, например 5, определяется «на глаз», а второй-из формулы (2.12):

/, = /?А,.(2.22)

Таким образом, картина поля не только наглядна, но и дает исчерпывающую количественную характеристику магнитного поля.

Построение картины поля сводится к решению уравнения Лапласа

если в пространстве отсутствуют проводники с током, и к решению уравнения Пуассона

если проводники с током имеются.

Аналитические решения этих уравнений известны только для частных случаев (полуплоскости, круга, кольца и некоторых других) и обычно картина поля определяется приближенно.

Графический метод построения картины поля заключается в том, что линии индукции и уровня рисуются так, чтобы все пространство было разбито на криволинейные квадраты.

Перед построением картины поля должны быть заданы значения потенциала на границах области. Для облегчения построения придерживаются следующих правил:

начинать построение с тех мест, где направление линии индукции наиболее достоверно: рассчитано каким-то другим методом, известно из-за симметрии поля и т. д.;

начинать построение там, где ожидается большое значение индукции;

строго следить, чтобы линии индукции и уровня пересекались под прямым углом; это относится и к хорошо проводящим поток граничным поверхностям: например, сталь, ограничивающая поле в воздухе, должна приниматься за эквипотенциальную поверхность и линии индукции должны выходить из стали и входить в нее под углом 90°.

Все сказанное ранее относилось к безвихревому полю. Если в рассматриваемой области расположены проводники с током, то задача построения поля усложняется. Обычно область, занятая то-

ком, представляется в виде тонкого слоя с той же результирующей МДС. В этом случае на поверхности с токовым слоем меняется скалярный магнитный потенциал, а остальное построение такое же, как при безвихревом поле.

Построение картины поля при постоянном и переменном токах возбуждения одинаково. При переменном токе расчет обычно ведется по амплитудным значениям.

Графическое построение поля требует опыта и искусства расчетчика. Обычно погрешность рас-чета полей простых форм составляет 5... 10%. Метод конечных разностей (метод потенциаль-ной сетки) для расчета поля так же универсален, как и метод графического построения картины поля, но не требует от расчетчика большого искусства и интуиции.

На рассчитываемую область накладывается мелкая сетка с квадратными ячейками. Стороны квадратов - h, как на рис. 2.3.

Рассмотрим точку 0 с потенциалом фо. По оси х рядом с этой точкой расположены точки \R и S, а по оси у -Р и Q.

Рис. 2.3. Элемент потенциальной сетки

Потенциал соседних точек можно выразить через потенциал и соответствующие приращения

Уравнение в разностной форме должно удовлетворяться для каждой точки внутри области. Если имеется N точек, то такие уравнения для каждой из них составляют систему уравнений с N неизвестными.

Обычно задается потенциал на границе области и, таким образом, решение краевой задачи разностным методом сводится просто к решению системы линейных уравнений, правда, с огромным числом неизвестных.

Решать системы уравнений целесообразно методом итераций. Сначала задаются во всех внутренних точках сетки приближенными значениями скалярного потенциала (приближения могут быть очень грубыми) и обозначают эти значения системой № 1. Затем, используя данные системы № 1, определяют значения потенциала всех точек по формуле

и образуют новую систему № 2. Из системы № 2 образуют таким же образом систему № 3 и т. д. Процесс итерации заканчивается, когда в пределах заданной точности система N n +i совпадает с системой N n - Математически доказано, что описанный процесс будет сходящимся.

В безвихревом потенциальном поле максимальное и минимальное значения функции внутри области не могут превосходить максимального и минимального значений функции на границах области. Поэтому при расчете на ЭВМ бывает удобно принять минимальный потенциал на границе области за нулевой уровень и всем узловым точкам внутри области задать нулевые значения. Этот прием экономит время при составлении программы, а увеличение времени машинного счета, из-за необходимости проведения нескольких лишних итераций, ничтожно. Потенциальную сетку следует накладывать на исследуемую область так, чтобы возможно большая часть линий, ограничивающих область, совпадала с узловыми точками потенциальной сетки. Если совпадения точек нет, то приходится заданный на границе потенциал экстраполировать в узловые точки сетки, ближайшие к границе, и считать потенциал этих точек в процессе итерации неизменным. Чтобы уменьшить погрешность, иногда приходиться вблизи границы делать мелкую сетку или даже переходить к другой системе координат, например к системе полярных координат.

При ручном счете желательно как можно точнее определить начальное значение потенциалов внутри области, так как при сложной форме области сходимость итерационного процесса иногда бывает очень медленной.

Сначала для приближенного определения потенциалов внутри области можно, например, построить картину поля графически, методом криволинейных квадратов, а потом уточнять с помощью сетки. Часто на первом этапе применяют грубую сетку, а затем - мелкую. Имеется и ряд других приемов ускорения расчета.

На рис. 2.4 показано распределение скалярного потенциала в воздушном зазоре и пазу якоря, определенное методом потенциальной сетки.

После расчета потенциалов в магнитном поле построение картины поля не вызывает затруднений; как указывалось выше, это целесообразно сделать для наглядности и простоты определения проводимости участка.

Некоторое распространение имел в недавнем прошлом метод моделирования магнитного поля с помощью электропроводной бумаги или тонкой фольги, наклеенной на толстую бумагу. Из бумаги вырезается фигура, в масштабе повторяющая исследуемую область. Магнитный потенциал заменяется электрическим, который подводится к границам с помощью медных электродов, окаймляющих область. Распределение электрического потенциала, пропорционального магнитному, определяется с помощью вольтметра с малым потреблением тока. В настоящее время этот метод применяется очень редко, так как имеет значительно большую трудоемкость и меньшую точность, чем расчет на ЭВМ.

Имеется и ряд других, менее распространенных методов расчета магнитного поля .

Как и любое тело, сгусток элементарных частиц, предоставленный сам себе, будет двигаться прямолинейно и равномерно. Поэтому для того, чтобы удерживать его внутри ускорительного кольца, требуется постоянно воздействовать на пучок.

Удобнее всего это делать с помощью магнитного поля. Электрически заряженные частицы, пролетая сквозь область магнитного поля, поворачиваются в плоскости, перпендикулярной полю. Угол поворота зависит от силы поля и от импульса частиц. Благодаря этому можно конструировать магниты, которые будут выполнять самые разные задачи по управлению пучком: поворачивать, фокусировать или корректировать его орбиту (см. полный список магнитов для LHC).

Поворотные магниты

Поворотные магниты - это мощные электромагниты, стоящие вдоль всего ускорительного кольца и направляющие протонные пучки по узкой вакуумной трубе. Внутри трубы они создают магнитное поле перпендикулярно плоскости ускорительного кольца и с его помощью поворачивают пролетающие мимо протоны на небольшой угол.

Поворотные магниты создавались для LHC по уникальной технологии. Во-первых, из-за того, что надо поворачивать два встречных пучка протонов, пришлось делать не один, а два магнита с противоположными полярностями под единой оболочкой. Во-вторых, для того, чтобы минимизировать соединения между магнитами, их сделали очень длинными - длиной почти 15 метров. Подчеркнем, что провода наматывались вовсе не вокруг вакуумной трубы, а вдоль нее - именно так можно создать магнитное поле, перпендикулярное плоскости кольца.

Всего на LHC установлено 1232 таких магнитов. Это сверхпроводящие магниты, сделанные из низкотемпературного сверхпроводника ниобий–титан и рассчитанные на работу при температуре 1,9 К. Каждый из них может держать до 11 килоампер тока и создавать магнитное поле с индукцией 8,3 тесла - в сотню тысяч раз больше, чем магнитное поле Земли. Полная энергия, запасенная в одном магните, составляет примерно 10 МДж. Ниобий-титановые кабели состоят из множества тончайших волокон, в 10 раз тоньше человеческого волоса; полная длина всех волокон, созданных для LHC, превышает расстояние от Земли до Солнца. В течение нескольких лет на создание волокон для LHC уходило свыше четверти всего производимого в мире ниобий-титанового сплава.

К поворотным магнитам предъявляются очень строгие требования.

• Они должны создавать очень сильное магнитное поле: чем сильнее магнитное поле, чем более высокоэнергетические протоны можно удержать внутри кольца заданного радиуса. Сверхпроводящие дипольные магниты, использующиеся на LHC, создают магнитное поле вплоть до 8,2 тесла. Именно это число и определяет максимальную энергию протонов на LHC - 7 ТэВ.
• Магнитное поле должно быть очень однородным по всему сечению вакуумной трубы, иначе чуть отклонившиеся протоны уже начнут заворачиваться по слегка иному радиусу и «не впишутся» в вакуумную трубу (радиус вакуумной трубы составляет всего 5 см, а радиус кольца - 4 км!).
• Как и во всяком синхротроне, сила магнитного поля должна плавно подстраиваться под энергию протонов. Поэтому она должна быть легко управляема.
• Из-за того что используются сверхпроводящие электромагниты, необходимо принять меры безопасности, связанные с переходом из сверхпроводящего состояния в нормальное. В сверхпроводящем состоянии сильный ток циркулирует в обмотках электромагнита без затухания и не нагревает его. Однако если какой-то участок обмотки слегка нагрелся, например из-за попадания пучка протонов, то он перейдет в нормальное состояние, обретет ненулевое сопротивление, и на нём начнет выделяться тепло, которое быстро разрушит магнит.
  Чтобы этого избежать, дипольные магниты спроектированы таким образом, что, как только начинается локальное выделение тепла, сразу по всему магниту включаются «нагреватели», которые быстро переводят весь магнит целиком в нормальное состояние. В этом случае вся запасенная в магните энергия (7 мегаджоулей) выделяется не локально в магните, а сбрасывается на специальном демпфирующем резисторе и не приводит к каким-либо разрушениям. Этот процесс называется «гашением тока» (по-английски - «quench »); все магниты, установленные в LHC, проверялись на безопасное гашения тока. Авария, случившаяся на LHC 19 сентября 2008 года, при которой около 100 магнитов безопасно перешли в нормальное состояния с гашением тока, невольно послужила хорошей проверкой этой системы.

Фокусирующие магниты

Поскольку пучки состоят из положительно заряженных протонов, они стремятся разойтись в стороны из-за электрического отталкивания между протонами. Чтобы это предотвратить, пучки требуется фокусировать. Отчасти эту задачу выполняют поворотные магниты: в них поле устроено так, чтобы частицы, отклонившиеся от оптимальной траектории, возвращались к ней.

Однако перед точками столкновений очень важно сфокусировать пучки как можно лучше. Чем меньше поперечный «размер фокуса», тем больше вероятность столкновений протонов друг с другом, а значит, тем выше светимость ускорителя. Уменьшение поперечного размера пятна в 2 раза приводит к увеличению светимости в 16 раз (то есть один и тот же эксперимент можно вместо одного года провести за пару недель).

(2) резко включается и смещает пучок в канал с магнитным полем. В этом случае протонный пучок на выходе идет уже по другому пути. Он проходит через расфокусирующий магнит (3) и затем направляется в специальный зал, где он поглощается массивными блоками (4) . Рис. с сайта www.symmetrymagazine.org

Эта фокусировка пучков перед точками столкновений осуществляется «магнитными линзами» - фокусирующими квадрупольными магнитами. Эти магниты длиной свыше трех метров создают внутри вакуумной трубы перепад магнитного поля 223 тесла/метр. У квадрупольного магнита есть важное отличие от обычной оптической линзы - он может фокусировать пучок в вертикальной плоскости, дефокусируя его в горизонтальной, или наоборот. Поэтому для того, чтобы сфокусировать пучок в обоих направлениях, требуется использовать комбинацию из нескольких квадрупольных магнитов разного действия.

Магниты специального назначения

В месте инжекции протонов в кольцо LHC, а также в точке сброса пучка стоят специальные магниты - кикеры (англ. «kickers ») и септумы (англ. «septa », мн. ч. от «septum »). В ходе нормальной работы LHC эти магниты выключены, а включаются они только в тот момент, когда очередной сгусток протонов «впрыскивается» в LHC из предварительного ускорителя или когда пучок выводится из ускорителя.

Главная особенность этих магнитов в том, что они включаются очень быстро, примерно за 3 микросекунды - это намного меньше, чем время полного оборота пучка по LHC. Если, скажем, система слежения за пучком обнаружила, что он вышел из-под контроля и начинает задевать аппаратуру, то эти магниты включаются в точке 6 и быстро выводят пучок из ускорителя.

Дополнительная литература:

• Lyndon Evans, Philip Bryant. LHC Machine // Journal of Instrumentation , 3, S08001.