PL241950B1

PL241950B1 - Urządzenie do generacji rotującego pola magnetycznego wysokiej częstotliwości z filtrami elektrycznymi w układzie 2-fazowym

Info

Publication number: PL241950B1
Application number: PL435411A
Authority: PL
Inventors: Andrzej Skumiel
Original assignee: Univ Im Adama Mickiewicza W Poznaniu
Priority date: 2020-09-23
Filing date: 2020-09-23
Publication date: 2022-12-27
Also published as: PL435411A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest urządzenie do generacji rotującego pola magnetycznego wysokiej częstotliwości z filtrami elektrycznymi, mające zastosowanie w biomedycynie, w zabiegach radio- i chemioterapii w onkologii, jak i w technice do cieplnej obróbki metali poprzez indukcyjne ich nagrzewanie, gdzie rotujące pole magnetyczne wywołuje w metalach przepływ prądów wirowych, podobnie jak to się dzieje w oscylujących polach magnetycznych (piece indukcyjne). Urządzenie do generacji rotującego pola magnetycznego składa się z dwóch par cewek (4, 4') uzwojenia głównego nawiniętych na rdzeniach ferrytowych (2, 2') przylegających z jednej strony do jarzma ferrytowego (1), a z drugiej strony zakończonych nabiegunnikami (3, 3') tak ukształtowanymi, aby linie sił pola magnetycznego wychodzące z ich powierzchni skupiały się w środkowej części układu (7), przy czym cewki uzwojenia głównego wraz z dołączonymi równolegle do nich kondensatorami (5, 5') tworzą równoległe obwody rezonansowe, które poprzez szeregowe gałęzie połączonych cewek (6, 6') i kondensatorów (8, 8') są zasilane z zespołów przełączników (10, 10') wytwarzających przebiegi prostokątne, sterowane przez blok sterowania (11) i zasilane ze źródła napięcia stałego (9).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do generacji rotującego pola magnetycznego wysokiej częstotliwości z filtrami elektrycznymi, mające zastosowanie w biomedycynie, w zabiegach radio- i chemioterapii w onkologii, jak i w technice do cieplnej obróbki metali poprzez indukcyjne ich nagrzewanie, gdzie ratujące pole magnetyczne wywołuje w metalach przepływ prądów wirowych, podobnie jak to się dzieje w oscylujących polach magnetycznych (piece indukcyjne).

W niniejszym opracowaniu przedstawiono rozwiązanie oparte o zjawiska zachodzące w nanocząstkach magnetycznych zostało przedstawione w publikacjach:

R. E. Rosensweig, Heating magnetic fluid with alternating magnetic field, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 252, (2002) 370-374; Yuriy L. Raikher, Victor I. Stepanov, Theory of MagnetoInductive Hyperthermia under a rotating field, 8^th International Conference on the Scientific and Clinical Applications of Magnetic Carriers, edited by U. Hafeli, W. Schutt, M. Zborowski, © 2010 American Institute of Physics 978-0-735408661/10/$30.00, które można wykorzystać w magnetycznej hipertermii jako terapię wspomagającą radioterapię i chemioterapię używane w onkologii. Rotujące pole magnetyczne jest wytwarzane przez dwa strumienie magnetyczne przesunięte wzajemnie o 90° tworząc magnetyczny układ 2-fazowy.

W rozwiązaniu występują filtry pasmowo-przepustowe złożone z szeregowo połączonych elementów LsCs od strony wejścia i z równolegle połączonych elementów LpCp od strony jego wyjścia. Elementy te to indukcyjności cewek (Ls i Lp) i pojemności kondensatorów (Cs i Cp). Jednocześnie cewki uzwojeń głównych Lp (nawinięte na rdzeniach ferrytowych umieszczonych w torusie) oraz cewki uzwojeń szeregowych ( Ls nawinięte w rdzeniach kubkowych) nie są sprzężone ze sobą magnetycznie.

Schemat pasywnego filtru pasmowo-przepustowego złożonego z gałęzi szeregowej LsCs i z gałęzi równoległej LpCp dla jednej z faz przedstawiono na fig. 1.

Cewki uzwojeń głównych o indukcyjności własnej Lp tworzą wraz z kondensatorami o pojemności Cp obwód równoległy LpCp o częstotliwości rezonansowej prądów /□. Natomiast cewki uzwojenia szeregowego o indukcyjności własnej Ls tworzą wraz z kondensatorami o pojemności Cs obwód szeregowy LsCs o częstotliwości rezonansowej napięć /□.

Dla częstotliwości rezonansowej /□ impedancja obwodu szeregowego LsCs jest bliska zeru, natomiast impedancja obwodu równoległego LpCp jest bardzo duża. Dzięki tej dużej impedancji obwodu równoległego LpCp (przy częstotliwości rezonansowej /□) wzmacniacz mocy, który zasila taki obwód magnetyczny (filtr pasmowo-przepustowy) nie jest zbytnio obciążany, co jest jego zaletą.

Dotychczasowe układy używane w magnetycznej hipertermii wykorzystują najczęściej obwody szeregowe typu LsCs , które przy swej częstotliwości rezonansowej wykazują bardzo małą impedancję, czyli wzmacniacz mocy pracuje wtedy w niekorzystnych warunkach bliskich stanowi zwarcia.

W jednym z nielicznych rozwiązań, opisanych w literaturze przez M. Beković, M. Trelp, M. Jesenik, A. Hamler, A Comparision of the heating effect of magnetic fluid between the alternating and rotating magnetic field, Journal of Magnetsim and Magnetic Materials, 355 (2014); zastosowano selektywny układ równolegle połączonych elementów LpCp jednakże system ten wymaga użycia dwóch wzmacniaczy mocy, które muszą dostarczać przebiegi sinusoidalne. W rozwiązaniu dodatkowo wykorzystano elementy ferrytowe (jarzmo w kształcie torusa, rdzeń ferrytowy i ferrytowy nabiegunnik) znacznie skracające drogę strumienia magnetycznego w powietrzu, a tym samym zwiększające natężenie pola magnetycznego. Ponadto selektywne właściwości filtru pasmowoprzepustowego - przedstawione na fig. 1 - pozwalają na jego wyjściu uzyskać sygnał o przebiegu sinusoidalnym pomimo, że do jego wejścia doprowadzi się sygnał o przebiegu prostokątnym o tej samej częstotliwości /□.

Istotą wynalazku jest urządzenie do generacji rotującego pola magnetycznego, które składa się z dwóch par cewek uzwojenia głównego nawiniętych na rdzeniach ferrytowych przylegających z jednej strony do jarzma ferrytowego, a z drugiej strony zakończonych nabiegunnikami tak ukształtowanymi, aby linie sił pola magnetycznego wychodzące z ich powierzchni skupiały się w środkowej części układu, przy czym cewki uzwojenia głównego wraz z dołączonymi równolegle do nich kondensatorami tworzą równoległe obwody rezonansowe, które poprzez szeregowe gałęzie połączonych cewek i kondensatorów są zasilane z zespołów przełączników wytwarzających przebiegi prostokątne, sterowane przez blok sterowania i zasilane ze źródła napięcia stałego.

Korzystnym jest, gdy indukcyjności cewek uzwojeń głównych oraz połączone z nimi równole gle pojemności kondensatorów różnią się do 2%.

PL 241 950 B1

Korzystnym jest również, gdy indukcyjności uzwojeń cewek 6 i 6' oraz połączone z nimi szeregowo pojemności kondensatorów różnią się do 2% oraz gdy indukcyjności cewek obwodów szeregowych oraz cewki uzwojenia głównego nie są ze sobą sprzężone magnetycznie.

Ponadto korzystnym jest, gdy sygnały sterujące wychodzące z bloku sterowania posiadają wzajemnie przesunięte fazy o 90°.

Dzięki zastosowania rozwiązania według wynalazku uzyskano następujące efekty technicznoużytkowe:

- układ może być zasilany zarówno sygnałem sinusoidalnym jak i prostokątnym,

- niski koszt układu generującego prostokątny przebieg sygnału w porównaniu z ceną liniowego, szerokopasmowego wzmacniacza mocy, który może generować zarówno przebieg sinusoidalny jak i prostokątny.

Przykładowo koszt dwóch takich szerokopasmowych wzmacniaczy o łącznej mocy 1 kW sięga około 14000 USD, podczas, gdy cena trzech modułów półprzewodnikowych z tranzystorami IGTB, które generują prostokątne przebiegi wynosi około 200 USD,

- urządzenie do generacji rotującego pola magnetycznego wysokiej częstotliwości może mieć zastosowanie w biomedycynie, w zabiegach radio- i chemioterapii w onkologii, jak i w technice do cieplnej obróbki metali poprzez indukcyjne ich nagrzewanie, gdzie rotujące pole magnetyczne wywołuje w metalach przepływ prądów wirowych, podobnie jak to się dzieje w oscylujących polach magnetycznych (piece indukcyjne).

Wynalazek w przykładowym, ale nie ograniczającym wykonanie został zilustrowany na rysunkach, gdzie fig. 1 przedstawia schemat układu filtru pasmowoprzepustowego, fig. 2 przedstawia schemat blokowy urządzenia generującego rotujące pole magnetyczne wysokiej częstotliwości z dwoma obwodami filtrów pasmowo przepustowych, fig. 3 przedstawia czasowe przebiegi sygnałów sterujących zespołem przełączników w obwodzie A, B. Kolejne sygnały są wzajemnie przesunięte o 90°.

Urządzenie do generacji rotującego pola magnetycznego, składa się z dwóch par cewek 4, 4' uzwojenia głównego nawiniętych na rdzeniach ferrytowych 2, 2' przylegających z jednej strony do jarzma ferrytowego 1, a z drugiej strony zakończonych nabiegunnikami 3, 3' tak ukształtowanymi, aby linie sił pola magnetycznego wychodzące z ich powierzchni skupiały się w środkowej części układu 7, przy czym cewki uzwojenia głównego wraz z dołączonymi równolegle do nich kondensatorami 5, 5' tworzą równoległe obwody rezonansowe, które poprzez szeregowe gałęzie połączonych cewek 6, 6' i kondensatorów 8, 8' są zasilane z zespołów przełączników 10, 10' wytwarzających przebiegi prostokątne, sterowane przez blok sterowania 11 i zasilane ze źródła napięcia stałego 9. Indukcyjności cewek uzwojeń głównych 4, 4' oraz połączone z nimi równolegle pojemności kondensatorów 5 i 5' różnią się do 2%. Indukcyjności uzwojeń cewek 6 i 6' oraz połączone z nimi szeregowo pojemności kondensatorów 8 i 8' różnią się do 2%. Indukcyjności cewek 6 i 6' obwodów szeregowych oraz cewki uzwojenia głównego 4 i 4' nie są ze sobą sprzężone magnetycznie. Sygnały sterujące A i B wychodzące z bloku sterowania 11 posiadają wzajemnie przesunięte fazy o 90°.

Układ jest zasilany sygnałami o tej samej częstotliwości i amplitudzie, ale ich napięcia mają różne, wzajemne przesunięcie fazowe. Wzajemne przesunięcia fazowe między dwoma kolejnymi sygnałami wynosi 90°.

Schematy blokowy układu przedstawiono na fig. 2. W urządzeniu generowane są prostokątne przebiegi sygnałowe wytwarzane przez blok sterowania 11 zespołami przełączników 10, które kluczują prądy ze źródła napięcia stałego 9.

Z kolei na fig. 3 przedstawiono czasowe przebiegi sygnałów sterujących dla układu z dwoma obwodami filtrów pasmowo przepustowych.

Prostokątne przebiegi napięć o częstotliwości fo występujące na wejściu każdej z szeregowych gałęzi filtrów 8, 6. Dzięki ich selektywnym własnościom stanowią zaporę dla wyższych składowych sygnału i w rezultacie na gałęziach równoległych 4, 5 pojawiają się sinusoidalne przebiegi napięcia o częstotliwości podstawowej.

W przypadku odpowiedniego dobrania częstotliwości sygnałów do częstotliwości rezonansowej filtru prądy w obu gałęziach równoległych płynące przez uzwojenia główne 4 i płynące przez kondensatory 5 mają równe amplitudy, ale płyną w przeciwnych kierunkach (wzajemne przesunięcie o 180°). Oznacza to, że w idealnym przypadku (przy braku stratności) taki obwód równoległy LpCp nie pobiera prądu z gałęzi szeregowej, pomimo, że w każdej z równoległych gałęzi wartości prądów mogą mieć znaczne wartości w zależności od wartości napięcia ze źródła stałego 9 i od reaktancji cewek Lp i kondensatorów Cp. W warunkach rezonansu obie reaktancje są sobie równe: Xl = Xc. Prąd Il płynący przez

PL 241 950 Β1 n zwojów uzwojenia głównego wytwarza siłę magnetomotoryczną Θ = II-n, która spełnia równanie pozwalające wyznaczyć strumień magnetyczny Φ zależny od wypadkowej reluktancji R_m każdego z obwodów. Strumień magnetyczny Φ przepływa kolejno przez ferrytowy rdzeń 2, przez jarzmo ferrytowe 1 w kształcie torusa, przez ferrytowy nabiegunnik 3 i przez obszar przestrzeni powietrznej 7. Ponieważ elementy ferrytowe wykazują bardzo wysoką wartość współczynnika względnej przenikalności magnetycznej (μ_Γ — 2000) w stosunku do wartości w powietrzu (μ_Γ powietrza = 1) przeto wypadkowa wartość reluktancji całego obwodu magnetycznego jest w przybliżeniu równa R_m = Ιρ/μο Sp, gdzie /p-jest długością drogi strumienia magnetycznego w powietrzu,

Sp - powierzchnią przekroju obszaru powietrznego i μο = 4π 10-⁷ Vs/Am - to przenikalność magnetyczna próżni.

Biorąc pod uwagę prawo Ohma dla obwodów magnetycznych można zapisać równanie φ = B S_p = μ_ΰΗ_ρ5_ρ = — = , ip z którego ostatecznie wynika, że natężenie pola magnetycznego w przestrzeni z ratującym polem 7 wynosi:

Oszacowanie uzyskanej w urządzeniu wartości amplitudy natężenia pola magnetycznego dla typowych warunków (Jl = 20 A, n = 50 i lp = 5 cm) daje wartość Hp — 20 kA/m, co dla większości zastosowań pól magnetycznych wysokiej częstotliwości w magnetycznej hipertermii spełnia oczekiwania.

Claims

1. Urządzenie do generacji ratującego pola magnetycznego, znamienne tym, że składa się z dwóch par cewek (4, 4') uzwojenia głównego nawiniętych na rdzeniach ferrytowych (2, 2') przylegających z jednej strony do jarzma ferrytowego (1), a z drugiej strony zakończonych nabiegunnikami (3, 3') tak ukształtowanymi, aby linie sił pola magnetycznego wychodzące z ich powierzchni skupiały się w środkowej części układu (7), przy czym cewki uzwojenia głównego wraz z dołączonymi równolegle do nich kondensatorami (5, 5') tworzą równoległe obwody rezonansowe, które poprzez szeregowe gałęzie połączonych cewek (6, 6') i kondensatorów (8, 8') są zasilane z zespołów przełączników (10, 10') wytwarzających przebiegi prostokątne, sterowane przez blok sterowania (11) i zasilane ze źródła napięcia stałego (9).

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że indukcyjności cewek uzwojeń głównych (4, 4') oraz połączone z nimi równolegle pojemności kondensatorów (5 i 5') różnią się do 2%.

3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że indukcyjności uzwojeń cewek (6 i 6') oraz połączone z nimi szeregowo pojemności kondensatorów (8 i 8') różnią się do 2%.

4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że indukcyjności cewek (6 i 6') obwodów szeregowych oraz cewki uzwojenia głównego (4 i 4') nie są ze sobą sprzężone magnetycznie.

5. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sygnały sterujące A i B wychodzące z bloku sterowania (11) posiadają wzajemnie przesunięte fazy o 90°.