PL244907B1

PL244907B1 - Dwufazowe urządzenie do generacji rotującego pola magnetycznego wysokiej częstotliwości z zamkniętym obwodem magnetycznym i z transformatorami ferrytowymi

Info

Publication number: PL244907B1
Application number: PL438161A
Authority: PL
Inventors: Andrzej Skumiel
Original assignee: Univ Im Adama Mickiewicza W Poznaniu
Priority date: 2021-06-15
Filing date: 2021-06-15
Publication date: 2024-03-25
Also published as: PL438161A1

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest dwufazowe urządzenie generujące rotujące pole magnetyczne, wysokiej częstotliwości z zamkniętym obwodem magnetycznym i z transformatorami ferrytowymi. Urządzenie do generowania charakteryzuje się tym, że zawiera dwie pary cewek (1, 1') nawiniętych na rdzeniach ferrytowych (2) przylegających z jednej strony do jarzma ferrytowego (3), a z drugiej strony zakończonych nabiegunnikami (4) tak ukształtowanymi, aby linie sił pola magnetycznego skupiały się w środkowej części układu (5).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest dwufazowe urządzenie generujące rotujące pole magnetyczne, wysokiej częstotliwości z zamkniętym obwodem magnetycznym i z transformatorami ferrytowymi.

Niniejszy wynalazek może być wykorzystany w tzw. magnetycznej hipertermii w onkologii, jako terapia wspomagająca dotychczasowe metody zwalczania komórek nowotworowych [1] S. Dutz, R. Hergt, Magnetic particie hyperthermia - a promising tumor therapy, Nanotechnology, 25 (2014) 452001. Dodatkowo na jego podstawie można zbudować aparaturę naukową do badań efektu kolorymetrycznego z udziałem nanocząstek magnetycznych.

W obu przypadkach mamy do czynienia z przekazywaniem energii szybkozmiennego pola magnetycznego do nanocząstek magnetycznych, w których ta energia zamieniana jest na ciepło [2] R. E. Rosensweig, Heating magnetic fluid with alternating magnetic field, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 252, (2002) 370-374. Ze względu na małe rozmiary nanocząstek rzędu 10:20 nm (najczęściej są to nanocząstki magnetytowe Fe304) dominującym mechanizmem wydzielanej energii cieplnej jest relaksacja magnetyczna.

Jak do tej pory w celu wywołania tego efektu stosowano najczęściej jednoosiowe, zmienne pole magnetyczne wysokiej częstotliwości. Jak jednak wskazują teorie i nieliczne eksperymenty wydajność cieplna przy użyciu rotującego pola jest około dwukrotnie większa, co pozwala w medycznych zabiegach wprowadzić do organizmu znacznie mniej nanocząstek, w celu wywołania takiego samego efektu nagrzewania.

W przypadku rotującego pole magnetycznego (w liniowym zakresie natężenia pola magnetycznego) wydzielona moc cieplna jest proporcjonalna zarówno do kwadratu częstotliwości jak i do kwadratu amplitudy natężenia pola magnetycznego P <x (f -H)², [3] Yuriy L. Raikher, Victor I. Stepanov, Theory of Magneto-Inductive andHyperthermia under a rotating field, 8^th International Conference on the Scientific and Clinical Applications of Magnetic Carriers, edited by U. Hafeli, E. Schutt, M. Zborowski, © 2010 American Institute of Physics 978-0-7354-08661/10/$30.00.

Znane są rozwiązania PL 237437 B1 i P.435411, które charakteryzują się dwufazowym układem cewek z otwartym obwodem magnetycznym lub z zamkniętym obwodem i z szeregową gałęzią indukcyjności cewki Ls i pojemności kondensatora elektrycznego Cs. Oba te układy zasilane były prostokątnym przebiegiem napięciowym. Spotykane w ostatnim czasie w literaturze podobne rozwiązania z dwufazowym układem cewek nie zawierają jednak elementów ferrytowych i transformatora ferrytowego, [4] M. Beković, M. Trelp, M. Jesenik, A. Hamler, A comparision of the heating effect of magnetic fluid between the alternating androtating magnetic field, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 355, (2014), [5] M. Beković, M. Trbusić, M. Trelp, M. Jesenik, A. Hamler, Magnetic fluids heating Power expose to a high-freguency rotating magnetic field, Advances In Materials Science and Engineering, 2018, Vol. Art. 6143697, 7 pages.

Istotą wynalazku jest urządzenie do generowania rotującego pola magnetycznego wysokiej częstotliwości charakteryzujące się tym, że zawiera dwie pary cewek nawiniętych na rdzeniach ferrytowych przylegających z jednej strony do jarzma ferrytowego, a z drugiej strony zakończonych nabiegunnikami tak ukształtowanymi, aby linie sił pola magnetycznego skupiały się w środkowej części układu, przy czym cewki uzwojenia głównego mają równe indukcyjności i są połączone równolegle z kondensatorami o równych pojemnościach z dokładnością ±1%, a utworzone obwody są zasilane poprzez transformatory z szerokopasmowych wzmacniaczy mocy, których wejścia połączone są z wyjściami A i B, 2-kanałowego generatora dwóch sinusoidalnych przebiegów o wzajemnie przesuniętych fazach o 1,57 radiana.

Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku uzyskano następujące efekty technicznoużytkowe:

• użycie torusa i 4 ferrytowych rdzeni oznacza, że uzyskane rotujące pole magnetyczne ma większą amplitudę niż w przypadku zastosowania tylko samych cewek powietrznych, • dzięki zastosowaniu ferrytowych elementów pole magnetyczne zlokalizowane jest we wnętrzu torusa, a nie jest rozpraszane na zewnątrz (brak zakłóceń), • zastosowanie transformatorów z rdzeniami ferrytowymi pozwala dopasować napięcie po stronie wtórnej, a zatem uzyskać pożądaną wartość natężenia pola magnetycznego w użytkowej części torusa, • użycie liniowych wzmacniaczy mocy zapewnia otrzymanie sinusoidalnych przebiegów strumieni magnetycznych i można wtedy zrezygnować z szeregowych filtrów pasmowo przepustowych.

PL 244907 Β1

Na figurze 1 przedstawiono obwód magnetyczny, na figurze 2 pokazano czasowe przebiegi napięciowe A i B występujące na cewkach magnesujących.

Obwód magnetyczny składa się z cewek 1,1' nawiniętych na rdzeniach ferrytowych 2 przylegających z jednej strony do jarzma ferrytowego 3, a z drugiej strony zakończone są nabiegunnikami 4. Każda z cewek połączona jest równolegle z kondensatorem elektrycznym 6 i 6' i zasilana jest z dwóch wzmacniaczy mocy 8 i 8' poprzez transformatory ferrytowe 7,7' podwyższających napięcie. Wzmacniacze mocy są sterowane dwoma sygnałami sinusoidalnymi z wzajemnie przesuniętymi fazami o 90° z generatora sygnałowego 9. W efekcie prądy płynące przez cewki magnesujące wytwarzają w środkowej części układu magnetycznego 5 strumienie o wzajemnie przesuniętych fazach, a ich superpozycja tworzy ratujące pole magnetyczne.

Na figurze 2 pokazano czasowe przebiegi napięciowe A i B występujące na cewkach magnesujących 1,1' przesunięte wzajemnie o kąt fazowy π/2:

U_A(t) - sin(ot) i U_B(t) = sin(cot- π/2).

W przypadku równych amplitud obu przebiegów napięciowych i przy zachowaniu równych reaktancji cewek magnesujących 1,1' strumienie magnetyczne obu faz tak e będą równe co jest korzystne, gdy ratujące pole magnetyczne będzie miało stałą amplitudę w całym okresie obrotu pola.

W niniejszym opisie wynalazku zarówno jarzmo 3 w kształcie torusa, jak i rdzenie ferrytowe 2, na których nawinięto uzwojenia cewek (Ł_p) magnesujących 1,1' skracają drogę strumienia w powietrzu co pozwala zmniejszyć reluktancję magnetyczną a zwiększyć natężenie pola magnetycznego.

Cewki uzwojeń głównych 1,1' są połączone równolegle z kondensatorami elektrycznymi (C_p) 6,6' co powoduje, ze impedancja takiego obwodu jest bardzo duża przy częstotliwości rezonansowej. Koniecznym warunkiem generacji ratującego pola jest jednak identyczność obu częstotliwości rezonansowych obwodów równoległych (L_PC_P) i przesunięcie fazowe między strumieniami magnetycznymi o 90 stopni kątowych. Wówczas wektor natężenia pola magnetycznego zatacza okrąg, co jest najkorzystniejszą sytuacją.

Zasilanie obu obwodów magnetycznych odbywa się poprzez transformatory 7,7' z rdzeniami ferrytowymi 2 podłączonymi do wyjść wzmacniaczy mocy 8,8'.Dzięki temu dobierając przekładnię napięciową zmienia się wartość amplitudy natężenia pola magnetycznego w obszarze przestrzeni z ratującym polem magnetycznym.

Wzmacniacze mocy 8,8' są sterowane z dwukanałowego generatora sygnałowego 9 przebiegami sinusoidalnymi, które są wzajemnie przesunięte o kąt fazowy 90°, jak pokazano na figurze 2. Dodatkowo dwukanałowy generator sygnałowy 9 wytwarza dwa przebiegi sterujące wzmacniaczami mocy (8,8') o równych amplitudach, lecz ich częstotliwość musi być równa częstotliwości rezonansowej obu obwodów L_PC_P. Indukcyjność L_p (zawarta w każdej z gałęzi A i B) nawinięta jest na dwóch rdzeniach ferrytowych 2 i zawiera w sobie obie indukcyjności własną i wzajemną. Określają one indukcyjność wypadkową L_p, która wraz z pojemnością elektryczną C_p bezpośrednio wpływa na częstotliwość rezonansową. Zarówno wartości indukcyjności cewek, jak i pojemności kondensatorów elektrycznych 6,6' są dobrane, tak aby rezonanse prądowe w obu obwodach występowały przy tej samej częstotliwości, z dokładnością lepszą niż ±1%.

Claims

1. Urządzenie do generowania ratującego pola magnetycznego wysokiej częstotliwości, znamienne tym, że zawiera dwie pary cewek (1,1') nawiniętych na rdzeniach ferrytowych (2) przylegających z jednej strony do jarzma ferrytowego (3), a z drugiej strony zakończonych nabiegunnikami (4) tak ukształtowanymi, aby linie sił pola magnetycznego skupiały się w środkowej części układu (5), przy czym cewki uzwojenia głównego (1,1') mają równe indukcyjności i są dołączone równolegle do kondensatorów elektrycznych (6,6') o równych pojemnościach z dokładnością ±1%, a utworzone obwody są zasilane poprzez transformatory (7,7') z szerokopasmowych wzmacniaczy mocy (8,8'), których wejścia połączone są z wyjściami A i B, 2-kanałowego generatora (9) dwóch sinusoidalnych przebiegów o wzajemnie przesuniętych fazach o 1,57 radiana.