PL246814B1

PL246814B1 - Urządzenie generujące rotujące pole magnetyczne w układzie 3-fazowym z cewkami Gramme na torusie ferrytowym

Info

Publication number: PL246814B1
Application number: PL443015A
Authority: PL
Inventors: Andrzej Skumiel
Original assignee: Univ Im Adama Mickiewicza W Poznaniu
Priority date: 2022-12-01
Filing date: 2022-12-01
Publication date: 2025-03-10
Also published as: PL443015A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest urządzenie do generacji rotującego pola magnetycznego w układzie 3-fazowym z cewkami Gramme na torusie ferrytowym przeciwsobnie nawiniętymi na rdzeniu ferrytowym w kształcie torusa, mające zastosowanie w onkologii jako wspomagająca terapia przy radio- lub chemioterapii. Urządzenie do generacji rotującego pola magnetycznego składa się z trzech par cewek (2, 2', 2") nawiniętych na pierścieniowym rdzeniu ferrytowym (1), przy czym linie sił pola magnetycznego generowane przez cewki każdej pary są wzajemnie przeciwnie skierowane, w wyniku czego ich strumienie sumują się i płyną przez środkową, powietrzną część torusa (7).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do generacji rotującego pola magnetycznego w układzie 3-fazowym z cewkami Gramme na torusie ferrytowym przeciwsobnie nawiniętymi na rdzeniu ferrytowym w kształcie torusa, mające zastosowanie w onkologii jako wspomagająca terapia przy radio- lub chemioterapii.

Sposób niezgodnego nawinięcia cewek na rdzeniu podał Gramme, Thompson, Sylvanus P. Dynamo-electric machinery: a manual for students of electrotechnics. London: E. & F.N. Spon. p. 140, (1888) już w drugiej połowie XIX wieku przy konstrukcji maszyn elektrycznych.

Ze względu na opracowanie sprawniejszych wkrótce rozwiązań cewki Gramme nie znalazły jednak szerszych zastosowań przy budowie prądnic i silników. Obecnie mogą jednak zostać wykorzystane do konstrukcji generatorów rotującego pola magnetycznego wysokiej częstotliwości.

Jak wynika z prac teoretycznych Yu. L. Raikher, V. I. Stepanov, Power losses in a suspension of magnetic dipoles under arotating field, PHYSICAL REVIEW E83, 021401 (2011), a także z kilku ostatnio opublikowanych prac doświadczalnych M. Beković, M. Trlep, J. Mesenik, A. Hamler, A comparison of the heating effect of magnetic fluid between the alternating androtating magnetic field, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, (2014), 355, 7-12, A. Skumiel, A new way to generate a rotating magnetic field in the high freguency range , Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 541 (2022) 168529. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2021.168529. R. Wojciechowski, A. Skumiel, M. Kurzawa, A. Demenko, Design, application and Investigation of the system for generation of fast changing, rotating magnetic field causing hyperthermic effect in magnetic liquids , Measurement 194 (2022), 111020, DOI:10.1016/j.measurement.2022.111029 oraz A. Skumiel, Generation of a rotating high frequency magnetic field designed for use in magnetic hyperthermia, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 553, 2022, efekt kalorymetryczny z udziałem nanocząstek magnetycznych umieszczonych w rotującym polu magnetycznym wykazuje znacznie silniejsze działanie cieplne niż w 1-osiowym oscylującym polu. Zaleta ta może zostać wykorzystana w zabiegach magnetycznej hipertermii przy zwalczaniu komórek nowotworowych. Okazuje się bowiem, że komórki onkologiczne mają mniejszą odporność na przegrzanie niż zdrowe, co jest wykorzystywane do ich niszczenia przez podgrzanie polem magnetycznym wysokiej częstotliwości. W praktyce w zabiegach leczniczych stosuje się najczęściej częstotliwość w zakresie od 100 kHz do 1 MHz i o amplitudzie natężenia pola magnetycznego kilku kA/m zgodnie z kryterium Brezovicha Brezovich, I.A. Low Frequency Hyperthermia: Capacitive and Ferromagnetic Thermoseed Methods. Med. Phys. Monogr. 1988, 16, 82-110.

Pole magnetyczne wysokiej częstotliwości działając na nanocząstki umieszczone w okolicy guza uwalnia ciepło powodując wzrost temperatury do około 42-44°C.

Istotą wynalazku jest urządzenie do generacji rotującego pola magnetycznego, które składa się z kondensatorów równolegle dołączonych do trzech par cewek nawiniętych na pierścieniowym rdzeniu ferrytowym przy czym linie sił pola magnetycznego generowane przez cewki każdej pary są wzajemnie przeciwnie skierowane, w wyniku czego ich strumienie sumują się i płyną przez środkową, powietrzną część torusa, a dodatkowo do tych obwodów równoległych dołączone są szeregowo połączone cewki z kondensatorami, które zasilane są z zespołów przełączników wytwarzających przebiegi prostokątne, sterowane sygnałami z bloku sterowania i zasilane ze źródła napięcia stałego.

Korzystnym jest, gdy cewki z dołączonymi do nich równolegle kondensatorami oraz cewki połączone szeregowo z kondensatorami różnią się do 1%.

Korzystnym jest również, gdy prostokątne sygnały sterujące A, B i C wychodzące z bloku sterowania posiadają przesunięte wzajemnie fazy o 120°.

Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku uzyskano następujące efekty techniczno -użytkowe:

- możliwość zastosowania urządzenia w zabiegach magnetycznej hipertermii,

- uproszczona konfiguracja obwodu magnetycznego zbudowanego na zamkniętym pierścieniu ferrytowym,

- niższe koszty i niezawodność działania urządzenia,

- dobre parametry rotującego pola magnetycznego,

- większe o 50% natężenie pola magnetycznego, niż w układzie 1-fazowym.

Wynalazek w przykładowym ale nie ograniczającym wykonaniu został zilustrowany na rysunkach, gdzie fig. 1 przedstawia schemat blokowy działania urządzenia do generacji rotującego pola magnetycznego z trzema parami cewek (2, 2’, 2”) nawiniętych na rdzeniu pierścieniowym (1) w kierunkach

PL 246814 Β1 przeciwnych, połączonych równolegle z kondensatorami (3, 3’, 3”) wraz z obwodami dostarczającymi do nich trzech sinusoidalnych przebiegów napięciowych o wzajemnie przesuniętych fazach o 120°. W proponowanym rozwiązaniu przebiegi sinusoidalne uzyskano z układu elektronicznego zasilanego ze źródła napięciowego (9) prądu stałego (DC) skąd poprzez przełączniki (6, 6’, 6”) sygnały prostokątne są filtrowane przez szeregowe połączenie cewek (4, 4’, 4”) i kondensatorów (5, 5’, 5”). Kondensatory (3, 3’, 3”) połączone równolegle do układu magnetycznego poprawiają selektywność i zmniejszają pobór prądu przez układ równoległy.

Fig. 2 przedstawia poglądowe usytuowanie jednej z par cewek oraz strumienie magnetyczne wytworzone przez cewki tej pary płynące w rdzeniu, które dodają się i dalej płyną przez obszar środkowy rdzenia ferrytowego (w powietrzu).

Fig. 3a ilustruje czasowo-fazowe sygnały chwilowe prądów magnesujących, które zasilają poszczególne pary cewek.

Fig. 3b przedstawia położenie w przestrzeni strumienia Φα wraz z pozostałymi strumieniami φε i φc oraz z ich składowymi rzutowanymi na kierunek strumienia Φα.

Strumień Φα dla kąta fazowego równego 90° jest 2-krotnie większy, niż każdy z pozostałych strumieni φε i φο. Oznacza to, że strumień magnetyczny Φα wytworzony przez cewki obwodu A i składowe φε i φc strumieni obwodów B i C tworzą wypadkową wartość strumienia ratującego pola, która jest 1,5-krotnie większa niż sam strumień Φα.

W tym przypadku wszystkie wektory należy sumować geometrycznie.

Zachodzi tutaj dość dobra zgodność zarówno przewidywań teoretycznych, jak i z wynikami eksperymentalnymi, gdy porównamy działanie RMF z AMF.

Fig. 4 przedstawia prostokątne przebiegi uzyskane na wejściu szeregowej gałęzi złożonej z cewek (4, 4’, 4”) i kondensatorów (5, 5’, 5”).

Urządzenie do generacji ratującego pola magnetycznego, składa się z trzech par cewek 2, 2’, 2” nawiniętych na pierścieniowym rdzeniu ferrytowym 1, przy czym linie sił pola magnetycznego generowane przez cewki każdej pary są wzajemnie przeciwnie skierowane, w wyniku czego ich strumienie sumują się i przebiegają również przez środkową, powietrzną część torusa 7. Cewki 2, 2’, 2” wraz z dołączonymi do nich kondensatorami 3, 3’, 3” tworzą równoległe obwody rezonansowe, które poprzez szeregowe gałęzie połączonych cewek 4, 4’, 4” i kondensatorów 5, 5’, 5” są zasilane poprzez zespoły przełączników 6, 6’, 6” wytwarzających przebiegi prostokątne, sterowane z bloku sterowania 8 i zasilane ze źródła napięcia stałego 9. Indukcyjności cewek 2, 2’, 2” oraz połączone z nimi równolegle pojemności kondensatorów 3, 3’, 3” różnią się do 1%, podobnie jak indukcyjności cewek 4, 4’, 4” oraz połączone z nimi szeregowo pojemności kondensatorów (5, 5’, 5”) różnią się do 1%. Indukcyjności cewek 4, 4’, 4” obwodów szeregowych nie są ze sobą sprzężone magnetycznie. Sygnały sterujące A, B i C wychodzące z bloku sterowania 8 posiadają przesunięte wzajemnie fazy o 120°.

Działanie urządzenia do generacji ratującego pola magnetycznego wysokiej częstotliwości jest przedstawione na Fig. 1. W urządzeniu tym zastosowano trzy pary cewek magnetycznych obwodów A, B i C nawiniętych w naprzeciwległych częściach łuku pierścienia ferrytowego 1. Każda z par cewek 2, 2’ i 2” posiada identyczną liczbę zwojów n, a strumienie magnetyczne każdej pary płynące przez rdzeń są skierowane w przeciwnych kierunkach. Wszystkie cewki wykazują taką samą indukcyjność własną L.

Dzięki przeciwsobnemu nawinięciu cewek na rdzeniu ferrytowym wypadkowa indukcyjność każdej pary wynosi

U=2(£-M), gdzie M = k L, jest indukcyjnością wzajemną między dwiema cewkami każdej pary, a parametr k jest współczynnikiem sprzężenia magnetycznego przeciwległych cewek.

Rotujące pole magnetyczne jest wytwarzane w środkowym obszarze 7 torusa ferromagnetycznego.

Na Fig. 2 przedstawiono poglądowo usytuowanie jednej z par cewek, które połączono szeregowo, a ich wypadkowy strumień płynie przez część środkową rdzenia (7).

Jeśli wyobrazimy sobie, że na tym samym rdzeniu nawinięte są dwie pozostałe pary cewek odpowiednio przesunięte w przestrzeni oraz, że przepływają przez nie prądy sinusoidalne z wzajemnie przesuniętymi fazami, to w efekcie w tym obszarze powstanie rotujące pole magnetyczne będące superpozycją trzech składowych strumieni.

PL 246814 Β1

W przypadku zastosowania trzech par cewek należy wymusić w nich przepływy prądów, których czasowo-fazowe przebiegi są zobrazowane na Fig. 3a.

Oznacza to, że przesunięcie fazy między sygnałami wynosi 120 stopni kątowych. Chwilowe wartości prądów magnesujących w poszczególnych parach cewek opisane są wzorem:

ί^ζί) — sin(wt), i_B(t) = ΞΪη(ωί ±120°) i i_c(t) = Ξίιι(ωί ±240$)

W proponowanym rozwiązaniu zastosowano dodatkowo trzy kondensatory 3, 3’ i 3” połączone równolegle z cewkami 2, 2’ i 2” nawiniętymi na rdzeniu. Wówczas obwody złożone z równolegle połączonych cewek i kondensatorów wykazują bardzo dużą impedancję przy częstotliwości rezonansowej, co jest korzystne z punktu widzenia wzmacniaczy obciążonych takimi obwodami.

Ponadto zastosowano trzy gałęzie złożone z szeregowo połączonych cewek 4, 4’ i 4” oraz kondensatorów 5, 5’ i 5”, które stanowią filtr pasmowo-przepustowy. Dzięki temu układ ten można zasilać sygnałami prostokątnymi o przebiegach pokazanych na Fig. 4, a mimo to na cewkach torusa uzyskamy sygnały sinusoidalne. Układ przedstawiony na fig. 1 jest zasilany z źródła 9 dostarczającego napięcie stałe DC, którym może być akumulator lub prądnica stałoprądowa.

Pomiędzy gałęziami szeregowymi zawierającymi cewki 4, 4’ i 4” i kondensatory 5, 5’ i 5” oraz między źródłem zasilania 9 znajdują się przełączniki 6, 6’ i 6” sterowane układem sterującym 8.

Z prawa Biota i Savarta wynika, siła magnetomotoryczna 2π/α pochodząca tylko od prądu w cewce obwodu A wynosi:

2Λ = H.,_r-<_alr+ -l_r gdzie F/air i F/f to amplitudy natężenia pola magnetycznego w części powietrznej i w ferrytowym torusie, a /air i A to długości linii strumienia w części powietrznej i w torusie.

Ze względu na fakt, że współczynnik względnej przenikalności magnetycznej //_r,f dla elementów ferrytowych jest w przybliżeniu trzy rzędy większy, niż dla powietrza //_r,air dostajemy l_air, więc wartość amplitudy natężenia pola magnetycznego w części powietrznej torusa magnetycznego pochodząca tylko od prądu w cewce obwodu A wynosi:

gdzie Ia to amplituda prądu uzwojenia w obwodzie A.

W momencie, gdy prąd w obwodzie A osiąga maksymalną wartość, to w tym czasie chwilowe wartości prądów Ib i Ic są o połowę mniejsze i skierowane w przeciwnym kierunku niż wektor A. Sytuacja taka pokazana jest na fig. 3a i 3b.

W efekcie wypadkowa amplituda natężenia ratującego pola magnetycznego pochodząca od wszystkich strumieni magnetycznych jest o 50% większa, niż wartość w poprzednim wzorze (przy włączonej tylko jednej fazie) i wynosi:

Π = -- J gdzie / jest amplitudą natężenia prądu płynącego w każdej z faz.

Przyjmując przykładowo wartości liczbowe: n = 10, I = 50 A, /air = 0,05 m otrzymujemy oszacowaną wartość amplitudy natężenia pola magnetycznego wytworzoną przez wszystkie obwody A, B i C w części środkowej obszaru 7 torusa ferromagnetycznego jako F/ = 30 kA ητ¹.

Ponieważ efekt kalorymetryczny w zjawisku magnetycznej hipertermii jest proporcjonalny do kwadratu amplitudy natężenia pola magnetycznego (Rosensweig, R.E. Heating magnetic fluid with alternating magnetic field, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2002, 252, 370-374) to uzyskana moc cieplna w 3-fazowym urządzeniu jest około 2-krotnie większa niż w 1-fazowym układzie.

Claims

1. Urządzenie do generacji rotującego pola magnetycznego, znamienne tym, że składa się z kondensatorów (3, 3’, 3”) równolegle dołączonych do trzech par cewek (2, 2’, 2”) nawiniętych na pierścieniowym rdzeniu ferrytowym (1) przy czym linie sił pola magnetycznego generowane przez cewki każdej pary (2, 2’, 2”) są wzajemnie przeciwnie skierowane, w wyniku czego ich strumienie sumują się i płyną przez środkową, powietrzną część torusa (7), a dodatkowo do tych obwodów równoległych dołączone są szeregowo połączone cewki (4, 4’, 4”) z kondensatorami (5, 5’, 5”) , które zasilane są z zespołów przełączników (6, 6’, 6”) wytwarzających przebiegi prostokątne, sterowane sygnałami z bloku sterowania (8) i zasilane ze źródła napięcia stałego (9).

2. Urządzenie według zastrz. 1 znamienne tym, że: cewki (2, 2’, 2”) z dołączonymi do nich równolegle kondensatorami (3, 3’, 3”) oraz cewki (4, 4’, 4”) połączone szeregowo z kondensatorami (5, 5’, 5”) różnią się do 1%.

3. Urządzenie według zastrz. 1 znamienne tym, że prostokątne sygnały sterujące A, B i C wychodzące z bloku sterowania (8) posiadają przesunięte wzajemnie fazy o 120°.