Urzadzenie generujace rotujace pole magnetyczne w ukladzie 3-fazowym z cewkami Gramme na torusie ferrytowym Przedmiotem wynalazku jest urzadzenie do generacji rotujacego pola magnetycznego w ukladzie 3-fazowym z cewkami Gramme na torusie ferrytowym przeciwsobnie nawinietymi na rdzeniu ferrytowym w ksztalcie torusa, majace zastosowanie w onkologii jako wspomagajaca terapia przy radio- lub chemioterapii. Sposób niezgodnego nawiniecia cewek na rdzeniu podal Gramme, Thomspon, Sylvanus P. Dynamo-electric machinery: a manual for students of e/ectrotechnics. London: E. & F.N. Spon. p. 140, (1888) juz w drugiej polowie XIX wieku przy konstrukcji maszyn elektrycznych. Ze wzgledu na opracowanie sprawniejszych wkrótce rozwiazan cewki Gramme nie znalazly jednak szerszych zastosowan przy budowie pradnic i silników. Obecnie moga jednak zostac wykorzystane do konstrukcji generatorów rotujacego pola magnetycznego wysokiej czestotliwosci. 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 takze z kilku ostatnio opublikowanych prac doswiadczalnych M. Bekovic, M. Trlep, J. Mesenik, A. Hamler, A comparison of the heating effect of magnetic fluid between the alternating and rotating magneticfield, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, (2014), 355, 7-12, A. Skumiel, A new way to generate a rotating magnetic field in the high frequency range,Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 541 (2022) 168529. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2021.168529, R. Wojciechowski, A. Skumiel, M. l Demenko, Design, application and lnvestigationof the system for generation of fast changing, rotatating magnetic field causing hyperthermiceffect in magnetic liquids), Measurement 194 (2022), 111020, DOl: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 udzialem nanoczastek magnetycznych umieszczonych w rotujacym polu magnetycznym wykazuje znacznie silniejsze dzialanie cieplne niz w 1-osiowym oscylujacym polu. Zaleta ta moze zostac wykorzystana w zabiegach magnetycznej hipertermii przy zwalczaniu komórek nowotworowych. Okazuje sie bowiem, ze komórki onkologiczne maja PL 443015 A1 2/11mniejsza odpornosc na przegrzanie niz zdrowe, co jest wykorzystywane do ich niszczenia przez podgrzanie polem magnetycznym wysokiej czestotliwosci. W praktyce w zabiegach leczniczych stosuje sie najczesciej czestotliwosc w zakresie od lOOkHz do 1MHz i o amplitudzie natezenia 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 czestotliwosci dzialajac na nanoczastki umieszczone w okolicy guza uwalnia cieplo powodujac wzrost temperatury do okolo 42-44°C. Istota wynalazku jest urzadzenie do generacji rotujacego pola magnetycznego, charakteryzujace sie tym, ze sklada sie z trzech par cewek nawinietych na pierscieniowym rdzeniu ferrytowym, przy czym linie sil pola magnetycznego generowane przez cewki kazdej pary sa wzajemnie przeciwnie skierowane, w wyniku czego ich strumienie sumuja sie i plyna przez srodkowa, powietrzna czesc torusa. Korzystnym jest, gdy cewki wraz z dolaczonymi do nich kondensatorami tworza równolegle obwody rezonansowe, które poprzez szeregowe galezie polaczonych cewek i kondensatorów sa zasilane poprzez zespoly przelaczników wytwarzajacych przebiegi prostokatne, sterowane z bloku sterowania i zasilane ze zródla napiecia stalego. Korzystnym jest takze, gdy indukcyjnosci cewek oraz polaczone z nimi równolegle oraz gdy indukcyjnosci cewek oraz polaczone z nimi szeregowo pojemnosci kondensatorów róznia sie do 1%. Korzystnym jest równiez gdy prostokatne sygnaly sterujace A, B i C wychodzace z bloku sterowania posiadaja przesuniete wzajemnie fazy o 120°. Dzieki zastosowaniu rozwiazania wedlug wynalazku uzyskano nastepujace efekty techniczno-uzytkowe: - mozliwosc zastosowania urzadzenia w zabiegach magnetycznej hipertermii, - uproszczona konfiguracja obwodu magnetycznego zbudowanego na zamknietym pierscieniu ferrytowym, - nizsze koszty i niezawodnosc dzialania urzadzenia, - dobre parametry rotujacego pola magnetycznego., - wieksze o 50% natezenie pola magnetycznego, niz w ukladzie 1-fazowym. PL 443015 A1 3/11Wynalazek w przykladowym ale nie ograniczajacym wykonaniu zostal zilustrowany na rysunkach, gdzie fig.1 przedstawia schemat blokowy dzialania urzadzenia do generacji rotujacego pola magnetycznego z trzema parami cewek (2,2/,2/I) nawinietych na rdzeniu pierscieniowym (1) w kierunkach przeciwnych, polaczonych równolegle z kondensatorami (3,31,311) wraz z obwodami dostarczajacymi do nich trzech sinusoidalnych przebiegów napieciowych o wzajemnie przesunietych fazach o 120°. W proponowanym rozwiazaniu przebiegi sinusoidalne uzyskano z ukladu elektronicznego zasilanego ze zródta napieciowego (9) pradu stalego (DC) skad poprzez przelaczniki (6,61,611) sygnaly prostokatne sa filtrowane przez szeregowe polaczenie cewek (4,4!,411) i kondensatorów (s,sl,5/I). Kondensatory (3,31,311) polaczone równolegle do ukladu magnetycznego poprawiaja selektywnosc i zmniejszaja pobór pradu przez uklad równolegly. fig.2 przedstawia pogladowe usytuowanie jednej z par cewek oraz strumienie magnetyczne wytworzone przez cewki tej pary plynace w rdzeniu, które dodaja sie i dalej plyna przez obszar srodkowy rdzenia ferrytowego (w powietrzu). fig. 3a ilustruje czasowo-fazowe sygnaly chwilowe pradów magnesujacych, które zasilaja poszczególne pery cewek. fig. 3 b przedstawia polozenie w przestrzeni strumienia mA wraz z pozostalymi strumieniami Q)B i qe oraz z ich skladowymi rzutowanymi na kierunek strumienia <\iA Strumien aA dla kata fazowego równego 90° jest 2-krotnie wiekszy, niz kazdy z pozostalych strumieni qB i obwodu A i skladowe strumienia rotujacego pola, która jest 1,5-krotnie wieksza niz sam strumien W tym przypadku wszytkie wektory nalezy sumowac geometrycznie. Zachodzi tutaj dosc dobra zgodnosc zarówno przewidywan teoretycznych, jak i z wynikami eksperymentalnymi, gdy porównamy dzialanie RMF z AMF. fig. 4 przedstawia prostokatne przebiegi uzyskane na wejsciu szeregowej galezi zlozonej z cewek (4,41,411) i kondensatorów (S,Sl,5/I). Urzadzenie do generacji rotujacego pola magnetycznego, sklada sie z trzech par cewek 2, 21, 2// nawinietych na pierscieniowym rdzeniu ferrytowym 1, przy czym linie sil pola magnetycznego generowane przez cewki kazdej pary sa wzajemnie przeciwnie skierowane, w wyniku czego ich strumienie sumuja sie i przebiegaja równiez przez srodkowa, PL 443015 A1 4/11powietrzna czesc torusa 7. Cewki 2, 21, 211 wraz z dolaczonymi do nich kondensatorami 3, 3', 3" tworza równolegle obwody rezonansowe, które poprzez szeregowe galezie polaczonych cewek 4, 4', 4" i kondensatorów 5, 5', 5" sa zasilane poprzez zespoly przelaczników 6, 6', 6" wytwarzajacych przebiegi prostokatne, sterowane z bloku sterowania 8 i zasilane ze zródta napiecia stalego 9. Indukcyjnosci cewek 2, 21, 211 oraz polaczone z nimi równolegle pojemnosci kondensatorów 3, 3', 3" róznia sie do 1%, podobnie jak indukcyjnosci cewek 4, 4', 4" oraz polaczone z nimi szeregowo pojemnosci kondensatorów (5, 5', 5") róznia sie do 1%. Indukcyjnosci cewek 4, 4', 4" obwodów szeregowych nie sa ze soba sprzezone magnetycznie. Sygnaly sterujace A, B i C wychodzace z bloku sterowania 8 posiadaja przesuniete wzajemnie fazy o 120°. Dzialanie urzadzenia do generacji rotujacego pola magnetycznego wysokiej czestotliwosci jest przedstawione na Fig. 1. W urzadzeniu tym zastosowano trzy pary cewek magnetycznych obwodów A, Bi C nawinietych w naprzeciwleglych czesciach luku pierscienia ferrytowego 1. Kazda z par cewek 2, 2' i 2" posiada identyczna liczbe zwojów n, a strumienie magnetyczne kazdej pary plynace przez rdzen sa skierowane w przeciwnych kierunkach. Wszystkie cewki wykazuja taka sama indukcyjnosc wlasna L. Dzieki przeciwsobnemu nawinieciu cewek na rdzeniu ferrytowym wypadkowa indukcyjnosc kazdej pary wynosi Lei= 2(L - M), gdzie M = k·L, jest indukcyjnoscia wzajemna miedzy dwiema cewkami kazdej pary, a paramentr k jest wspólczynnikiem sprzezenia magnetycznego przeciwleglych cewek. Rotujace pole magnetyczne jest \lvytwarzane w srodkowym obszarze 7 torusa ferromagnetycznego. Na Fig. 2 przedstawiono pogladowo usytuowanie jednej z par cewek, które polaczono szeregowo, a ich wypadkowy strumien plynie przez czesc srodkowa rdzenia (7). Jesli wyobrazimy sobie, ze na tym samym rdzeniu nawiniete sa dwie pozostale pary cewek odpowiednio przesuniete w przestrzeni oraz, ze przeplywaja przez nie prady sinusoidalne z wzajemnie przesunietymi fazami, to w efekcie w tym obszarze powstanie rotujace pole magnetyczne bedace superpozycja trzech skladowych strumieni. W przypadku zastosowania trzech par cewek nalezy wymusic w nich przeplywy pradów, których czasowo-fazowe przebiegi sa zobrazowane na Fig. 3a. Oznacza to, ze przesuniecie fazy miedzy sygnalami wynosi 120 stopni katowych. Chwilowe wartosci pradów magnesujacych w poszczególnych parach cewek opisane sa wzorem: i,q(t) = 1 0 sin(u1t), i 8 (t) = 1 0 sin(wt ±120°) i ic(t) = 1 0 sin(wt ±240°) PL 443015 A1 /11W proponowanym rozwiazaniu zastosowano dodatkowo trzy kondensatory 3, 3' i 3" polaczone równolegle z cewkami 2, 2' i 2" nawinietymi na rdzeniu. Wówczas obwody zlozone z równolegle polaczonych cewek i kondensatorów wykazuja bardzo duza impedancje przy czestotliwosci rezonansowej, co jest korzystne z punktu widzenia wzmacniaczy obciazonych takimi obwodami. Ponadto zastosowano trzy galezie zlozone z szeregowo polaczonych cewek 4, 4' i 4"oraz kondensatorów 5, 5' i 5", które stanowia filtr pasmowo-przepustowy. Dzieki temu uklad ten mozna zasilac sygnalami prostokatnymi o przebiegach pokazanych na Fig. 4, a mimo to na cewkach torusa uzyskamy sygnaly sinusoidalne. Uklad przedstawiony na fig. 1 jest zasilany z zródla 9 dostarczajacego napiecie state DC, którym moze byc akumulator lub pradnica stalopradowa. Pomiedzy galeziami szeregowymi zawierajacymi cewki 4, 4' i 4" i kondensatory , 5' i 5" oraz miedzy zródlem zasilania 9 znajduja sie przelaczniki 6, 6' i 6" sterowane ukladem sterujacym 8. Z prawa Biota i Savarta wynika, sita magnetomotoryczna 2nlA pochodzaca tylko od pradu \N cewce obwodu A wynosi: gdzie Ha1r i Hf to amplitudy natezenia pola magnetycznego w czesci powietrznej i w ferrytowym torusie, a fair i h to dlugosci linii strumienia w czesci powietrznej i w torusie. Ze wzgledu na fakt, ze wspólczynnik wzglednej przenikalnosci magnetycznej J-Lr,f dla elementów ferrytowych jest w przyblizeniu trzy rzedy wiekszy, niz dla powietrza µr,air dostajemy wiec wartosc amplitudy natezenia pola magnetycznego w czesci powietrznej torusa magnetycznego (pochodzaca tylko od pradu w cewce obwodu A wynosi: '!,;/. fi ,..,.,,,/ ~- -A .!. 'A -== i.] i:·· I gdzie /A to amplituda pradu uzwojeniea w obwodzie A. W momencie, gdy prad w obwodzie A osiaga maksymalna wartosc , to w tym czasie chwilowe wartosci pradów Is i le sa o polowe mniejsze i skierowane w przeciwnym kierunku niz wektor A. Sytuacja taka pokazana jest na fig. 3a i 3b. W efekcie wypadkowa amplituda natezenia rotujacego pola magnetycznego pochodzaca od wszystkich strumieni magnetycznych jest o 50% wieksza, niz wartosc w poprzednim wzorze (przy wlaczonej tylko jednej fazy) i wynosi: 3:nJ H= -, lair gdzie/ jest amplituda natezenia pradu plynacego w kazdej z faz. PL 443015 A1 6/11Przyjmujac przykladowo wartosci liczbowe: n = 10, I = S0A, fair = 0,0Sm otrzymujemy oszacowana wartosc amplitudy natezenia pola magnetycznego wytworzona przez wszystkie obwody A, B i C w czesci srodkowej obszaru 7 torusa ferromagnetycznego jako H = 30 kA-m- 1 . Poniewaz efekt kalorymetryczny w zjawisku magnetycznej hipertermii jest proporcjonalny do kwadratu amplitudy natezenia 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 urzadzeniu jest okolo 2- krotnie wieksza niz w 1-fazowym ukladzie. PL 443015 A1 7/11Oznaczenia 1- rdzen ferrytowy w ksztalcie torusa, 2- cewki nawiniete na torusie w obwodzie równoleglym, 3 - kondensatory obwodu równoleglego, 4 - cewki w galezi szeregowej, - kondensatory w galezi szeregowej, 6 - przelaczniki, 7 - obszar dzialania rotujacego pola magnetycznego, 8 - uklad sterowania przelacznikami, 9 - zasilacz napiecia stalego. PL 443015 A1 8/11Zastrzezenia patentowe 1. Urzadzenie do generacji rotujacego pola magnetycznego, znamienne tym, ze sklada sie z trzech par cewek (2, 21, 211) nawinietych na pierscieniowym rdzeniu ferrytowym (1), przy czym linie sil pola magnetycznego generowane przez cewki kazdej pary sa wzajemnie przeciwnie skierowane, w wyniku czego ich strumienie sumuja sie i plyna przez srodkowa, powietrzna czesc torusa (7). 2. Urzadzenie wedlug zastrz. 1 znamienne tym, ze cewki (2, 21, 211) wraz z dolaczonymi do nich kondensatorami (3, 3', 3") tworza równolegle obwody rezonansowe, które poprzez szeregowe galezie polaczonych cewek (4, 4', 4") i kondensatorów (5, 5', 5") sa zasilane poprzez zespoly przelaczników (6, 6', 6") wytwarzajacych przebiegi prostokatne, sterowane z bloku sterowania (8) i zasilane ze zródla napiecia stalego (9). 3. Urzadzenie wedlug zastrz. 1 znamienne tym, ze indukcyjnosci cewek (2, 21, 211) oraz polaczone z nimi równolegle pojemnosci kondensatorów (3, 3', 3") róznia sie do 1%. 4. Urzadzenie wedlug zastrz. 1 znamienne tym, ze indukcyjnosci cewek (4, 4', 4") oraz polaczone z nimi szeregowo pojemnosci kondensatorów (5, 5', 5") róznia sie do 1%. . Urzadzenie wedlug zastrz. 1 znamienne tym, ze prostokatne sygnaly sterujace A, B i C wychodzace z bloku sterowania (8) posiadaja przesuniete wzajemnie fazy o 120°. PL 443015 A1 9/11(a] 90 180 270 faza wt, l 0 J fig. 3a o 360 90 Fig.1 Fig. 2 B - JA= +1 (b) t - C 180 270 faza wt, [ 0 ] Fig.4 l l -- fig. 3 b 360 PL 443015 A1 /11al. Niepodleglosci 188/192 00-950 Warszawa, skr. poczt. 203 URZAD PATENTOWY RZECZYPOSPOLITEJ POLSKIEJ tel.: (+48) 22 579 OS SS I fax: (+48) 22 579 00 01 e-mail: kontakt@uprp.gov.pl I www.uprp.gov.pl SPRAWOZDANIE O STANIE TECHNIKI DO ZGLOSZENIA NR P.443015 Klasyfikacja zgloszenia: AGlN 2/02 Podklasy w któ0 eh prowadzono poszukiwania: A61N2 Baz) komputerowe,, któ1ych pro\\ adzono poszukiwania: EPODOC WPI bazy UPRP Kategoria dokumentu A A A A Dokwncnt) - z podana idcnty fikacja RU2074 749 Cl (ELEKTRO:MEKHANICHESKIJ Z A V ANGA) 10-03-1997 PL230206 Bl (UNIWERSYTET lM. ADAMA MlCKlEWlCZA) 31-10-2018 CNI 118():)796 A (JT TAO) 23-10-2020 RU2082453 Cl (AKTSTONERNOE OBSHCHESTVO NPF AZ) 2'7-06-1997 D Dalszy ciag "ykazn dokumentów na nastepnej stronie A- dokument okreslajacy ogólny stan techmki. ktory nie Jest uwazany za postada1acv szczególne znaczenie. E - doh.ument stanowiacy "czesniejsLe zgluszenie lub patent. ale opubhk.owauy \V lub po dacie zgloszema, Odniesienie do zastrz. 1-5 1-5 1-5 1-5 L doh.umcnt. l....LOI) muzc podda\\ ac w walpli\\ osc zastrzegane picrw1:iLciLSl\\ o(-wa). lub przy Loczon~ w celu u::itaknia dal)' publ.tl .... acji rnncgo cy towancgo dol....umcntu lub 1. innc~o ;;1.c1.cgól11cgo P°'Hlclll, O - doklm1cnt oclnos7.qc:v sii; clo 11_i;n:~.-nicnin 11stnc_!:!0 pr7.C7 zn"tosownnic. v.-y1stn,vicnic lnh 11_imn1icnic YV inny sp0s6h. P - dokument opublikowauv przed d3ta zgloszeuia. ale pói.niej uiz zastrzegana data pierwszenstwa. T - dokument pózme_1szv, opublikowany po dacie zgloszema lub w dacte pterwszenstwa 1 mebedacy w konfltkcte ze zgloszemem, ale c\lowanv" celu zrozullllema Lasad lub teoni leL.acyd1 u podstaw v, ynalazk.u. X - dokumc11L o ::D.::zcgólu: m LHaczcuiu: wstrLcgauy wy 1ialazck nic uwzc by c U\\ az,m) za HO\\ y lub 11.ic mozc byc Uv\·azauy La pusiada1<-l:c: puzium \\ y 11.alaLcz:, jczch ten clol\11111c11t br~111y jest pod uwa&i; samocLt:iclnic, Y - cloklm1cnt o S7.C7cg01nym 7.nnczcnin: 7a"tr7C·gnnv w:vnnln7.ck nic m07.c byc nn-n7nny zn posincfa_jqc:v pozi0m wynnlnzc7.y. ic7.cli ten clok11mcnt 7.0stnnic p01qc7.011:v 7 ieduvm lub kilkoma te~o tvpn dokumen13mi. a takie polac1.e11ie bedzie oczvwiste dla znawcv. & - dokument nalezacy do teJ sameJ rodzim patemoweJ. Sprawozdanie wykonal/-a: Mieszko Pindera Naczelnik Wydzialu Data: 28.08.2023 Uwagi do zgloszenia Sprawozdanie zostalo wykonane w oparciu o zastrz, z dnia l, 12.2022r, Podpis: /podpisano kwalifikowanym podpisem elektronicznym/ Pismo wydane w formie dokumentu elektronicznego PL 443015 A1 11/11 PL