Эльмутаз Билахи Таха Мухамед Абдулла

На правах рукописи
Эльмутаз Билахи Таха Мухамед Абдулла
РАЗРАБОТКА, МЕТОДИКА РАСЧЕТА И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ ИНДУКТОРА МАГНИТОТУРБОТРОНА
Специальность: 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание
ученой степени кандидата технических наук
Краснодар –2008
2
Работа выполнена в Кубанском государственном технологическом
университете
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор,
Гайтов Багаудин Хамидович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Григораш Олег Владимирович
кандидат технических наук
Рябухин Михаил Иванович
Ведущее предприятие: ОАО "Компания "РИТМ" (г.Краснодар)
Защита диссертации состоится 25 ноября 2008 года на заседании
диссертационного совета Д 212.100.06 в Кубанском государственном
технологическом университете (350072, г. Краснодар, ул. Старокубанская
88/4, ауд. С 410 в 14:00).
С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Кубанского
государственного технологического университета
Автореферат разослан 25 октября 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.100.06
кандидат технических наук, доцент
Копелевич Л.Е.
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Недостаточная эффективность современных
способов и средств медицины, используемых для лечения онкологических
заболеваний, определяет поиск новых нетрадиционных методов воздействия на злокачественные новообразования. При этом основной тенденцией, ведущей к поиску новых направлений, является повышение противоопухолевого эффекта при одновременном снижении, а в идеале – отсутствии побочного эффекта.
Одним из перспективных путей реализации указанной тенденции является использование низкочастотных магнитных полей, воздействующих
на весь организм больного, напряженность которых плавно изменяется от
нуля до максимума и обратно по определенному закону.
Для технической реализации данного способа необходима соответствующая магнитотерапевтическая аппаратура (МТА), единственным
представителем которой в современной медицинской практике является
«Магнитотурботрон» (МТТ), основанный на индукторе цилиндрической
формы, в расточку которой помещается пациент на период магнитного облучения его.
Цель работы. Целью работы является повышение эффективности работы магнитотурботрона путем разработки составного индуктора, обеспечивающего непрерывное изменение величины и направления вектора магнитной индукции, воздействующей на пациента во время сеанса магнитотерапии.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе
поставлены и решены следующие вопросы:
 выполнен критический анализ эффективности работы известных
индукторов МТТ с энергетической и лечебной точек зрения;
 обоснована целесообразность разработки составного индуктора,
позволяющего существенно упростить и удешевить технологию изготовления, монтаж (демонтаж) его в лечебных учреждениях;
 обоснована целесообразность и реализован вариант изменения величины и направления вектора магнитной индукции, воздействующей на
пациента, путем медленного вращения последнего вокруг вертикальной
оси в сидячем положении внутри индуктора;
 разработана методика расчета составного индуктора МТТ;
 построена комплексная математическая модель составного редуктора МТТ и пациента, расположенного внутри его во время сеанса магнитотерапии;
 разработана комплексная система электроснабжения и электрооборудования МТТ с индуктором типа ЦГСВ.
4
Методы исследования. В теоретических исследованиях использованы: обобщенная теория электромеханического преобразователя энергии
(ЭМПЭ) с применением матричного анализа электрических машин (ЭМ);
теория электромагнитного поля и метод синтеза ЭМ. Поставленные задачи
решены аналитическими, численными и экспериментальными методами.
Экспериментальные исследования выполнены на действующих образцах
МТТ в проблемной НИЛ по использованию магнитных полей в онкологии
КГМУ (г. Краснодар).
Научная новизна. В работе построены теоретические основы, конструкция и методика расчета составного индуктора МТТ, а именно:
 обоснована целесообразность разработки и эффективность работы
составного индуктора МТТ;
 разработана методика электромагнитного расчета составного индуктора МТТ;
 построена комплексная математическая модель составного индуктора МТТ с учетом электромагнитных характеристик пациента;
 решены вопросы рационального электроснабжения МТТ с использованием электромашинного и полупроводникового преобразователя частоты.
Практическая ценность. Работа имеет прикладной характер, основная задача которой – повысить эффективность магнитотерапии в онкологии. В связи с этим решены следующие практические вопросы:
 дан обобщающий критический анализ известных конструкций индукторов МТТ для лечения онкологических заболеваний;
 разработан на уровне изобретения (патент № 2153368, РФ, Б.И.
2000, №21) аксиальный индуктор МТТ, обеспечивающий повышение эффективности магнитотерапии с одновременным повышением энергетического показателя cos;
 разработана инженерная методика расчета составного индуктора
МТТ;
 даны рекомендации по рациональному выбору преобразователя
частоты (ПЧ) для электроснабжения МТТ;
 предложен вариант и разработана методика расчета групповой
магнитотерапии (для нескольких пациентов одновременно) с использованием одного аксиального индуктора.
Реализация результатов работы. Научные результаты работы использованы в проблемной НИЛ по использованию магнитных полей в онкологии КГМУ (г. Краснодар) при лечении злокачественных опухолей, в
частности – рака молочной железы; в научно – производственной компании «Ритм» (г. Краснодар) при разработке и изготовлении экспериментального образца составного индуктора МТТ; в учебном процессе по курсу
«Электромеханика» и в дипломных проектах по специальности 10.04 –
Электроснабжение (по отраслям).
5
Автор защищает:
 рациональную конструкцию индуктора составного типа (в виде
правильного двенадцатиугольника) с обмоткой расчетных параметров;
 комплексную математическую модель индуктора составного типа
совместно с пациентом;
 способ и устройство для групповой магнитотерапии, обеспечивающие повышение производительности процесса магнитотерапии при одновременном уменьшении мощности преобразователя частоты и расхода
электроэнергии;
 методику электромагнитного расчета аксиального индуктора типа
ЦГСВ МТТ.
Апробация работы. Основные положения и выводы работы докладывались на III международной Н-Т конференции «Электромеханика и электротехнология – МКЭЭ-98» (Москва, 1998 г.), на всероссийском электротехническом конгрессе – ВЭЛК-99 (Москва, 1999 г.), на региональной Н-Т
конференции «Повышение эффективности электротехнических комплексов
и энергосистем» (Краснодар, 1998 г.), на заседании кафедры Электротехники КубГТУ (Краснодар, 2006 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований автором
опубликовано 9 работ, в том числе одно изобретение – «магнитотерапевтическая установка» (патент № 2153368, РФ, Б.И. 2000, №21).
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех
глав, заключения и списка литературы из 113 наименований. Общий объем
работы 131 страница машинописного текста, включая 28 рисунков и 9 таблиц.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность вопроса, сформулированы цель
и задачи исследования, определена новизна поставленных вопросов, сформулированы основные положения, вынесенные на защиту.
В первой главе описана магнитотерапия как метод и средство лечения онкологических заболеваний. Показано, что магнитотерапия, как метод
лечения, своими корнями уходит в древние времена. Естественные магниты (магнитный железняк) в лечебной практике использовали еще Аристотель, Авиценна и др.
Однако датой рождения магнитотерапии принято считать 1780 год,
когда медицинское общество Франции подтвердило, что магнитное поле
(МП) помогает при лечении сильных болей.
Перспективы применения магнитотерапии определяют результаты,
которые в ряде случаев не достигаются другими методами. Так, МП обладает противовоспалительным, противоотечным, болеутоляющим и други-
6
ми положительными и весьма результативными воздействиями на человека.
При этом практически отсутствуют вредные побочные действия, что
сокращает область противопоказаний в сравнении с другими физиотерапевтическими методами, привлекательных и сравнительно небольшая трудоемкость процедуры. Сеансы магнитотерапии проводятся не снимая
одежды пациента, различных повязок и др., так как магнитное поле проникает через них беспрепятственно.
На рис. 1 приведены методы лечения онкозаболеваний, систематизированные и частично (в техническом отношении) развитые автором.
МЕТОДЫ ЛЕЧЕНИЯ
ОНКОЗАБОЛЕВАНИЙ
ТРАДИЦИОННЫЕ
ЛТ
ХРГ
ЦГЛ
ХТ
ЦГСВ
НЕТРАДИЦИОННЫЕ
ГТ
АКП
ЛГЛ
МТ
ГНЗ
АГЛГ
Рисунок 1 - Методы лечения онкологических заболеваний: ХРГ – хирургический; ЛТ – лучевая терапия; ХТ – химиотерапия; ГТ – гормонотерапия; АКП – акупунктура; МТ – магнитотерапия; ГНЗ – гипноз;
ЦГЛ – (магнитопровод) цилиндрический, горизонтальный, лёжа;
ЦГСВ – цилиндрический, горизонтальный, сидя, вращающийся; ЛГЛ
– (магнитопровод) линейный, горизонтальный, лёжа; АГЛГ – аксиальный горизонтальный, лёжа, групповой
Отличительная особенность общей магнитотерапии заключается в
воздействии низкоинтенсивным магнитным полем на весь организм больного или на большую часть его с лечебно-профилактическими целями. При
этом в отличие от локальной магнитотерапии, получившей широкое распространение в практике, появляется возможность решать некоторые особые терапевтические задачи.
7
Общая магнитотерапия с помощью вращающегося модулированного
МП в онкологии в течение длительного времени осуществляется в Проблемной НИЛ по применению магнитных полей онкологии Кубанского
государственного медицинского университета (КубГМУ) (г. Краснодар). С
этой целью в ПНИЛ впервые в стране разработаны и внедрены в лечебную
практику два варианта магнитотурботрона, а именно: цилиндрический, горизонтальный, расположением пациента лежа [ЦГЛ] (см. рис.1), а также
цилиндрический, горизонтальный, с расположением пациента сидя на стуле, причем вращаясь вместе со стулом [ЦГСВ]. При этом вращение стула
вместе с пациентом позволяет непрерывно менять вектор воздействия МП
на пациента, что, по мнению специалистов, повышает эффективность магнитотерапии.
Магнито-терапевтические установки “Магнитотурботрон” конструкции ПНИЛ КубГМУ (типа ЦГЛ и ЦГСВ) предназначены для магнитотерапии злокачественных опухолей, в частности рака молочной железы, модулированным вращающимся магнитным полем с частотой вращения
6000 об/мин (100 Гц), при максимальном значении индукции 3 мТл, период модуляции МП-120 с, продолжительность процедуры – 50 мин (25 циклов по 120 с).
Во второй главе построена теория и усовершенствована магнитная
система МТТ. Согласно исследованиям ученых ряда ведущих стран в области магнитотерапии (России, США, Японии, Франции и др.) наибольшей
терапевтической эффективностью среди применяемых методов лечения
онкологических заболеваний обладает вращающееся, циклически изменяющееся по напряженности от нуля до установленного максимума магнитное поле (ВМП) при одновременном воздействии на все системы и органы
больного.
Частота вращения МП должна составлять около 6000 об/мин, напряженность МП – до 2000 А/м, оптимальная частота поля в рабочей камере
индуктора 100 Гц, время изменения напряженности ВМП – от 0 до установленного максимума и обратно до нуля (время одного цикла – период) –
около 120с.
При этом следует иметь ввиду, что для исключения появления высших
гармоник в кривой ВМП, магнитная система индуктора должна быть
насыщенной. По этой же причине напряжение преобразователя частоты
(ПЧ) должно быть синусоидальным, т.е. не содержащим заметных высших
гармоник.
Следует отметить, что указанным требованиям удовлетворяют далеко
не все, в том числе и серийно выпускаемые в Российской Федерации МТТ
типов “Магнитотурботрон – 2” и “Магнитотурботрон – 2м.”
Указанные МТТ выполнены на базе обычных цилиндрических магнитопроводов серийно выпускаемых асинхронных (синхронных) двигателей
обычной, назовем их – радиальной, конструкции. Здесь радиальный при-
8
знак магнитопровода означает, что рабочий воздушный зазор машины
направлен (измеряется) в радиальном направлении и в этом же направлении (т.е. радиальном) проходят магнитные силовые линии электрической
машины и МТТ, построенном на ее основе.
Однако главным недостатком МТТ подобной конструкции следует
признать тот факт, что массогабаритные показатели его, естественно рассчитанные на “габаритные размеры” вкатываемого в его расточку на ложе
пациента, достигает больших геометрических размеров и соответственно –
масс. Это обстоятельство делает современные магнитотурботроны трудно
транспортируемыми и сложными при их установке, монтаже-демонтаже.
Этих недостатков лишен разработанный нами и исследуемый в настоящей работе секционированный “Магнитотурботрон-3”, положительной
особенностью которого является разборная конструкция магнитопровода,
что существенно упрощает технологию его изготовления, выполнения обмоточных работ, транспортировку и последующие монтаж-демонтаж МТТ
в целом, сохраняя при этом все достоинства известных МТТ.
Другим достоинством подобного МТТ является тот факт, что пациент
располагается в нем нестационарно (лежа), как в известных конструкциях,
а вращаясь (сидя). Это обстоятельство особенно ценно, имея ввиду возможность воздействия магнитным полем на злокачественные опухоли под
непрерывно и плавно изменяющимися от 0º до 360º различными углами.
Подобный МТТ на рисунке 1 обозначен аббревиатурой ЦГСВ (цилиндрический, горизонтальный, сидя, вращающийся).
Исходными данными для разработки МТТ типа ЦГСВ являются:
 геометрия индуктора, представляющая собой правильный многоугольник (в нашем случае – 12-ти угольник), вписанный в окружность
диаметром не менее 1,8 м, исходя из возможности размещения пациента
практически любого роста (сидя);
 материал (марка электротехнической стали) магнитопровода МТТ (в
нашем случае, имея ввиду повышенную частоту питающего напряжения
fN=100Гц) принята холоднокатаная анизотропная тонколистовая электротехническая сталь марки 3413 толщиной Δ=0,35 мм;
 величина магнитной индукции на расстоянии 500 мм от геометрического центра индуктора МТТ должна быть не менее В500=6 мТ, обеспечиваемой непрерывным (по синусоидальному закону) изменением напряженности питающего преобразователя частоты;
– обеспечение вращения пациента (совместно с креслом) вокруг вертикальной оси вращения со скоростью 1/14 об/мин, что соответствует повороту пациента на 180º за 7 мин.; с этой целью МТТ снабжается соответствующим электроприводным (мотор-редукторным ) устройством;
 на расстоянии 0,5м от оси вращения индуктора индукция должна
быть не менее Bi=6 мТ;
9
 электроснабжение МТТ должно осуществляться от преобразователя
частоты (ПЧ); при этом напряженность магнитного поля МТТ должна
плавно циклически изменяться от нуля до максимума (Hm≈2000 А/м) и обратно при напряжении U=0÷220 В, частоте fN=100 Гц.
Магнитотурботрон должен иметь технико-эксплуатационные характеристики, одобренные Минздравом РФ (лицензия №30-03/467 от 16 июля
1996 г.).
Следует отметить, что магнитотерапия, как способ лечения и профилактики системных заболеваний, основанный, как отмечено выше, на воздействии слабых вихревых магнитных полей на весь организм человека
(способ Д. А. Синицкого) успешно прошел многолетние клинические испытания в ведущих медицинских центрах России.
Установка рекомендована к серийному производству и применению в
медицинской практике Комитетом по новой технике Министерства здравоохранения и медицинской промышленности РФ (протокол №5 от
03.11.94г.). Установка не имеет аналогов за рубежом.
Исходя из технических соображений (но не в ущерб чисто медицинским аспектом) принято целесообразным изготовлять индуктор составным
в виде двенадцатиугольника, при котором на каждую фазу при (m=3) приходится по 4 шихтованных попарно-противоположно расположенных
стержня.
A
Z
1
На рис. 2 представле2
ны полная (трехфазная)
А
А
В
С
электрическая схема и
3
конструкция МТТ, где
обозначено: 1 – двенадца4
С
В
Y
тиугольный магнитопроВ
С
вод с симметричной трехВ
фазной обмоткой 2. В расточке
магнитопровода
5
В
А
расположено кресло 3 для
А
А
пациента, принимающего
С
процедуру магнитотераX
пии. Во время принятия
процедуры кресло 3 совРисунок 2 - Электрическая схема и конструкция магместно с пациентом совернитотурботрона с вращающимся креслом
шает вращение вокруг своей
вертикальной оси с угловой скоростью ωп= 1/14 об/мин. Вращение кресла
3 осуществляется посредством вертикального вала 4 – мотор редуктора 5,
питаемого от стандартной сети 50 Гц, 380 В.
Из рис. 2 следует, что поле симметрично относительно вертикальной и
горизонтальной осей. Из последнего следует возможность расчета МДС F
обмотки на 1/2 индуктора, считая, что при этом должна быть в центре
11
12
13
14
13
14
12
11
12
13
13
14
10
обеспечена индукция В=1/3х6=2,0мТ. Другими словами, на 1/4 индуктора
в этом случае индукция в центре составит В=1/4х6=1,5 мТ.
мТ В
+Вmax
4
2
t
c
0
-2
-4
Tмод=120с
-Вmax
f = 100 Гц
Рисунок 3 - Картина амплитудной модуляции магнитной индукции в МТТ
Индукция Bδ магнитного поля в МТТ модулируется от нуля до максимального значения Bmax=4мТ с периодом Тмод = 120 с, как показано на рис.
3.
Считая, что частота тока f = 100Гц невелика, пренебрегая токами
смещения, а так же вихревыми токами в магнитопроводе, опишем магнитное поле индуктора как квазистационарное, математической моделью которого служат уравнения Максвелла.


l Hdl  iw ;

s Bds  0 ;


B  H ;
Или в дифференциальной
 форме записи:
rotH
  J ;
rotA
  B ;
rotA  B ;
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)

2
(7)
 A  J .
В настоящее время электротехника не имеет прямых аналитических
методов расчета, подобных полю индуктора МТТ типа ЦГСВ, магнитных
полей.
В то же время разработаны численные методы расчета полей, например, метод конечно-разностных уравнений, использованный в данной работе. Основанием к этому послужило наличие известных граничных условий.
11
В соответствии с этим методом, уравнения (1) – (7) сводятся к системе
нелинейных при  (Н ) или линейных при   const алгебраических
уравнений. Достигается путем составления уравнения (1) для дискретных
областей, занятых магнитным полем, которые являются аналогом уравнения (7).
Если иметь в виду (3) и (6), то уравнение (1) можно представить виде:


1
vrot
A

iw
,
vrot
A
 iw,
или
(8)
l
l

где  
1

.
(9)
Магнитное поле делится на элементарные контуры (сетки), по которым вычисляются циркуляции вектора магнитной индукции в соответствии с (8).
Очевидно, что целесообразно для решения воспользоваться цилиндрической системой координат и рассматривать поле как плоскопараллельное, характеристики которого не изменяются в направлении оси Z.
В цилиндрической системе координат имеем

r
 
rotA 
r
Ar


1 
r 
A

z

 1 Az A 
 r


z
r



z


Az
  Ar Az   A 1 Ar 
 


;
  z
z   r
2  
 z
 


B  r Br   B  zBz.
(10)
(11)
  
где r , , z - орты прямоугольной цилиндрической системы координат.

В плоскопараллельном поле векторный потенциал A имеет
направле
ние, совпадающее с направлением тока, так как i  i z , то A  Az  A . Тогда Az  A  0 и
  1 A  A
A
1 A
rot A  r

, где Br 
, B  
. (12)
r
r 
z
r 
Значение индукции в точках поля
B  Br2  B2 .
(13)
Воспользовавшись (9), (10), составим разностное уравнение для контура
abcd ячейки сетки (см. рис. 4).
12
к+n
v2
v1
с
r2
b
к+1
r4
к-1
к
a
d
v3
v4
к-n
r0
2
1
Рисунок 4 - К расчету магнитного поля индуктора МТТ к – узел сетки;
n – число радиальных линий сетки
 
r  
1 Ak  Ak  1  r4
 4   1 2   
r0
 1  2
2

Ak  n  Ak 
r2   1
 2  

1 
2  
 r0  
r2
2
2
2


 

Ak 1  Ak  r2
r4 


 2   3  
r0  2  2
2


Ak  Ak n 
r2   2
 1 

3 
 4   ik 
 r0  
r4
2
2
2




 abcd Bdl 
(14)
Уравнение (14) может быть записано в виде:
ak ,k 1 Ak 1  Ak ,k n Ak n  ak ,k 1 Ak 1  ak ,k n Ak n  ak ,k Ak  ik ,
r 
1  r4
ak , k 1 
 4   1 2 ;
r0  1  2
2
r   1
 2 
1
ak , k  n   r0  2 
1 
 2 ,
r2 
2  2
2

где
r 
1  r2
ak , k 1 
 2   3 4 ;
r0  2  2
2
r   2
 1 
1
ak , k  n   r0  4 
3 
 4 ;
r4 
2  2
2

ak , k    a  ak , k 1  ak , k  n  ak , k 1  ak , k  n .
(15)
(16)
13
Введем граничные условия и выберем ячейки сетки. Считая, что
экран эквипотенциален  →  , принимаем потенциал точек экрана рав-
 
ным нулю. Для t  0 в направлении оси у B    B , Br  0 . В
этом случае, исходя из (12)
A
 0 , т.е. в соседних с вертикалью узлами

сетки А = const.
С целью разработки научно-обоснованной методики расчета магнитотурботрона типа ЦГСВ общий процесс ее разработки расчленен на разделы, каждый из которых решает конкретно один из вопросов общей методики расчета.
По значениям индукции в сечении магнитопровода вычисляется магнитный поток по уравнениям:
 
 s B ds  Ф
 
l Adl  Ф
или
(17)
По известному напряжению генератора, считая резистивное сопротивление обмотки малым в сравнении с индуктивным, определятся количество витков обмотки магнитопровода, обеспечивающих найденный поток
Ф.
Так, исходя из известной формулы трансформатора
U  W Ф ,
(18)
определяют число витков
W U Ф
(19)

Вычисляют ток обмотки i 
F
и выбирают сечение проводов, задавW
шись плотностью тока в общепринятых пределах.
Определяют резистивное сопротивление обмотки R 
ютЭДС индуктора, а также число витков его обмотки
.
где E   wФ
E  U  RI,
l
s
и уточня-
(20)
Так как XL>>R, то E  U  RI 
(21)
На рис. 5 приведен чертеж, где показаны размеры рассчитанных ячеек
МТТ.
Так как толщина магнитопровода а=20 мм на 10 порядков меньше
среднего диаметра индуктора, равного (по рис. 5) Dср = 915+935 = 1850 ≈
2000 мм, влияние некруглой формы индуктора на магнитное поле не велико. Поэтому для расчета (рис. 5) принят круглый (цилиндрический) магнитопровод r2 0,02 мм, средний радиус которого определяется как средний
2
2
14
радиус вписанной и описанной окружности магнитопровода. При этом погрешность расчета не превышает ±5%, что подтверждается экспериментально.
5°
3
22,5° 0°
30° 2,5°
2
=4
=4
Обмотка фазы А
5°
29
24
Магнитопровод
19
30
Экран
28
23
25
20
= 45
°
18
14
= 45
15
a
13
°
9
10
8
5 4
31
26 21
16
6 31
11
r20  r40  r0  114,375 мм;
r2  r0  2r4  228,75 мм;
r2  r0  2r4  457,5 мм;
r2 20 мм; r0 2r4 915 мм;
r2IV  0,065 мм;
r0IV  0,935 мм; r4IV  20 мм
3
7
2
r0=r40 r20=r4
17
12
22
27
r2=r4
r0
r0
r 2= r 4
r0=r2
r2
r0
r0
r 0+ r 2
Рисунок 5 - К расчету магнитного поля МТТ типа ЦГСВ
Предварительные расчеты подтвердили предположение о том, что
магнитная система индуктора не насыщена в связи с тем, что она разомкнута (имеется ввиду тот случай, что общий магнитопровод МТТ набран
из 12 блоков, в сумме составляющих правильный 12-угольник). В связи с
этим в расчете может быть принята магнитная проницаемость, соответствующая начальному участку кривой намагничивания стали 3413.
В работе принято
 ст   1 
1
1
 280 м
Гн
. При этом, как показал
эксперимент, погрешность расчета не превышает ±5%.При этом МДС обмотки индуктора МТТ
B  r 2  103  0,114375
FI


 1295,5 АВ
2
A3
1,7657227  107
Wф
(22)
15
Тогда на фазу МДС составляет
(23)
Fф  I  Wф  2591 АВ
Магнитный
по рис. 5 составляет
 поток в сечении между точками 24-29
3
(24)
Ф  l Adl  A19  0,5  A24  0,5  1,05  10 Вб
Тогда число витков фазы индуктора в соответствии с (20) составляет
(25)
W U
 Ф  303 .
Ток фазы индуктора МТТ
I ф  FФ
w
 9 A.
(26)
При допустимой плотности тока J=1  2 А
должно быть S  I
J
мм 2
сечение проводника
 4,5 мм 2 . Этому условию удовлетворяет ряд про-
водников сечением в  а  (4,1  1,81)  (4,1  2,26) мм2.
Тогда на длине магнитопровода l  0,455  4  1,82 м поместится
W
l  k зап
 323 витка,
b  kиз
(27)
где kзап = 0,8 – коэффициент заполнения обмотки, kиз = 1,1 – коэффициент,
учитывающий изоляцию провода.
Необходимая
длина
провода
обмотки
фазы
составляет
lпр  wф  20,52  315 м. При этом активное сопротивление обмотки фазы
составит
Rф  R0  315  10 3  1,1 Ом,
(28)
где R0  3,5 Ом
км
сопротивление 1 км провода.
Индуктивное сопротивление обмотки
Х l  Z ф2  R 2  22,2 Ом ,
где сопротивление фазы
Z ф  U  22,23 Ом .
I
Индуктивность фазы L  3,5  10 3 Гн .
(29)
30)
(31)
Коэффициент мощности фазы cosФ  R
 0,05;  ф  87,2 0 .
(32)
Z
Для
повышения
коэффициента
мощности
до
0
cos  к  0,9 ; (  k  25,84 ) необходима емкость конденсатора на одну фазу:
Cф 
Х L  Rф  tgk
 69,82  10 6 Ф.
 Zф
(33)
16
Емкость на три фазы
С3ф  210  10 6 Ф
(34)
До установки конденсатора расчетная мощность 3-х фазного генератора составляет:
полная мощность S  3UIф  5400В·А,
активная мощность P  3Rф I ф  267 Вт,
2
реактивная мощность Q  3 Х L I ф  5395 вар.
После параллельного подключения к фазам индуктора конденсатора
расчетной емкости Сф по (2.51), имеющим емкостное сопротивление
1
Х сф 
 22,810 м, имеем:
 Сф
Активная мощность МТТ Р  267 Вт;
2

U2 
2
  401вар;
Реактивная мощность МТТ Q  3 Х L  I ф 
Хc 

Полная мощность S = 482 В·А
Номинальное значение коэффициента мощности составляет cos  0,55 .
С целью обеспечения защиты обслуживающего персонала от постоянного воздействия магнитным полем во время его работы магнитотурботрона, последний снабжен магнитным экраном, изготовленным из листовой конструкционной стали.
Магнитотурботрон типа ЦГСВ рассчитанный и разработанный с участием автора изготовлен в научно- производственной компании “РИТМ”
(г. Краснодар) и установлен в проблемной научно- исследовательской лаборатории (ПНИЛ) по использованию магнитных полей в онкологии Кубанского государственного медицинского университета (КГМУ). В результате многолетних исследований по использованию вихревого магнитного
поля (ВМП) в терапии злокачественных опухолей [5-11], в частности рака
молочной железы, получен большой опыт рационального применения магнитотерапии, а заодно – и построения магнитотурботрона.
В третьей главе выполнено математическое моделирование индуктора МТТ типа ЦГСВ.
В связи с тем, что МТТ принципиально отличается от широко распространённых и достаточно глубоко изученных электрических машин переменного тока, то рассматриваемый индуктор является предметом самостоятельных исследований как в статических, так и в динамических режимах
работы. В последнем случае имеется ввиду непрерывно изменяющаяся
напряжённость (индукция) магнитного поля в расточке индуктора, а также
непрерывно меняющееся положение пациента, постоянно вращающегося
17
относительно вертикальной оси в течении всего периода процедуры магнитотерапии.
Учтём тот факт, что индуктор МТТ с позиций электромеханики представляет собой статор асинхронной машины и специфичный немагнитный
невращающийся (заторможенный относительно поля индуктора) ротор, в
качестве которого предполагается пациент, расположенный в расточке
статора.
Практически это означает, что индуктор МТТ совместно с пациентом
представляет собой заторможенную (неподвижную) активно-индуктивноёмкостную систему со значительным воздушным зазором между магнитопроводом и пациентом. Причём, активно-индуктивную составляющую
этой системы представляет собой индуктор (статор), а активно-ёмкостную
– пациент.
Исходя из сказанного, представляется, что рациональной системой
для моделирования индуктора совместно с пациентом является неподвижная система координат α-β-γ. Особенностью этой модели является учет параметров пациента введением активного и емкостного сопротивлений.
Заметим, что в отличие от обычных электрических машин обязательно содержащих неподвижный статор и вращающийся ротор, магнитотурботрон содержит лишь один индуктор в виде статора машины переменного
тока, а вместо ротора размещается пациент, в электрическом отношении
п
представляющий собой комбинацию из ёмкости С и активного сопротивп
ления R . При этом обычная электромагнитная связь между первичным и
вторичным контурами в индукторе МТТ отсутствует, что существенно
упрощает его модель. С другой стороны, отсутствие какого-либо электромеханического процесса вращения в индукторе МТТ не требует никакого
преобразования полученной на рис. 6 пространственной электрической
модели магнитотурботрона типа ЦГСВ.
Тогда система дифференциальных уравнений напряжений индуктора,
с учётом его короткозамкнутого контура и активно-ёмкостного характера
тела пациента, примет вид
d и
d ив
; 0  Rив iив 
;  uп  ( Rп  jX п ) iп ;
dt
dt
п
п
п
п
d и
d ив  u   ( R  jX  ) i  ;
и
и и
ив ив
 u   R i  
; 0  R i  
;
п
п
п
п
dt
dt  u  ( R  jX  ) i ;
d и
d ив  и  2f и 1 ;  п  1 об
и
и и
ив ив
,
 u  R i 
;
0  R i 
c
14
мин
dt
dt
 uи  Rи iи 
и
и
и
(35)
где R , R , R – активные сопротивления обмотки индуктора по осям
 ,  ,  . Причём,
Rи  Rи  Rи  R и ;
18
iи , iи , iи – фазные токи обмотки индуктора. Эти токи равны между собой

по величине, но сдвинуты по фазе на угол   2  120 ;
3
и
и
и
  ,   ,   – результирующая потокосцепления фаз индуктора по осям
, ,  ;
Rив , Rив , Rив – активные сопротивления контура короткого замыкания
(вихревых токов) пластин магнитопровода индуктора за счёт его механической обработки;
iив , iив , iив – вихревые токи в индукторе за счёт короткого замыкания пластин при механической обработке индуктора;
 ив ,  ив ,  ив – потокосцепления магнитопровода индуктора, обусловленные контуром короткого замыкания пластин;
uп , u п , uп – напряжение, индуктируемое в теле пациента. Причём
uп  u п  uп .
Rп , Rп , Rп – активные сопротивления тела пациента по осям  ,  ,  .
Причём, R  R  R  const ;
п
п
п
X п , X п , X п – ёмкостные сопротивления тела пациента по осям  ,  ,  .
Причём, X   X   X   const ;
п
п
п
iп , iп , iп – вихревые токи, наводимые в теле пациента;
f и – частота питающего напряжения индуктора.
В связи со сказанным, в нашем случае отпадает необходимость преобразования вращающейся системы координат к заторможенной, что существенно упрощает анализ.
С другой стороны, в работе принято нецелесообразным преобразование трёхфазной системы координат к двухфазной, как это обычно принято.
В нашем случае реализация модели в трёхфазной системе координат существенно проще, чем процесс этого преобразования с последующей реализацией полученной модели и выполнения обратного преобразования координат.
Подставляя выражения потокосцеплений в исходную систему дифференциальных уравнений напряжений индуктора с учётом его короткозамкнутого контура и активно-ёмкостного характера тела пациента, получим
систему дифференциальных уравнений (36).
Полученная система дифференциальных уравнений (316), описывающая равновесие электрических и электромагнитных процессов в индукторе
магнитотурботрона, представляет собой сложную систему электромагнитного равновесия. Её реализация позволят оценить качественно и количе-
19
ственно процессы, происходящие во всех электротехнических элементах
индуктора, а также количественно оценить непосредственно электротехнические процессы в теле пациента.
и
и

diи 1 и di 1 и di
u  R i  L
 M
 M
; 
dt 2
dt 2
dt

и
и
и

di
di
di
1
1
u и  R и iи  L и   M и   M и  ; 
dt 2
dt 2
dt

и
и
и

di
di
di
1
1
uи  R и iи  L и   M и   M и  ; 
dt 2
dt 2
dt

ив
ив 
ив
di
di
di
1
1
0  R ивiив  L ив   M ив   M ив  ;
dt 2
dt 2
dt 
ив
ив
di 1 ив di
1 ив diив 
ив ив
ив
0  R i  L
 M
 M
;
dt 2
dt 2
dt 
ив
ив
di
1 ив diив 1 ив di 
ив ив
ив 
0  R i  L
 M
 M
;
dt 2
dt 2
dt 

uп  ( R п  jX п ) iп ;

п
п
п
п

u   ( R  jX ) i ;

п
п
п
п

u  ( R  jX ) i ;


и
и и
и
(36)
В четвертой главе описан магнитотурботрон с индуктором типа
ЦГСВ и приведены сведения по дальнейшему развитию конструкции МТТ,
включая патент РФ № 2153368, 2000 г. с участием автора.
В проблемной научно-исследовательской лаборатории по использованию магнитных полей в онкологии Кубанского государственного медицинского университета (ПНИЛ КубГМУ) установлены магнитотурботрон
типа ЦГСВ и электромашинный преобразователь частоты, соответствующие всем поставленным требованиям.
Индуктор типа ЦГСВ изготовлен в научно-производственной компании «РИТМ» (г. Краснодар) под авторским надзором разработчиков и длительное время находится в эксплуатации, как отмечалось в главе 1, в
ПНИЛ КубГМУ. О результатах лечебной практики с использованием индуктора типа ЦГСВ можно судить по результатам выживания больных метастазирующим раком молочной железы (рис. 6) и меланомы кожи (рис. 7),
полученным доктором медицинских наук Н.Г. Бахмутским в ПНИЛ
КубГМУ.
20
Рисунок 6 - Выживаемость для всей группы больных метастазирующих
раком молочной железы, леченных ВМП: вся группа (кривая 1) и леченных с эффектом (кривая 2)
Рисунок 7. Выживаемость больных генерализованной формой меланомы
кожи, леченных ВМП: вся группа (кривая 1), леченных с эффектом
(кривая 2)
Анализ выживаемости больных генерализованной формой меланомы
кожи после лечения ВМП (рис. 7) показывает, что трёхлетняя выживаемость по всей группе больных составляет 34,27%, а среди больных, леченным ВМП с эффектом этот показатель составил 41,99%.
Длительность ремиссии в 3 года среди больных, леченных с эффектом, отмечена в 33,64% и, соответственно, среди больных с полной, частичной регрессией и стабилизацией – в 60,00%, 17,94% и 16,44%.
Среди больных, леченных с эффектом, средняя продолжительность
ремиссии составила 36,68 месяца. Продолжительность ремиссии у боль-
21
ных с полной, частичной регрессией и стабилизацией составила 37,7 месяца, 14,84 месяца и 26,80 месяца, соответственно.
Средняя продолжительность жизни по всей группе больных составила
37,17 месяца. У больных с полной, частичной регрессией и стабилизацией
соответствовала 46,0; 10,3; и 24,7 месяцев, соответственно.
Согласно данным доктора медицинских наук Бахмутского Н.Г. с помощью воздействия ВМП на распространённые формы рака молочной железы возможно достижение довольно высокого объективного эффекта на
уровне 80% (7,4% - полных регрессий, 32,4% - частичных; и 42,6% - стабилизация).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате исследований, выполненных в работе, осуществлено
углубление теории и практики расчёта, конструирования и эффективного
использования магнитотурботрона для лечения онкологических заболеваний.
Поставленная в работе цель закономерно вытекает из объективной
необходимости развития теории и практики широкого использования в медицине управляемых вращающихся магнитных полей, как оздоровительного, так и целебного фактора.
На основании выполненных в работе исследований можно сделать
следующие выводы:
1. Изучен мировой опыт лечебно-оздоровительного использования в
медицине общей магнитотерапии и сделана попытка совершенствования
(на уровне изобретения) соответствующих электромагнитных устройств –
индукторов магнитотурботрона, обеспечивающих индуктирование циклически изменяющегося вращающегося магнитного поля, воздействующего
на пациентов, страдающих различными онкологическими заболеваниями.
2. Разработаны геометрическая модель, методика расчёта и опытный
образец индуктора МТТ, обеспечивающего заданную частоту вращения
магнитного поля – 6000 об/мин с циклически плавно изменяющейся амплитудой напряжённости магнитного поля с периодом 120 с и одновременным вращением пациента с угловой скоростью 1/14 об/мин, что полностью соответствует техническому заданию.
3. Разработана полная математическая модель системы: индуктор
МТТ – пациент – контур короткого замыкания листов пакета магнитопровода, позволяющая в динамике исследовать все электромагнитные процессы в индукторе МТТ типа ЦГСВ. Дана математическая интерпретация полученной модели.
4. Рассмотрены перспективные конструкции индукторов индивидуального и группового назначения, выполненные на уровне изобретений,
22
обеспечивающие практически нулевой воздушный зазор между поверхностью индуктора и пациентом любых «геометрических размеров», что существенно повышает эффект магнитного воздействия на пациента при одновременном уменьшении мощности индуктора и преобразователя частоты.
При этом рассмотрены альтернативные варианты преобразователей
частоты.
5. На основании многолетних клинических исследований по магнитотерапии различных онкологических болезней 272 пациентов, пришедших
через ПНИЛ КубГМУ, получены весьма обнадёживающие данные по положительному эффекту воздействия ВМП на онкоопухоли. Так, по данным
доктора медицинских наук Бахмутского Н.Г. получены следующие данные: возможно получение довольно высокого объективного результата на
уровне 80% (7,4% - полных регрессий, 32,4% - частичных и 42,6% - стабилизация), что представляется вполне удовлетворительным.
23
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В
СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
1. Гайтов Б.Х.., Эль Мутаз Б.Т.А.М., Прасько Д.Г. Особенности математического моделирования индуктора магнитотурботрона. Научные труды КубГТУ. – Т.3, вып.1. – Краснодар, 1999. – с. 163-167.
2. Гайтов Б.Х., Эль Мутаз Б.Т.А.М., Прасько Д.Г. Обоснование рациональной конструкции индуктора магнитотурботрона. Научные труды
КубГТУ. Т.3, вып. 1. – Краснодар, 1999. – с. 167-170.
3. Гайтов Б.Х., Эль Мутаз Б.Т.А.М., Прасько Д.Г. Генераторы и фазорегуляторы для повышения эффективности нетрадиционной энергетики.
Сб. материалов Всероссийского Конгресса (ВЭЛК-99). Том 4. – М: 1999, с.
187-188.
4. Гайтов Б.Х., Самородов А.В., Шарифуллин С.Р., Эль Мутаз Б.Т.
А.М. Экспериментальные исследования и установление связи между динамическими показателями и переменными параметрами магнитотурботрона. Научные труды КубГТУ. – Т.3, вып.1 – Краснодар, 1999. – с. 136139.
5. Куценко А.Н., Эль Мутаз Б.Т.А.М. и др. Топливные эмульсии в
электрическом поле. Научные труды КубГТУ. Т.3, вып. 1. – Краснодар,
1999. – с. 205-208.
6. Гайтов Б.Х., Эль Мутаз Б.Т.А.М. и др. Магнитотерапевтическая
установка. Патент РФ № 2153368, 7А 61 N 2/04. 2000 г. Бюл. № 21.
7. Эль Мутаз Б.Т.А.М. Использование магнитотурботрона в пищевой
промышленности. Известия ВУЗов «Пищевая технология», 2006. - № 6, –
с. 102-103.
8. Гайтов Б.Х., Эль Мутаз Б.Т.А.М. Методика расчета индуктора магнитотурботрона. Сб. материалов пятой Всероссийской научной конференции «ВРНК-07», «Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки», том II, Краснодар, 2007.
9. Гайтова Т.Б., Кашин Я.М., Эль Мутаз Б.Т.А.М. Разработка конструкции и математическая модель аксиального индуктора магнитотурботрона.
«Энергосбережение и Водоподготовка», 2008. – №2(52). – с.74-77.
24
Личный вклад автора в работы, опубликованные в соавторстве: [1] –
участие в разработке математической модели, [2] – расчет индуктора, [3] –
обоснование применения фазорегуляторов в нетрадиционной и магнитотерапевтической энергетике, [4] – участие и в проведении и обработка результатов эксперимента, [5] – разработка электрической схемы, [6] – участие в формировании заявки на изобретение, [7] – обоснование применения МТТ в пищевой промышленности, [8] – участие в разработке методики расчета индуктора, авторский надзор при изготовлении МТТ, [9] – участие в разработке математической модели.