一种平顶脉冲磁场产生装置及平顶脉冲电流产生装置

摘要

本发明提供了一种平顶脉冲磁场产生装置及平顶脉冲电流产生装置，其中平顶脉冲磁场产生装置包括变压器，由变压器的原边线圈、第一电容器、第一开关和磁体依次串联构成的第一回路，以及由变压器的副边线圈、第二电容器和第二开关依次串联构成的第二回路；第一回路还包括并联在第一电容器两端的第一续流回路；第二回路还包括并联在第二电容器两端的第二续流回路。第一续流回路包括依次连接在第一电容器两端的第一电阻和第一单向导通元件。第二续流回路包括依次连接在第二电容器两端的第二电阻和第二单向导通元件。本发明通过电压器原副边线圈的耦合作用产生平顶电流/磁场，具有造价低，工艺简单、电路控制便捷、平顶电流/磁场无纹波的特点。

说明书

技术领域

本发明属于强磁场技术领域，更具体地，涉及一种平顶脉冲磁场产生 装置及平顶脉冲电流产生装置。

背景技术

导轨型电磁驱动系统已成为电磁发射领域的热点，采用固体电枢的导 轨型电磁驱动系统在工作过程中，固体电枢的滑行性能与其自身的结构形 状、尺寸、材料特性有关外，还有脉冲电流的输出波形相关。为了使固体 电枢能够承受更高的充放电能量，达到更高的出口速度，电磁发射中应尽 可能按照平顶原则对输出的脉冲电流进行调制。同时，平顶电流也有利于 固体电枢与导轨良好的接触，电枢的滑行性能将表现得更好。

导轨型电磁驱动系统输出的脉冲电流通常由多个单脉冲按照出发时序 叠加而成，其波形的调制是利用脉冲形成网络(PFN)实现的，通过调整 PFN参数来获得不同的输出波形。本发明提出一种产生平顶脉冲电流的新 方案，为电磁驱动系统中脉冲电源的设计提供了一种新方法，也有望运用 于其他需要平顶脉冲电流的场合。

强磁场已成为现代科学研究中一种极为重要的实验条件。除了磁场强 度之外，脉冲波形和磁场稳定度也是关键的实验参数，特别是对于比热测 量、核磁共振等科学实验。因此，平顶脉冲磁场的概念被提出并取得很大 的进展。

脉冲发电机通过整流器对磁体放电是产生平顶脉冲磁场的一种理想电 源，其具有储能大、输出电流波形可通过整流器触发角控制的特点。美国 国家强磁场实验室(NHMFL)采用1430MVA/650MJ的脉冲发电机产生了 不同形状的磁场波形，其中包括60T/100ms的平顶磁场。科学家在此平顶 磁场下进行了比热测量实验，并取得了极好的实验数据。2012年，武汉国 家脉冲强磁场科学中心(筹)的100MVA/100MJ脉冲发电机和配套的整流 器系统投入运行，此系统实现了50T/100ms的平顶磁场。为实现更高稳定 度的磁场，武汉国家脉冲强磁场科学中心(筹)开发了蓄电池型脉冲电源， 通过加入可控的旁路系统，实现了稳定度达100ppm的25T/400ms平顶脉 冲磁场。

虽然脉冲发电机和蓄电池型电源能用于产生平顶脉冲磁场，但是其整 流系统或旁路系统带来的纹波却无法通过滤波器完全消除，部分科学实验 的信号测量会受到这些纹波的干扰；相反，电容器电源放电产生的脉冲波 形是相当平滑的。如果脉冲波形的脉宽很长，那么峰值时刻附近一段时间 内的磁场可看成是近似稳定的。基于此，德累斯顿强磁场实验室(HLD) 开发了电容器电源驱动的60T长脉冲磁体。为了增大磁体的电感从而得到 较大的时间常数，该磁体由26层铜导线绕制而成，装配后磁体总质量超过 1200kg，为了给该磁体供电，使用了高达43MJ的电容储能。目前，此系 统实现了55.2T的峰值磁场，脉宽达1500ms，在约70ms的时间里，磁场 的波动稳定在±1T内。该磁体产生的平顶磁场已运用于比热测量和核磁共 振实验。由于体积庞大，此系统一个显著的缺点是其冷却时间长达8小时。

总体来说，目前世界上的平顶脉冲磁场产生装置有以下几个方面的缺 点：(1)电源系统的建造成本高；(2)磁体的体积庞大、结构复杂，磁体 的冷却时间长；(3)脉冲发电机和蓄电池供电的平顶装置需要复杂的控制 系统。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种平顶脉冲电 流及磁场产生装置，其目的在于产生无纹波的平顶磁场，由此解决产生平 顶脉冲磁场需要脉冲发电机、蓄电池组或高储能电容器等电源，需要设计 和建造体积庞大、结构复杂的磁体等技术问题。

本发明提供了一种平顶脉冲磁场产生装置，包括变压器，由所述变压 器的原边线圈、第一电容器、第一开关和磁体依次串联构成的第一回路， 以及由所述变压器的副边线圈、第二电容器和第二开关依次串联构成的第 二回路。

更进一步地，所述第一回路还包括并联在所述第一电容器两端的第一 续流回路；所述第二回路还包括并联在所述第二电容器两端的第二续流回 路。

更进一步地，所述第一续流回路包括依次连接在所述第一电容器两端 的第一电阻和第一单向导通元件。

更进一步地，所述第一单向导通元件为第一二极管，所述第一二极管 的阴极与所述第一电容器与所述第一开关的连接端连接，所述第一二极管 的阳极通过所述第一电阻与所述第一电容器与所述变压器的连接端连接。

更进一步地，所述第二续流回路包括依次连接在所述第二电容器两端 的第二电阻和第二单向导通元件。

更进一步地，所述第二单向导通元件为第二二极管，所述第二二极管 的阳极与所述第二电容器与所述第二开关的连接端连接，所述第二二极管 的阴极通过所述第二电阻与所述第二电容器与所述变压器的连接端连接。

更进一步地，所述第一回路中第一电流I₁的脉宽大于所述第二回路中 第二电流I₂的脉宽。

更进一步地，所述变压器为空心变压器。

本发明还提供了一种平顶脉冲电流产生装置，包括变压器，由所述变 压器的原边线圈、第一电容器和第一开关依次串联构成的第一回路，以及 由所述变压器的副边线圈、第二电容器和第二开关依次串联构成的第二回 路。

更进一步地，所述第一回路还包括并联在所述第一电容器两端的第一 续流回路；所述第二回路还包括并联在所述第二电容器两端的第二续流回 路。

本发明相比于其他平顶装置，具有以下优点(1)该装置磁体结构简单、 体积小，避免了高储能电源的使用，所以其磁体冷却时间更短、整体造价 更低；(2)装置不需使用整流器、旁路电路或任何有源补偿设备，所以产 生的磁场无纹波，能减少对科学实验信号测量的干扰；(3)由于电容器几 乎是大部分脉冲强磁场实验室的标准配置，且该系统对磁体无额外要求， 因此本装置可在各大脉冲强磁场实验室使用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的平顶脉冲磁场产生装置的整体结构示意图；

图2是本发明实施例提供的放电过程中装置第一回路的等效电路图；

图3是本发明实施例提供的平顶脉冲电流产生装置的整体结构示意图；

图4是本发明实施例提供的平顶脉冲磁场产生装置的电流仿真结果；

图5是本发明实施例提供的平顶脉冲磁场产生装置的磁场测试结果。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。

本发明属于电磁装置，更具体地涉及了一种平顶脉冲磁场产生装置和 平顶脉冲电流产生装置，平顶电流有望运用于电磁驱动系统等需要平顶大 脉冲电流的场合，平顶磁场则可用于核磁共振和比热测量等科学实验。

脉冲磁场是指利用脉冲电流流过线圈绕组在线圈空间产生的磁场，其 脉宽在毫秒至数秒之间，脉冲磁场波形通常只包含不可控的磁场上升阶段 和下降阶段。平顶脉冲磁场则是指通过加入电路控制使得脉冲磁场在一段 时间内维持相对稳定并具有一定稳定度的磁场。

本发明提出了一种产生平顶脉冲电流/磁场的新方法，目的在于产生无 纹波的平顶电流/磁场；其具有造价低，工艺简单、电路控制便捷、平顶电 流/磁场无纹波、可用于常规磁体等特点。

图1示出了本发明实施例提供的平顶脉冲磁场产生装置的结构，为了 便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

平顶脉冲磁场产生装置包括变压器5，由变压器5的原边线圈、第一 电容器3a、第一开关6a和磁体4依次串联构成的第一回路1，以及由变压 器5的副边线圈、第二电容器3b和第二开关6b依次串联构成的第二回路2。

在本发明实施例中，第一回路1还包括并联在第一电容器3a两端的第 一续流回路7a；第二回路2还包括并联在第二电容器3b两端的第二续流回 路7b。

其中，第一续流回路7a包括依次连接在第一电容器3a两端的第一电 阻和第一单向导通元件。作为本发明的一个实施例，第一单向导通元件可 以为第一二极管D1，第一二极管D1的阴极与第一电容器3a与第一开关6a 的连接端连接，第一二极管D1的阳极通过第一电阻与第一电容器3a与变 压器5的连接端连接。

其中，第二续流回路7b包括依次连接在第二电容器3b两端的第二电 阻和第二单向导通元件。作为本发明的一个实施例，第二单向导通元件可 以为第二二极管D2，第二二极管D2的阳极与第二电容器3b与第二开关 6b的连接端连接，第二二极管D2的阴极通过第二电阻与所述第二电容器 3b与变压器5的连接端连接。

在本发明实施例中，第一回路1中第一电流I₁的脉宽大于第二回路2 中第二电流I₂的脉宽。

在本发明实施例中，平顶脉冲磁场产生装置包括两个由变压器原副边 线圈耦合起来的电路；其中第一回路的电流脉宽较长，而第二回路的电流 脉宽较短；其中变压器原边线圈产生的感应电压方向与第一回路电容器电 压方向相反，在第一回路电流上升沿的适当时刻触发第二回路，此时原边 线圈感应电压为正值，第一回路不断增大的电流受到抑制；而在电流的下 降沿，感应电压变为负值，第一回路电流的下降得到补偿；配置合适的电 路参数，使得第一回路的电流在一段时间内保持稳定，从而得到平顶电流/ 磁场。本发明通过电压器原副边线圈的耦合作用产生平顶电流/磁场，具有 造价低，工艺简单、电路控制便捷、平顶电流/磁场无纹波的特点。

在本发明实施例中，根据平顶持续时间，结合现有的电容器规模确定 电容器的配置；再根据平顶磁场强度，使用Matlab的Simulink模块仿真确 定电容器的充电电压和回路的触发时间间隔。

在本发明实施例中，平顶脉冲磁场产生装置采用了空心变压器进行电 路的耦合。空心变压器的结构与双线圈磁体的结构类似，外线圈为原边线 圈，内线圈为副边线圈；或者外线圈为副原边线圈，内线圈为原边线圈； 其具有耦合系数高，承受大电流而电磁力小、温升低的特点，可工作在室 温条件下。

在本发明实施例中，可以采用单个或多个电容器模块，来调整两个回 路电流的脉冲宽度，从而实现特定持续时间的平顶脉冲电流/磁场。

在脉冲强磁场技术中，电容器放电具有速度快，电流大的特点，所以 其放电电流通常认为是不可控的。本发明装置创新地提出通过变压器耦合， 采用电容器放电产生感应电压来调控电容器的放电电流，装置具有下列若 干优点：相比于其他平顶装置，该装置一是磁体结构简单、体积小，避免 了高储能电源的使用，所以其磁体冷却时间更短、整体造价更低；二是装 置不需使用整流器、旁路电路或任何有源补偿设备，所以产生的磁场无纹 波，能减少对科学实验信号测量的干扰；三是由于电容器几乎是大部分脉 冲强磁场实验室的标准配置，且该系统对磁体无额外要求，因此本装置可 在各大脉冲强磁场实验室使用；最后，采用本装置提出的方法，有望产生 60T以上的平顶脉冲磁场。为了更进一步的说明本发明实施例提供的平顶脉 冲磁场产生装置，现参照附图并结合具体实施例详述如下：

如图1所示，本发明由第一回路和第二回路构成，第一回路11包括： 由电容器3a、开关6a、磁体4和变压器5的原边线圈依次串联构成一个回 路以及并联在电容器3a两端的续流回路7a；其中续流回路7a的作用是增 加第一回路中电流I1的脉宽，同时避免电容器3a承受过高的反压；续流回 路7a包括电阻R1和二极管D1，二极管D1的阴极与电容器3a与开关6a 的连接端连接；二极管D1的阳极与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一 端与电容器3a和变压器5的连接端连接。

第二回路12包括：由电容器3b、变压器5的副边线圈和开关6b依次 串联构成的回路以及并联在电容器3b两端的续流回路7b；；其中续流回路 7b的作用是增加第二回路中电流I₂的脉宽，同时避免电容3b承受过高的反 压；续流回路7b包括电阻R2和二极管D2，二极管D2的阳极与电容3b 与变压器5的连接端连接，二极管D2的阴极与电阻R2的一端连接，电阻 R2的另一端与电容3b和开关6b的连接端连接。

第一回路11中电流I₁的脉宽大于第二回路12中电流I₂的脉宽。

电容器3a、3b的容值参数根据需要选择，可以采用多个固定容值的电 容器模块并联；

在本发明实施例中，平顶脉冲磁场产生装置的工作方式如下：

准备阶段：将磁体4浸入液氮冷却至77K，通过测量磁体4的电阻的 阻值变化来监测磁体4的冷却过程；对电容器3a、3b进行充电至设定电压 值。设定电压值是根据待产生的平顶磁场强度来确定。

第一回路11放电：闭合开关6a，电容器组3a对磁体放电，第一回路 11中的电流I1逐渐上升。

第二回路12放电：根据设置的电路触发延时，在第一回路11电流的 上升沿时，闭合开关6b，电容器3b开始放电，第二回路中的电流快速上升， 此时第一回路的等效电路如图2所示。第二回路12中快速上升的电流产生 一个突然增大的磁通，根据楞次定律，第一回路11将产生感应电压阻止磁 通的增大。由于此感应电压方向和电容器3a电压方向相反，因此第一回路 11中电流的上升受到抑制；而在电流的下降沿，感应电压变为负值，第二 回路12下降的电流将补偿第一回路11电流的下降。配置合适的电路参数， 使得第一回路11的电流在一段时间内保持稳定，从而产生平顶电流/磁场。

磁体4冷却：使用恒流源和纳伏表测量磁体放电后的电阻变化，监测 磁体的冷却过程。在磁体冷却至77K后，根据电流/磁场测量结果调整电容 器组的充电电压和电路的触发延时，得到理想的平顶电流/磁场。

本发明通过测量磁体放电后的电阻变化，监测磁体的冷却过程，从而 保证各次实验前磁体的初始状态一致。

本发明还提供了一种平顶脉冲电流产生装置，如图3所示，平顶脉冲 电流产生装置包括变压器5，由变压器5的原边线圈、第一电容器3a和第 一开关6a依次串联构成的第一回路21，以及由所述变压器5的副边线圈、 第二电容器3b和第二开关6b依次串联构成的第二回路22。

作为本发明的一个实施例，第一回路21还包括并联在所述第一电容器 3a两端的第一续流回路7a；所述第二回路22还包括并联在所述第二电容器 3b两端的第二续流回路7b。

本发明提供的平顶脉冲电流产生装置与上述平顶脉冲磁场产生装置相 比，在第一回路中缺少了磁体4，其它都没变，因此在此不再赘述。

本发明提供的平顶脉冲电流产生装置产生的平顶电流要比脉冲形成网 络(PFN)产生的电流稳定度更高，因此可达到更高的出口速度、更好的电 枢滑行性能。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的平顶脉冲磁场产生装置能够 产生无纹波的平顶磁场，现通过实例详述如下：

第一回路11：电容器3a的容值为22.4mF、续流电阻R1的阻值为0.04 Ω、磁体4的电感值3.49mH、磁体4的电阻值为49.6mΩ(77K)/223.2mΩ (300K)、磁体4的磁场电流比377A/T、线路电感0.2mH、线路电阻20mΩ。

第二回路12：电容器3b的容值为12.8mF、续流电阻R2的阻值为0.08 Ω、线路电感0.2mH、线路电阻20mΩ。

变压器5：原边线圈的阻值为34.78mΩ、原边线圈的电感值为1.59mH、 副边线圈的电阻值为37mΩ、副边线圈的电感值为1.81mH、互感值为1.60 mH。

仿真得到的回路电流及磁场测试结果见图4、图5。如图4所示，在无 第二回路12的作用时，第一回路11中的电流I₁为典型的脉冲波形，包含 上升和下降两个阶段；而在设定的延时时刻触发第二回路12后，第一回路 11中的电流I₁将包含一个持续时间7ms左右的平顶阶段。图5所示是测量 得到的不同磁场强度下的平顶脉冲磁场波形。以41.4T的平顶磁场为例， 仿真得到的电容器3a、3b的充电电压分别为10.58kV、5.8kV，触发延时 为8.78ms；实际测试中电容器3a、3b的充电电压分别为10.58kV、6.17kV， 触发延时为8.6ms，对比可以看到仿真数据和测试结果吻合的很好。本装 置采用Simulink仿真为实验测试提供电容器充电电压和触发延时这两个关 键参数，可以有效地减少实验次数，相比于采用脉冲发电机和蓄电池供电 的平顶装置，本装置具有结构简单、无需额外控制系统的优点。

本发明通过仿真模拟，为两个回路选取合适的电源模块配置，保证两 个回路的时间常数匹配，使装置可用于不同的脉冲磁体或者其他负载。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。