CN210575340U - 一种重复脉冲强磁场产生装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种重复脉冲强磁场产生装置，属于强磁场领域。该装置包括磁体线圈和多个独立的电源单元，所述多个独立的电源单元均并联于所述磁体线圈两端；其中，每个电源单元包括供能元件、续流回路和电气开关，所述续流回路与所述供能元件并联后再与所述电气开关串联；所述续流回路包括相互串联的续流电阻和单向导通元件。本实用新型采用多套电源对单一磁体放电方案，通过控制多个电源单元与磁体线圈的连接方式以及电气开关放电时序便可产生重复脉冲强磁场，具有电路拓扑和控制系统简单、磁场波形多样化，磁场极性、磁场强度和重复频率任意可控的优点。
Description
技术领域
本实用新型属于强磁场技术领域，更具体地，涉及一种重复脉冲强磁场产生装置。
背景技术
强磁场在现代科学研究中用于提供极为重要的极端实验条件。国际上一般采用永磁或者超导磁体系统来提供该强磁场，然而永磁体系统必须采用机械运动方式实现磁致冷材料的磁场交替，超导磁体系统存在低温运行条件、失超限制以及造价成本高昂等问题。
脉冲磁场是指利用脉冲电流通过磁体线圈在空间中产生的磁场，流过线圈电流方向决定了磁场波形的极性，间断性地重复对磁体线圈通入脉冲电流将产生重复脉冲磁场。相比于永磁或超导磁体，重复脉冲磁场系统可通过通电的方式控制磁场有无，具有避免永磁体的机械往复运动、同时比超导磁体系统造价成本低、可实现场强高的优点而获得了广泛的研究。其中磁场强度、磁场稳定度和磁场波形重复频率是关键的实验参数。
目前的重复脉冲电磁系统，一般通过设计电源拓扑来控制高电压下的大电流波形而产生重复脉冲磁场波形。例如，武汉国家脉冲实验室以交流电容器为电源，通过对双向反并联晶闸管进行控制，实现了单次放电为正负极性、磁场强度为3T的重复脉冲强磁场。该系统在理论上能量利用率达到最大，但是受充电机功率限制，可实现场强不高，磁场波形重复频率受电源充电时间限制，其极性也只能是正负交替产生。又如，针对中子衍射、磁化等科学实验中所需的重复脉冲强磁场波形，美国国家实验室以脉冲发电机为电源，提供两路电流输入，通过双向反并联晶闸管作为控制开关与电源输入相配合，实现了2Hz的双极性重复脉冲强磁场。但该系统设备控制复杂，系统元件繁多，且由于电路中馈能电感的存在使得其不适用于大电感磁体。
总体而言，目前世界上重复脉冲强磁场装置普遍存在以下几个方面的缺点：(1)电源拓扑或控制系统复杂，建设成本高；(2)电磁装置中磁体电感适用范围受馈能电感限制，产生的磁场强度相对较低；(3)采用一套电源，磁场强度受电源功率限制，重复频率受电源充电时间限制；(4)重复脉冲磁场波形单一。
发明内容
针对现有方案的缺陷，本实用新型提供了一种重复脉冲强磁场产生装置，采用多套电源对单一磁体放电的方案实现重复脉冲磁场，其目的是解决现有系统拓扑和控制系统复杂、电磁装置中磁体电感适用范围受馈能电感限制、磁场强度受电源功率限制、重复频率受电源充电时间限制以及重复磁场波形单一的技术问题。
本实用新型提供了一种重复脉冲强磁场产生装置，该装置包括磁体线圈和多个独立的电源单元，所述多个独立的电源单元均并联于所述磁体线圈两端；
其中，每个电源单元包括供能元件、续流回路和电气开关，所述续流回路与所述供能元件并联后再与所述电气开关串联；所述续流回路包括相互串联的续流电阻和单向导通元件。
进一步地，所述供能元件为电容器，所述单向导通元件为二极管，所述电气开关为可控晶闸管。
进一步地，所述供能元件充电至预设电压，所述预设电压根据波形所需的磁场强度确定。
进一步地，根据预设的磁场波形的极性将多个电源单元的正负极与磁体线圈的接线端连接。
进一步地，按照预设的放电时序对所述电气开关进行控制，所述放电时序根据所需的磁场频率确定。
本实用新型相比于现有技术具有多方面的有益效果：
(1)本发实用新型通过设置多个独立的电源单元，一方面可避免在放电过程中对电源能量补充的过程，从而磁场波形频率不受充电时间限制，磁场强度不受充电机功率限制；另一方面，磁场波形的极性、磁场强度和重复频率任意可控，磁场波形多样化；
(2)每个电源单元的组成相同，构造简单可靠，无须复杂的控制系统；
(3)电源单元中无须使用馈能电感，因此磁体电感的适用范围不受馈能电感限制，可产生较高的磁场强度。
附图说明
图1是一种重复脉冲强磁场产生装置的电路结构示意图。
图2是单极性重复脉冲强磁场仿真波形。
图3(a)、(b)是单极性阶梯型重复脉冲强磁场仿真波形。
图4是双极性重复脉冲强磁场仿真波形。
图5(a)、(b)是双极性阶梯型重复脉冲强磁场仿真波形。
图6(a)、(b)是多样式重复脉冲强磁场仿真波形。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。
图1示出了本实用新型实施例提供的一种重复脉冲强磁场产生装置，为了便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分。
一种重复脉冲强磁场产生装置，包括磁体线圈和多个独立的电源单元CM1、……CMN，L、R分别为磁体线圈的电感和内阻，所述多个独立的电源单元均并联于所述磁体线圈两端；
其中，每个电源单元的基本组成相同，以第一个电源单元CM1为例，包括供能元件C1、续流回路和电气开关S1，所述续流回路与所述供能元件C1并联后再与所述电气开关S1串联；所述续流回路包括相互串联的续流电阻Rd1和单向导通元件D1。
优选地，供能元件C1为电容器，单向导通元件D1为二极管，电气开关S1为可控晶闸管。
现有技术中由于重复脉冲电磁系统的电源部分只包括单个供能元件，例如仅设置一个电容，在该电容放电完毕后，需要立即对其进行再次充电才能进行下一次放电。本实用新型通过设置多个独立的电源单元，在放电之前把所有电容器充满电，一方面可避免在放电过程中对电源能量补充的过程，从而磁场波形频率不受充电时间限制，磁场强度不受充电机功率限制；另一方面，磁场波形的极性、磁场强度和重复频率任意可控，磁场波形多样化。而且，每个电源单元的组成相同，由常规脉冲电源组合而成，不需要专门设计电源系统，构造简单可靠，无须复杂的控制系统；进一步地，电源单元中没有用到馈能电感，因此磁体电感的适用范围不受馈能电感限制。
在本实用新型的实施例中，基于上述重复脉冲强磁场产生装置的磁场产生方法包括如下步骤：
(1)将磁体线圈浸入液氮冷却至77K，通过测量磁体电阻值的变化监测磁体的冷却过程。
(2)根据预设的磁场波形的极性将多个电源单元的正负极与磁体线圈的接线端连接，对每个电源单元中的电容器充电至设定电压。
磁场波形的极性取决于供能元件的电源方向，当电容器模块的正负极进行对调或者将电源与磁体线圈的接线端对调时，波形的极性也就随之改变。此外，磁场强度取决于设定电压的大小，磁场频率由放电时序控制。
在本实用新型的实施例中，根据重复脉冲的频率、磁场强度和磁场波形极性，结合现有的电容器模块的配置和磁体线圈参数，使用matlab的simulink模块仿真确定各个电源单元中电容器的充电电压和触发时间。
(3)按照预设的放电时序控制所述电气开关依次对磁体线圈进行放电。
若多个电源单元与磁体线圈接线端连接方向均一致，将产生如图2所示的单极性重复脉冲强磁场波形；在此基础上调整各个电源模块的预设电压大小，将产生如图3所示的单极性阶梯型脉冲强磁场波形。
若多个电源单元与磁体线圈接线端连接方式为交替方向连接(即正接-反接-正接-反接-……)，将产生如图4所示的双极性高频重复脉冲强磁场波形，在此基础上调整各个电源模块的预设电压大小，将产生如图5所示的双极性阶梯型脉冲强磁场波形。
若多个电源单元与磁体线圈接线端连接方向任意，并根据需要控制放电时间，可产生任意极性及频率的多样化重复脉冲强磁场波形，这里以图6的重复脉冲强磁场的波形举例示意。
调整阶段：每次放电结束后，监测磁体线圈因发热导致的电阻值变化，据此调整每个电源的设定电压。
考虑到磁体线圈的电阻会因磁体发热发生变化，为了避免电阻变化对脉冲电流及磁场强度的影响，监测每次放电结束的磁体线圈因发热导致的电阻值变化，继而调整每个电源的设定电压，可更为精准的实现预设的重复脉冲强磁场波形。
在本实用新型的实施例中，多个并联于磁体线圈两端的电源单元根据预设的磁场波形极性与磁体线圈的接线端连接，然后根据放电时序控制电气开关进行放电，便可产生波形强度、极性、频率任意变换的重复脉冲强磁场。本实用新型提出的重复脉冲强磁场产生装置，具有电源拓扑简单可靠、电磁系统控制简单、磁场波形强度、极性和频率任意可控、磁场频率不受电源充电时间限制、实现磁场场强不受充电功率限制等特点。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种重复脉冲强磁场产生装置，其特征在于，该装置包括磁体线圈和多个独立的电源单元，所述多个独立的电源单元均并联于所述磁体线圈两端；
其中，每个电源单元包括供能元件、续流回路和电气开关，所述续流回路与所述供能元件并联后再与所述电气开关串联；所述续流回路包括相互串联的续流电阻和单向导通元件。
2.如权利要求1所述的重复脉冲强磁场产生装置，其特征在于，所述供能元件为电容器。
3.如权利要求1所述的重复脉冲强磁场产生装置，其特征在于，所述单向导通元件为二极管。
4.如权利要求1所述的重复脉冲强磁场产生装置，其特征在于，所述电气开关为可控晶闸管。
5.如权利要求1-4任一项所述的重复脉冲强磁场产生装置，其特征在于，所述供能元件充电至预设电压，所述预设电压根据波形所需的磁场强度确定。
6.如权利要求1-4任一项所述的重复脉冲强磁场产生装置，其特征在于，根据预设的磁场波形的极性将多个电源单元的正负极与磁体线圈的接线端连接。
7.如权利要求1-4任一项所述的重复脉冲强磁场产生装置，其特征在于，按照预设的放电时序对所述电气开关进行控制，所述放电时序根据所需的磁场频率确定。
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| CN201921855431.0U CN210575340U (zh) | 2019-10-31 | 2019-10-31 | 一种重复脉冲强磁场产生装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113852216A (zh) * | 2021-10-21 | 2021-12-28 | 中国工程物理研究院应用电子学研究所 | 一种高效率重频脉冲磁场系统 |
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