阅读说明：本技术 能量可回收的脉冲强磁场产生装置和方法 (Energy-recoverable pulse strong magnetic field generating device and method ) 是由 彭涛 李亮 江山 王爽 于 2019-11-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种能量可回收的脉冲强磁场产生装置和方法,属于强磁场技术领域。该装置包括主放电回路、变压器放电回路、续流回路和充电回路；所述主放电回路包括串联连接的第一储能元件、第一开关、第一单向导通元件和磁体线圈；所述充电回路包括串联连接的第二储能元件、换能变压器原边线圈、第二开关和第二单向导通元件；所述变压器放电回路和所述续流回路并联在所述第一储能元件两端；所述变压器放电回路包括串联连接的换能变压器副边线圈和第三单向导通元件,所述续流回路包括串联连接的第三开关和第四单向导通元件。本发明通过换能变压器的耦合作用,实现了脉冲强磁场产生过程中的能量回收,具有减少磁体发热、能量重复利用的特点。(The invention discloses a pulse high-intensity magnetic field generating device and method capable of recycling energy, and belongs to the technical field of high-intensity magnetic fields. The device comprises a main discharging loop, a transformer discharging loop, a follow current loop and a charging loop; the main discharge loop comprises a first energy storage element, a first switch, a first one-way conduction element and a magnet coil which are connected in series; the charging loop comprises a second energy storage element, a primary coil of the transduction transformer, a second switch and a second one-way conduction element which are connected in series; the transformer discharging loop and the follow current loop are connected in parallel at two ends of the first energy storage element; the transformer discharging loop comprises a secondary side coil of the transduction transformer and a third one-way conduction element which are connected in series, and the follow current loop comprises a third switch and a fourth one-way conduction element which are connected in series. The invention realizes the energy recovery in the process of generating the pulse high-intensity magnetic field through the coupling action of the energy conversion transformer, and has the characteristics of reducing the heating of the magnet and recycling the energy.)

能量可回收的脉冲强磁场产生装置和方法

技术领域

本发明属于强磁场技术领域，更具体地，涉及一种能量可回收的脉冲强磁场产生装置和方法。

背景技术

脉冲强磁场作为现代科学实验最有效的工具之一，为产生新技术、提出新概念提供了很多科学机遇。脉冲强磁场是指将大能量瞬间释放到磁体线圈产生脉冲电流在空间形成的磁场，因此在产生脉冲强磁场过程中对能量采取不同的处理方式将得到不同的磁场波形，进而对试验结果将产生不同的影响。

在电磁成形应用中，磁场波形将直接影响到成形试件中的感应涡流，对于这种以试件中感应涡流和空间中的脉冲强磁场相互作用形成的电磁力为驱动力的成形方式的成形效果有直接影响。目前，国内外均采用电容器作为电源对线圈放电获得大变化率的脉冲电流波形，该电流波形为衰减震荡波形，如图1虚线所示。然而感应涡流的大小主要取决于脉冲电流的上升阶段，电流的衰减震荡阶段反而增强了试件的回弹和起皱程度。武汉脉冲强磁场国家实验室率先在电路中增加了续流回路解决了上述问题，然而与此同时会使电流波形的脉宽增加，如图1点线所示，导致磁体线圈的发热在电流第一个震荡周期内加剧，降低了磁体性能。

在不改变脉冲磁场波形的情况下，对电磁能量的回收和重复利用是实现重复脉冲强磁场的关键技术。重复脉冲强磁场作为现代科学研究中的一种极为重要的实验条件，在中子衍射、磁化等基础科学研究中运用广泛。美国国家脉冲强磁场实验室在电源拓扑结构设计中引入馈能电感，虽然实现了能量的重复利用，产生了2Hz的重复脉冲强磁场，但仍然存在磁体负载电感受限于馈能电感，磁场重复频率受限于充电功率的问题。为此，武汉国家脉冲强磁场实验室通过多套电源装置的并联使用，采用控制放电时序的方式实现了50Hz的高频重复脉冲强磁场，但是重复脉冲次数受限于电源装置的配置个数，相对造价成本较高。

总体而言，现有的脉冲强磁场产生装置存在对能量处理的方式单一、能量耗损大、利用效率低经济性差的缺点。在不同的应用场合下，也存在着不同的缺点：在电磁成形技术中，现有装置产生的电流波形存在加剧试件在成形过程中回弹和起皱的现象；在重复脉冲强磁场技术中，存在重复脉冲个数受限于电源配置个数，建设成本高的缺点。

本发明提出了一种能量可回收的脉冲强磁场产生装置和方法，可以在不改变电流波形的上升阶段和脉宽的情况下消除电流波形的震荡阶段，运用于电磁成形技术可以改善试件的回弹和起皱现象。同时由于该装置在形成脉冲磁场波形的过程中实现了能量的回收，有望解决重复脉冲次数受限于电源装置的配置个数的技术难题。

发明内容

针对现有的技术的以上缺陷或者改进需求，本发明提供了一种能量可回收的脉冲强磁场产生装置及方法，旨在解决现有脉冲强磁场中的能量回收利用问题，降低能量损耗，并改善脉冲磁场波形。

为实现上述目的，本发明提供了一种能量可回收的脉冲强磁场产生装置，该装置包括主放电回路、变压器放电回路、续流回路和充电回路；

所述主放电回路包括串联连接的第一储能元件、第一开关、第一单向导通元件和磁体线圈；

所述充电回路包括串联连接的第二储能元件、换能变压器原边线圈、第二开关和第二单向导通元件；

所述变压器放电回路和所述续流回路并联在所述第一储能元件两端；其中，所述变压器放电回路包括串联连接的换能变压器副边线圈和第三单向导通元件，所述续流回路包括串联连接的第三开关和第四单向导通元件。

进一步地，所述储能元件为电容，所述单向导通元件为二极管。

本发明还提供了一种基于上述脉冲强磁场产生装置的磁场产生方法，包括如下步骤：

将第一储能元件充电至预设电压值；

闭合第一开关和第二开关，第一储能元件开始放电，放电电流流经磁体线圈后再流回至第一储能元件对其反向充电；第一次放电完毕后，第一储能元件的反向放电电流经过所述变压器放电回路，对变压器副边线圈进行反向放电，此时续流回路的第三开关导通；

当对变压器副边线圈进行反向放电时，通过换能变压器的耦合作用在所述充电回路中生成感应电流，对第二储能元件进行充电，直至充电过程结束。

进一步地，所述预设电压值根据所需的脉冲磁场强度确定。

进一步地，所述磁场产生方法，应用于电磁成形。

进一步地，所述磁场产生方法，应用于重复脉冲强磁场的生成。

本发明采用换能变压器实现了脉冲强磁场下的能量回收，具有减少损耗、提升能量利用率、减少磁体线圈发热的优点，同时在许多应用场合有独特的优势：

在电磁成形技术领域，本发明相比于其它电路结构，磁体线圈电流上升阶段波形保持不变，不会影响感应涡流大小，同时由于不存在电流震荡衰减阶段，试件回弹和起皱情况得到改善，磁体线圈发热量减少，磁体线圈性能得到保证；

在重复脉冲强磁场领域，本发明由于采用双电源对单一磁体放电，改善了磁场重复频率受充电时间限制的问题，同时进行能量回收，重复脉冲次数将不再受限于电源装置的配置个数。

附图说明

图1是在电磁成形中不同磁场装置的波形对比示意图。

图2是本发明实施例提供的一种能量可回收脉冲强磁场产生装置的结构示意图。

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。

图2示出了本发明实施例提供的一种能量可回收的脉冲强磁场产生装置，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的电路部分。

该装置包括主放电回路、变压器放电回路、续流回路和充电回路；

主放电回路依次串联的第一电容C1、第一开关S1、第一二极管D1、磁体线圈，磁体线圈的电感和内阻分别记作L和R1；

充电回路包括依次串联的第二电容C2、换能变压器原边线圈、第二开关S2和第二二极管D2，充电回路通过换能变压器实现与主放电回路的耦合；

变压器放电回路和续流回路并联在第一电容C1两端；其中，变压器放电回路包括依次串联的换能变压器副边线圈和第三二极管D3，续流回路包括依次串联的第三开关S3和第四二极管D4。

其中，电容可替换为其他实现相同功能的储能元件用作电源，二极管可替换成其他实现相同功能的单向导通元件。

在本发明的实施例中，在续流回路断开的情况下，第一电容经过主放电回路对磁体线圈进行放电，产生脉冲磁场波形，随后第一电容反向充电完成后对换能变压器进行放电，此时，续流回路导通，变压器放电回路将通过换能变压器实现对第二电容的充电，完成能量回收的过程。本发明通过换能变压器的耦合作用实现脉冲强磁场下的能量回收，为电磁成形和重复脉冲电磁系统设计提供了新的思路。

在本发明实施例中，基于上述能量可回收的脉冲强磁场产生装置的磁场产生方法包括如下步骤：

准备阶段：对第一电容C1进行充电至预设电压值，该预设电压值根据所需磁场强度而定。

放电阶段：闭合第一开关S1和第二开关S2，第一电容C1开始放电，电流依次经过第一开关S1、第一二极管D1和磁体线圈，产生脉冲磁场，放电电流流过磁体线圈以后回到第一电容C1，对第一电容C1进行反向充电。第一次放电完毕后，第一电容C1的反向放电电流经过变压器放电回路，对变压器副边线圈进行反向放电，由于第一二极管D1的作用不再流过磁体线圈，此时续流回路的第三开关S3导通。

充电阶段：当对变压器副边线圈进行反向放电时，通过换能变压器的耦合作用，感应电流经过换能变压器的原边线圈、第二二极管D2、第二开关S2，对第二电容C2进行充电，直至充电过程结束，产生如图1所示的实线波形。

图1示出了现有的电磁系统中磁体线圈电流波形、本发明实施例中磁体线圈电流波形以及能量回收至第二电容C2后的充电电压波形图，从图中可见，与现有的电磁系统中的相比，流过磁体线圈的电流不存在衰减震荡部分，而且电流波形的脉宽也没有发生明显增加，因此可以运用于电磁成形技术中，改变磁体线圈中的电流波形，进而改善在现有装置中电磁成形过程中试件回弹和起皱的现象，同时减少磁体线圈的发热，延长其使用寿命。

本发明实现能量的回收和重复利用，可应用于优化重复脉冲产生装置。在武汉国家脉冲强磁场实验室提出的重复脉冲强磁场实现方式中，所产生重复脉冲的频率高但重复脉冲个数取决于电源装置个数，一个电源装置在一次实验中只能产生一个单脉冲波形，因此存在高频重复脉冲的连续性受限的问题。本发明所提供的能量可回收脉冲强磁场装置可以实现不同电源之间的能量回收利用，利用不同电容之间的相互协调对能量进行回收，有望解决上述装置中的波形连续性问题，从而提高重复脉冲频率并突破重复脉冲个数受限于电源装置配置个数的问题。

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。