[发明专利]能量可回收的脉冲强磁场产生装置和方法

说明书

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。

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；