专利名称：脉冲磁场产生装置的制作方法
技术领域：
本发明属于脉冲强磁场装置，特别涉及一种产生高稳定度的脉冲平 顶磁场的装置。
背景技术：
强磁场为现代科学研究提供极端实验条件，是重要的科学实验平台。 强磁场分为脉冲强磁场和稳态强磁场。脉冲强磁场可以提供更高强度的 磁场，更能满足某些科学实验对高强磁场的要求。但普通的脉冲磁场是
时变的，而有些科学实验，如核磁共振(NMR)等，要求在一段时间内有 较稳定的磁场。为此，科学家们提出了脉冲平顶磁场，希望它的磁感应 强度较高且能在一段时间内稳定。
美国国家强磁场实验室(NHMFL)脉冲发电机通过三组整流器同时对 三线圈磁体供电，实现了 60T/100ms的平顶磁场。如图1所示，脉冲发 电机容量为1430MVA,可释放出650MJ的电能。先由原动力拖动脉冲发 电机至额定转速1800rpm，将电能转化为机械能存储。然后脉冲发电机工 作在发电状态，将机械能转化为电能。脉冲发电机通过24kV的母线和五 个64MW (87.6MVA)电源转换模块对磁体供电。每个电源转换模块变 压器和整流桥组成的12脉冲可控整流桥。图l中RS为反向开关，以满 足科学实验要求的磁场反向。
如图1和图2，磁体是由三组线圈构成的混合磁体第一组有1-5号 线圈，第二组有6-7号线圈组成，第三组有8-9号线圈。首先对最外层的 第三组线圈供电产生14T磁场，它需要的能量较大，所以使用两个个电 源转换模块供电，其磁场波形如图3中"线圈组3";然后，对第二组线
圈供电产生18T磁场，它需要的能量也较大，使用两个个电源转换模块 供电，其磁场波形如图3中"线圈组2";最后，对第一组线圈供电产生
28T磁场，它位于内层，需要的能量较小，所以只使用一个电源转换模块 供电，其磁场波形如图3中"线圈组1"。最终三组线圈可叠加产生 60T/100ms的脉冲平顶磁场。
这种方案需要大容量的脉冲发电机、5组大功率12脉冲整流桥，还 需要制造9线圈组成的脉冲磁体，总体造价很高。另外磁场总的脉宽达2 秒，而60T的磁场只有100ms的时间，上升时间和下降时间都很长，而 平顶部分纹波也较大，总的来说，波形质量不高。
发明内容
本发明提出一种脉冲磁场产生装置，目的在于产生高质量的平顶磁 场波形，良好的磁场稳定度和相对较低的系统造价，以满足核磁共振等 科学实验的要求。
本发明的脉冲磁场产生装置，包括磁体、直流电源和去耦变压器， 其特征在于
所述磁体由内线圈和外线圈组成；所述直流电源包括电容器组、脉 冲发电机电源和可控直流电源；
电容器组依次与晶闸管主开关、去耦变压器一次侧、内线圈串联构 成主磁场回路；续流二极管与电容器组并联，保护电容器组；
脉冲发电机电源通过第一断路开关依次与去耦变压器二次侧、外线 圈串联构成辅磁场回路；电阻和二极管串联，再依次与去耦变压器二次 侧、外线圈串联构成辅磁场续流回路；
可控直流电源通过第二断路开关依次与去耦变压器二次侧、外线圈 串联构成磁场补偿回路。
所述的脉冲磁场产生装置，其特征在于
所述脉冲发电机电源由主电路和控制部分组成，所述主电路包括依 次电信号连接的脉冲发电机、电机开关、12脉波整流变压器和12脉波整
流桥；
所述控制部分由PID控制器和误差比较器串联组成，主、辅磁场的 叠加磁场信号与参考信号通过误差比较器比较，送入PID控制器，得到 触发角控制信号，送到所述12脉波整流桥进行控制。
所述的脉冲磁场产生装置，其特征在于-
所述可控直流电源由主电路和控制部分组成，所述主电路包括依次 电信号连接的三相不控整流桥、输入滤波器、IGBT逆变全桥、高频变压 器、高频整流桥和输出滤波器；
所述控制部分由误差比较器、PID控制器和IGBT驱动器串联组成， 主、辅磁场的叠加磁场信号与参考信号通过误差比较器比较，送入PID 控制器，得到IGBT控制信号，由所述IGBT驱动器放大后，送到所述IGBT 逆变全桥进行控制。
本发明使用了由内线圈和外线圈构成磁体实现脉冲平顶磁场，还使 用了去耦变压器抵消两线圈间的相互影响；使用电容器组作为高压脉冲 电源产生主磁场，所以主磁场的上升速度快；使用可控的大容量脉冲发 电机电源作为辅磁场的电源，能保证叠加磁场达到目标的脉冲平顶磁场； 采用可控直流电源作为补偿电源补偿脉冲平顶磁场，提高脉冲平顶磁场 的稳定度(纹波水平)。
本发明提出的脉冲强磁场装置可以实现上升沿快、顶部稳定度高的 磁场，同时可以大大减少整个系统的造价。
图1为美国国家强磁场实验室实现平顶磁场装置的电路图； 图中标记励磁器E，断路器Br，脉冲发电机GE，限流保护器F， 驱动器D，电抗器X，电源变换模块PM，续流开关CB，反相开关RS， 隔离开关S， 12脉波整流变压器TM， 12脉波整流桥TB，第一磁体线圈 组G1包括5个线圈、第二磁体线圈组G2包括2个线圈、第三磁体线圈 组G3包括2个线圈。
图2为图1的装置实现的60T/100ms平顶磁场波形； 图中标记线圈组G1 (最外层)产生磁场波形l,线圈组G2产生磁 场波形2，线圈组G3(最内层)产生磁场波形3，三组线圈的叠加磁场为波 形4。
图3为本发明原理电路示意图中标记续流二极管D^电容器组d、脉冲发电机电源G、可控 直流电源V、第一断路开关Sp第二断路开关S2、晶闸管主开关T,、 二 极管D2、电阻112、去耦变压器M、内线圈Li、流经L,的电流心、外线 圈L2、流经L2的电流z'2、内外线圈Li、 L2之间的互感K。
图4为图3中脉冲发电机电源G的详图中标记脉冲发电机Ge，电机开关S， 12脉波整流变压器TM， 12脉波整流桥TB，第一断路开关S1;测得叠加磁场信号5，参考信号 &e/。误差比较器Er， PID控制器PID，触发角信号a。
图5为图3中可控直流电源V的详图中标记电网电源AC 380V，三相不控整流桥DQp输入滤波器 LBp IGBT逆变全桥GQ，高频变压器T，高频整流桥DQ2，输出滤波 器LB2，第二断路开关S2;测得磁感应强度万，目标脉冲平顶磁感应强度 5<。误差比较器Er， PID控制器PID， IGBT开关的驱动器Dr。
图6为本发明实现的脉冲平顶磁场波形示意图中标记主磁场B,，辅磁场B2，叠加磁场Bo。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明进一步说明。
如图3所示，本发明中，电容器组d依次与晶闸管主开关^、去耦
变压器M—次侧、内线圈L！串联构成主磁场回路；续流二极管Di与电 容器组C,并联，保护电容器组Q;
脉冲发电机电源G通过第一断路开关S！依次与去耦变压器M 二次
侧、外线圈L2串联构成辅磁场回路；电阻R2和二极管D2串联，再依次 与去耦变压器M 二次侧、外线圈L2串联构成辅磁场续流回路；
可控直流电源V通过第二断路开关S2依次与去耦变压器M 二次侧、 外线圈L2串联构成磁场补偿回路。
内线圈Li为主磁体，提供主磁场；外线圈L2为辅磁体，提供辅磁场。 内线圈"由电容器组d供电，它提供的磁场波形为图6中"B,;外线
圈L2由脉冲发电机电源G供电，提供磁场波形如图6中"B2"。主磁场是 不控的，辅磁场通过反馈控制脉冲发电机电源G中的12脉波整流桥的触 发角来输出电压实现，主辅磁场叠加的结果如图6中"Bo"。
由于内外线圈中存在互感K，电路中加入了去耦变压器M以抵消内 外线圈间的相互影响。电路中还引入一个可控直流电源V，它的作用是 补偿顶部纹波，提高磁场的稳定度，也是采用反馈控制的。
如图4所示，脉冲发电机电源由主电路和控制部分组成，主电路包 括依次电信号连接的脉冲发电机GE、电机开关S、 12脉波整流变压器TM 和12脉波整流桥TB;
控制部分由PID控制器PID和误差比较器Er串联组成，主、辅磁场 的叠加磁场信号^与参考信号B^通过误差比较器比较，送入PID控制器， 得到触发角信号a，送到所述12脉波整流桥进行控制。
如图5所示，可控直流电源V由主电路和控制部分组成，主电路包括依次电信号连接的三相不控整流桥DQ!、输入滤波器LBh IGBT逆变 全桥GQ、高频变压器T、高频整流桥DQ2和输出滤波器LB2;
控制部分由误差比较器Er、 PID控制器PID和IGBT驱动器Dr串联 组成，主、辅磁场的叠加磁场信号B与参考信号Bref通过误差比较器比较， 送入PID控制器，得到IGBT控制信号，由所述IGBT驱动器Dr放大后， 送到所述IGBT逆变全桥GQ进行控制。
以实现磁场感应强度为40T，平顶宽度50ms的磁场为例，计算出系 统各元件参数
内线圈L1:内孔径20mm，外直径120mm，高度200mm。采用填充 因子为0.8、截面为5mmX8mm扁铜线绕制，分为10层，每层25匝。 线圈电感为863.5nH， 77K时线圈电阻为3.7mouh，放电完成后电阻为14 mQ。
外线圈L2采用1.3mmX200mm (其中铜厚lmm、绝缘厚0.3mm)的 铜皮绕制，外线圈L2包裹内线圈L1，所以外线圈L2内孔径为120mm， 共绕30层，外线圈L2外直径为198mm。外线圈L2电感为66.3mH， 77K 电阻为0.16 mQ，放电完成后电阻为0.17 mQ。内外线圈间的互感为 148.4)uH。内外线圈都浸入液氮(温度为77K)中。
为抵消内外线圈间148.4uH的互感，去耦变压器M—、 二次侧的互 感应为-148.4uH ("-"表示互感方向与内外线圈互感相反)。
3.2mF的电容器组G充电至15kV后放电，在内线圈中产生图6 中波形Bp磁场峰值为40T。控制系统检测Bp当Bi达到峰值时，容量 为500V/160kA的脉冲发电机电源G投入工作；脉冲发电机电源G的控 制部分采集内外线圈叠加场信号B，反馈控制脉冲发电机的输出电压， 使辅磁场波形如图6中波形B2。最后叠加场Bo达到脉冲平顶的要求。
权利要求
1. 一种脉冲磁场产生装置，包括磁体、直流电源和去耦变压器，其特征在于所述磁体由内线圈和外线圈组成；所述直流电源包括电容器组、脉冲发电机电源和可控直流电源；电容器组依次与晶闸管主开关、去耦变压器一次侧、内线圈串联构成主磁场回路；续流二极管与电容器组并联，保护电容器组；脉冲发电机电源通过第一断路开关依次与去耦变压器二次侧、外线圈串联构成辅磁场回路；电阻和二极管串联，再依次与去耦变压器二次侧、外线圈串联构成辅磁场续流回路；可控直流电源通过第二断路开关依次与去耦变压器二次侧、外线圈串联构成磁场补偿回路。
2. 如权利要求1所述的脉冲磁场产生装置，其特征在于 所述脉冲发电机电源由主电路和控制部分组成，所述主电路包括依次电信号连接的脉冲发电机、电机开关、12脉波整流变压器和12脉波整 流桥；所述控制部分由PID控制器和误差比较器串联组成，主、辅磁场的 叠加磁场信号与参考信号通过误差比较器比较，送入PID控制器，得到 触发角控制信号，送到所述12脉波整流桥进行控制。
3. 如权利要求1或2所述的脉冲磁场产生装置，其特征在于 所述可控直流电源由主电路和控制部分组成，所述主电路包括依次电信号连接的三相不控整流桥、输入滤波器、IGBT逆变全桥、高频变压 器、高频整流桥和输出滤波器； 所述控制部分由误差比较器、PID控制器和IGBT驱动器串联组成， 主、辅磁场的叠加磁场信号与参考信号通过误差比较器比较，送入PID 控制器，得到IGBT控制信号，由所述IGBT驱动器放大后，送到所述IGBT 逆变全桥进行控制。
全文摘要
脉冲磁场产生装置，属于脉冲强磁场装置，目的在于产生高质量的平顶磁场波形，良好的磁场稳定度和相对较低的系统造价，以满足核磁共振等科学实验的要求。本发明中电容器组依次与晶闸管主开关、去耦变压器一次侧、内线圈串联构成主磁场回路；续流二极管与电容器组并联，保护电容器组；脉冲发电机电源通过第一断路开关依次与去耦变压器二次侧、外线圈串联构成辅磁场回路；电阻和二极管串联，再依次与去耦变压器二次侧、外线圈串联构成辅磁场续流回路；可控直流电源通过第二断路开关依次与去耦变压器二次侧、外线圈串联构成磁场补偿回路。本发明可以实现上升沿快、顶部稳定度高的磁场，同时可以大大减少整个系统的造价。
文档编号G01R33/38GK101387694SQ20081004823
公开日2009年3月18日 申请日期2008年6月27日 优先权日2008年6月27日
发明者亮 李, 垣 潘, 肖后秀 申请人:华中科技大学