一种用于真空电弧实验的均匀磁场产生与调控系统及方法与流程

本发明涉及一种均匀磁场产生与调控的系统及方法，具体涉及一种用于真空电弧实验的均匀磁场产生与调控系统及方法。

背景技术：

近年来，随着我国经济发展对电力需求的急剧膨胀，电网向着高电压、大容量的方向不断发展，对于电力系统的安全可靠运行出了更大的挑战。作为电力系统中最关键的电力设备之一，真空开关以其无污染、重量轻、体积小、于维护、使用寿命长且没有爆炸危险等优点，在电力系统中得到了广泛应用。目前，我国的中压电力系统基本上都是采用真空开关来开断电流，真空开关的正常运行对于提高电力系统的可靠性，保障工作人员的安全等方面起着决定行作用。由于真空开关在开断电流时产生的电弧等离子体完全是由电极材料的蒸发和电离形成的，因此电极过程对电弧特性具有决定性的影响，而电极过程内部的物理机制非常复杂，经过很多年的发展，在一些方面还没有形成统一的认识。其中阴极斑点区域作为真空电弧等离子体与阴极表面之间直接作用的区域，其物理过程非常复杂，而且其物理特性受到很多因素的影响，尤其是外部磁场的影响。因此，外部磁场作用下的真空电弧阴极斑点特性是目前的研究热点。

磁场被广泛用来控制真空开关中的真空电弧以提高其开断能力，其中纵向磁场在真空开关中的应用最为广泛。研究表明，在开断短路电流期间，能够有效地使大电流真空电弧保持在扩散态所需的临界纵向磁场约为3～4mT/kA。目前利用装有纵磁触头的真空开关开断短路电流的瞬时值可以达到100kA。为了尽可能地为真空开关中的大电流真空电弧的研究提供充分的理论基础，在目前有关磁场中的真空电弧阴极斑点特性实验研究中外部磁场需要达到300mT左右。

线圈在真空电弧实验中的应用非常广泛，目前大部分的真空电弧实验研究都是利用线圈在电极之间生成实验所需的不同方向的均匀磁场，但纵向磁场线圈和横向磁场线圈需要单独供电，如果采用直流源对线圈供电，则需要两台额定电流很大(百安培)的直流源，这不仅大大增加了实验成本，而且两台直流源的占地也比较大。同时，线圈通电时存在发热的问题，这使得实验中线圈的通电时间不宜过长，否者过高的温升会使得线圈产气，降低真空灭弧室内的真空度，影响实验的进行。此外，在该方案中，横向磁场线圈位于纵向磁场线圈的外围，这种配置使得横向磁场线圈尺寸较大，增加了在真空灭弧室内安装两对线圈的难度。

除了线圈，永磁体也是生成磁场的重要来源。目前，在真空电弧的实验中，还没有研究者利用永磁体在电极之间生成大小和方向均可调节的外部磁场。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种用于真空电弧实验的均匀磁场产生与调控系统及方法，该系统及方法能够利用永磁体在阳极与阴极之间产生大小及方向可调的磁场。

为达到上述目的，本发明所述的用于真空电弧实验的均匀磁场产生与调控系统包括上位机、第一导轨、第二导轨、第一移动手臂、第二移动手臂、第一永磁体、第二永磁体、用于驱动第一移动手臂在第一导轨上移动的第一电机、用于驱动第二移动手臂在第二导轨上移动的第二电机、用于驱动第一永磁体转动的第三电机、以及用于驱动第二永磁体转动的第四电机，第一移动手臂的一端与第一导轨相配合，第二移动手臂的一端与第二导轨相配合，第一永磁体与第一移动手臂另一端的侧面相连接，第二永磁体与第二移动手臂另一端的侧面相连接，且第一永磁体正对第二永磁体，第一永磁体与第二永磁体的尺寸相同，第一永磁体与第二永磁体的磁化强度及磁化方向均相同，第一电机的控制端、第二电机的控制端、第三电机的控制端及第四电机的控制端均与上位机的输出端相连接；

真空电弧实验时，真空电弧实验中的电极位于第一永磁体与第二永磁体的中间位置。

第一导轨上及第二导轨上均设有刻度。

还包括第一永磁体托盘，第一永磁体固定于第一永磁体托盘的一侧面上，第三电机固定于第一移动手臂端部的侧面，第三电机的输出轴与第一永磁体托盘的另一侧面相连接。

还包括第二永磁体托盘，第二永磁体固定于第二永磁体托盘的一侧面上，第四电机固定于第二移动手臂端部的侧面，第四电机的输出轴与第二永磁体托盘的另一侧面相连接。

本发明所述的用于真空电弧实验的均匀磁场产生与调控方法包括以下步骤：

上位机通过第一电机及第二电机调节第一移动手臂及第二移动手臂在第一导轨及第二导轨上的位置，再测量第一移动手臂及第二移动手臂在第一导轨及第二导轨上不同位置时，真空电弧实验中阳极与阴极之间磁场的大小，建立阳极与阴极之间磁场的大小与第一移动手臂及第二移动手臂在第一导轨及第二导轨上的位置的对应关系；

在真空电弧实验时，当需要调节阳极与阴极之间磁场的大小时，则根据所需阳极与阴极之间磁场的大小确定第一移动手臂及第二移动手臂在第一导轨及第二导轨上的位置，然后通过上位机控制第一电机及第二电机驱动第一移动手臂及第二移动手臂移动到所需位置，从而通过第一永磁体及第二永磁体在阳极与阴极之间产生所需的磁场；

当需要调节阳极与阴极之间磁场的方向时，则通过上位机控制第三电机及第四电机驱动第一永磁体及第二永磁体旋转，实现阳极与阴极之间磁场方向的调节。

通过特斯拉计测量第一移动手臂及第二移动手臂在第一导轨及第二导轨上不同位置时，阳极与阴极之间磁场的大小。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的用于真空电弧实验的均匀磁场产生与调控系统及方法在具体操作时，将电极设置于第一永磁体与第二永磁体的中间位置，第一永磁体及第二永磁体在阳极与阴极之间产生磁场，通过调节第一永磁体与第二永磁体之间的距离来调节阳极与阴极之间磁场的大小，通过第三电机及第四电机驱动第一永磁体及第二永磁体旋转，改变第一永磁体及第二永磁体合成磁场的磁力线方向与竖直方向的夹角实现阳极与阴极之间磁场方向的调节，从而利用永磁体在阳极与阴极之间产生大小及方向可调的磁场，避免现有技术中线圈发热的问题，同时不会影响真空灭弧室内的真空度，同时第一永磁体及第二永磁体产生的磁场持续性较好，满足科研人员在进行真空电弧实验时需要进行大量实验的要求，提高实验的效率，同时在进行磁场大小及方向调节时，只需通过上位机控制第一电机、第二电机、第三电机及第四电机即可实现，不需要打开真空灭弧室再进行调节，从而缩短实验的时间。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为本发明的结构示意图。

11为第一导轨、12为第二导轨、2为第一移动手臂、3为第二移动手臂、4为第一永磁体托盘、5为第二永磁体托盘、6为第一永磁体、7为第二永磁体、8为阳极、9为阴极。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1及图2，本发明所述的用于真空电弧实验的均匀磁场产生与调控系统，包括上位机、第一导轨11、第二导轨12、第一移动手臂2、第二移动手臂3、第一永磁体6、第二永磁体7、用于驱动第一移动手臂2在第一导轨11上移动的第一电机、用于驱动第二移动手臂3在第二导轨12上移动的第二电机、用于驱动第一永磁体6转动的第三电机、以及用于驱动第二永磁体7转动的第四电机，第一移动手臂2的一端与第一导轨11相配合，第二移动手臂3的一端与第二导轨12相配合，第一永磁体6与第一移动手臂2另一端的侧面相连接，第二永磁体7与第二移动手臂3另一端的侧面相连接，且第一永磁体6正对第二永磁体7，第一永磁体6与第二永磁体7的尺寸相同，第一永磁体6与第二永磁体7的磁化强度及磁化方向均相同，第一电机的控制端、第二电机的控制端、第三电机的控制端及第四电机的控制端均与上位机的输出端相连接；真空电弧实验时，真空电弧实验中的电极位于第一永磁体6与第二永磁体7的中间位置；第一导轨11上及第二导轨12上均设有刻度。

本发明还包括第一永磁体托盘4及第二永磁体托盘5，第一永磁体6固定于第一永磁体托盘4的一侧面上，第三电机固定于第一移动手臂2端部的侧面，第三电机的输出轴与第一永磁体托盘4的另一侧面相连接；第二永磁体7固定于第二永磁体托盘5的一侧面上，第四电机固定于第二移动手臂3端部的侧面，第四电机的输出轴与第二永磁体托盘5的另一侧面相连接。

第一永磁体6及第二永磁体7的材质为N48型Nd-Fe-B材料，第一永磁体6及第二永磁体7的长宽高分别为100mm、100mm及50mm，第一永磁体6及第二永磁体7的磁化方向始终保持相同，所以第一永磁体6及第二永磁体7之间的作用力为斥力，而且斥力随着永磁体的间距d的减小快速增大(d为40mm时，斥力约335N)，第一永磁体托盘4及第二永磁体托盘5均为方形结构。

本发明所述的用于真空电弧实验的均匀磁场产生与调控方法包括以下步骤：

上位机通过第一电机及第二电机调节第一移动手臂2及第二移动手臂3在第一导轨11及第二导轨12上的位置，再测量第一移动手臂2及第二移动手臂3在第一导轨11及第二导轨12上不同位置时，真空电弧实验中阳极8与阴极9之间磁场的大小，建立阳极8与阴极9之间磁场的大小与第一移动手臂2及第二移动手臂3在第一导轨11及第二导轨12上的位置的对应关系；

在真空电弧实验时，当需要调节阳极8与阴极9之间磁场的大小时，则根据所需阳极8与阴极9之间磁场的大小确定第一移动手臂2及第二移动手臂3在第一导轨11及第二导轨12上的位置，然后通过上位机控制第一电机及第二电机驱动第一移动手臂2及第二移动手臂3移动到所需位置，从而通过第一永磁体6及第二永磁体7在阳极8与阴极9之间产生所需的磁场；

当需要调节阳极8与阴极9之间磁场的方向时，则通过上位机控制第三电机及第四电机驱动第一永磁体6及第二永磁体7旋转，实现阳极8与阴极9之间磁场方向的调节。

具体地，通过特斯拉计测量第一移动手臂2及第二移动手臂3在第一导轨11及第二导轨12上不同位置时，阳极8与阴极9之间磁场的大小。