电参数在线可调的磁开关及电参数调节方法与流程

本发明涉及高功率脉冲驱动源开关技术领域，尤其是一种电参数在线可调的磁开关及电参数调节方法。

背景技术：

高功率脉冲驱动源技术是将能量以较低的功率储存起来，通过开关、脉冲调制等技术在很短的时间内把能量释放给负载，从而在负载上获得高功率(大于百兆瓦)电脉冲。近些年来，在高性能脉冲驱动源装置的应用牵引下，具有很高功率的电脉冲在高功率微波、高能量脉冲激光、等离子体物理、冲击波发生器、材料表面改性、工业废水废气处理、生物医学以及食品杀菌消毒等众多重点领域获得了广泛的关注和快速的发展，并取得了丰硕的成果。

高功率脉冲驱动源技术实质上是一种研究能量存储、压缩、转换和传输的技术，在这一过程中实现了强电脉冲的功率放大，而决定电脉冲功率放大能力的核心是开关技术。磁开关是一种全固态被动开关，具有工作电压高(大于百千伏)、通流能力强(大于百千安)、抗电磁干扰能力强、使用寿命长、工作稳定性高等优点，其能够对电信号脉冲进行脉宽压缩和功率放大，是高功率脉冲驱动源实现高平均功率、固态化、长寿命的主要技术途径之一，在高功率脉冲驱动源技术领域中获得了广泛的应用和快速的发展。

磁开关主要由磁芯和缠绕在磁芯周围的绕组构成。磁芯主要由磁性材料及其封装构成。工作时，将磁开关串联在电路中，利用磁性材料的非线性特性使得缠绕在其周围的绕组电感产生非线性变化，实现对电信号脉冲进行脉宽压缩和功率放大。磁开关能够利用两种状态间的快速切换实现开关功能，切换的过程满足伏秒积公式∫V(t)dt＝NΔBS，其中V(t)为加载到磁开关上随时间变化的电压脉冲；N为磁开关绕组的匝数；ΔB为磁开关磁性材料的磁感应强度变化量；S为磁开关绕组所包围区域内磁性材料的有效截面积。

国防科学技术大学的杨实博士在其博士学位论文《基于磁开关和带状线的长脉冲、超低阻抗脉冲发生器》报道了一种典型传统磁开关，以下简称技术方案一。图1为该装置的结构原理图，主要由磁芯1、开关绕组2和复位电路3构成。其中，磁芯1由M块磁环4组成；开关绕组2为一段均匀缠绕在磁芯1上的连续导线，连续导线的首尾两端点分别作为磁开关的输入端5和输出端6。复位电路3由复位电源7和复位绕组8组成。复位电源7为输出电流3A的横流电源。复位绕组8为一段均匀缠绕在磁芯1上的连续导线，其与复位电源7共同产生复位磁场复位磁场和开关绕组2产生的开关磁场方向相反，实现对磁性材料的复位。

这种传统磁开关中的开关绕组2是由连续导线制成，并缠绕在磁芯1的外部，即磁开关加工完成后，绕组匝数N和绕组内磁性材料的有效截面积S是固定的。根据磁开关工作原理，当输入电脉冲固定时，传统磁开关的工作电压是唯一确定的，无法进行调节。若传统磁开关的工作环境发生变化，则需要重新设计并加工一套磁开关，研制周期长，生产成本高，环境适应性较差。研究认为，适用范围单一已经是限制磁开关工作性能进一步提高和应用领域扩展的主要因素之一。

国防科学技术大学的李嵩博士在其博士学位论文《高功率磁脉冲压缩系统及其在场脉冲驱动源中的应用研究》报道了一种基于机械手段的电参数离线可调型磁开关，以下简称技术方案二。该电参数离线可调型磁开关由磁芯1和组合式绕组9组成。磁芯1由N_c块磁环4组成。磁环4具有圆环型结构，其内半径为R_Iin，外半径为R_Iout，高度为H_I。组合式绕组9由(2N-1)根导体杆9-1、2N片导体片9-2和(4N-2)根沉头螺杆10构成。(2N-1)根导体杆9-1由N根内导体杆9-1-1和(N-1)根外导体杆9-1-2构成，导体杆9-1均为直径为D₁，长为L₁的细长圆柱体。2N片导体片9-2由N片上导体片9-2-1和N片下导体片9-2-2构成。上导体片9-2-1是厚度为T的辐射状金属导体块，下导体片9-2-2是厚度为T的涡旋状金属导体块。在每根导体杆上、下端面的中心分别攻有与沉头螺杆10相匹配的内螺纹，导体杆9-1和导体片9-2相应位置钻孔，通过沉头螺杆10将导体杆9-1和导体片9-2相互连接。不失一般性，定义上导体片9-2-1中的一片为UP₁^#导体片，与之相连接的内导体杆9-1-1为IN₁^#导体杆，与UP₁^#导体片对应的下导体片9-2-2为DOWN₁^#导体片，与UP₁^#导体片相连接的外导体杆9-1-2为OUT₁^#导体杆。UP₁^#导体片到IN₁^#导体杆，到DOWN₁^#导体片再到OUT₁^#导体杆，构成组合式绕组的第一匝。以此类推，UP_f^#(f＝2,3,…,N-1)导体片到IN_f^#导体杆，到DOWN_f^#导体片再到OUT_f^#导体杆，构成组合式绕组的第f匝，UP_N^#导体片到IN_N^#导体杆，再到DOWN_N^#导体片，再到OUT_N^#导体杆构成组合式绕组的第N匝。任一沉头螺杆10的位置均可以作为磁开关的输入端和输出端。

这种具有组合式绕组的磁开关可以通过改变磁开关输入端和输出端的相对位置，调整磁开关绕组匝数，进而在固定的电脉冲输入下，实现调节磁开关工作电压的离线可调。然而，这种调整需要将高功率脉冲驱动源停机，然后将磁开关从系统中分离，通过调整机械结构实现其输出电参数的调节。因此，这种离线可调式磁开关尽管使用机械方法在一定程度上实现了传统磁开关工作点单一的问题，但其调整过程较为复杂，周期较长，且操作较为繁琐。更为重要的是，这种离线调节方法只能实现绕组匝数在整数间的调整，无法实现工作电压和脉冲上升时间的连续可调。这些不足直接影响到电参数可调型磁开关的进一步发展和应用。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对传统磁开关工作点单一，适用范围受到限制，而机械离线可调式磁开关调整过程复杂、周期较长、且操作繁琐等问题，提供一种电参数在线可调的磁开关及电参数调节方法。这种磁开关通过控制磁开关复位电路产生的复位电流，调整复位磁场的幅值，进而改变磁开关中磁性材料的复位深度(即改变磁开关磁性材料的磁感应强度变化量)，实现磁开关工作电压和脉冲上升时间的在线连续可调。从根本上解决传统磁开关工作点单一，环境适用性差，以及机械离线调节式磁开关调整过程复杂、周期较长、且操作繁琐等问题，改进磁开关的工作性能，拓宽应用领域。

本发明的技术方案是：

本发明由磁芯、开关绕组、复位电路和处理模块构成。其中，磁芯由M块磁环组成，每块磁环的截面积为A，平均磁路长度为l，饱和磁感应强度为B_s，剩余磁感应强度为B_r。其中，B_s和B_r为磁性材料的本征参数，当磁性材料种类和处理工艺选定后，这两个参数为确定值；A和l为磁芯的几何参数，当磁芯加工完成后也为确定值。磁芯、开关绕组与背景技术一中描述相同。开关绕组为一段均匀缠绕在磁芯上匝数为N的连续导线，连续导线的首尾两端点分别作为磁开关的输入端和输出端。复位电路由复位电源和复位绕组组成。复位电源为输出电流在0-10A范围内连续可调的电流源。复位电源通过电缆或光纤与处理模块进行数据交换，由处理模块控制复位电源输出的复位电流的幅值I₂。复位绕组为一段均匀缠绕在磁芯上绕组匝数为N_r的连续导线，导线的两端分别连接复位电源的正、负两级。复位电源产生的复位电流流经复位绕组产生复位磁场这一磁场与高功率电脉冲和开关绕组产生的开关磁场方向相反。复位磁场和开关磁场能够影响磁芯的工作状态。

处理模块是安装了复位电流解算软件的计算机。处理模块通过光纤或电缆与复位电源相连，并进行实时数据交换。复位电流解算软件从键盘接收应用场景需要的电参数(包括工作电压V、脉冲上升时间τ)，通过公式(其中Φ为磁通量，正比于磁开关工作电压与脉冲上升时间的乘积V·τ，N为开关绕组匝数，M·A为开关绕组内磁性材料的有效截面积)，解算出所需的磁感应强度变化量ΔB，再根据安培定律和选定磁性材料的磁滞回线，计算出所需复位电流的幅值I₂。

本发明实现磁开关电参数调节的方法是：

第1步，处理模块从键盘接收结合实际应用环境需求输入的高功率电脉冲电压随时间的变化关系V(t)；

第2步，处理模块内的复位电流解算软件根据磁通守恒定律计算磁开关工作所需磁通量Φ＝∫V(t)dt；

第3步，复位电流解算软件计算所需磁感应强度变化量其中，N为开关绕组匝数，M·A开关绕组内磁性材料的有效截面积；

第4步，处理模块内的复位电流解算软件计算磁开关中磁性材料的工作起始点B_start＝ΔB-B_s，(B_s是磁性材料的本征特性)；

第5步，根据磁性材料的磁滞回线(表征了磁性材料内磁场强度与磁感应强度变化量的对应关系)，由处理模块内的复位电流解算软件找出磁性材料的工作起始点B_start对应的复位磁场的磁场强度H_start，复位磁场强度直接决定了磁性材料的复位深度，磁场越强，复位深度越高，磁场越弱，复位深度越低；

第6步，处理模块内的复位电流解算软件根据安培定律计算所需复位电源的输出电流l为磁环的平均磁路长度，N_r为复位绕组匝数；

第7步，处理模块内的复位电流解算软件向复位电源输出幅值为I₂的恒定电流，产生实际应用环境需要的复位磁场，进而改变磁开关中磁性材料的复位深度，实现磁开关工作电压和脉冲上升时间的在线连续可调。

复位电流I₂决定了磁开关中磁性材料的复位深度，即直接决定了磁开关工作过程中磁感应强度变化量ΔB。根据磁通守恒定律，∫V(t)dt＝NΔBS，当磁开关的绕组匝数N和开关绕组内磁性材料的有效截面积M·A确定后，通过改变ΔB可以实现磁开关磁通量的调节，而磁开关磁通量正比于磁开关工作电压和脉冲上升时间，因此，通过控制复位电源输出的复位电流幅值就能够调节磁开关的工作电压和脉冲上升时间。

与现有的技术相比，采用本发明可以达到以下效果：

(1)本发明电参数在线可调的磁开关通过调整磁开关复位电路产生的复位磁场幅值，改变磁开关中磁性材料的复位深度，进而实现磁开关工作电压等电参数的调节。这种电参数在线可调的磁开关解决了工作点单一的问题，提高了环境适用性；

(2)本发明电参数调节方法可改变磁开关中磁性材料的复位深度。相比机械离线可调式磁开关能够实现磁开关的工作电压和脉冲上升时间在不停机、不拆卸的状态下实现在线连续可调。有效提高了磁开关电参数的调节能力，拓宽了应用范围；

(3)本发明可以在不改变原有磁开关机械结构的情况下，通过增加处理模块，更换复位电源，实现电参数连续可调，有效简化调整过程、缩短调整周期、易于实现智能化操作，拓宽应用领域，并实现装置的批量生产和商品化。

附图说明

图1为背景技术所述杨实博士论文《基于磁开关和带状线的长脉冲、超低阻抗脉冲发生器》中报道的磁开关结构图；

图2为背景技术所述李嵩博士论文《高功率磁脉冲压缩系统及其在场脉冲驱动源中的应用研究》中报道的磁开关结构图；

图3为本发明电参数在线可调的磁开关总体结构图；

图4为本发明电参数调节方法流程图。

具体实施方式

图1为背景技术所述杨实博士论文《基于磁开关和带状线的长脉冲、超低阻抗脉冲发生器》中报道的磁开关实物图。如图1所示，该器件主要由磁芯1、开关绕组2和复位电路3构成。其中，磁芯1由M块磁环4组成；开关绕组2为一段均匀缠绕在磁芯1上的连续导线，连续导线的首尾两端点分别作为磁开关的输入端5和输出端6。复位电路3由复位电源7和复位绕组8组成。复位电源7为输出电流3A的横流电源。复位绕组8为一段均匀缠绕在磁芯1上的连续导线，其与复位电源7共同产生复位磁场复位磁场和开关绕组2产生的开关磁场方向相反，实现对磁性材料的复位。

图2为背景技术所述杨实博士论文《高功率磁脉冲压缩系统及其在场脉冲驱动源中的应用研究》中报道的磁开关结构图，主要由磁芯1和组合式绕组9组成。磁芯1由N_c块磁环4组成。磁环4具有圆环型结构，其内半径为R_Iin，外半径为R_Iout，高度为H_I。组合式绕组9由(2N-1)根导体杆9-1、2N片导体片9-2和(4N-2)根沉头螺杆10构成。(2N-1)根导体杆9-1由N根内导体杆9-1-1和(N-1)根外导体杆9-1-2构成，导体杆9-1均为直径为D₁，长为L₁的细长圆柱体。2N片导体片9-2由N片上导体片9-2-1和N片下导体片9-2-2构成。上导体片9-2-1是厚度为T的辐射状金属导体块，下导体片9-2-2是厚度为T的涡旋状金属导体块。在每根导体杆上、下端面的中心分别攻有与沉头螺杆10相匹配的内螺纹，导体杆9-1和导体片9-2相应位置钻孔，通过沉头螺杆10将导体杆9-1和导体片9-2相互连接。不失一般性，定义上导体片9-2-1中的一片为UP₁^#导体片，与之相连接的内导体杆9-1-1为IN₁^#导体杆，与UP₁^#导体片对应的下导体片9-2-2为DOWN₁^#导体片，与UP₁^#导体片相连接的外导体杆9-1-2为OUT₁^#导体杆。UP₁^#导体片到IN₁^#导体杆，到DOWN₁^#导体片再到OUT₁^#导体杆，构成组合式绕组的第一匝。以此类推，UP_f^#(f＝2,3,…,N-1)导体片到IN_f^#导体杆，到DOWN_f^#导体片再到OUT_f^#导体杆，构成组合式绕组的第f匝，UP_N^#导体片到IN_N^#导体杆，再到DOWN_N^#导体片，再到OUT_N^#导体杆构成组合式绕组的第N匝。任一沉头螺杆10的位置均可以作为磁开关的输入端和输出端。

图3为本发明总体结构图。本发明由磁芯1、开关绕组2、复位电路3和处理模块11构成。其中，磁芯1由M块磁环4组成，每块磁环4的截面积为A，平均磁路长度为l，饱和磁感应强度为B_s，剩余磁感应强度为B_r。其中，B_s和B_r为磁性材料的本征参数，当磁性材料种类和处理工艺选定后，这两个参数为确定值；A和l为磁芯的几何参数，当磁芯加工完成后也为确定值。磁芯1、开关绕组2与背景技术一中描述相同。开关绕组2为一段均匀缠绕在磁芯1上匝数为N的连续导线，连续导线的首尾两端点分别作为磁开关的输入端5和输出端6。复位电路3由复位电源7和复位绕组8组成。复位电源7为输出电流在0-10A范围内连续可调的电流源。复位电源7通过电缆或光纤与处理模块11进行数据交换，由处理模块11控制复位电源7输出的复位电流的幅值I₂。复位绕组8为一段均匀缠绕在磁芯1上绕组匝数为N_r的连续导线，导线的两端分别连接复位电源7的正、负两级。复位电源7产生的复位电流流经复位绕组8产生复位磁场这一磁场与高功率电脉冲和开关绕组2产生的开关磁场方向相反。复位磁场和开关磁场能够影响磁芯1的工作状态。

处理模块11是安装了复位电流解算软件的计算机。处理模块11通过光纤或电缆与复位电源7相连，并进行实时数据交换。复位电流解算软件从键盘接收应用场景需要的电参数(包括工作电压V、脉冲上升时间τ)，通过公式(其中Φ为磁通量，正比于磁开关工作电压与脉冲上升时间的乘积V·τ，N为开关绕组2匝数，M·A为开关绕组2内磁性材料的有效截面积)，解算出所需的磁感应强度变化量ΔB，再根据安培定律和选定磁性材料的磁滞回线，计算出所需复位电流的幅值I₂。

图4为本发明电参数调节方法流程图。具体工作过程可以进行如下描述：

第1步，处理模块11从键盘接收结合实际应用环境需求输入的高功率电脉冲电压随时间的变化关系V(t)；

第2步，处理模块11内的复位电流解算软件根据磁通守恒定律计算磁开关工作所需磁通量Φ＝∫V(t)dt；

第3步，复位电流解算软件计算所需磁感应强度变化量其中，N为开关绕组2匝数，M·A开关绕组2内磁性材料的有效截面积；

第4步，处理模块11内的复位电流解算软件计算磁开关中磁性材料的工作起始点B_start＝ΔB-B_s，(B_s是磁性材料的本征特性)；

第5步，根据磁性材料的磁滞回线(表征了磁性材料内磁场强度与磁感应强度变化量的对应关系)，由处理模块11内的复位电流解算软件找出磁性材料的工作起始点B_start对应的复位磁场的磁场强度H_start，复位磁场强度直接决定了磁性材料的复位深度，磁场越强，复位深度越高，磁场越弱，复位深度越低；

第6步，处理模块11内的复位电流解算软件根据安培定律计算所需复位电源的输出电流l为磁环4的平均磁路长度，N_r为复位绕组匝数；

第7步，处理模块11内的复位电流解算软件向复位电源7输出幅值为I₂的恒定电流，产生实际应用环境需要的复位磁场。