脉冲强磁场装置及磁体的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种脉冲强磁场装置及磁体的制作方法，旨在提供一种小型化的、可放在科学家自己实验室内并由科学家自己随意操作的脉冲强磁场实验装置。它属于电容储能型脉冲强磁场装置，采用一种多线圈结构的磁体，由2个或2个以上同轴内外嵌套的线圈组成，相邻的同轴线圈绕制方向相反，不同线圈之间最大电感与最小电感的比值小于4；要么含有2个或2个以上同轴线圈的直接并联，要么每个线圈分别经一个晶闸管与储能电容模块连接。绕制内外相邻线圈时，线圈骨架的转动方向相反。本发明可为农业科学、医学、生命科学和材料科学的科研工作者进行强磁场作用下的科学实验研究提供脉冲强磁场。
【专利说明】脉冲强磁场装置及磁体的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及物理学中的强磁场领域和电气工程中的强脉冲领域，特别涉及一种采用电容储能型电源放电产生脉冲强磁场的装置及磁体的制作方法。是一种非破坏性脉冲强磁场的产生装置。
【背景技术】
[0002]强磁场作为一种特殊的、极端的科学研究条件，对科学研究取得突破性进展有着强大的推动力，而脉冲强磁场比稳态强磁场更容易获得高强度的磁场。所以，世界各发达国家都建立了自己的脉冲强磁场实验室，用来产生脉冲强磁场，为各领域科学研究提供强磁场。本发明所述的脉冲强磁场是指峰值磁场在IOT以上。
[0003]实现脉冲强磁场的电源通常有电容储能型、电感储能型、脉冲发电机型、电网整流型等，本发明属于电容储能型电源。世界最强脉冲强磁场产生装置位于美国的洛斯-阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室,采用电容储能和脉冲发电机混合型电源,磁体是一种多线圈结构，脉冲发电机通过外线圈产生背景磁场，储能电容通过内线圈产生叠加磁场。国内发明专利申请号为200810048231.4的脉冲磁场产生装置也采用这种结构。多线圈结构的目的是靠外线圈产生背景磁场，内线圈产生叠加磁场，外线圈的电感远大于内线圈的电感。由于电感大，要产生强磁场，要求电源的储能也大，所以这种脉冲强磁场装置体积必然很大。
[0004]采用脉冲发电机型的强磁场装置体积很大，即便将脉冲发电机更换为电容器，体积仍然很大，因为通常所采用的电容器为具有自愈能力的金属膜电容器，能量密度小于电解电容器。所以，目前脉冲强磁场装置都以实验室或实验中心的形式建设，占用很多房间，体积很大，尤其是峰值磁场在40T以上时。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是克服现有脉冲强磁场装置体积大的缺点，提供一种小型化的、可放在科学家自己实验室内并由科学家自己随意操作的脉冲强磁场实验装置。目前科学家们想利用强磁场做有关科学研究实验，必须到强磁场实验中心预约排队，实验操作也必须由强磁场专业人员协助才能进行相关科学实验。本发明可实现结构小型化和操作便捷性，为农业科学、医学、生命科学和材料科学的科研工作者进行强磁场作用下的科学实验研究提供脉冲强磁场。
[0006]本发明的目的通过下述技术方案予以实现。
[0007]本发明装置属于电容储能型脉冲强磁场发生装置，也是由充电电路、储能电容器模块、放电晶闸管、续流二极管和磁体组成，磁体是由线圈和加固材料组成。与传统装置不同的是:磁体是一种多线圈结构，由2个或2个以上同轴内外嵌套的线圈组成，相邻的同轴线圈绕制方向相反，不同线圈之间最大电感与最小电感的比值小于4 ;要么含有2个或2个以上同轴线圈的直接并联，要么每个线圈分别经一个晶闸管与储能电容模块连接。内外相邻线圈绕制方向相反有利于降低线圈间的绝缘要求，同时也便于线圈并联时直接连接。[0008]本发明磁体所包含的同轴线圈的个数最好为4个或4个以上。
[0009]所述储能电容器模块是由电解电容器通过串并联组成的，可进一步减小装置体积。
[0010]所述磁体线圈的最外面还缠绕有碳纤维布，作为加固材料。
[0011]所述磁体的碳纤维布的外面还有同轴钢管，也作为加固材料。
[0012]上述磁体的制作方法，与普通圆柱螺线管类似，沿轴线方向从一端绕到另一端，绕完一层，爬到外层，沿线圈轴线方向继续绕制后一层，以此类推绕完一个线圈；然后依次绕制后面多个线圈，后一个线圈绕制在前一个线圈的外面，其特征在于:在绕制相邻两个线圈时线圈骨架的转动方向相反，后一个线圈的起端靠近前一个线圈的末端。
[0013]在绕制完成的线圈外面紧绕多层高强度碳纤维布，整体冷冻至零摄氏度以下；同时将一个内径等于碳纤维布外径的钢管加热到100摄氏度以上，然后迅速将热钢管套在冷磁体的外面，等待钢管温度降低后，钢管紧紧地箍住磁体线圈和碳纤维布。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是一个4线圈结构的磁体线圈沿其轴线剖开的剖视图；
[0015]图2是一个4线圈结构的磁体线圈绕制示意图，也是垂直于轴线的截面图；
[0016]图3是4线圈结构的磁体通过晶闸管与储能电容之间的第一种连接电路图；
[0017]图4是4线圈结构的磁体通过晶闸管与储能电容之间的第二种连接电路图；
[0018]图5是4线圈结构的磁体通过晶闸管与储能电容之间的第三种连接电路图；
[0019]图6是4线圈结构的磁体通过晶闸管与储能电容之间的第四种连接电路图；
[0020]图7是4线圈结构的磁体通过晶闸管与储能电容之间的第五种连接电路图；
[0021]图中，沿磁体径向由内到外依次有线圈1、线圈2、线圈3和线圈4,线圈骨架O,线圈I的起端1A、末端1B，线圈2的起端2A、末端2B，线圈3的起端3A、末端3B，线圈4的起端4A、末端4B ;储能电容器模块Cl、C2、C3和C4，对应续流二极管和电阻DOl、D02、D03、D04、R01、R02、R03和R04 ;晶闸管Q1、Q2、Q3和Q4 ;线圈I的电感L1、电阻R1，线圈2的电感L2、电阻R2，线圈3的电感L3、电阻R3，线圈4的电感L4、电阻R4。
【具体实施方式】
[0022]下面以一个4线圈结构的磁体为例对本发明作进一步描述。
[0023]图1和图2所示的磁体线圈采用扁铜漆包线绕制而成，漆包线截面为线圈I绕制10层，每层12匝；线圈2、3、4分别绕制6层、4层和3层，每层均为12匝，这样绕制成的4个线圈的电感比较接近，最大电感与最小电感的比值小于2。相邻线圈的绕制方向相反，既方便了并联线圈时的连接，又降低了相邻线圈层间绝缘要求。线圈骨架O的内部空腔就是实验空间，产生强磁场的地方，空腔的直径为12mm。
[0024]线圈绕制时，线圈骨架O绕其轴线转动，漆包线密绕在线圈骨架O上得到线圈1，然后在线圈I的外面密绕出线圈2，绕制线圈2时线圈骨架的转动方向与绕制线圈I时的转动方向相反。线圈2的起端2A与线圈I的末端IB靠近，即沿轴线方向它们位于线圈的同一端，沿径向2A位于IB的外面。在线圈2的外面绕制线圈3，线圈3的外面绕制线圈4，相邻线圈的绕制方向都相反，后一个线圈的起端都与前一个线圈的末端靠近。由于线圈的电感随线圈直径增加而增大，所以为了使4个线圈的电感L1、L2、L3和L4接近，4个线圈的匝数并不相同，而是由内到外匝数逐渐减少。4个线圈的电阻Rl、R2、R3和R4也差别不大。
[0025]线圈是用于产生脉冲强磁场的，在峰值磁场时，线圈内部受到沿半径向外的电磁力作用，计算表明当产生50T磁场时，最内层线圈受到向外的应力达到lOOOMPa，远大于铜的抗拉强度。为了避免铜线被拉断，采用在线圈外面缠绕碳纤维布加固的方法。缠绕多层碳纤维布达到足够厚度，就能约束住线圈，使它不能向外膨胀，铜线就不会被拉断。即在线圈4的外面紧密缠绕碳纤维布，厚度取决于所要产生的磁场大小，以确保铜线不会被拉断为原贝U，本实施例采用厚度为30_。在碳纤维布的外面还紧紧地套一个钢管，进一步加固，方法是先将包含碳纤维布的磁体线圈冷冻到摄氏零度以下，同时将内半径等于碳纤维布外半径的钢管加热到摄氏100度以上，然后迅速将热钢管套在碳纤维布外面，等待钢管冷却后便会紧紧地箍住线圈，起到加固和约束线圈膨胀的作用。线圈骨架、线圈、碳纤维布和钢管构成磁体，钢管材料通常为不锈钢，线圈骨架采用非金属材料制成。
[0026]本发明通过采用多线圈结构实现装置的小型化。因为当绕制线圈的线径一定时，多个线圈直接并联后的等效电感比单个线圈的电感量小，同样的电容电压能激发出更强的电流，从而产生更强的峰值磁场。当不同线圈之间的电感接近时，各个线圈中的电流脉冲宽度也接近，产生的磁场相互叠加、影响，有利于改善脉冲磁场波形，同时各线圈温升和所受应力也较均匀。但是，由于绕制线圈时需要考虑每层线圈尽量绕满、绕紧，还要考虑线圈引出线位置，所以实际绕制的多个线圈往往很难做到使它们的电感相等。对于线圈个数大于4的磁体，即便使最大电感与最小电感的比值小于2也是比较困难的，需要经过大量反复试验寻找最佳匝数和尺寸。所以，兼顾考虑多方面因素后，本专利要求多线圈中最大电感与最小电感的比值应小于4，而且各线圈的电感越接近越好。本发明采用多线圈结构的目的不同于前述【背景技术】中对比文件所采用多线圈结构的目的，本发明是为了通过减小总等效电感量，实现用较小的储能电容就能产生很大的峰值磁场，最终达到减少装置体积的目的，因为电容越小其体积就越小。前述对比文件中所采用的多线圈结构不是以减少总等效电感量为目的，各个线圈的电感差别很大，外线圈的电感远大于内线圈的电感。
[0027]磁体线圈通过晶闸管与储能电容器模块连接，构成脉冲强磁场装置的核心，电容器模块采用高质量电解电容器通过串并联组成。图3到图7给出了多种不同方式的连接电路。
[0028]图3是最简单的连接，晶闸管Ql和Q2并联是为了扩大峰值电流能力，如果单个晶闸管允许通过的最大电流大于实际峰值电流，则只需要一个晶闸管即可；如果两个晶闸管并联还不能满足峰值电流要求，则需要采用更多个晶闸管并联。4个线圈直接并联，并联线圈的等效电感小于单个线圈的电感。同样体积的磁体线圈和同样的储能电容模块情况下，电感越小的线圈产生的峰值磁场越强。线圈的连接方法是:把1A、2B、3A和4B连接到一起并且接电容器模块的负极，把1B、2A、3B和4A连接到一起并且接晶闸管的阴极。两个晶闸管的控制极连接到一起，同步控制晶闸管导通，电容器模块向线圈放电产生强脉冲磁场。续流二极管DOl和续流电阻ROl是为了防止线圈中的电流对电容器模块Cl反向充电。
[0029]图4电路中，每个晶闸管连接2个线圈。如果两个晶闸管同时导通，其效果与图3相同，即等价于4个线圈并联，因为晶闸管导通时等价于一根导线。如果两个晶闸管受单片机控制先后导通，则可改善脉冲电流波形，即改善脉冲磁场波形，使脉冲变宽，但是峰值磁场会降低。由于先后导通的时间差很小，4个线圈属于准并联方式。并联线圈的等效电感小于单个线圈的电感。线圈的连接方法是:把IA和2B连接到一起并且接电容器模块的负极；把IB和2A连接到一起并且接Ql的阴极；把3A和4B连接到一起并且接电容器模块的负极；把3B和4A连接到一起并且接Q2的阴极。
[0030]图5电路中，包含了两个电容器模块，每个模块对两个线圈供电。与图4相比，波形改善更灵活。线圈的连接方法与图4相同。续流二极管D02和续流电阻R02是为了防止线圈中的电流对电容器模块C2反向充电。
[0031]图6电路中，电容器模块与图5 —样，线圈的连接方法与图3相同。
[0032]图7电路中，每个电容器模块只通过一个晶闸管对一个线圈放电，改善波形的灵活性最高。每个电容器模块都并接有续流二极管和续流电阻，防止对电容反向充电。线圈的连接方法是:把1A、2B、3A和4B连接到一起并且接电容器模块的负极，IB接晶闸管Ql的阴极，2A接晶闸管Q2的阴极，3B接晶闸管Q3的阴极，4A接晶闸管Q4的阴极。
[0033]上述线圈的连接方法可以降低相邻线圈之间的绝缘要求，因为当线圈同时或接近同时导通时，相邻线圈相邻导线之间的电位差很小，线圈不容易被击穿。各个线圈导通时在轴线上产生的磁场方向相同，叠加获得强磁场。
[0034]上述仅以4线圈结构的磁体为例，说明了本发明的实施方法。实际上，可以有其他个数的线圈组成的磁体，例如上述磁体去掉线圈3和线圈4，则构成一个双线圈结构的磁体。两个线圈直接并联，即把IA和2B连接到一起并且接电容器模块的负极，把IB和2A连接到一起并且接晶闸管的阴极。晶闸管导通时，两个线圈中在轴线上产生的磁场方向相同，叠加产生强磁场。对于双线圈结构的磁体，需要在线圈2的外面缠绕加固材料，即缠绕碳纤维布和钢管。上述实施例中，也可以采用其他高强度材料代替碳纤维布和钢管，作为加固材料。
[0035]磁体线圈的个数可以有5个、6个、7个、8个...等等，关键要满足相邻线圈的绕制方向相反，后一个线圈的起端靠近前一个线圈的末端。同样体积的磁体，线圈的个数越多，总等效电感越小，储能电容储能一定的情况下，产生的峰值磁场就越强。每个线圈的电感尽量接近，即多个线圈中最大的电感与最小的电感比值应小于4，这样每个线圈中的电流脉冲宽度比较接近，而且电流的大小也接近。否则，最小的电感线圈中的电流大于其他线圈中的电流，造成温升过高和应力过大，甚至提前被损坏。
[0036]上述具体实施例中，线圈每层的匝数相同，都为12匝，取决于线圈骨架的形状。实际上允许每层匝数不同，例如可以做成内层每层匝数少一点，外面每层匝数多一点的线圈。每个线圈所用铜线的截面尺寸也可以不同。
【权利要求】
1.一种电容储能型脉冲强磁场产生装置，是由充电电路、储能电容器模块、放电晶闸管、续流二极管和磁体组成，磁体是由线圈和加固材料组成，其特征是:所述磁体是一种多线圈结构，由2个或2个以上同轴内外嵌套的线圈组成，相邻的同轴线圈绕制方向相反，不同线圈之间最大电感与最小电感的比值小于4 ;要么含有2个或2个以上同轴线圈的直接并联，要么每个线圈分别经一个晶闸管与储能电容模块连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征是:所述的多个同轴线圈，其个数大于或等于4。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征是:所述储能电容器模块是由电解电容器通过串并联组成的。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征是:所述磁体线圈的最外面还缠绕有碳纤维布，作为加固材料。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征是:所述磁体的碳纤维布的外面还有同轴钢管。
6.上述磁体的制作方法，与普通圆柱螺线管类似，沿轴线方向从一端绕到另一端，绕完一层，爬到外层，沿线圈轴线方向继续绕制后一层，以此类推绕完一个线圈；然后依次绕制后面多个线圈，后一个线圈绕制在前一个线圈的外面，其特征在于:在绕制相邻两个线圈时线圈骨架的转动方向相反，后一个线圈的起端靠近前一个线圈的末端。
7.根据权利要求6所述的磁体制作方法，其特征在于:在绕制完成的线圈外面紧绕多层高强度碳纤维布，整体冷冻至零摄氏度以下；同时将一个内径等于碳纤维布外径的钢管加热到100摄氏度以上，然后迅速将热钢管套在冷磁体的外面，等待钢管温度降低后，钢管紧紧地箍住磁体线圈和碳纤维布。
【文档编号】H01F7/00GK103839650SQ201410128137
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年4月2日 优先权日:2014年4月2日
【发明者】蹇兴亮, 张澄宇, 邓国勇 申请人:南京农业大学