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申请/专利权人：华中科技大学

摘要：本发明公开了一种强磁场产生装置，包括：N个电源、N个开关、去耦变压器以及多级脉冲磁体；所述去耦变压器包括N个绕组，所述多级脉冲磁体包括N个线圈，所述去耦变压器中的各个绕组分别与所述多级脉冲磁体中的各个线圈一一对应相连；所述去耦变压器中的第i个绕组，所述N个电源中的第i个电源，所述N个开关中的第i个开关和所述多级脉冲磁体中的第i个线圈依次串联组成第i个回路，其中，N为不小于2的正整数。本发明通过去耦合变压器产生与多级脉冲磁体线圈之间等大反向的感应电动势，抑制了多级脉冲磁体因电磁耦合而导致的背景磁场下降，使脉冲磁体的加固结构性能得到最大限度的利用。

主权项：1.一种强磁场产生装置，其特征在于，包括：N个电源、N个开关、去耦变压器以及多级脉冲磁体；所述去耦变压器包括N个绕组，所述多级脉冲磁体包括N个线圈，所述去耦变压器中的各个绕组分别与所述多级脉冲磁体中的各个线圈一一对应相连；所述去耦变压器中的第i个绕组，所述N个电源中的第i个电源，所述N个开关中的第i个开关和所述多级脉冲磁体中的第i个线圈依次串联组成第i个回路，其中，i＝1,2,...,N，N为不小于2的正整数；第i个回路中的电流Ii的脉宽大于第i+1个回路中的电流Ii+1的脉宽，在第i个回路电流上升沿触发第i+1个回路，使得第i个回路中线圈产生的磁场继续上升，从而在叠加磁场峰值时刻提供较大的背景磁场，实现合成磁场达到峰值时外线圈磁场也维持在自身磁场的最大值，使脉冲磁体的加固结构性能得到最大限度的利用；所述去耦变压器的第i个绕组与第i+1个绕组的互感与所述多级脉冲磁体的第i个线圈与第i+1个线圈的互感相等；对于各相邻的两组回路，一组回路中所述去耦变压器的绕组的同名端与所述多级脉冲磁体的线圈的异名端连接，另一组回路中所述去耦变压器的绕组的异名端与所述多级脉冲磁体的线圈的异名端连接。

全文数据：一种强磁场产生装置技术领域[0001]本发明属于强磁场领域，更具体地，涉及一种强磁场产生装置。背景技术[0002]随着科学技术的发展，许多重要科学研究对脉冲磁场强度提出更高的要求。当用单级线圈磁体产生高强度的磁场时，磁体线圈的体积会越来越大，需要较高的运行电压，给绝缘技术带来挑战，同时需要更高的能量模块，使得设计成本增加。为了克服这一问题，世界各国强磁场实验室均采用多级线圈磁体来冲击超高强磁场。[0003]目前，国内外研制的多级脉冲磁体系统可以达到100.75T和100T的磁场峰值，虽然利用多级磁体线圈产生超高强脉冲磁场是行之有效的方法，但是多级磁体线圈间会存在严重的电磁耦合的现象，磁场峰值并不是简单的将多个磁体线圈单独产生的磁场相加，将会极大地提高了线圈加固结构的设计难度，严重阻碍着产生更高磁场强度的磁体设计。发明内容[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种强磁场产生装置，由此解决现有技术中多级脉冲磁体存在严重的电磁耦合的技术问题。[0005]为实现上述目的，本发明提供了一种强磁场产生装置，包括:N个电源、N个开关、去耦变压器以及多级脉冲磁体；[0006]所述去耦变压器包括N个绕组，所述多级脉冲磁体包括N个线圈，所述去耦变压器中的各个绕组分别与所述多级脉冲磁体中的各个线圈一一对应相连；[0007]所述去耦变压器中的第i个绕组，所述N个电源中的第i个电源，所述N个开关中的第i个开关和所述多级脉冲磁体中的第i个线圈依次串联组成第i个回路，其中，i=l，2，...，N，N为不小于2的正整数。[0008]优选地，所述装置还包括N个电阻和N个单向导通元件；[0009]所述N个电阻中的第i个电阻的第一端与所述N个单向导通元件中的第i个单向导通元件的正极端连接，所述N个电阻中的第i个电阻的第二端与所述N个电源中的第i个电源初始时刻的负极端以及所述去耦变压器中的第i个绕组的第一端连接，所述N个单向导通元件中的第i个单向导通元件的负极端与所述N个电源中的第i个电源初始时刻的正极端以及所述N个开关中的第i个开关的第一端连接。[0010]优选地，所述N个电阻中的第i个电阻、所述N个单向导通元件中的第i个单向导通元件和所述N个电源中的第i个电源构成第i个续流回路。[0011]优选地，所述N个单向导通元件为N个二极管。[0012]优选地，所述N个电源中的各电源为脉冲发电机、电容器、蓄电池以及其他类型合理的电源中的一种或者多种组合。[0013]优选地，第i个回路中的电流Ii的脉宽大于第i+1个回路中的电流Ii+啲脉宽。[0014]优选地，所述去耦变压器的第i个绕组与第i+1个绕组的互感与所述多级脉冲磁体的第i个线圈与第i+1个线圈的互感相等。[0015]优选地，第i个回路中的电流Ii从所述去耦变压器的第i个绕组的同名端流入。[0016]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果:本发明通过去耦合变压器产生与多级脉冲磁体线圈之间等大反向的感应电动势，抑制了多级脉冲磁体因电磁耦合而导致的背景磁场下降，使脉冲磁体的加固结构性能得到最大限度的利用。附图说明[0017]图1是本发明实施例提供的一种强磁场产生装置的电路结构示意图；[0018]图2是本发明实施例提供的另一种强磁场产生装置的电路结构示意图；[0019]图3是本发明实施例提供的第二回路触发时装置第一回路的等效电路图；[0020]图4是本发明实施例提供的去耦合的多级脉冲磁体磁场仿真波形；[0021]图5是本发明实施例提供的去耦合和不去耦合时中线圈和内线圈的等效应力分布图。具体实施方式[0022]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。[0023]本发明提供了一种强磁场产生装置，通过去耦合变压器产生与多级脉冲磁体线圈之间等大反向的感应电动势，由此解决多级脉冲磁体因电磁耦合而导致的背景磁场下降、加固结构性能未得到最大限度利用等问题，实现合成磁场达到峰值时外线圈磁场也维持在自身磁场的最大值。[0024]如图1所示为本发明实施例提供的一种强磁场产生装置的电路结构示意图，包括：N个电源、N个开关、去耦变压器以及多级脉冲磁体；[0025]去耦变压器包括N个绕组，多级脉冲磁体包括N个线圈，去耦变压器中的各个绕组分别与多级脉冲磁体中的各个线圈——对应相连；[0026]去耦变压器中的第i个绕组，N个电源中的第i个电源，N个开关中的第i个开关和多级脉冲磁体中的第i个线圈依次串联组成第i个回路，其中，i=l，2,...，N，N为不小于2的正整数。[0027]在一个可选的实施方式中，该装置还包括N个电阻和N个单向导通元件；[0028]N个电阻中的第i个电阻的第一端与N个单向导通元件中的第i个单向导通元件的正极端连接，N个电阻中的第i个电阻的第二端与N个电源中的第i个电源初始时刻的负极端以及去耦变压器中的第i个绕组的第一端连接，N个单向导通元件中的第i个单向导通元件的负极端与N个电源中的第i个电源初始时刻的正极端以及N个开关中的第丨个开关的第一端连接。[0029]在一个可选的实施方式中，N个电阻中的第i个电阻、N个单向导通元件中的第i个单向导通元件和N个电源中的第i个电源构成第i个续流回路。[0030]在一个可选的头施方式中，N个单向导通元件为N个二极管。[0031]在一个可选的头施方式中，N个电源中的各电源为脉冲发电机、电容器以及蓄电池中的一种或者多种组合。[0032]在本发明实施例中，所用电源并不限于脉冲发电机和电容器，同样可以是蓄电池等电源，或者此三种电源以及其他类型电源的合理组合。[0033]在一个可选的实施方式中，第i个回路中的电流Ii的脉宽大于第i+1个回路中的电流Ii+i的脉宽。[0034]在一个可选的实施方式中，去耦变压器的第i个绕组与第i+1个绕组的互感与多级脉冲磁体的第i个线圈与第i+l个线圈的互感相等。[0035]在一个可选的实施方式中，第i个回路中的电流Ii从去耦变压器的第i个绕组的同名端流入。[0036]以下以脉冲磁体和去耦变压器为三级结构对本发明装置进行详细说明。[0037]如图2所示是本发明实施例提供的另一种强磁场产生装置的电路结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：[0038]强磁场产生装置包括去耦变压器4和多级脉冲磁体3，由去耦变压器4的第一绕组，第一电源6a，第一开关7a和多级脉冲磁体3的外线圈依次串联组成的第一回路丨丨，由去耦变压器4的第二绕组，第一电源6b，第二开关7b和多级脉冲磁体3的中线圈依次串联组成的第二回路I2,以及由去耦变压器4的第三绕组，第三电源ec，第三开关7c和多级脉冲磁体3的内线圈依次串联组成的第三回路13。[0039]在本发明实施例中，第一回路11还包括并联在第一电源6a两端的第一续流回路5a;第二回路12还包括并联在第二电源6b两端的第二续流回路5b;第三回路13还包括并联在第三电源6c两端的第三续流回路5c。[0040]其中，第一续流回路5a包括依次连接在第一电源6a两端的第一电阻R1和第一单向导通元件。作为本发明的一个实施例，第一单向导通元件可以为第一二极管D1，第一二极管D1的阴极与第一电源6a初始时刻正极与第一开关h的连接端连接，第一二极管D1的阳极通过第一电阻R1与第一电源6a初始时刻负极与去耦变压器4的第一绕组的连接端连接。[0041]其中，第二续流回路5b包括依次连接在第二电源eb两端的第二电阻R2和第二单向导通元件。作为本发明的一个实施例，第二单向导通元件可以为第二二极管D2，第二二极管D2的阴极与第二电源6b初始时刻正极与第二开关7b的连接端连接，第二二极管D2的阳极通过第二电阻R2与第二电源6b初始时刻负极与去耦变压器4的第二绕组的连接端连接。[0042]其中，第三续流回路5c包括依次连接在第三电源6c两端的第三电阻R3和第三单向导通元件。作为本发明的一个实施例，第三单向导通元件可以为第三二极管D3,第三二极管D3的阴极与第三电源6c初始时刻正极与第三开关"7c的连接端连接，第三二极管D3的阳极通过第三电阻R3与第三电源6c初始时刻负极与去耦变压器4的第三绕组的连接端连接。[0043]在本发明实施例中，第一电源如可以为脉冲发电机，第二电源6b可以为第一电容器，第三电源6c可以为第二电容器。[0044]在本发明实施例中，所用电源并不限于脉冲发电机和电容器，同样可以是蓄电池等电源，或者此三种电源以及其他电源的合理组合。[0045]在本发明实施例中，第一回路11中第一电流Ii的脉宽大于第二回路12中第二电流12的脉宽，以及第二回路12中第二电流12的脉宽大于第三回路13中第三电流13的脉宽。[0046]在本发明实施例中，去耦变压器4的第一绕组与第二绕组的互感与多级脉冲磁体3的外线圈与中线圈的互感相等，去耦变压器4的第二绕组与第三绕组的互感与多级脉冲磁体3的中线圈与内线圈的互感相等。[0047]在本发明实施例中，第一回路11中第一电流Ii从去耦变压器4的第一绕组的同名端流入，第二回路12中第二电流12从去耦变压器4的第二绕组的同名端流出，第三回路13中第三电流13从去耦变压器4的第三绕组的同名端流入。[0048]在本发明实施例中，强磁场产生装置包括三个由去耦变压器三绕组耦合起来的电路，其中第一回路的电流脉宽最长，第二回路次之，第三回路最短。其中，当第一回路电流上升沿的适当时刻触发第二回路，多级脉冲磁体的外线圈由于中线圈的突然接入会产生感应电动势，降低第一回路的电流，从而降低外线圈产生的磁场。由于接入了去耦变压器，在第二回路触发时，去耦变压器的第一绕组也会因为第二绕组的突然接入而产生感应电动势。其中，去耦变压器的第一绕组与第二绕组的互感与多级脉冲磁体的外线圈与中线圈的互感相等，并且第二回路中第二电流从去耦变压器的第二绕组的同名端流出。所以多级脉冲磁体的外线圈产生的感应电动势和去耦变压器的第一绕组产生的感应电动势等大反向，相互抵消，抑制了第一回路电流的下降，从而抑制了外线圈提供的背景磁场下降，使脉冲磁体的加固结构性能得到最大限度的利用。当触发第三回路时，多级脉冲磁体的内线圈在中线圈产生的感应电动势与去耦变压器的第三绕组在第二绕组产生的感应电动势等大反向，相互抵消，抑制了第二回路电流的下降，由于原理一致，因此不再赘述。[0049]在本发明实施例中，强磁场产生装置采用了空心变压器进行电路的耦合。空心变压器的结构与三线圈磁体的结构类似，外线圈为第一绕组，中线圈为第二绕组，内线圈为第三绕组;其具有耦合系数高，承受大电流而电磁力小、温升低的特点。[0050]在本发明实施例中，去耦合的多级脉冲强磁场产生装置的工作方式如下：[0051]第一回路11放电：闭合第一开关7a，第一电源6a对磁体放电，第一回路11中的电流II逐渐上升。[0052]第二回路12放电:在第一回路11电流的上升沿时，根据设置的电路触发延时，闭合第二开关7b，第二电源eb开始放电，第二回路12中电流12快速上升，此时第一回路11的等效电路如图3所示。由于多级脉冲磁体3的中线圈和去耦变压器4的第二绕组的突然接入，根据法拉第电磁感应定律，会分别在外线圈和第一绕组上产生等大反向的感应电动势，相互抵消，从而抑制了多级脉冲磁体3的外线圈因电磁耦合而导致的电流下降，电流和磁场能够继续略有上升。[0053]第三回路13放电：在第二回路12电流的上升沿时，根据设置的电路触发延时，闭合第三开关7c，第三电源6c开始放电。其对中线圈的等效解耦原理与第二回路12放电过程一致，因此不再赘述。[0054]为了更进一步的说明本发明实施例提供的去耦合的多级脉冲强磁场产生装置能够抑制多级脉冲磁体因电磁耦合而导致的背景磁场下降，最大限度的利用脉冲磁体的加固结构性能，现通过实例详述如下：[0055]第一回路11:第一电源6a输出电压6.9kV，多级脉冲磁体3的外线圈电阻为34.7mQ77¾273.9mQ300K，电感为71•66mH，电流磁场比为919.8AT，去耦变压器4的第一绕组电阻为l7.2lmQ77K140_9mfi300K，电感为26.53mH，第一续流电阻Ri的阻值为1Q，线路电感0.2mH，线路电阻20mD。[0056]第二回路12:第二电源6b电容值为57•6mF，多级脉冲磁体3的中线圈电阻为13.88mQ77K113.7mQ300K，电感为7_575mH，电流磁场比为1072.9AT，与外线圈的互感为12.911111，去耦变压器4的第二绕组电阻为8.2711^77167.7211^3〇〇1〇，电感为6.2811^，与第一绕组的互感为12•9mH，第二续流电阻R2的阻值为〇•08Q，线路电感〇.2mH，线路电阻20mQ〇[0057]第三回路13:第三电源6c电容值为5.lanF，多级脉冲磁体3的内线圈电阻为66.59mQ77K299_66mfi300K，电感为2_353mH，电流磁场比为490.9AT，与中线圈的互感为2.111^，去耦变压器4的第三绕组电阻为1.4911^77112_2111^3〇〇1〇，电感为〇.50311111，与第二绕组的互感为2_lmH，第三续流电阻R3的阻值为0.1Q，线路电感〇.2mH，线路电阻20mQ。[0058]仿真得到的磁场波形如图4所示，当第二回路12开始触发时，多级脉冲磁体3的外线圈产生的磁场没有下降，反而继续略微有所上升；当第三回路13开始触发时，多级脉冲磁体3的中线圈产生的磁场也没有下降，反而继续略微有所上升，从而能在叠加磁场峰值时刻提供较大的背景磁场。以100T脉冲强磁场为例，仿真得到第一电源6a输出电压为6.9kV，第二电源6b和第二电源6c的充电电压分别为251^，17.21^，触发延时分别为54〇1^，5811113，通过各回路放电时序配合，最终在磁体中心孔中得到叠加磁场强度。图5为去耦合和不去耦合时中线圈和内线圈的等效应力分布图，如图所示，1实线表示不去耦合时的中线圈和内线圈的等效应力分布图，图中内8层为内线圈，外8层为中线圈，2虚线表示去耦合时的中线圈和内线圈的等效应力分布图。可以看出，当不去耦合时，为了叠加达到目标磁场，中线圈和内线圈提供的磁场会相应增加，从而使中线圈和内线圈所受的电磁应力也增加，这极大地增加了加固结构的设计难度;当去耦合时，由于外线圈提供的背景磁场增加了，所以中线圈和内线圈提供的磁场可以适当降低，从而其所受的电磁应力也降低，使得加固结构的设计更加容易。[0059]对于脉冲磁体和去耦变压器为二级结构、四极结构等其它结构的工作原理与实现方式与三级结构相似，在本发明实施例中将不在赘述。[0060]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种强磁场产生装置，其特征在于，包括:N个电源、N个开关、去耦变压器以及多级脉冲磁体；所述去耦变压器包括N个绕组，所述多级脉冲磁体包括N个线圈，所述去耦变压器中的各个绕组分别与所述多级脉冲磁体中的各个线圈一一对应相连；所述去耦变压器中的第i个绕组，所述N个电源中的第i个电源，所述N个开关中的第i个开关和所述多级脉冲磁体中的第i个线圈依次串联组成第i个回路，其中，i=l，2,...，N，N为不小于2的正整数。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括N个电阻和N个单向导通元件；所述N个电阻中的第i个电阻的第一端与所述N个单向导通元件中的第i个单向导通元件的正极端连接，所述N个电阻中的第i个电阻的第二端与所述N个电源中的第i个电源初始时刻的负极端以及所述去耦变压器中的第i个绕组的第一端连接，所述N个单向导通元件中的第i个单向导通元件的负极端与所述N个电源中的第i个电源初始时刻的正极端以及所述N个开关中的第i个开关的第一端连接。3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述N个电阻中的第i个电阻、所述N个单向导通元件中的第i个单向导通元件和所述N个电源中的第i个电源构成第i个续流回路。4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述N个单向导通元件为N个二极管。5.根据权利要求1至4任意一项所述的装置，其特征在于，所述N个电源中的各电源为脉冲发电机、电容器、蓄电池以及其他类型合理的电源中的一种或者多种组合。6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，第i个回路中的电流Ii的脉宽大于第i+1个回路中的电流Ii+i的脉宽。7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述去耦变压器的第i个绕组与第i+1个绕组的互感与所述多级脉冲磁体的第i个线圈与第i+1个线圈的互感相等。8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，第i个回路中的电流Ii从所述去耦变压器的第i个绕组的同名端流入。

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