电参数在线可调的磁开关及电参数调节方法技术

本发明专利技术公开了一种电参数在线可调的磁开关及电参数调节方法，电参数在线可调的磁开关由磁芯、开关绕组、复位电路和处理模块组成；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连续可调的电流源，由处理模块控制复位电源输出的复位电流

Electric parameter on-line adjustable magnetic switch and electric parameter regulating method

The invention discloses an electric magnetic switch and electrical parameters can be adjusted on-line adjusting method, parameter adjustable magnetic switch consists of a core, winding, reset circuit and processing module of electric switch; a reset circuit reset by the power and reset winding; reset power current source continuously adjustable output power. The reset current control module reset power output

【技术实现步骤摘要】
电参数在线可调的磁开关及电参数调节方法
本专利技术涉及高功率脉冲驱动源开关
，尤其是一种电参数在线可调的磁开关及电参数调节方法。
技术介绍
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
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Nc块磁环4组成。磁环4具有圆环型结构，其内半径为RIin，外半径为RIout，高度为HI。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，UPf#(f＝2,3,…,N-1)导体片到INf#导体杆，到DOWNf#导体片再到OUTf#导体杆，构成组合式绕组的第f匝，UPN#导体片到INN#导体杆，再到DOWNN#导体片，再到OUTN#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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的技术方案是：本专利技术由磁芯、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Bs，剩余磁感应强度为Br。其中，Bs和Br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
技术介绍
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Nr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。复本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电参数在线可调的磁开关，它包括磁芯(1)、开关绕组(2)；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

【技术特征摘要】
1.一种电参数在线可调的磁开关，它包括磁芯(1)、开关绕组(2)；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Bs，剩余磁感应强度为Br，Bs和Br为磁性材料的本征参数，A和l为磁芯的几何参数；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)；其特征在于电参数在线可调的磁开关还包括复位电路(3)和处理模块(11)；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Nr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；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即工作电压V、脉冲上升时间τ，通过公式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，Φ为磁通量，正比于磁开关工作电压与...

【专利技术属性】
技术研发人员：李嵩，高景明，杨汉武，钱宝良，阚江南，田希文，晏龙波，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43