多通道脈沖磁場(chǎng)發(fā)生器設(shè)計(jì)及電磁仿真分析

張子堯，張 哲，鐘 巖，董翼萱

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116；2.揚(yáng)州大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225009）

0 引 言

磁場(chǎng)是諸多科學(xué)領(lǐng)域的基本研究工具，在電子、航天、船舶等方面已經(jīng)有了廣泛應(yīng)用[1-3]。磁場(chǎng)發(fā)生器能利用電磁感應(yīng)原理，在一定強(qiáng)度電流的作用下產(chǎn)生相應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。例如，基于電機(jī)控制技術(shù)將磁場(chǎng)發(fā)生器與數(shù)字控制結(jié)合，可以有效提高汽車中電機(jī)控制系統(tǒng)的抗電磁干擾能力[4]。在測(cè)量方面，將磁場(chǎng)發(fā)生器與光纖傳輸系統(tǒng)集成的脈沖磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)合，還可以評(píng)估自然中放電現(xiàn)象對(duì)通信設(shè)備的危害程度等。由于不同的應(yīng)用場(chǎng)景需要不同的磁場(chǎng)、電流參數(shù)，因此研究一款磁場(chǎng)電流參數(shù)靈活多變的脈沖磁場(chǎng)發(fā)生器具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值[5]。

為了設(shè)計(jì)一臺(tái)能夠滿足多種需求的磁場(chǎng)發(fā)生裝置，著重研究基于電阻、電感和電容放電的脈沖磁場(chǎng)發(fā)生器。脈沖磁場(chǎng)發(fā)生器是采用儲(chǔ)能電容在電路中瞬間放電產(chǎn)生脈沖電流通過(guò)線圈，從而產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)。但傳統(tǒng)的脈沖磁場(chǎng)發(fā)生器往往存在功能性較為單一、能量浪費(fèi)等問(wèn)題，為了解決上述問(wèn)題，基于全橋逆變拓?fù)湓O(shè)計(jì)了一種多通道靈活可調(diào)的脈沖磁場(chǎng)發(fā)生器[6]。

1 多通道脈沖磁場(chǎng)發(fā)生器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的多通道脈沖磁場(chǎng)發(fā)生器電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。前端通過(guò)3個(gè)電容并聯(lián)作為儲(chǔ)能模組，后端設(shè)置兩通道電感線圈作為磁刺激模組。通過(guò)儲(chǔ)能模組與磁輸出模組之間的靈活配合，產(chǎn)生不同形式的磁場(chǎng)。

圖1 電路結(jié)構(gòu)

2 電路仿真分析

脈沖磁場(chǎng)的強(qiáng)弱取決于電路后端線圈電感值及流過(guò)線圈的電流大小，通過(guò)調(diào)節(jié)電路電流，使得多通道脈沖磁場(chǎng)發(fā)生器產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用時(shí)間及強(qiáng)度靈活可調(diào)?；赑SPICE仿真的電路拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 多通道脈沖磁場(chǎng)發(fā)生器仿真電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)實(shí)際要求，設(shè)置初始電源電壓U1=150 V，儲(chǔ)能電容C1=C2=C3=100 μF，后端線圈電感L1=L2=5 μH，雜散電阻R1=R2=50 Ω。為了得到不同的脈沖電流波形，通過(guò)改變接入的電容與電感值，使得輸出的電流幅值不同。通過(guò)控制全橋逆變電路開(kāi)關(guān)的通斷組合，實(shí)現(xiàn)脈沖電流的正負(fù)極性變化。通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)輸出脈沖寬度變化。而開(kāi)關(guān)通斷的模式不同，接入電路中的RLC組合不同，進(jìn)而導(dǎo)致電路電流大小不同。為了探究不同開(kāi)關(guān)模式下電路電流的變化規(guī)律，對(duì)該電路在不同開(kāi)關(guān)模式下產(chǎn)生脈沖電流大小進(jìn)行仿真分析。為了便于描述，將不同的開(kāi)關(guān)模式采用對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能及磁刺激模組表征。

2.1 儲(chǔ)能模組

通過(guò)前端閉合開(kāi)關(guān)S2～S4的通斷即可調(diào)整儲(chǔ)能模組，其本質(zhì)為選擇不同電容C1、C2、C3組合接入電路。根據(jù)控制變量法，設(shè)定后端線圈固定為電感L1及L2同時(shí)接入，開(kāi)關(guān)時(shí)間固定即脈寬為50 μs。分別就C1單電容充電的儲(chǔ)能模組一及C1、C2、C3多電容并聯(lián)充電的儲(chǔ)能模組二進(jìn)行分析，仿真得到各組合下對(duì)應(yīng)的電感電流峰值Im，結(jié)果如表1所示。

表1 不同儲(chǔ)能模組下的電流峰值

由表1可知，在其他參數(shù)不變的情況下，隨著接入電容數(shù)量的增加，并入電容的總?cè)葜翟黾?，?chǔ)能模組釋放的能量更多。在儲(chǔ)能模組二下產(chǎn)生更高幅值的脈沖電流，由于電流脈寬一致，磁場(chǎng)強(qiáng)度同電流大小成正比，因此模組二空間磁場(chǎng)強(qiáng)度更高且其磁刺激能量更強(qiáng)。

2.2 磁刺激模組

通過(guò)后端閉合開(kāi)關(guān)S5～S12的通斷即可調(diào)整磁刺激模組，其本質(zhì)為選擇不同電感L1、L2組合接入電路。同樣根據(jù)控制變量法，設(shè)定前端儲(chǔ)能模組固定為多電容并聯(lián)充電的儲(chǔ)能模組二，開(kāi)關(guān)時(shí)間固定即脈寬為50 μs。分別對(duì)L1、L2雙電感同時(shí)放電的磁刺激模組一及L1單電感放電的磁刺激模組二進(jìn)行分析，仿真得到各組合下對(duì)應(yīng)的電感電流峰值Im，結(jié)果如表2所示。

表2 不同磁刺激模組下的電流峰值

由表2可知，磁刺激模組一下產(chǎn)生的電流峰值小于磁刺激模組二下產(chǎn)生的電流峰值。由于雙電感同時(shí)放電，在空間中產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)互補(bǔ)加強(qiáng)，難以直接通過(guò)電流大小判斷多電感放電和單電感放電時(shí)的空間磁場(chǎng)強(qiáng)弱，因此需要借助磁場(chǎng)仿真軟件分析這兩種模組下的輸出磁場(chǎng)情況。

3 輸出磁場(chǎng)分析

為了進(jìn)一步研究不同磁刺激模組下各磁場(chǎng)的強(qiáng)度及分布特征，根據(jù)仿真電路，選取雙通道的亥姆霍茲線圈作為刺激線圈。其任意單線圈電感值均為5 μH，線圈半徑為5 cm，匝數(shù)設(shè)置為7?；谟邢拊抡孳浖﨏OMSOL對(duì)磁刺激模組一和磁刺激模組二對(duì)應(yīng)的空間磁場(chǎng)進(jìn)行仿真，得到其空間多切面磁場(chǎng)分布如圖3所示，其x軸和y軸磁場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖4所示。

圖3 空間多切面磁場(chǎng)分布

圖4 不同平面的磁場(chǎng)強(qiáng)度

在不同模組下，線圈產(chǎn)生不同類型的磁場(chǎng)。比較兩種模組輸出情況可知，磁刺激模組一在線圈中心x軸平面能夠產(chǎn)生更高的磁場(chǎng)強(qiáng)度，其峰值達(dá)到39.2 mT，均勻度僅達(dá)到39%；而磁刺激模組二在線圈中心x軸平面產(chǎn)生磁場(chǎng)分布更均勻，其峰值為27.9 mT，均勻度可達(dá)到60%。磁刺激模組一在線圈中心y軸平面能夠產(chǎn)生更均勻的磁場(chǎng)分布，其均勻度達(dá)到73.68%，峰值為45.8 mT；而磁刺激模組二在線圈中心y軸產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場(chǎng)，其峰值可達(dá)56.1 mT，其均勻度僅為14.2%。

4 結(jié) 論

基于全橋逆變和二階電路輸入響應(yīng)原理設(shè)計(jì)了一種新型多通道脈沖磁場(chǎng)發(fā)生器，通過(guò)改變各開(kāi)關(guān)模式控制電路輸出不同電流及磁場(chǎng)。利用PSPICE分析了不同儲(chǔ)能模組電流的變化規(guī)律，隨著并入電容的增加，電感峰值電流也有所增加。利用COMSOL進(jìn)一步分析了不同磁刺激模組下產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)弱及分布特征，其中磁刺激模組一在x軸平面產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場(chǎng)，而磁刺激模組二在y軸平面產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布更均勻?；诖?，實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)具體需求采取不同的電路模組和磁場(chǎng)形式。