爆磁压缩发生器模拟装置的设计与仿真

应用Pspice仿真软件建立了一个爆磁压缩发生器模拟装置的等效电路模型,分析了电路中各元件参数对爆磁压缩发生器模拟装置输出电流波形的影响,并根据电路中高压脉冲电容器充电电压的不同优化了四组回路参数。应用灰色关联度分析方法,分析了爆磁压缩发生器模拟装置分别在这四组参数情况下的输出电流波形与被模拟的爆磁压缩发生器输出电流波形的曲线相似度,并对工程上实现该模拟装置存在的问题进行了分析。另外,还对爆磁压缩发生器模拟装置通过脉冲变压器对脉冲形成线充电进行了仿真。结果表明,此方案在理论上可以实现对爆磁压缩发生器输出电流波形上升阶段的准确模拟。     

螺线型爆磁压缩发生器的初始瞬态磁场分布

研究了螺线管型爆磁压缩发生器中金属套筒的一维磁扩散模型,分别导出了不同边界条件下的近似解析表达式,分析了瞬态磁场分布的特点,指出了经典趋肤深度计算公式的高频局限性,得出了能够同时反映高频与低频特性的磁场分布与相应趋肤深度的近似解析结果.     

涡流损耗对爆炸去磁脉冲发生器输出性能的影响

 为了提高爆炸去磁脉冲发生器的输出能量,设计了绝缘层截断涡流回路磁体结构,以减小冲击去磁过程中磁体内产生涡流造成的能量损耗。把圆柱形钕铁硼磁体切分成4块,在块与块之间增加聚脂绝缘层,再组合成一个圆柱形整体,形成截断涡流回路的磁体结构。采用Maxwell 3D电磁场有限元分析软件,对未切分和切分后的钕铁硼磁体进行了静磁场计算,分析了两种结构下的磁感应强度分布。对这两种磁体结构的脉冲发生器进行了爆炸实验,测量了脉冲发生器输出的感生电动势,分析了涡流损耗对发生器输出电流的影响。结果表明：磁体中截断涡流回路的脉冲功率发生器涡流损耗较小,能够输出更大的电能。     

含铝炸药爆轰产物导电式爆磁压缩发生器

根据爆磁压缩发生器中导电体工作条件,对比了电枢和含铝炸药爆轰产物作为导电体的异同,得出几种高电导率含铝炸药爆轰产物对应的磁雷诺数,分析了含铝炸药爆轰产物代替电枢压缩磁场的可能性。设计了一种含铝炸药爆轰产物导电式螺线型爆磁压缩发生器,分析其运行过程,得出等效电路模型。数值模拟结果表明:相比于电枢作为导电体的传统螺线型爆磁压缩发生器,同体积条件下高电导率含铝炸药爆轰产物导电式爆磁压缩发生器具有更好的输出性能;该设计可以有效地抑制跳匝、电枢与定子线圈短路点接触不良等容易引起磁通损失的问题。     

周期永磁环爆磁压缩发生器

 首次提出了利用周期永磁环做初始能源的螺旋型爆磁压缩发生器，该结构由4节永磁环正反排到组成。阐述了这种周期永磁环爆磁压缩发生器的结构及其特点，并利用等效电路模型分析了轴线起爆周期永磁环爆磁压缩发生器的磁通变化规律和爆磁压缩过程，得到了基本的电流变化关系。 分析及数值计算结果表明：这种周期永磁环爆磁压缩发生器能够实现电流放大，在磁化电流为0.13 MA，磁化回路负载电感为1.0 μH条件下，最终输出电流可达0.16 MA。周期永磁环可以作为爆磁压缩发生器的初始能源，这种概念设计值得进行进一步的实验探索。     

爆磁压缩发生器通过脉冲变压器对脉冲形成线充电的理论分析

 将爆磁压缩等效为电流源的方法，对爆磁压缩发生器通过脉冲变压器对脉冲形成线充电进行了理论分析，得出爆磁压缩发生器在负载上产生电流波形（简称负载电流）为直线情况和任意电流波形情况下充电电流和充电电压的表达式。分析表明变压器耦合互感与负载电流随时间变化增长率是脉冲形成线充电的两个重要参数，脉冲形成线第一个充电电压峰值与变压器的耦合互感和负载电流波形斜率成正比，负载电流波形斜率的变化可以改变充电电压峰值的时间，斜率不断增加可以延长第一个充电电压峰值时间，从而可能增加充电电压的幅值，提高爆磁压缩发生器能量的利用效率。     

圆盘型爆磁压缩发生器的数值模拟

根据圆盘型爆磁压缩发生器系统等效电路,建立了简化计算模型。利用Matlab编写了MDEMG程序,以直径240 mm的三单元圆盘型爆磁压缩发生器为研究对象,进行了数值模拟,分析了圆盘型爆磁压缩发生器工作期间电流、电感、爆轰压力、磁压、电压分布等参数的变化过程,并进一步分析发生器初始电流、圆盘构形对发生器输出特性的影响。结果表明:在输入电流为6 MA时,发生器在1.5 nH电感负载上可以获得40 MA、特征上升时间3 s的脉冲电流;发生器输出电流与初始电流正相关,但由于磁压随电流增大迅速增大,发生器输出电流存在极限;相对于平面型圆盘,锥型圆盘可以提高发生器工作后期的功率。     

二维磁流体力学程序MFCGⅢ计算结果与测试结果的对比分析

 根据磁场、流函数和感应电流的解析公式，研制了间接馈电爆磁压缩发生器充电和爆磁压缩过程计算程序MFCGⅢ。用MFCGⅢ计算了实验模型，其结果与测试结果符合较好。因此MFCGⅢ可对实验提供优化设计，并且可分析、解释MFCG实验中有关的物理问题。     

螺旋型爆磁压缩发生器初始电性能的高频分析

 从电流扩散方程和磁扩散方程出发，研究了在瞬态过程中螺旋型爆磁压缩发生器(HMFCG)的电流密度在螺线管导线中的分布以及感应电流密度在金属套筒中的分布情况，分析计算了爆磁回路初始充电过程中频率对HMFCG电感和电阻的影响，计算结果与实验测量吻合；这为进一步完善校正程序，更好地描述爆磁压缩过程奠定了基础。     

二维磁流体力学程序MFCG Ⅱ与MFCG Ⅰ计算结果的对比分析

 根据磁场、电流密度和感应电流的解析公式研制了爆炸磁通压缩发生器充电和爆磁压缩过程的计算程序MFCG Ⅱ。在相同条件下用该程序和二维磁流体力学程序MFCG Ⅰ分别计算相同模型所得结果符合较好。因此用MFCG Ⅱ可分析、解释MFCG实验中有关的物理问题。     

几组特殊形状永磁体的磁场及梯度COMSOL分析

利用COMSOL"静磁场,无电流"的应用模式给出了相对放置的永磁条、具有磁回路结构的磁轭磁极、环形磁体的磁场分布图,并分析了这3组磁体的磁场和梯度情况,更关注于均匀磁场和恒梯度磁场的分布情况。     

轴对称高场超导磁体电磁应力有限元分析方法

核磁共振成像和核磁共振谱仪是高场超导磁体的主要应用领域.高场超导磁体通常具有较高的磁场和运行电流,在运行过程中超导线会产生较高的电磁应力,其临界特性将发生退化,影响磁体的稳定性.开展高场超导磁体的电磁应力精确分析显得尤为必要.本文发展了一种快速有效的有限元分析方法,第一步,为整个超导磁体系统建立平均有限元模型,采用传统的电磁-结构耦合方法求解电磁应力,获得最大应力位置;第二步,对最大应力所在的超导线圈建立详细有限元模型,采用单积分-结构分析方法精确求解每一组分中电磁应力.基于该模型研究了500 MHz NMR超导磁体的电磁应力.该分析方法也可以用于超导磁体冷却过程中的热应力分析.为高场超导磁体设计和建造提供有益的理论依据.     

Permanent magnet applications

Rare-earth permanent magnets are ideally suited to generate magnetic fields comparable to their spontaneous polarization J_S. Near-square hysteresis loops and large values of the coercivity and anisotropy fields greatly simplify magnet design, as each magnet block is effectively transparent to the magnetic fields produced elsewhere in the magnet assembly. The fields generated by compact and efficient magnet structures requiring no continuous expenditure of energy can be static or variable, uniform or nonuniform. Permanent magnets are fully competitive with electromagnets for fields up to 2 T, and fields as high as to 5 T can be produced in a small volume. When a field with a rapid spatial variation is required, permanent magnets may offer the only practicable solution. Both permanent magnet structures and the uses to which they are put are reviewed, classifying the magnet applications in terms of the nature of the field, the effect on the magnet and the physical effect exploited.     

Field Calculations for Permanent Magnets used for Glow Discharges

If a permanent magnet has both a homogeneous polarization inside the material and a linear demagnetization characteristic in external fields, its magnetic field can be expressed using a surface pole model. For magnets satisfying these conditions and, in addition, having a rectangular shape, the fields at any given point in space can be calculated analytically. An algorithm for this calculation is presented in a form that can easily be implemented into a computer program. In our experiments we used Nd₂Fe₁₄B magnets to support low pressure glow discharges by magnetic fields. The magnets can be seen as composed of elementary magnets with rectangular shape, for which the magnetic field distribution is calculable. We present results of field calculations for various configurations of permanent magnets that we used in hollow cathode and Penning discharges.     

垂向磁场变化量对高温超导块材悬浮力特性的影响

高温超导体因其无源自稳定的特性,受到许多学者的重视,具有广阔的应用前景.目前针对高温超导块材悬浮性能的研究主要集中于由永磁体产生的低磁场环境.本文基于超导磁体平台提供的强磁场环境,通过改变高温超导块材不同的场冷高度,实验研究了高温超导块材悬浮力与垂向磁场变化量的关系.研究结果表明随着垂向磁场变化量的增加,高温超导块材的悬浮力增长趋缓,并最终出现悬浮力饱和的现象.本文还对比了YBCO 和Gd-BCO 两种不同材料超导块材的悬浮性能,结果发现GdBCO 的悬浮力在强磁场环境中表现出更大的潜力.这为高温超导磁浮在强磁场中的应用奠定了基础,通过更加合理地调节磁场的分布,可以更好地发挥高温超导块材的悬浮性能潜力     

辅助永磁体厚度对单畴GdBCO超导体捕获磁场分布及其磁悬浮力的影响

研究了两种磁悬浮系统组态中圆台形辅助永磁体厚度对高温超导体捕获磁场和超导磁悬浮力的影响。结果表明,圆台形辅助永磁体的下表面和GdBCO超导体上表面同处在一个水平面上,磁化用圆台形辅助永磁体的厚度H从5 mm增加到45 mm时,超导体捕获磁场和磁悬浮力与圆台形辅助永磁体的厚度直接相关。（1）当圆台形辅助永磁体的北极垂直向上且用液氮冷却后移除辅助永磁体时,最大磁悬浮力从21.8 N增大到26.5 N,再减小到22.9 N;（2）当圆台形辅助永磁体的北极垂直向下且用液氮冷却后移除辅助永磁体时,最大磁悬浮力从20.5 N减小到11.9 N ,再增加到20.4 N;（3）两种磁悬浮系统组态中最大磁悬浮力不一致,与零场冷情况下的最大磁悬浮力14.6 N也不同。在超导磁悬浮应用系统设计中,只有科学选择辅助永磁体形状和尺寸,合理设计组合方式,才能获得较强的磁场强度,提高超导磁悬浮力特性,该结果对促进高温超导体的实际应用具有重要的指导作用。     

Nb3Sn超导电磁铁

本文报导了关于筒形Nb₃Sn磁体的研究结果。观察到磁通跳跃现象。“冻结”场的分布和历史及激发场的分布紧密相关。“冻结”场可以不是中心对称的,这进一步证明了烧结的Nb₃Sn材料是非均匀介质。我们描述了新的磁体结构,避免了磁通跳跃。除利用铁心来捕获磁通外,在激发和测量磁场的方法上均具有一定的特点。利用圆筒状Nb₃Sn作为压挤磁通的活塞,在1.5°K时,曾获得的最高场强是28.5KG。     

永磁体外部磁场的不均匀性研究

从永磁体的分子电流观点、退磁场、工艺等出发, 以矩形永磁体为例, 从理论上分析了影响永磁体外部磁场不均匀性的各种因素.研究结果表明, 永磁体外部磁场宏观不均匀性(好场区均匀度和面积相对大小) 和空间距离及永磁体的外形设计密切相关. 退磁场对永磁体外部磁场微观不均匀性有着复杂影响. 永磁体工艺如粉末颗粒、取向度、烧结凝固、机械加工等将影响永磁体外部磁场的不均匀性, 如磁化偏角、对称性、光滑性等. 关键词： 永磁体 外部磁场 不均匀性 退磁场     

Analysis of the magnetic field, force, and torque for two-dimensional Halbach cylinders

The Halbach cylinder is a construction of permanent magnets used in applications such as nuclear magnetic resonance apparatus, accelerator magnets and magnetic cooling devices. In this paper the analytical expression for the magnetic vector potential, magnetic flux density and magnetic field for a two dimensional Halbach cylinder are derived. The remanent flux density of a Halbach magnet is characterized by the integer p. For a number of applications the force and torque between two concentric Halbach cylinders are important. These quantities are calculated and the force is shown to be zero except for the case where p for the inner magnet is one minus p for the outer magnet. Also the force is shown never to be balancing. The torque is shown to be zero unless the inner magnet p is equal to minus the outer magnet p. Thus there can never be a force and a torque in the same system.     

磁场可调永磁离子源

研制了一台磁场可调微波离子源, 在离子源放电室处需要的磁场由一组永久磁铁产生, 永久磁铁外部安装了铁磁回路, 铁磁回路的结构可以很容易的手动调整, 通过调整铁磁回路的结构, 可以在放电室产生要求的磁场. 在调试过程中, 也可以调整铁磁回路以改变离子源内部磁场结构, 有利于获得最佳放电条件. 该源在测试中, 从3mm直径的引出孔引出了17mA的离子束.