study and design on magnetizing technique using big current pulse
abstract: in order to realize the lowest energy loss and to prolong useful life for pulse magnetizing apparatus and to reduce manufacturing cost the choice of parameters r、l、c about magnetizing technique using pulse produced by capacitance discharge has been discussed ,and the function of magnet core and the influence of vortex produced by pulse magnetizing process in the permanent magnet have also been analysed .an practical pulse magnetizing circuit is introduced by adoption of model kp thyristors for the large-power discharge switch.
keywords：pulse discharge magnetizi thyristors
1 引 言
由于高磁能积、高矫顽力的稀土永磁材料的应用日益广泛，脉冲充磁替代传统电磁铁恒稳磁场充磁方法得到了普及，所见各种脉冲充磁装置其工作原理基本相同，而所用器件、控制线路及放电回路参数的选择却有差异，因而影响充磁效果及设备制造成本与使用寿命。本文主要就电容放电充磁回路的r、l、c等参数及其他因素对脉冲电流峰值（进而对脉冲磁场峰值）的影响作一分析讨论并介绍一种采用kp型普通晶闸管作为大功率放电开关的实用脉冲充磁电路。
2 脉冲放电与脉冲充磁原理
r、l、c串联组成脉冲放电电路， c为储能电容的电容量， l为磁化用螺线管的电感量，r为螺线管、放电回路连接导线电阻、接触电阻及放电器件内阻的总和（忽略线路分布电容与分布电感）。电容c被充电至设定电压u0时断开充电电源，随即接通lr电路，则电容c所储电荷通过lr迅速地以脉冲形式放电，得到极大的脉冲电流峰值。可列出以uc为未知量的一个常系数二阶线性齐次微分方程，即
?
由初始条件 t=0+ 时 uc=u0 , i=0 ,可解得:
.gif)
?
式中
????? 三种情况下的脉冲放电电流波形如图1中1、2、3曲线所示,
图1 三种脉冲放电电流波形
当脉冲放电电流通过磁化线圈时，在其内部产生脉冲磁场，一般而言，当脉冲磁场峰值达到磁化线圈内被充磁材料内秉矫顽力hcj的3~5倍时可饱和磁化，这种充磁方法即称为脉冲充磁。显然，上述第1、2种情况时产生的脉冲电流的波形均可作为充磁用，第3种情况脉冲电流的波形为减幅的正弦振荡波形，只要采用可控的大功率的单向导电器件（如普通晶闸管）作为放电开关，便可以得到减幅正弦振荡的脉冲电流的第一个半周期波形，同样可用于脉冲充磁。
3 磁化线圈
磁化线圈即是与被充磁材料或零件大小尺寸适配的螺线管。半径为r（m）总长为l（m）单层密绕n匝的空心螺线管的电感 当螺线
管通以i（a）的电流时，其轴线中心磁场强度
? 式中 μ0—真空磁导率, s—螺线管横截面积，实用中常采用多层密绕螺线管，设长为l内外层半径分别为ｒ1和ｒ2 ，其电感与磁场强度仍可近似用上列二式计算，取ｒ＝(ｒ1＋ｒ2)／２即可。通电空心螺线管内磁场强度大小沿轴线的变化与螺线管的长径比有关，两端口低于轴线中心。
可见，脉冲磁场的峰值正比于脉冲电流的峰值与螺线管匝数，且与螺线管的长度和半径有关。而螺线管的匝数、长度和半径直接决定其l大小，进而又影响脉冲电流的峰值，存在相互叠套的关系。有必要作进一步的计算分析，以寻求r、l、c的最佳匹配,获得高电流峰值与高磁场峰值。
4 放电回路参数选择与涡流问题
4.1 r、l、c及u0对im 及 hm的影响
为寻求im 及 hm 随r、l、c变化的规律，用数学软件mathematica 4计算得到各组数据（略）并生成如图2所示曲线。
(a) l、r不变时c对im及 hm的影响
(b）l、c不变时r对im及 hm的影响
?
（c）r、c不变时l对im及 hm的影响
图2 c、r、l对im 及 hm的影响
由图可见：（1）当c、r、l变化而历经 三种情况时im及hm随c、r、l的变化而连续变化。（2）储能电容c大小对im及hm影响很大，但更大的c对im及hm贡献不大；（3）im及hm随放电回路电阻总和r的增大而减小；（4〕im随螺线管电感l的增大而减小,而hm却随l的增大而增大，但更大的l对hm贡献不大。实际上l增大的同时r必然增大，因此l增大到一定程度hm会停止增长甚至下降。
im及hm与电容放电电压u0成简单正比关系。
4.2 脉冲磁化中的涡流问题
脉冲磁化电流的脉宽很小，脉冲前沿的时间就更短，仅为数毫秒甚至数十微秒，在这极短的瞬间里螺线管中磁场强度与磁通密度剧增，此时在被磁化的永磁零件内部会产生很大的感应电势ｅ＝－ｄψ／ｄt和涡流ie ，而这涡流又将产生与螺线管内磁化场反向的磁场阻碍充磁。这个反磁场沿着被充磁永磁体径向由表及里增强，所以对大截面、高电导率永磁体进行脉冲磁化时就有可能产生不均匀磁化情况，其表层被饱和磁化了而中心部分未被饱和磁化，这种情况当然是不允许的。此时需增大脉冲磁场峰值、增长脉冲前沿时间来改善。计算还证明，随着放电回路r的减小（常处于 情况 ）与im增大，tm增长，而脉宽的变化不大，而且tm长短与u0无关，如图3所示。图中r1< r2
图3 im、tm随r的变化情况
实践证明，在螺线管内被充磁的永磁体两端贴加软磁铁心也能改善这种情况，这种铁心应采用薄片叠成且片间绝缘，使得在脉冲磁化过程中软磁铁心中产生的涡流很小，因它而产生的反磁场也很小且均匀分布。加铁心使l增大而r不变，可用较小的im得到较大的hm 。
4 参数设计原则与步骤
由以上分析可知，设计脉冲充磁装置时c不宜取得过大（否则成本太高），r应尽量小，l也不宜取得过大。所以绕制充磁螺线管时匝数应少一些，绕组线径应大一些，在满足充磁零件大小的前提下螺线管的内径也应尽量小一些，放电回路各器件连接的接触电阻也应尽量小。在器件耐压允许的前提下，提高电容放电电压u0从而增大电容储能是提高im与hm的最直接最有效的手段。
设计步骤为：（1）根据被充磁永磁体的材料与尺寸大小确定脉冲充磁所需要的磁场峰值hm及充磁螺线管的尺寸大小。确定hm时应留有裕量，螺线管尺寸应尽量紧凑以控制r与l值。初定螺线管线径及匝数后初算出r及l值。（2）根据安全性及电容器与放电开关器件耐压、成本等因素选定u0 ，也应留有裕量。（3）计算绘制im＝f（c）、hm＝f（c）曲线，根据所需要的hm值可确定c，应使（c，hm）点处于曲线膝部比较经济合理（可调整l、r、u0实现）。（4）计算绘制im＝f（l）、hm＝f（l）曲线，校核（l，hm）点，大致处于曲线膝部比较合理。（5）可求得im值并确定电路中有关元器件的相应参数并核算螺线管的线径。（6）综合考虑安全、性能、价格、工艺等诸方面因素而调整并最后确定各参数。
显然，设计制造时追求放电能得到大的im与hm ，使用时却应在hm满足饱和充磁的前提下采用尽可能小的u0 、im与hm ，以实现充磁的最低能耗、提高电容器、放电开关器件（晶闸管）及至整个充磁设备的使用寿命。
5 实验线路与结果
一种简单实用的脉冲充磁电路如图4所示。
图4 脉冲充磁电路原理
scr为大功率普通晶闸管，用作强电流放电开关，ssr1、ssr2为固态继电器，分别控制储能电容器c1的充电与触发电容器c2的放电，r4为设定放电电压u0的可变电阻器，l为磁化线圈。充电控制与触发控制电路包含电压比较器、d触发器、开关晶体管等。
工作过程为：闭合开关s1接通电源，变压器t副边低压输出经整流后向c 2充电，充电控制电路保证ssr 1导通ssr 2断开，闭合开关s 2后t副边高压输出经整流后向c1充电，当uc达到设定值u0 时ssr1断开，触发电路控制ssr2导通，c2经r5、c3放电（触发导通scr），此时c1经scr放电，在磁化线圈l内产生强脉冲磁场对永磁零件充磁。此后每按动按钮开关s3一次即重复上述 充电－停充电－触发－放电（充磁）过程一次，可连续工作。
晶闸管以其无可比拟的优越性淘汰了早期的引燃管、钢球点火开关等脉冲放电控制器件。 kp型普通晶闸管具有单向导电性，门极触发前又具有正向阻断能力，所以很适合用于电容储能脉冲放电电路。充磁用电容放电的脉冲电流峰值一般为数千～1万安培，但脉冲电流持续时间（脉宽）仅为数十微秒～数毫秒，所以在选用晶闸管时不能以通态平均电流 it(av)的额定值与脉冲电流峰值简单相比，而应参照浪涌电流值itsm的额定值。国产大功率管it(av)可达1000～4000a，其itsm要远远高于它，如it(av)＝1000a时itsm约为18.6ka 。标准规定，晶闸管在规定的冷却条件下通过3倍it(av)时，可经受的时间为60ms，通过6倍it(av)时，可经受的时间为20ms，经理论计算与实践证明选择工作脉冲电流峰值为it(av)的8～10倍或为itsm的1/2.5～1/2倍是十分安全的，工作脉冲电流脉宽一般不超过10ms，有较大脉宽时应取较小倍数。标准还规定大功率管通态峰值电压utm≤2.6v，而生产厂家常给出通态平均电压ut的实测值，一般为1v左右，它与器件内阻有关，为减小损耗和器件发热，应选择有较小ut值的晶闸管。
续流二极管vd9的作用是为放电过程中uc1降到零后螺线管l两端的感应电势维持的电流提供回路，使其不会对电容c1反向充电。
采取上述分析计算结果设计制造的强磁场脉冲充磁机（c＝15000μf，u0max＝900v）及充磁螺线管（3×2mm2纱包扁铜线缠绕4层共80匝，l=70mm、day=46mm）控制了较低的制造成本与使用能耗， r＝0.05ω， l＝170μh ，求得u0＝600v时放电脉冲电流峰值im=4084a ，则螺线管中心磁场强度峰值hm=3.90×106 a/m (49koe)。对置于该螺线管中的特高矫顽力（hcj≥1353ka/m）钕铁硼（ntp35sh）永磁零件充磁效果令人满意。设备在工厂正常使用一年，放电数千次未发生故障。
参考文献：
[1] 赵凯华.电磁学.高等教育出版社.1999
[2] 邱关源.电路. 高等教育出版社.1999
[3] 黄 俊.电力电子变流技术.机械工业出版社.1996
作者简介：
谢祖荣 男，副教授，主要从事电气技术、磁应用技术方面的教学与科研工作。
