磁制冷用重复脉冲电磁系统的研制

发布时间：2018-03-09 21:39

本文选题：重复脉冲　切入点：脉冲电源　出处：《华中科技大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：磁制冷作为一种新型的制冷方式,因其显著的节能环保特性,越来越受到人们的重视。目前,国内外磁制冷技术尚处于研究阶段,在已制成的磁制冷样机中绝大多数使用的是永磁体或超导磁体作为其磁体系统。本文创新地提出研制一套重复脉冲电磁系统,用以代替现有磁体系统应用于磁制冷技术中。与永磁体和超导磁体相比,重复脉冲磁体能以低成本产生较高的磁场,同时避免了传统磁体系统与磁制冷材料之间必须使用运动部件的弊端。重复脉冲电磁系统技术本身,是脉冲强磁场技术领域的一个新兴分支,具有产生重复频率高磁场的能力和巨大的发展潜力。由于重复脉冲磁场比脉冲强磁场实现更为困难,目前国内外对重复脉冲电磁系统的研究还比较少,且都只能产生小于10ms脉冲宽度的磁场,应用较为受限。为满足磁制冷应用需求,本文提出的重复脉冲电磁系统具有193ms的脉冲宽度,与世界上现有的重复脉冲系统相比,脉冲宽度有了较大的提高。全文以磁制冷应用需求为设计目标,阐述了重复脉冲电磁系统及其各子系统从仿真设计优化到联调装配试验的全过程,包括电源系统设计、磁体系统设计、控制测量系统设计和试验研究等。电源系统设计,在借鉴国内外现有重复脉冲电源系统的基础上,创新地提出一种无续流回路的双向重复脉冲电源系统的拓扑结构,使放电回路能量利用效率达到理论最大值。同时,首次采用交流电力电容器组作为脉冲电源系统主电容器组,实现双向馈能与放电。在完成系统整体设计,电路仿真及各元件选型校验的基础上,进行了1.5kV/45kJ共75台并联电容器组及相关充电回路、隔离支路、开关元件、放电回路的装配与调试工作,最终完成电源系统的设计与实现。磁体系统设计,通过比较美国、德国、法国、英国和日本等国强磁场实验室现有的相关磁体技术,创新地设计出兼顾大电感和快速冷却特性的适用于重复脉冲磁场的大电感快速冷却磁体。在重点考虑磁感应强度、冷却通道结构和磁场均匀度等影响因素的基础上,得出理想的磁体参数。经过工艺探索,成功绕制成型所设计的大电感快速冷却磁体,成型电感达87mH,77K下电阻0.4ΩΩ,满足系统要求。控制测量系统设计,使用Labview软件搭建重复脉冲电磁系统的控制测量平台,实现对电源系统、磁体系统和电缸系统在内的统一控制。包括：搭建重复脉冲电磁系统Labview控制系统平台；建立一套基于PLC的电机、电缸控制子系统；实现Labview总系统与PLC电机、电缸子系统的对接；集成labview测量系统。随后,给出了重复脉冲电磁系统运行的详细控制通信流程。最后,完成重复脉冲放电试验。试验中,在考虑强电磁环境对信号传输的影响的基础上,经过计算确定强电磁环境下周围电气设备及实验人员的安全距离。在1.5kV/45kJ电容(可调)的条件下,实现+6.2工/-3.8T磁场(可调),193ms脉冲宽度,802A峰值电流(可调),4.2s周期(可调)的重复脉冲强磁场系统。实验结果经比较,与设计结果一致,满足磁制冷对电磁系统的应用需求。与世界上现有的重复脉冲电磁系统相比,本文研究的重复脉冲系统在脉冲宽度等技术参数上取得了较大突破,同时,也给磁制冷电磁系统技术的发展提供了新的研究思路。
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【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB657

【参考文献】