多通道脈沖磁場發生器設計及電磁仿真分析

張子堯，張 哲，鐘 巖，董翼萱

（1.中國礦業大學，江蘇 徐州 221116；2.揚州大學，江蘇 揚州 225009）

0 引 言

磁場是諸多科學領域的基本研究工具，在電子、航天、船舶等方面已經有了廣泛應用[1-3]。磁場發生器能利用電磁感應原理，在一定強度電流的作用下產生相應的磁場強度。例如，基于電機控制技術將磁場發生器與數字控制結合，可以有效提高汽車中電機控制系統的抗電磁干擾能力[4]。在測量方面，將磁場發生器與光纖傳輸系統集成的脈沖磁場測量系統結合，還可以評估自然中放電現象對通信設備的危害程度等。由于不同的應用場景需要不同的磁場、電流參數，因此研究一款磁場電流參數靈活多變的脈沖磁場發生器具有十分重要的應用價值[5]。

為了設計一臺能夠滿足多種需求的磁場發生裝置，著重研究基于電阻、電感和電容放電的脈沖磁場發生器。脈沖磁場發生器是采用儲能電容在電路中瞬間放電產生脈沖電流通過線圈，從而產生脈沖磁場。但傳統的脈沖磁場發生器往往存在功能性較為單一、能量浪費等問題，為了解決上述問題，基于全橋逆變拓撲設計了一種多通道靈活可調的脈沖磁場發生器[6]。

1 多通道脈沖磁場發生器設計

設計的多通道脈沖磁場發生器電路結構如圖1所示。前端通過3個電容并聯作為儲能模組，后端設置兩通道電感線圈作為磁刺激模組。通過儲能模組與磁輸出模組之間的靈活配合，產生不同形式的磁場。

圖1 電路結構

2 電路仿真分析

脈沖磁場的強弱取決于電路后端線圈電感值及流過線圈的電流大小，通過調節電路電流，使得多通道脈沖磁場發生器產生的磁場作用時間及強度靈活可調。基于PSPICE仿真的電路拓撲如圖2所示。

圖2 多通道脈沖磁場發生器仿真電路拓撲結構

根據實際要求，設置初始電源電壓U1=150 V，儲能電容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，通過改變接入的電容與電感值，使得輸出的電流幅值不同。通過控制全橋逆變電路開關的通斷組合，實現脈沖電流的正負極性變化。通過調節開關時間，實現輸出脈沖寬度變化。而開關通斷的模式不同，接入電路中的RLC組合不同，進而導致電路電流大小不同。為了探究不同開關模式下電路電流的變化規律，對該電路在不同開關模式下產生脈沖電流大小進行仿真分析。為了便于描述，將不同的開關模式采用對應的儲能及磁刺激模組表征。

2.1 儲能模組

通過前端閉合開關S2～S4的通斷即可調整儲能模組，其本質為選擇不同電容C1、C2、C3組合接入電路。根據控制變量法，設定后端線圈固定為電感L1及L2同時接入，開關時間固定即脈寬為50 μs。分別就C1單電容充電的儲能模組一及C1、C2、C3多電容并聯充電的儲能模組二進行分析，仿真得到各組合下對應的電感電流峰值Im，結果如表1所示。

表1 不同儲能模組下的電流峰值

由表1可知，在其他參數不變的情況下，隨著接入電容數量的增加，并入電容的總容值增加，儲能模組釋放的能量更多。在儲能模組二下產生更高幅值的脈沖電流，由于電流脈寬一致，磁場強度同電流大小成正比，因此模組二空間磁場強度更高且其磁刺激能量更強。

2.2 磁刺激模組

通過后端閉合開關S5～S12的通斷即可調整磁刺激模組，其本質為選擇不同電感L1、L2組合接入電路。同樣根據控制變量法，設定前端儲能模組固定為多電容并聯充電的儲能模組二，開關時間固定即脈寬為50 μs。分別對L1、L2雙電感同時放電的磁刺激模組一及L1單電感放電的磁刺激模組二進行分析，仿真得到各組合下對應的電感電流峰值Im，結果如表2所示。

表2 不同磁刺激模組下的電流峰值

由表2可知，磁刺激模組一下產生的電流峰值小于磁刺激模組二下產生的電流峰值。由于雙電感同時放電，在空間中產生的磁場會互補加強，難以直接通過電流大小判斷多電感放電和單電感放電時的空間磁場強弱，因此需要借助磁場仿真軟件分析這兩種模組下的輸出磁場情況。

3 輸出磁場分析

為了進一步研究不同磁刺激模組下各磁場的強度及分布特征，根據仿真電路，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，匝數設置為7。基于有限元仿真軟件COMSOL對磁刺激模組一和磁刺激模組二對應的空間磁場進行仿真，得到其空間多切面磁場分布如圖3所示，其x軸和y軸磁場強度分布如圖4所示。

圖3 空間多切面磁場分布

圖4 不同平面的磁場強度

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

4 結 論

基于全橋逆變和二階電路輸入響應原理設計了一種新型多通道脈沖磁場發生器，通過改變各開關模式控制電路輸出不同電流及磁場。利用PSPICE分析了不同儲能模組電流的變化規律，隨著并入電容的增加，電感峰值電流也有所增加。利用COMSOL進一步分析了不同磁刺激模組下產生的磁場強弱及分布特征，其中磁刺激模組一在x軸平面產生更強的磁場，而磁刺激模組二在y軸平面產生的磁場分布更均勻。基于此，實際應用中可以根據具體需求采取不同的電路模組和磁場形式。