多通道脉冲磁场发生器设计及电磁仿真分析

张子尧，张 哲，钟 岩，董翼萱

（1.中国矿业大学，江苏 徐州 221116；2.扬州大学，江苏 扬州 225009）

0 引 言

磁场是诸多科学领域的基本研究工具，在电子、航天、船舶等方面已经有了广泛应用[1-3]。磁场发生器能利用电磁感应原理，在一定强度电流的作用下产生相应的磁场强度。例如，基于电机控制技术将磁场发生器与数字控制结合，可以有效提高汽车中电机控制系统的抗电磁干扰能力[4]。在测量方面，将磁场发生器与光纤传输系统集成的脉冲磁场测量系统结合，还可以评估自然中放电现象对通信设备的危害程度等。由于不同的应用场景需要不同的磁场、电流参数，因此研究一款磁场电流参数灵活多变的脉冲磁场发生器具有十分重要的应用价值[5]。

为了设计一台能够满足多种需求的磁场发生装置，着重研究基于电阻、电感和电容放电的脉冲磁场发生器。脉冲磁场发生器是采用储能电容在电路中瞬间放电产生脉冲电流通过线圈，从而产生脉冲磁场。但传统的脉冲磁场发生器往往存在功能性较为单一、能量浪费等问题，为了解决上述问题，基于全桥逆变拓扑设计了一种多通道灵活可调的脉冲磁场发生器[6]。

1 多通道脉冲磁场发生器设计

设计的多通道脉冲磁场发生器电路结构如图1所示。前端通过3个电容并联作为储能模组，后端设置两通道电感线圈作为磁刺激模组。通过储能模组与磁输出模组之间的灵活配合，产生不同形式的磁场。

图1 电路结构

2 电路仿真分析

脉冲磁场的强弱取决于电路后端线圈电感值及流过线圈的电流大小，通过调节电路电流，使得多通道脉冲磁场发生器产生的磁场作用时间及强度灵活可调。基于PSPICE仿真的电路拓扑如图2所示。

图2 多通道脉冲磁场发生器仿真电路拓扑结构

根据实际要求，设置初始电源电压U1=150 V，储能电容C1=C2=C3=100 μF，后端线圈电感L1=L2=5 μH，杂散电阻R1=R2=50 Ω。为了得到不同的脉冲电流波形，通过改变接入的电容与电感值，使得输出的电流幅值不同。通过控制全桥逆变电路开关的通断组合，实现脉冲电流的正负极性变化。通过调节开关时间，实现输出脉冲宽度变化。而开关通断的模式不同，接入电路中的RLC组合不同，进而导致电路电流大小不同。为了探究不同开关模式下电路电流的变化规律，对该电路在不同开关模式下产生脉冲电流大小进行仿真分析。为了便于描述，将不同的开关模式采用对应的储能及磁刺激模组表征。

2.1 储能模组

通过前端闭合开关S2～S4的通断即可调整储能模组，其本质为选择不同电容C1、C2、C3组合接入电路。根据控制变量法，设定后端线圈固定为电感L1及L2同时接入，开关时间固定即脉宽为50 μs。分别就C1单电容充电的储能模组一及C1、C2、C3多电容并联充电的储能模组二进行分析，仿真得到各组合下对应的电感电流峰值Im，结果如表1所示。

表1 不同储能模组下的电流峰值

由表1可知，在其他参数不变的情况下，随着接入电容数量的增加，并入电容的总容值增加，储能模组释放的能量更多。在储能模组二下产生更高幅值的脉冲电流，由于电流脉宽一致，磁场强度同电流大小成正比，因此模组二空间磁场强度更高且其磁刺激能量更强。

2.2 磁刺激模组

通过后端闭合开关S5～S12的通断即可调整磁刺激模组，其本质为选择不同电感L1、L2组合接入电路。同样根据控制变量法，设定前端储能模组固定为多电容并联充电的储能模组二，开关时间固定即脉宽为50 μs。分别对L1、L2双电感同时放电的磁刺激模组一及L1单电感放电的磁刺激模组二进行分析，仿真得到各组合下对应的电感电流峰值Im，结果如表2所示。

表2 不同磁刺激模组下的电流峰值

由表2可知，磁刺激模组一下产生的电流峰值小于磁刺激模组二下产生的电流峰值。由于双电感同时放电，在空间中产生的磁场会互补加强，难以直接通过电流大小判断多电感放电和单电感放电时的空间磁场强弱，因此需要借助磁场仿真软件分析这两种模组下的输出磁场情况。

3 输出磁场分析

为了进一步研究不同磁刺激模组下各磁场的强度及分布特征，根据仿真电路，选取双通道的亥姆霍兹线圈作为刺激线圈。其任意单线圈电感值均为5 μH，线圈半径为5 cm，匝数设置为7。基于有限元仿真软件COMSOL对磁刺激模组一和磁刺激模组二对应的空间磁场进行仿真，得到其空间多切面磁场分布如图3所示，其x轴和y轴磁场强度分布如图4所示。

图3 空间多切面磁场分布

图4 不同平面的磁场强度

在不同模组下，线圈产生不同类型的磁场。比较两种模组输出情况可知，磁刺激模组一在线圈中心x轴平面能够产生更高的磁场强度，其峰值达到39.2 mT，均匀度仅达到39%；而磁刺激模组二在线圈中心x轴平面产生磁场分布更均匀，其峰值为27.9 mT，均匀度可达到60%。磁刺激模组一在线圈中心y轴平面能够产生更均匀的磁场分布，其均匀度达到73.68%，峰值为45.8 mT；而磁刺激模组二在线圈中心y轴产生更强的磁场，其峰值可达56.1 mT，其均匀度仅为14.2%。

4 结 论

基于全桥逆变和二阶电路输入响应原理设计了一种新型多通道脉冲磁场发生器，通过改变各开关模式控制电路输出不同电流及磁场。利用PSPICE分析了不同储能模组电流的变化规律，随着并入电容的增加，电感峰值电流也有所增加。利用COMSOL进一步分析了不同磁刺激模组下产生的磁场强弱及分布特征，其中磁刺激模组一在x轴平面产生更强的磁场，而磁刺激模组二在y轴平面产生的磁场分布更均匀。基于此，实际应用中可以根据具体需求采取不同的电路模组和磁场形式。