充磁原理及充磁机

充磁机
充磁机的工作原理是：先将电容器充以直流高压电压，然后通过一个电阻极小的线圈放电。

放电脉冲电流的峰值可达数万安培。

此电流脉冲在线圈内产生一个强大的磁场，该磁场使置于线圈中的硬磁材料永久磁化。

充磁机电容器工作时脉冲电流峰值极高，对电容器耐受冲击电流的性能要求很高。

充磁机结构较简单，实际上就是一个磁力极强的电磁铁，配备多种形状的铁块，作为附加磁极，以便与被充磁体形成闭合磁路，充磁时，摆设好附加磁极，和被充磁体，只要加上激磁电流，刷瞬间即可完成。

PLC在充磁机控制系统的设计
1 引言
随着电机、家用电子、计算机、通信等技术日新月异的更新和发展，永磁材料需要量越来越大性能越来越高。

目前，永磁材料大多采用钕铁硼、铁氧体、铝镍钴、钐钴等，并具有矫顽力大、性能稳定等特点，这些材料经充磁电源的高压大电流向螺线管瞬间脉冲放电，使其磁化。

生产中要求充磁电源高效、稳定、精度高，同时，在机测试充磁后永磁材料的磁通量。

文中介绍了的充磁和测量为一体高效自动充磁机，使用plc实现系统控制，触摸屏作为参数调整、工作显示等。

2 电磁交换
充磁机根据电容储能脉冲放电产生强大磁场，对铁磁性物质进行磁化。

在电磁交换前，电容储存的能量
(1)
式中uc为储存电容的端电压，c为储存电容的容量。

改变电容的电压或容量，可调节电容存储电场能量大小。

目前，电容在2kv～，存储能量可达100kj以上。

电容c被充电至设定电压u0时断开充电电源，随即接通lr串联电路，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。

电容放电的端电压uc满足
(2)
其放电电流
(3)
式中l为充磁头中螺线管的电感量，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)。

对脉冲充磁，充磁头常选用
(4)
即欠阻尼情况下，电容放电电流，使脉冲磁场峰值达到磁化线圈内被充磁材料内矫顽力的3～5倍时进行可饱和磁化。

磁通强度检测有磁电式磁通、电子式磁通和数字积分式磁通三种。

图1为电子式磁通电路，有探测线圈和积分电路组成。

当探测线圈中所链合的磁通变化δφ时，线圈中感应出电动势，经积分后的输出电压
(5)
式中n为探测线圈的匝数，r为电阻，c为积分电容。

图1 电子式磁通检测电路
3 控制系统设计
图2为充磁机系统示意图。

电路是由可调直流高压电源、放电开关电路、plc控制器、触摸屏、磁通检测和充磁头等电路组成。

控制要求：
①调节可控硅控制角度来调节充磁电流；
②自动检测充磁产品磁通强度；
③人机对话，即设定参数和显示运行状态；
④ plc现实系统的控制和运算；
⑤功率元件的过流和过压保护；
⑥具有输入短路保护，操作安全。

图2 系统总体框图
充磁电路
充磁电路有主电路和触发电路。

充磁机的电路图如图3所示。

主电路主要由交流调压升压、整流储能和放电等电路组成。

通过调节双向可控硅vt1和tv2的移相角(或导通角)来调节升压变压器t的输入电压，然后通过桥式整流电路得到脉动的直流电压，将电能储存在电容组cl中。

当可控硅vt7导通，其瞬间向充磁头产生强脉冲电流放电，对材料进行快速充磁。

在双向可控硅同步相控触发电路中，模拟量模块fx0n-3a的输出端电压vout控制导通角，以调节存能电容上端电压。

图3 充磁电路图
系统控制电路
图4为系统控制电路，选三菱fx1n-24mr为系统主控器，模拟量fx0n-3a有二个输入和一个输出，其中输入检测电流信号和磁通信号，输出控制双向可控硅的导通角。

图4 系统控制电路
图5 程序框图
控制程序设计
控制程序有手动与自动。

手动控制程序用于电容切换和电容充电检查、充磁检查等调试和维护。

自动控制程序包含有顺序控制程序，电容分级充电子程序，磁性检测子程序，hmi接口程序，关门和充磁头连接、过压过流等。

由于整个工作按流水动作，所以采用顺序控制将这些工作的子程序串联在一起，这样对编写程序较为简便，并用stl指令易读。

电容分级充电子程序就是考虑到电容在零状态充电时可能有很大的冲击电流，会损坏桥式整流电路和双向可控桂。

存储电能电容分二级充电，开始接上限流电阻r1，过后用km2的触点短接，进行全压充电。

充磁后的工件被气阀顶到检测磁通的线圈前，应先对图1中积分电容短接放电(检测清零)，随后磁性工件插入线圈中，就能检查到产品的磁通量，从而鉴别本批产品性能要求，同时，可稳定双向可控硅的导通角，以确保产品的质量。

触摸屏选用三菱f940got，设定参数和显示运行状态。

设定充磁极数、充磁电流，显示磁通量和工作状态等。

hmi 接口程序是实现触摸屏与plc之间的组态。

4 结束语
充磁机存储电容脉冲放电，最大瞬间放电电流可达到30ka以上，在10ms时间内产生极高强度的磁场，不会对电网造成冲击影响。

配合合适的充磁线圈，在瞬间产生30000 oe(奥斯特)以上的磁场，针对钕铁硼等高矫顽力磁体，充磁效果更好。

充磁和磁通检测为一体适合流水线作业，具有高效、可靠、抗干扰的特点，但是，减少电力电子器件在通断时对周围影响待于进一步研究。

可控硅原理
可控硅是可控硅整流元件的简称,是一种具有三个PN 结的四层结构的大功率半导体器件,一般由两晶闸管反向连接而成.它的功用不仅是整流，还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直流电变成交流电的逆变，将一种频率的交流电变成另一种频率的交流电等等。

可控硅和其它半导体器件一样，其有体积小、效率高、稳定性好、工作可靠等优点。

它的出现，使半导体技术从弱电领域进入了强电领域，成为工业、农业、交通运输、军事科研以至商业、民用电器等方面争相采用的元件。

（如图）
晶闸管T在工作过程中，它的阳极A和阴极K与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G 和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路
双向晶闸管的结构与符号见图2。

它属于NPNPN五层器件，三个电极分别是T1、T2、G。

因该器件可以双向导通，故除门极G以外的两个电极统称为主端子，用T1、T2。

表示，不再划分成阳极或阴极。

其特点是，当G 极和T2极相对于T1，的电压均为正时，T2是阳极，T1是阴极。

反之，当G极和T2极相对于T1的电压均为负时，T1变成阳极，T2为阴极。

双向晶闸管的伏安特性见图3，由于正、反向特性曲线具有对称性，所以它可在任何一个方向导通。

从晶闸管的内部分析工作过程：
晶闸管是四层三端器件，它有J1、J2、J3三个PN结图一，可以把它中间的NP分成两部分，构成一个PNP 型三极管和一个NPN型三极管的复合管图二.
当晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管导铜，必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。

图2中每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。

因此，两个互相复合的晶体管电路，当有足够的门极电流Ig流入时，就会形成强烈的正反馈，造成两晶体管饱和导通，晶体管饱和导通。

设PNP管和NPN管的集电极电流相应为Ic1和Ic2；发射极电流相应为Ia和Ik；电流放大系数相应为
a1=Ic1/Ia和a2=Ic2/Ik，设流过J2结的反相漏电电流为Ic0,
晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和：
Ia=Ic1+Ic2+Ic0 或Ia=a1Ia+a2Ik+Ic0
若门极电流为Ig,则晶闸管阴极电流为Ik=Ia+Ig
从而可以得出晶闸管阳极电流为：I=(Ic0+Iga2)/（1-（a1+a2））（1—1）
硅PNP管和硅NPN管相应的电流放大系数a1和a2随其发射极电流的改变而急剧变化如图三所示。

当晶闸管承受正向阳极电压，而门极未受电压的情况下，式（1—1）中，Ig=0,(a1+a2)很小，故晶闸管的阳极电流Ia≈Ic0 晶闸关处于正向阻断状态。

当晶闸管在正向阳极电压下，从门极G流入电流Ig,由于足够大的Ig流经NPN管的发射结，从而提高起点流放大系数a2,产生足够大的极电极电流Ic2流过PNP管的发射结，并提高了PNP管的电流放大系数a1,产生更大的极电极电流Ic1流经NPN管的发射结。

这样强烈的正反馈过程迅速进行。

从图3，当a1和a2随发射极电流增加而（a1+a2）≈1时，式（1—1）中的分母1-（a1+a2）≈0,因此提高了晶闸管的阳极电流Ia.这时，流过晶闸管的电流完全由主回路的电压和回路电阻决定。

晶闸管已处于正向导通状态。

式（1—1）中，在晶闸管导通后，1-（a1+a2）≈0,即使此时门极电流Ig=0,晶闸管仍能保持原来的阳极电流Ia而继续导通。

晶闸管在导通后，门极已失去作用。

在晶闸管导通后，如果不断的减小电源电压或增大回路电阻，使阳极电流Ia减小到维持电流IH以下时，由于a1和a1迅速下降，当1-（a1+a2）≈0时，晶闸管恢复阻断状态。