帶緩衝層的Tesla變壓器磁芯及變壓器和該磁芯製備方法與流程
2023-06-29 00:36:56 1
本發明屬於脈衝功率技術領域，涉及一種帶有緩衝層的tesla變壓器磁芯及具有該磁芯的變壓器和該磁芯的製備方法。
背景技術：
tesla變壓器型脈衝功率源具有結構緊湊、高功率、可重複頻率運行、穩定可靠等優點，是目前國際上廣泛應用的高功率重複頻率脈衝功率源。tesla變壓器在結構上的主要特點是其與脈衝形成線結合在一起，形成線外導體、外磁芯、初級線圈、次級線圈、內磁芯、形成線內導體依次同軸嵌套安裝。這種結構一方面實現了脈衝源的緊湊化，另一方面極大地減小了次級雜散電容，從而使變壓器能達到很高變比(可達幾百到幾千)。由於高變比特性，tesla變壓器初級電壓可以做到千伏以下，從而可以採用單級脈衝晶閘管作為初級放電開關。
但是，tesla變壓器的高變比特性也導致其初級放電電流不僅幅值高(十千安培到百千安培)，而且電流上升率特別高(幾ka/us)，給脈衝晶閘管的性能提出了很大挑戰。尤其是一般脈衝晶閘管很難滿足tesla變壓器對高電流上升率的要求。為提高初級放電迴路，特別是脈衝晶閘管的可靠性，通常情況採取以下技術手段：
一是增大初級迴路外部引線的雜散電感，以降低初級電流上升率，提高晶閘管可靠性。但增大雜散電感會導致tesla變壓器耦合特性的劣化。
二是在初級放電迴路引入緩衝磁環。這種磁環能夠在初級放電開始後的短時間內起到抑制電流上升的作用，期間晶閘管導通面積逐漸擴散。待晶閘管已經能夠耐受較高電流上升率時，緩衝磁環飽和，初級放電電流迅速上升。這種方法存在的問題是：(1)為滿足緩衝時間的要求，緩衝磁環需具有較大的體積和重量，不利於系統的小型化；(2)高功率tesla變壓器初級放電迴路需要採用多路並聯，每路均需要單獨配備緩衝磁環；多個緩衝磁環不僅給系統增加了額外的複雜度，而且它們的性能差異不可避免。如果緩衝磁環特性差異較大，不僅不能起到放電緩衝作用，而且還有可能使得個別晶閘管電流上升率更高。
技術實現要素：
為了克服現有技術中因提高晶閘管的可靠性而帶來的tesla變壓器耦合特性劣化、體積大、結構複雜等問題，本發明提供一種帶緩衝層的tesla變壓器磁芯及具有該磁芯的小型化且結構簡單的變壓器並提供該磁芯的製備方法，能夠提高初級放電脈衝晶閘管工作可靠性，同時能防止變壓器內部高電場耦合進初級迴路。
本發明的技術解決方案是提供一種帶緩衝層的tesla變壓器磁芯，包括外磁芯1、與外磁芯1同軸嵌套的內磁芯3，其特殊之處在於：還包括緩衝磁芯層2，上述緩衝磁芯層2為薄壁磁芯(緩衝磁芯層厚度取決於外磁芯內徑、緩衝時間等因素，通常為百微米到毫米級。緩衝磁芯層的「薄」是相對於內外磁芯而言的，其厚度一般遠小於內外磁芯)，其外壁緊貼外磁芯1內表面，沿緩衝磁芯層2中間段的外壁周向設有凹槽6，上述凹槽6用於放置變壓器的初級線圈4，上述凹槽6的軸向長度大於變壓器初級線圈4的寬度，上述凹槽6的深度大於變壓器初級線圈4的厚度。
優選地，上述外磁芯1和內磁芯3均為軸向截面積相等且軸向長度相等的環形筒狀結構，上述緩衝磁芯層為薄壁筒狀磁芯，上述凹槽6為環形凹槽。
優選地，上述凹槽6的軸向長度比初級線圈4的寬度≥1mm，上述凹槽的深度比初級線圈4的厚度≥0.5mm。
優選地，上述外磁芯1、緩衝磁芯層2及內磁芯3的材料均為冷軋矽鋼薄片。
優選地，上述緩衝磁芯層2通過冷軋矽鋼薄片多層黏貼形成。採用絕緣膠黏貼，從而使片與片之間絕緣，以減小渦流損耗。
本發明還提供一種變壓器，其特殊之處在於，包括具有上述帶有緩衝層的tesla變壓器磁芯、初級線圈4與次級線圈5，上述初級線圈4設置於上述凹槽6內，上述次級線圈5同軸嵌套在內磁芯3與緩衝磁芯層2之間。
本發明還提供一種上述帶有緩衝層的tesla變壓器磁芯的製備方法，該變壓器包括絕緣墊層，所述絕緣墊層包括外絕緣墊層和內絕緣墊層，首先將初級線圈4和絕緣墊層安裝在外磁芯1內，安裝順序為外磁芯1-外絕緣墊層-初級線圈4-內絕緣墊層；然後，通過冷軋矽鋼薄片多層黏貼而形成緩衝磁芯層2，其邊段外表面黏貼在外磁芯邊段內表面上，而其中間段外表面凹槽底部黏貼在內絕緣墊層內表面上；再將內磁芯3同軸套設在外磁芯1內；最後將次級線圈5同軸嵌套在內磁芯3與緩衝磁芯層2之間。
本發明的有益效果是：
(1)緩衝磁芯層和外磁芯構成了閉合磁芯，在初級放電起始階段起到放電緩衝的作用，有利於提高初級放電迴路，特別是脈衝晶閘管的工作安全性和使用壽命；
(2)通過引入緩衝磁芯層，在變壓器內部解決了初級放電緩衝問題，因此對初級並聯放電迴路各支路的放電緩衝效果完全一致，使其性能穩定可靠；
(3)緩衝磁芯層與外磁芯電位一致，並將初級線圈包圍屏蔽起來，從而防止變壓器內部高電場耦合進初級迴路，起到保護初級迴路的作用；
(4)該變壓器的結構簡單、體積減小、重量減輕，有利於系統的小型化。
附圖說明
圖1為帶有緩衝層的tesla變壓器磁芯的剖視圖；
圖2為帶有緩衝層的tesla變壓器磁芯的正視圖。
圖中附圖標記為：1-外磁芯，2-緩衝磁芯層，3-內磁芯，4-初級線圈，5-次級線圈，6-凹槽。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明的帶有緩衝層的tesla變壓器磁芯、具有該磁芯的變壓器及該磁芯的製備方法做詳細描述。
由附圖1可知本發明的帶有緩衝層的tesla變壓器磁芯，包括外磁芯1、緩衝磁芯層2和內磁芯3。其中，外磁芯1和內磁芯3結構與常規tesla變壓器磁芯結構一致，兩者都為環形筒狀磁芯，軸向截面積相同，長度相同，且構成同軸嵌套結構，外磁芯1在外，內磁芯3在內。緩衝磁芯層2為薄壁(厚≤3mm)筒狀磁芯，其邊段外表面緊貼於外磁芯1邊段內表面，而其中間段外表面與外磁芯1中間段內表面留有一定間隙即設有凹槽6，該間隙用於安裝初級線圈4。緩衝磁芯層2中間段長度大於初級線圈4寬度，大1mm以上，緩衝磁芯層2中間段外表面與外磁芯1中間段內表面間距大於初級線圈4厚度，大0.5mm以上。
通過引入緩衝磁芯層2，在變壓器內部解決了初級放電緩衝問題。在初級放電的起始階段，緩衝磁芯層2處於未飽和狀態。由於磁芯的磁導率(幾千到幾萬)遠大於空氣磁導率(約為1)，緩衝磁芯層2磁阻遠小於外磁芯1和內磁芯3之間環狀氣隙磁阻。因此磁感應線主要集中於外磁芯1和緩衝磁芯層2構成的閉合磁芯中。此時，由於閉合磁芯平均磁導率很高，相當於初級迴路中串聯了毫亨量級的大電感，從而抑制了初級電流上升率。在電流上升率被抑制期間，脈衝晶閘管的導通面積逐漸擴散。一般經過1～2微秒的時間後，脈衝晶閘管導通面積已經足夠大，能夠耐受5ka/us的電流上升率。當薄壁緩衝磁芯層2達到磁飽和時，其磁導率迅速下降幾個量級，飽和磁導率接近於1。之後，其磁阻遠大於外磁芯1和內磁芯3之間環狀氣隙磁阻，因此大部分磁感應線轉而通過環狀氣隙進入內磁芯3，外磁芯1-環狀氣隙-內磁芯3構成了閉合磁迴路，該閉合磁迴路即為tesla變壓器正常工作的磁迴路。此時，初級放電緩衝結束，脈衝晶閘管充足導通，初級電流迅速上升，tesla變壓器開始雙諧振工作過程。由於在變壓器內部解決了初級放電緩衝問題，緩衝磁芯層2的放電緩衝效果與變壓器初級放電結構無關，從而不僅能夠適應初級單路放電緩衝的情況，而且能夠很好適應初級多路並聯放電的情況。特別地，緩衝磁芯層2對初級並聯放電各支路的放電緩衝效果完全一致。
緩衝磁芯層2還能起到對初級迴路的屏蔽保護作用。tesla變壓器通常採用冷軋矽鋼薄片作為磁芯材料，這種磁芯材料本身具有一定導電性。由於緩衝磁芯層2邊段與外磁芯1緊貼在一起，使得緩衝磁芯層2電位與外磁芯1電位一致，從而將初級線圈4屏蔽起來，能夠防止變壓器內部高電場耦合進初級迴路，起到保護初級迴路的作用。
本發明的一個帶有緩衝層的tesla變壓器磁芯的實施實例，用於某tesla變壓器型脈衝源。主要技術要求為：(a)該脈衝源採用40歐姆油介質形成線，形成線外導體內徑412mm，內導體外徑150mm；其tesla變壓器初次級線圈長度510mm，初級線圈單匝，次級線圈1200匝，磁芯截面積約為80cm2。(b)其初級電壓800v時，要求能夠提供2us的初級放電緩衝時間。
根據技術要求(a)，可以確定內外磁芯結構參數：磁芯總長度選擇為初次級線圈長度的2倍，即1020mm；外磁芯就是形成線外導體，故外磁芯內徑為412mm；根據外磁芯截面積要求，外磁芯外徑為424mm；內磁芯就是形成線內導體，故內磁芯外徑為150mm；為滿足內磁芯截面積要求，內磁芯內徑為110mm；
根據技術要求(b)，可以確定緩衝磁芯層參數：採用冷軋矽鋼薄帶作為磁芯材料，其飽和磁感應強度bs＝2.03t，剩餘磁感應強度br＝1.5t。由於可以設法利用tesla變壓器初級電容充電電流實現緩衝磁芯層的復位，因此緩衝磁芯層可獲得的最大磁感應強度變化△br＝3.53t。根據伏秒積公式，緩衝磁芯層截面積4.5cm2。考慮到緩衝磁芯層較薄，其平均直徑近似為外磁芯內徑，即412mm。因此，緩衝磁芯層厚度約為1.1mm。
緩衝磁芯層與外磁芯的結合方法：首先將初級線圈和絕緣墊層安裝在外磁芯內，安裝順序為外磁芯-外絕緣墊層-初級線圈-內絕緣墊層；然後，通過冷軋矽鋼薄片多層黏貼形成緩衝磁芯層，其邊段外表面黏貼在外磁芯邊段內表面上，而其中間段外表面凹槽底部黏貼在內絕緣墊層內表面上。磁芯中其餘部分的製備方法可以參考現有技術，再將內磁芯3同軸套設在外磁芯1內；最後將次級線圈5同軸嵌套在內磁芯3與緩衝磁芯層2之間。
在本實施例中，通過引入緩衝磁芯層，在變壓器內部解決了初級放電緩衝問題，且對初級並聯放電迴路各支路的放電緩衝效果完全一致，從能夠提高初級放電脈衝晶閘管工作可靠性，同時能防止變壓器內部高電場耦合進初級迴路。