带缓冲层的Tesla变压器磁芯及变压器和该磁芯制备方法

摘要

本发明属于脉冲功率技术领域，公开了一种带有缓冲层的Tesla变压器磁芯及具有该磁芯的变压器及磁芯制备方法，包括外磁芯、与外磁芯同轴嵌套的内磁芯，还包括缓冲磁芯层，缓冲磁芯层为薄壁磁芯，其外壁紧贴外磁芯内表面，缓冲磁芯层中间段的外壁周向设有凹槽，凹槽用于放置变压器的初级线圈，凹槽的轴向长度大于变压器初级线圈的宽度，凹槽的深度大于变压器初级线圈的厚度。该带有缓冲层的Tesla变压器磁芯，在变压器内部解决了初级放电缓冲问题，且对初级并联放电回路各支路的放电缓冲效果完全一致，从而能够提高初级放电脉冲晶闸管工作可靠性，同时能防止变压器内部高电场耦合进初级回路。

权利要求

1.一种带缓冲层的Tesla变压器磁芯，包括外磁芯(1)、与外磁芯(1)同轴嵌套的内磁芯(3)，其特征在于：还包括缓冲磁芯层(2)，所述缓冲磁芯层(2)为薄壁磁芯，其外壁紧贴外磁芯(1)内表面，缓冲磁芯层(2)中间段的外壁周向设有凹槽(6)，所述凹槽(6)用于放置变压器的初级线圈(4)，所述凹槽(6)的轴向长度大于变压器初级线圈(4)的宽度，所述凹槽(6)的深度大于变压器初级线圈(4)的厚度；

所述缓冲磁芯层(2)通过冷轧硅钢薄片多层黏贴形成。

2.根据权利要求1所述的带缓冲层的Tesla变压器磁芯，其特征在于：所述外磁芯(1)和内磁芯(3)均为轴向截面积相等且轴向长度相等的环形筒状结构，所述缓冲磁芯层(2)为薄壁筒状磁芯，所述凹槽(6)为环形凹槽。

3.根据权利要求2所述的带缓冲层的Tesla变压器磁芯，其特征在于：所述凹槽(6)的轴向长度与初级线圈(4)的宽度之差大于等于1mm，所述凹槽(6)的深度与初级线圈(4)的厚度之差大于等于0.5mm。

4.根据权利要求3所述的带缓冲层的Tesla变压器磁芯，其特征在于：所述外磁芯(1)及内磁芯(3)的材料均为冷轧硅钢薄片。

5.一种变压器，其特征在于：包括权利要求1至4任一所述的带缓冲层的Tesla变压器磁芯以及初级线圈(4)与次级线圈(5)，所述初级线圈(4)设置于所述凹槽(6)内，所述次级线圈(5)同轴嵌套在内磁芯(3)与缓冲磁芯层(2)之间。

6.一种权利要求1至4任一所述的带缓冲层的Tesla变压器磁芯的制备方法，所述变压器包括绝缘垫层，所述绝缘垫层包括外绝缘垫层和内绝缘垫层，其特征在于：首先将初级线圈(4)和绝缘垫层安装在外磁芯(1)内，安装顺序为外磁芯‐外绝缘垫层‐初级线圈(4)‐内绝缘垫层；然后，通过冷轧硅钢薄片多层黏贴而形成缓冲磁芯层，其边段外表面黏贴在外磁芯(1)边段内表面上，而其中间段外表面凹槽底部黏贴在内绝缘垫层内表面上；再将内磁芯(3)同轴套设在外磁芯(1)内；最后将次级线圈(5)同轴嵌套在内磁芯(3)与缓冲磁芯层(2)之间。

说明书

带缓冲层的Tesla变压器磁芯及变压器和该磁芯制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于脉冲功率技术领域，涉及一种带有缓冲层的Tesla变压器磁芯及具有该磁芯的变压器和该磁芯的制备方法。

背景技术

[0002] Tesla变压器型脉冲功率源具有结构紧凑、高功率、可重复频率运行、稳定可靠等优点，是目前国际上广泛应用的高功率重复频率脉冲功率源。Tesla变压器在结构上的主要特点是其与脉冲形成线结合在一起，形成线外导体、外磁芯、初级线圈、次级线圈、内磁芯、形成线内导体依次同轴嵌套安装。这种结构一方面实现了脉冲源的紧凑化，另一方面极大地减小了次级杂散电容，从而使变压器能达到很高变比(可达几百到几千)。由于高变比特性，Tesla变压器初级电压可以做到千伏以下，从而可以采用单级脉冲晶闸管作为初级放电开关。

[0003] 但是，Tesla变压器的高变比特性也导致其初级放电电流不仅幅值高(十千安培到百千安培)，而且电流上升率特别高(几kA/us)，给脉冲晶闸管的性能提出了很大挑战。尤其是一般脉冲晶闸管很难满足Tesla变压器对高电流上升率的要求。为提高初级放电回路，特别是脉冲晶闸管的可靠性，通常情况采取以下技术手段：

[0004] 一是增大初级回路外部引线的杂散电感，以降低初级电流上升率，提高晶闸管可靠性。但增大杂散电感会导致Tesla变压器耦合特性的劣化。

[0005] 二是在初级放电回路引入缓冲磁环。这种磁环能够在初级放电开始后的短时间内起到抑制电流上升的作用，期间晶闸管导通面积逐渐扩散。待晶闸管已经能够耐受较高电流上升率时，缓冲磁环饱和，初级放电电流迅速上升。这种方法存在的问题是：(1)为满足缓冲时间的要求，缓冲磁环需具有较大的体积和重量，不利于系统的小型化；(2)高功率Tesla变压器初级放电回路需要采用多路并联，每路均需要单独配备缓冲磁环；多个缓冲磁环不仅给系统增加了额外的复杂度，而且它们的性能差异不可避免。如果缓冲磁环特性差异较大，不仅不能起到放电缓冲作用，而且还有可能使得个别晶闸管电流上升率更高。

发明内容

[0006] 为了克服现有技术中因提高晶闸管的可靠性而带来的Tesla变压器耦合特性劣化、体积大、结构复杂等问题，本发明提供一种带缓冲层的Tesla变压器磁芯及具有该磁芯的小型化且结构简单的变压器并提供该磁芯的制备方法，能够提高初级放电脉冲晶闸管工作可靠性，同时能防止变压器内部高电场耦合进初级回路。

[0007] 本发明的技术解决方案是提供一种带缓冲层的Tesla变压器磁芯，包括外磁芯1、与外磁芯1同轴嵌套的内磁芯3，其特殊之处在于：还包括缓冲磁芯层2，上述缓冲磁芯层2为薄壁磁芯(缓冲磁芯层厚度取决于外磁芯内径、缓冲时间等因素，通常为百微米到毫米级。缓冲磁芯层的“薄”是相对于内外磁芯而言的，其厚度一般远小于内外磁芯)，其外壁紧贴外磁芯1内表面，沿缓冲磁芯层2中间段的外壁周向设有凹槽6，上述凹槽6用于放置变压器的初级线圈4，上述凹槽6的轴向长度大于变压器初级线圈4的宽度，上述凹槽6的深度大于变压器初级线圈4的厚度。

[0008] 优选地，上述外磁芯1和内磁芯3均为轴向截面积相等且轴向长度相等的环形筒状结构，上述缓冲磁芯层为薄壁筒状磁芯，上述凹槽6为环形凹槽。

[0009] 优选地，上述凹槽6的轴向长度比初级线圈4的宽度≥1mm，上述凹槽的深度比初级线圈4的厚度≥0.5mm。

[0010] 优选地，上述外磁芯1、缓冲磁芯层2及内磁芯3的材料均为冷轧硅钢薄片。

[0011] 优选地，上述缓冲磁芯层2通过冷轧硅钢薄片多层黏贴形成。采用绝缘胶黏贴，从而使片与片之间绝缘，以减小涡流损耗。

[0012] 本发明还提供一种变压器，其特殊之处在于，包括具有上述带有缓冲层的Tesla变压器磁芯、初级线圈4与次级线圈5，上述初级线圈4设置于上述凹槽6内，上述次级线圈5同轴嵌套在内磁芯3与缓冲磁芯层2之间。

[0013] 本发明还提供一种上述带有缓冲层的Tesla变压器磁芯的制备方法，该变压器包括绝缘垫层，所述绝缘垫层包括外绝缘垫层和内绝缘垫层，首先将初级线圈4和绝缘垫层安装在外磁芯1内，安装顺序为外磁芯1-外绝缘垫层-初级线圈4-内绝缘垫层；然后，通过冷轧硅钢薄片多层黏贴而形成缓冲磁芯层2，其边段外表面黏贴在外磁芯边段内表面上，而其中间段外表面凹槽底部黏贴在内绝缘垫层内表面上；再将内磁芯3同轴套设在外磁芯1内；最后将次级线圈5同轴嵌套在内磁芯3与缓冲磁芯层2之间。

[0014] 本发明的有益效果是：

[0015] (1)缓冲磁芯层和外磁芯构成了闭合磁芯，在初级放电起始阶段起到放电缓冲的作用，有利于提高初级放电回路，特别是脉冲晶闸管的工作安全性和使用寿命；

[0016] (2)通过引入缓冲磁芯层，在变压器内部解决了初级放电缓冲问题，因此对初级并联放电回路各支路的放电缓冲效果完全一致，使其性能稳定可靠；

[0017] (3)缓冲磁芯层与外磁芯电位一致，并将初级线圈包围屏蔽起来，从而防止变压器内部高电场耦合进初级回路，起到保护初级回路的作用；

[0018] (4)该变压器的结构简单、体积减小、重量减轻，有利于系统的小型化。

附图说明

[0019] 图1为带有缓冲层的Tesla变压器磁芯的剖视图；

[0020] 图2为带有缓冲层的Tesla变压器磁芯的正视图。

[0021] 图中附图标记为：1-外磁芯，2-缓冲磁芯层，3-内磁芯，4-初级线圈，5-次级线圈，6-凹槽。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图和实施例对本发明的带有缓冲层的Tesla变压器磁芯、具有该磁芯的变压器及该磁芯的制备方法做详细描述。

[0023] 由附图1可知本发明的带有缓冲层的Tesla变压器磁芯，包括外磁芯1、缓冲磁芯层2和内磁芯3。其中，外磁芯1和内磁芯3结构与常规Tesla变压器磁芯结构一致，两者都为环形筒状磁芯，轴向截面积相同，长度相同，且构成同轴嵌套结构，外磁芯1在外，内磁芯3在内。缓冲磁芯层2为薄壁(厚≤3mm)筒状磁芯，其边段外表面紧贴于外磁芯1边段内表面，而其中间段外表面与外磁芯1中间段内表面留有一定间隙即设有凹槽6，该间隙用于安装初级线圈4。缓冲磁芯层2中间段长度大于初级线圈4宽度，大1mm以上，缓冲磁芯层2中间段外表面与外磁芯1中间段内表面间距大于初级线圈4厚度，大0.5mm以上。

[0024] 通过引入缓冲磁芯层2，在变压器内部解决了初级放电缓冲问题。在初级放电的起始阶段，缓冲磁芯层2处于未饱和状态。由于磁芯的磁导率(几千到几万)远大于空气磁导率(约为1)，缓冲磁芯层2磁阻远小于外磁芯1和内磁芯3之间环状气隙磁阻。因此磁感应线主要集中于外磁芯1和缓冲磁芯层2构成的闭合磁芯中。此时，由于闭合磁芯平均磁导率很高，相当于初级回路中串联了毫亨量级的大电感，从而抑制了初级电流上升率。在电流上升率被抑制期间，脉冲晶闸管的导通面积逐渐扩散。一般经过1～2微秒的时间后，脉冲晶闸管导通面积已经足够大，能够耐受5kA/us的电流上升率。当薄壁缓冲磁芯层2达到磁饱和时，其磁导率迅速下降几个量级，饱和磁导率接近于1。之后，其磁阻远大于外磁芯1和内磁芯3之间环状气隙磁阻，因此大部分磁感应线转而通过环状气隙进入内磁芯3，外磁芯1-环状气隙-内磁芯3构成了闭合磁回路，该闭合磁回路即为Tesla变压器正常工作的磁回路。此时，初级放电缓冲结束，脉冲晶闸管充足导通，初级电流迅速上升，Tesla变压器开始双谐振工作过程。由于在变压器内部解决了初级放电缓冲问题，缓冲磁芯层2的放电缓冲效果与变压器初级放电结构无关，从而不仅能够适应初级单路放电缓冲的情况，而且能够很好适应初级多路并联放电的情况。特别地，缓冲磁芯层2对初级并联放电各支路的放电缓冲效果完全一致。

[0025] 缓冲磁芯层2还能起到对初级回路的屏蔽保护作用。Tesla变压器通常采用冷轧硅钢薄片作为磁芯材料，这种磁芯材料本身具有一定导电性。由于缓冲磁芯层2边段与外磁芯1紧贴在一起，使得缓冲磁芯层2电位与外磁芯1电位一致，从而将初级线圈4屏蔽起来，能够防止变压器内部高电场耦合进初级回路，起到保护初级回路的作用。

[0026] 本发明的一个带有缓冲层的Tesla变压器磁芯的实施实例，用于某Tesla变压器型脉冲源。主要技术要求为：(a)该脉冲源采用40欧姆油介质形成线，形成线外导体内径412mm，内导体外径150mm；其Tesla变压器初次级线圈长度510mm，初级线圈单匝，次级线圈
1200匝，磁芯截面积约为80cm2。(b)其初级电压800V时，要求能够提供2us的初级放电缓冲时间。

[0027] 根据技术要求(a)，可以确定内外磁芯结构参数：磁芯总长度选择为初次级线圈长度的2倍，即1020mm；外磁芯就是形成线外导体，故外磁芯内径为412mm；根据外磁芯截面积要求，外磁芯外径为424mm；内磁芯就是形成线内导体，故内磁芯外径为150mm；为满足内磁芯截面积要求，内磁芯内径为110mm；

[0028] 根据技术要求(b)，可以确定缓冲磁芯层参数：采用冷轧硅钢薄带作为磁芯材料，其饱和磁感应强度Bs＝2.03T，剩余磁感应强度Br＝1.5T。由于可以设法利用Tesla变压器初级电容充电电流实现缓冲磁芯层的复位，因此缓冲磁芯层可获得的最大磁感应强度变化△Br＝3.53T。根据伏秒积公式，缓冲磁芯层截面积4.5cm2。考虑到缓冲磁芯层较薄，其平均直径近似为外磁芯内径，即412mm。因此，缓冲磁芯层厚度约为1.1mm。

[0029] 缓冲磁芯层与外磁芯的结合方法：首先将初级线圈和绝缘垫层安装在外磁芯内，安装顺序为外磁芯-外绝缘垫层-初级线圈-内绝缘垫层；然后，通过冷轧硅钢薄片多层黏贴形成缓冲磁芯层，其边段外表面黏贴在外磁芯边段内表面上，而其中间段外表面凹槽底部黏贴在内绝缘垫层内表面上。磁芯中其余部分的制备方法可以参考现有技术，再将内磁芯3同轴套设在外磁芯1内；最后将次级线圈5同轴嵌套在内磁芯3与缓冲磁芯层2之间。

[0030] 在本实施例中，通过引入缓冲磁芯层，在变压器内部解决了初级放电缓冲问题，且对初级并联放电回路各支路的放电缓冲效果完全一致，从能够提高初级放电脉冲晶闸管工作可靠性，同时能防止变压器内部高电场耦合进初级回路。