一种Tesla变压器的轻量化同轴磁芯及变压器的制作方法

本发明属于脉冲功率技术领域，涉及一种Tesla变压器及用于该Tesla变压器的轻量化同轴磁芯。

背景技术：

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。当前，为满足国防和民用领域对装置实用性的要求，小型化、轻量化已经成为Tesla变压器型脉冲功率源发展的主要趋势。

Tesla变压器是一种采用非闭合磁芯的双谐振脉冲变压器，典型结构如附图1与图2所示。它包括外磁芯1、内磁芯2、初级线圈3和次级线圈4等组成。其中，外磁芯1和内磁芯2都为均匀筒状，两者构成同轴嵌套结构，外磁芯1在外，内磁芯2在内；初级线圈3和锥形次级线圈4置于外磁芯1和内磁芯2之间。为保证变压器耦合性能，磁芯采用高磁导率的铁磁材料，轴向长度一般为线圈轴向长度的两倍，且具有一定的截面积，以防止磁饱和。为满足上述物理性能要求，磁芯必须具有相当大的体积和重量，占据了Tesla变压器大部分的重量。

由于磁芯磁导率远大于空气间隙的磁导率，可以近似认为外磁芯1、内磁芯2和线圈以外磁芯两端之间的环状气隙构成闭合磁路。闭合磁路中的磁感应线分布如附图3及图4所示，外磁芯1和内磁芯2中为轴向磁芯，环状气隙中为径向磁场。在磁芯中间段与线圈等长的部分，磁感应线全部集中在磁芯中，磁芯中磁感应强度最高；在磁芯的边段，从线圈末端到磁芯末端的部分，磁场开始由轴向转为径向，磁感应线开始由磁芯进入环状气隙，磁芯中磁感应强度逐渐降低；在磁芯末端，磁感应线已经全部进入环状气隙，磁芯内磁感应强度降低到接近于零。

该均匀筒状磁芯存在的问题是：从磁芯中间位置到磁芯末端，磁感应强度从最大值逐渐降低到接近于零，即磁场在磁芯内分布不均匀。而均匀筒状磁芯的截面积是按照最高磁感应强度设计，从而导致除中间段外的磁芯其他部分的截面积存在较大冗余。由于磁芯材料密度大，磁芯冗余部分给变压器显著增加了额外的重量，不利于变压器的小型化轻量化设计。

技术实现要素：

为了解决现有的Tesla变压器体积和重量较大的问题，本发明提供一种小型化Tesla变压器及用于该变压器的轻量化同轴磁芯，在保持变压器耦合特性不变的前提下，减小了磁芯的体积和重量，从而得到小型化轻量化的Tesla变压器。

本发明的技术解决方案是提供一种Tesla变压器的轻量化同轴磁芯，包括外磁芯与外磁芯同轴嵌套的内磁芯，其特殊之处在于：上述外磁芯与内磁芯均包括中间段与边段，中间段为筒状，其磁芯截面积处处均匀，中间段长度与变压器初级线圈长度相等；边段的磁芯截面积从中间段两端到磁芯两端线性或阶梯状准线性渐变为零。

线性渐变是指，从最大截面积均匀减小至零，如附图中所示。阶梯状准线性渐变是指，从1开始，沿着一级级阶梯逐渐变小，例如先减小到0.9，再减小到0.8，直到最后减小到零，实际上，当阶梯很密集时，宏观上看跟线性渐变等同。线性渐变比较适合磁芯整体成型的制作；阶梯状准线性渐变比较适合磁芯为多层叠加结构时。

在磁芯中间段与初级线圈等长的部分，磁感应线全部集中在磁芯中，磁芯中磁通量最大，且各处截面的总磁通均匀。而同时，该部分内外磁芯截面积最大且处处均匀。相应的，在磁芯中间段与线圈等长的部分，磁芯中各处磁感应强度均匀分布。

在磁芯的边段，从线圈末端到磁芯末端的部分，磁场开始由轴向转为径向，磁感应线开始由磁芯进入环状气隙，磁芯中磁通量逐渐线性降低到接近于零。而同时，该部分磁芯截面积也从最大截面积线性或阶梯状准线性渐变到零。相应的，在磁芯的边段，从线圈末端到磁芯末端的部分，磁芯中各处磁感应强度均匀分布，且磁感应强度与磁芯中间段相同。

优选地，磁芯边段可以为以下几种结构形式：

1)如图5，外磁芯边段的外径与外磁芯中间段的外径相等，外磁芯边段的内径线性渐变至与外磁芯外径相等；内磁芯边段的内径与内磁芯中间段的内径相等，内磁芯边段的外径线性渐变至与内磁芯内径相等。

2)如图9，外磁芯边段的外径与外磁芯中间段的外径相等，外磁芯边段的内径线性渐变至与外磁芯外径相等；内磁芯边段的外径与内磁芯中间段的外径相等，内磁芯边段的内径线性渐变至与内磁芯外径相等。

3)如图10，外磁芯边段的内径与外磁芯中间段的内径相等，外磁芯边段的外径线性渐变至与外磁芯内径相等；内磁芯边段的内径与内磁芯中间段的内径相等，内磁芯边段的外径线性渐变至与内磁芯内径相等。

4)如图11，外磁芯边段的内径与外磁芯中间段的内径相等，外磁芯边段的外径线性渐变至与外磁芯内径相等；内磁芯边段的外径与内磁芯中间段的外径相等，内磁芯边段的内径线性渐变至与内磁芯外径相等；此结构中，外磁芯内表面和内磁芯外表面都没有棱角，最有利于磁芯间的高电压绝缘。

优选地，上述内磁芯和外磁芯的长度均为初级线圈长度的2倍。

本发明还提供了一种具有上述Tesla变压器的轻量化同轴磁芯的Tesla变压器。

本发明的有益效果是：

(1)根据磁芯中各处磁通分布特点，磁芯中间段设计为均匀筒状结构，磁芯边段设计为渐变筒状结构，使磁芯中各处磁感应强度均匀分布，提高了磁芯的利用效率；

(2)与均匀筒状磁芯相比，渐变筒状磁芯边段减少的重量占磁芯全部重量的25％，实现了磁芯的轻量化设计，有利于Tesla变压器的轻量化；

(3)磁芯的轻量化设计只改变了磁芯边段中的磁场分布，未改变磁芯中间段和环状气隙中磁场分布，因此初级线圈和次级线圈包围的磁通不变，从而变压器耦合特性保持不变。

附图说明

图1为现有的Tesla变压器剖面结构示意图；

图2为图1的正面结构示意图；

图3为现有的均匀筒状磁芯中磁感应线分布示意图一；

图4为现有的均匀筒状磁芯中磁感应线分布示意图二；

图5为本发明第一种轻量化同轴磁芯剖视图；

图6为图5的正视图；

图7为轻量化同轴磁芯中磁感应线分布示意图一；

图8为轻量化同轴磁芯中磁感应线分布示意图二；

图9为本发明第二种轻量化同轴磁芯剖视图；

图10为本发明第三种轻量化同轴磁芯剖视图；

图11为本发明第四种轻量化同轴磁芯剖视图。

图中附图标记为：1-外磁芯，2-内磁芯，3-初级线圈，4-次级线圈，5-渐变筒状外磁芯，6-渐变筒状内磁芯，7-中间段，8-边段。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明Tesla变压器的轻量化同轴磁芯及变压器做详细描述。

图5、图6、图9、图10及图11给出了本发明Tesla变压器的的轻量化同轴磁芯四种不同结构示意图，包括渐变筒状外磁芯5和渐变筒状内磁芯6，且两者构成同轴嵌套结构，渐变筒状外磁芯5在外，渐变筒状内磁芯6在内。其中，渐变筒状外磁芯5和渐变筒状内磁芯6的中间段7与初级线圈等长的部分，磁芯截面积处处均匀；渐变筒状外磁芯5和渐变筒状内磁芯6的边段8，从初级线圈末端(两端)到磁芯末端(两端)，磁芯截面积渐变减小到零，渐变实现方式可以是线性渐变或阶梯状准线性渐变。具体渐变实现方式可以有多种，如：图9所示，外磁芯5外径不变，内径渐变到外径，同时内磁芯6外径不变，内径渐变到外径；如图11所示，外磁芯5内径保持不变，外径渐变到内径，同时内磁芯6外径不变，内径渐变到外径；如图5所示，外磁芯5外径不变，内径渐变到外径，同时内磁芯6内径不变，外径渐变到内径；如图10所示，外磁芯5内径不变，外径渐变到内径，同时内磁芯6内径不变，外径渐变到内径。

图7及图8给出了本发明的轻量化同轴磁芯中的磁感应线分布。在磁芯的边段8，从初级线圈末端到磁芯末端的部分，磁场开始由轴向转为径向，磁感应线开始由磁芯进入环状气隙，磁芯中磁通量逐渐线性降低到接近于零。而同时，该部分磁芯截面积也从最大截面积线性或准线性渐变到零。相应的，在磁芯的边段8，从初级线圈末端到磁芯末端的部分，磁芯中各处磁感应强度均匀分布，且磁感应强度与磁芯中间段7相同，从而使磁芯中各处磁感应强度均匀分布，提高了磁芯的利用效率。与均匀筒状磁芯相比，渐变筒状磁芯边段8减少的重量占磁芯全部重量的25％，实现了磁芯的轻量化设计，有利于Tesla变压器的小型化。磁芯的轻量化设计只改变了磁芯边段8的磁场分布，未改变磁芯中间段7和环状气隙中磁场分布，因此初级线圈和次级线圈包围的磁通不变，从而变压器耦合特性保持不变。

本发明的一个轻量化同轴磁芯的实施实例，用于某Tesla变压器型脉冲源。该脉冲源采用40欧姆变压器油介质形成线，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。相应地，设计的轻量化同轴磁芯主要结构参数：

l₁＝1020mm(磁芯总长度选择为初次级线圈长度的2倍)；

l₂＝510mm(磁芯中间段7与初次级线圈等长)；

d₂＝412mm(外磁芯就是形成线外导体)；

d₁＝424mm(满足外磁芯截面积要求)；

d₄＝110mm(内磁芯就是形成线内导体)；

d₃＝150mm(满足内磁芯截面积要求)。

d₁、d₂分别为渐变筒状外磁芯5中间段7外径和内径，d₃、d₄分别为渐变筒状内磁芯6中间段7外径和内径，渐变筒状外磁芯5和渐变筒状内磁芯6总长度为l₁，渐变筒状外磁芯5和渐变筒状内磁芯6中间段7长度为l₂。

外磁芯和内磁芯采用图11所示的渐变方式：外磁芯外径渐变到内径，内磁芯内径渐变到外径。此时，该轻量化同轴磁芯总重量约95kg，比相对应的常规均匀同轴磁芯重量约减小32kg。

通过磁场仿真计算，得到该变压器电气参数：

初级电感L₁＝1.32μH；

次级电感L₂＝1.76H；

耦合系数k＝0.92；

即，采用轻量化同轴磁芯时，该变压器耦合系数达0.92，保持了高耦合特性。