一種Tesla變壓器的輕量化同軸磁芯及變壓器制造技術

本發明專利技術屬于脈沖功率技術領域，公開了一種用于Tesla變壓器的輕量化同軸磁芯及變壓器。它包括外磁芯、與外磁芯同軸嵌套的內磁芯，外磁芯與內磁芯均包括中間段與邊段，中間段為筒狀，其磁芯截面積處處均勻，中間段長度與變壓器初級線圈長度相等；邊段的磁芯截面積從中間段兩端到磁芯兩端線性或階梯狀準線性漸變為零。由于實現了磁芯中各處磁感應強度均勻分布，提高了磁芯的利用效率，使得磁芯總重量比常規均勻筒狀磁芯減少25％，同時不改變變壓器耦合特性，有利于Tesla變壓器的輕量化。

Light weight coaxial magnetic core and transformer of Tesla transformer

The invention belongs to the technical field of pulse power, and discloses a light weight coaxial magnetic core and a transformer for a Tesla transformer. It includes outer core, inner core and outer core coaxial nested, outer core and inner core comprises the middle section and the side section, the middle section is cylindrical, everywhere the uniform cross area of magnetic core, middle length and the primary coil of the transformer core section of equal length; edge segments from the two ends of the middle segment to the ends of linear magnetic core the ladder or quasi linear gradient is zero. Due to the realization of the core around the magnetic induction intensity distribution, improve the utilization efficiency of the magnetic core, the core of total weight than conventional uniform cylindrical core is reduced by 25%, while not changing the coupling characteristics of transformer, which is beneficial to lightweight Tesla transformer.

【技術實現步驟摘要】
一種Tesla變壓器的輕量化同軸磁芯及變壓器
本專利技術屬于脈沖功率
，涉及一種Tesla變壓器及用于該Tesla變壓器的輕量化同軸磁芯。
技術介紹
Tesla變壓器型脈沖功率源具有結構緊湊、高功率、可重復頻率運行、穩定可靠等優點，是目前國際上廣泛應用的高功率重復頻率脈沖功率源。當前，為滿足國防和民用領域對裝置實用性的要求，小型化、輕量化已經成為Tesla變壓器型脈沖功率源發展的主要趨勢。Tesla變壓器是一種采用非閉合磁芯的雙諧振脈沖變壓器，典型結構如附圖1與圖2所示。它包括外磁芯1、內磁芯2、初級線圈3和次級線圈4等組成。其中，外磁芯1和內磁芯2都為均勻筒狀，兩者構成同軸嵌套結構，外磁芯1在外，內磁芯2在內；初級線圈3和錐形次級線圈4置于外磁芯1和內磁芯2之間。為保證變壓器耦合性能，磁芯采用高磁導率的鐵磁材料，軸向長度一般為線圈軸向長度的兩倍，且具有一定的截面積，以防止磁飽和。為滿足上述物理性能要求，磁芯必須具有相當大的體積和重量，占據了Tesla變壓器大部分的重量。由于磁芯磁導率遠大于空氣間隙的磁導率，可以近似認為外磁芯1、內磁芯2和線圈以外磁芯兩端之間的環狀氣隙構成閉合磁路。閉合磁路中的磁感應線分布如附圖3及圖4所示，外磁芯1和內磁芯2中為軸向磁芯，環狀氣隙中為徑向磁場。在磁芯中間段與線圈等長的部分，磁感應線全部集中在磁芯中，磁芯中磁感應強度最高；在磁芯的邊段，從線圈末端到磁芯末端的部分，磁場開始由軸向轉為徑向，磁感應線開始由磁芯進入環狀氣隙，磁芯中磁感應強度逐漸降低；在磁芯末端，磁感應線已經全部進入環狀氣隙，磁芯內磁感應強度降低到接近于零。該均勻筒狀磁芯存在的問題是：從磁芯中間位置到磁芯末端，磁感應強度從最大值逐漸降低到接近于零，即磁場在磁芯內分布不均勻。而均勻筒狀磁芯的截面積是按照最高磁感應強度設計，從而導致除中間段外的磁芯其他部分的截面積存在較大冗余。由于磁芯材料密度大，磁芯冗余部分給變壓器顯著增加了額外的重量，不利于變壓器的小型化輕量化設計。
技術實現思路
為了解決現有的Tesla變壓器體積和重量較大的問題，本專利技術提供一種小型化Tesla變壓器及用于該變壓器的輕量化同軸磁芯，在保持變壓器耦合特性不變的前提下，減小了磁芯的體積和重量，從而得到小型化輕量化的Tesla變壓器。本專利技術的技術解決方案是提供一種Tesla變壓器的輕量化同軸磁芯，包括外磁芯與外磁芯同軸嵌套的內磁芯，其特殊之處在于：上述外磁芯與內磁芯均包括中間段與邊段，中間段為筒狀，其磁芯截面積處處均勻，中間段長度與變壓器初級線圈長度相等；邊段的磁芯截面積從中間段兩端到磁芯兩端線性或階梯狀準線性漸變為零。線性漸變是指，從最大截面積均勻減小至零，如附圖中所示。階梯狀準線性漸變是指，從1開始，沿著一級級階梯逐漸變小，例如先減小到0.9，再減小到0.8，直到最后減小到零，實際上，當階梯很密集時，宏觀上看跟線性漸變等同。線性漸變比較適合磁芯整體成型的制作；階梯狀準線性漸變比較適合磁芯為多層疊加結構時。在磁芯中間段與初級線圈等長的部分，磁感應線全部集中在磁芯中，磁芯中磁通量最大，且各處截面的總磁通均勻。而同時，該部分內外磁芯截面積最大且處處均勻。相應的，在磁芯中間段與線圈等長的部分，磁芯中各處磁感應強度均勻分布。在磁芯的邊段，從線圈末端到磁芯末端的部分，磁場開始由軸向轉為徑向，磁感應線開始由磁芯進入環狀氣隙，磁芯中磁通量逐漸線性降低到接近于零。而同時，該部分磁芯截面積也從最大截面積線性或階梯狀準線性漸變到零。相應的，在磁芯的邊段，從線圈末端到磁芯末端的部分，磁芯中各處磁感應強度均勻分布，且磁感應強度與磁芯中間段相同。優選地，磁芯邊段可以為以下幾種結構形式：1)如圖5，外磁芯邊段的外徑與外磁芯中間段的外徑相等，外磁芯邊段的內徑線性漸變至與外磁芯外徑相等；內磁芯邊段的內徑與內磁芯中間段的內徑相等，內磁芯邊段的外徑線性漸變至與內磁芯內徑相等。2)如圖9，外磁芯邊段的外徑與外磁芯中間段的外徑相等，外磁芯邊段的內徑線性漸變至與外磁芯外徑相等；內磁芯邊段的外徑與內磁芯中間段的外徑相等，內磁芯邊段的內徑線性漸變至與內磁芯外徑相等。3)如圖10，外磁芯邊段的內徑與外磁芯中間段的內徑相等，外磁芯邊段的外徑線性漸變至與外磁芯內徑相等；內磁芯邊段的內徑與內磁芯中間段的內徑相等，內磁芯邊段的外徑線性漸變至與內磁芯內徑相等。4)如圖11，外磁芯邊段的內徑與外磁芯中間段的內徑相等，外磁芯邊段的外徑線性漸變至與外磁芯內徑相等；內磁芯邊段的外徑與內磁芯中間段的外徑相等，內磁芯邊段的內徑線性漸變至與內磁芯外徑相等；此結構中，外磁芯內表面和內磁芯外表面都沒有棱角，最有利于磁芯間的高電壓絕緣。優選地，上述內磁芯和外磁芯的長度均為初級線圈長度的2倍。本專利技術還提供了一種具有上述Tesla變壓器的輕量化同軸磁芯的Tesla變壓器。本專利技術的有益效果是：(1)根據磁芯中各處磁通分布特點，磁芯中間段設計為均勻筒狀結構，磁芯邊段設計為漸變筒狀結構，使磁芯中各處磁感應強度均勻分布，提高了磁芯的利用效率；(2)與均勻筒狀磁芯相比，漸變筒狀磁芯邊段減少的重量占磁芯全部重量的25％，實現了磁芯的輕量化設計，有利于Tesla變壓器的輕量化；(3)磁芯的輕量化設計只改變了磁芯邊段中的磁場分布，未改變磁芯中間段和環狀氣隙中磁場分布，因此初級線圈和次級線圈包圍的磁通不變，從而變壓器耦合特性保持不變。附圖說明圖1為現有的Tesla變壓器剖面結構示意圖；圖2為圖1的正面結構示意圖；圖3為現有的均勻筒狀磁芯中磁感應線分布示意圖一；圖4為現有的均勻筒狀磁芯中磁感應線分布示意圖二；圖5為本專利技術第一種輕量化同軸磁芯剖視圖；圖6為圖5的正視圖；圖7為輕量化同軸磁芯中磁感應線分布示意圖一；圖8為輕量化同軸磁芯中磁感應線分布示意圖二；圖9為本專利技術第二種輕量化同軸磁芯剖視圖；圖10為本專利技術第三種輕量化同軸磁芯剖視圖；圖11為本專利技術第四種輕量化同軸磁芯剖視圖。圖中附圖標記為：1-外磁芯，2-內磁芯，3-初級線圈，4-次級線圈，5-漸變筒狀外磁芯，6-漸變筒狀內磁芯，7-中間段，8-邊段。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本專利技術Tesla變壓器的輕量化同軸磁芯及變壓器做詳細描述。圖5、圖6、圖9、圖10及圖11給出了本專利技術Tesla變壓器的的輕量化同軸磁芯四種不同結構示意圖，包括漸變筒狀外磁芯5和漸變筒狀內磁芯6，且兩者構成同軸嵌套結構，漸變筒狀外磁芯5在外，漸變筒狀內磁芯6在內。其中，漸變筒狀外磁芯5和漸變筒狀內磁芯6的中間段7與初級線圈等長的部分，磁芯截面積處處均勻；漸變筒狀外磁芯5和漸變筒狀內磁芯6的邊段8，從初級線圈末端(兩端)到磁芯末端(兩端)，磁芯截面積漸變減小到零，漸變實現方式可以是線性漸變或階梯狀準線性漸變。具體漸變實現方式可以有多種，如：圖9所示，外磁芯5外徑不變，內徑漸變到外徑，同時內磁芯6外徑不變，內徑漸變到外徑；如圖11所示，外磁芯5內徑保持不變，外徑漸變到內徑，同時內磁芯6外徑不變，內徑漸變到外徑；如圖5所示，外磁芯5外徑不變，內徑漸變到外徑，同時內磁芯6內徑不變，外徑漸變到內徑；如圖10所示，外磁芯5內徑不變，外徑漸變到內徑，同時內磁芯6內徑不變，外徑漸變到內徑。圖7及圖8給出了本專利技術的輕量化本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種Tesla變壓器的輕量化同軸磁芯，包括外磁芯、與外磁芯同軸嵌套的內磁芯，其特征在于：所述外磁芯與內磁芯均包括中間段與邊段，中間段為筒狀，其磁芯截面積處處均勻，中間段長度與變壓器初級線圈長度相等；邊段的磁芯截面積從中間段兩端到磁芯兩端線性或階梯狀準線性漸變為零。

【技術特征摘要】
1.一種Tesla變壓器的輕量化同軸磁芯，包括外磁芯、與外磁芯同軸嵌套的內磁芯，其特征在于：所述外磁芯與內磁芯均包括中間段與邊段，中間段為筒狀，其磁芯截面積處處均勻，中間段長度與變壓器初級線圈長度相等；邊段的磁芯截面積從中間段兩端到磁芯兩端線性或階梯狀準線性漸變為零。2.根據權利要求1所述的Tesla變壓器的輕量化同軸磁芯，其特征在于：外磁芯邊段的外徑與外磁芯中間段的外徑相等，外磁芯邊段的內徑線性漸變至與外磁芯外徑相等；內磁芯邊段的內徑與內磁芯中間段的內徑相等，內磁芯邊段的外徑線性漸變至與內磁芯內徑相等。3.根據權利要求1所述的Tesla變壓器的輕量化同軸磁芯，其特征在于：外磁芯邊段的外徑與外磁芯中間段的外徑相等，外磁芯邊段的內徑線性漸變至與外磁芯外徑相等；內磁芯邊段的外徑與內磁芯中間段的外徑相等，內磁芯邊段的內徑線性...

【專利技術屬性】
技術研發人員：喬漢青，樊亞軍，夏文鋒，石磊，張興家，朱郁豐，易超龍，盧彥雷，關錦清，石一平，王翔宇，
申請(專利權)人：西北核技術研究所，
類型：發明
國別省市：陜西,61