（物理电子学专业论文）给水介质pfl充电的tesla变压器的研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 在脉冲功率领域，脉冲变压器型充电系统具有结构紧凑、体积小等特点，所 以常用电容器对其放电来代替m a r x 发生器给加速器的脉冲形成线( p f l ) 充电。 高功率空芯脉冲变压器虽然无磁饱和，但是它耦合系数很难提高，能量效率低， 不易重复频率运行。传统的重复频率带磁芯的高功率t e s l a 脉冲变压器性能稳定， 能量传输效率高，但给水介质脉冲形成线的充电时间比较长，容易产生能量损耗， 甚至使水产生击穿。本课题研制了一种给水介质p f l 充电的带磁芯的高功率t e s l a 脉冲变压器，此研究弥补了空芯变压器和传统t e s l a 变压器的不足，实现给水介质 脉冲形成线快速、高效地充电具有重要的理论和实践意义。 本文从理论上推导了高功率t e s l a 脉冲变压器的磁化电感、漏感、耦合系数、 导线电阻、磁芯损耗等参数的计算公式，分析了t e s l a 变压器型高功率脉冲调制器 的充电电路，得到了变压器初、次级电压、电流以及能量效率等参数的近似计算 公式。这些推导和计算在一定程度上指导了t e s l a 变压器的设计和研制。 运用p s p i c e 软件对t e s l a 变压器型高功率脉冲调制器等效电路进行了模拟计 算，分析了变压器的主要参数对调制器输出电压波形的影响。运用a n s y s 软件分 别对t e s l a 变压器的初、次级线圈所产生的电磁场分布进行了静态模拟。 通过对常用的磁性材料和绝缘材料进行了选择，在理论计算和模拟分析的基 础上，研制了一台初级电感为2 2 6uh ，次级电感为1 4 6 5 4 8l ih ，耦合系数0 7 5 的t e s l a 变压器，对其参数进行了测量。使用该变压器给水介质螺旋脉冲形成线进 行了充电，当变压器的初级输入5 0 k v 的脉冲电压时，次级输出脉冲电压高达 7 2 0 k v ，变压器能量效率为3 6 。 最后在理论和模拟计算的基础上，对高功率t e s l a 脉冲变压器的磁芯和线圈结 构进行了设计。并运用a n s y s 软件进行了磁耦合瞬态分析和静态电磁场分析。得 到了初、次级电压电流波形以及磁芯磁感应强度的瞬态分布，模拟计算出初级电 感5 2 4uh ，次级电感2 5 0 6 5 61 th ，耦合系数达0 9 6 6 。 主题词：t e s l a 变压器；电感计算；耦合系数；a n s y s 模拟 第i 页 一 望堕竺竺竺篓些竺竺二一 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一。 a b s t r a c t i np u l s ep o 、e rf i e i d ，m el l i g hp o w e rp u l s et r a n s f o r m e r t y p ec h a r g i n gs y s t e mw i t l l s t o r a g ec a p a c i t o r si sw i d e l yu s e dt os u b s t i t u t e t h et r a d i t i o n a lm 锨g e n e r a t o rf o rp u l s e f o r m i n gl i n e ( p f l ) c h a r g i n g ，b e c a u s eo fi t s c o m p a c ts t m c t u r e ，8 m a l lv o l u m e 1 舱 a i r c o r ep u l s et r a n s ；f o r m e rh a sn om a g n e t i c s a t u r a t i o n ， b u ti th a ss m a l lc o u p l m g c o e m c i e m ，l o we n e r g yc o n v e r s i o ne f f i c i e n c ya n d u n s u i t a b l ef o rr e p e t i t i o na p p l l c a t l o n s t h et r a d i t i o n a lt e s l ap u l s e t r a n s f o r m e rw i t hm a g n e t i c c o r e ，w h i c hc a no p e r a t e r e n e t i t i v e l yt oc h a r g et h eo i l p f ld u e t oi t sh i g hc o u p l i n gc o e f f i c i e n ta n dh lgh-energy- c 。r n v - - e r s i o ne 伍c i e n c y ，h o w e v e r ，i tc a i l n o tb ee m p l o y e d t oc h a r g ew a t e r _ p f ld u et 0i t s l o n gc h a r 觑t i m e ，w h i c hm a y r e s u l ti ne n e r g yl o s si nt h ec 慨i n g p r o c e s s ，o rw a t e r b r e a k d o 吼t h e r e f o r e ，ah i 出v o l t a g ep u l s et e s l a t r a n s f o r m e rf o rw a t e r - p f lc 哳g l n g 1 s s t u d i e di nt h et h e s i s 1 1 l em a i np a r a l e t e r s o ft h eh i g hp o w e rt e s l ap u l s e t r a i l s f o n i l e rs u c ha s m a g n e t i z i n gi n d u c t a n c e ，l e a k a g ei n d u c t a n c e ，c o u p l i n gc o e f f i c i e m ，r e s i s t a i l c e a n dc o r e l o s se t c ，a r ec a l c u l a t e d t h e c i r c u i to ft e s l at r a n s f o r m e rt y p e - b i g hp o w e rp u i s e m o d u l a t o ri sa n a l y z e d ，a n dt h ei n p u t a n do u t p u tv o l t a g ea n dc u f r e n t 印p r o x l m a t c e x p r e s s i o n so fm e 姗s f o m e r a r ed e d u c e d t h ec a l c u l a t i o na n d d e r i v a t i o nr e 幽a r c h e l p 觚i nt h et e s l a t r a n s f o r m e rd e s i g n f o rt h et e s l at r 觚s f 0 咖e rt y p e h i g hp o w e rp u l s em o d u l a t o rb a s e d o nw a t e r r 儿， t h ep s p i c ec i r c u i ta i l a l y s i si s u s e dt om o d e lt h em o d u l a t o r t os t u d yt h e 伽印u t v o l t a g e w a v e f 0 h ne 虢c tb ym ep a r 锄e t e rc h a n g e s ，t h ep a r a m e t e rs w e e pa n a l y s l s 1 ss l m u l a t e d f o re a c hp a r to ft h em o d u l a t o r t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n a l y s i s 恤t r 趾s t o 傩e r 1 s c a r r i e do mb ye m p l o y i n ga na n s y s s o f t w a r ef o rc a l c u l a t i n gt h ee l e c t r o m a g n e t l cf i e l d , w h i c hi sb a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) o nt 1 1 eb a s eo ft h ei n v e s t i g a t i n go f t h em a g n e t i cm a t e r i a la n di n s u l a t i o nm a t e r i a l , a t e s l a 缸a n s f o “n e ri sd e s i g n e d a n de x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d t h ep a r 锄e t e s m e a s u r e dw i mp r i m a 拶i n d u c t a u e2 2 6 l ：th ，s e c o n d a r yi n d u c t a n c e 1 4 6 5 4 8vha n d c o u p l i l l gc o e f f i c i e n t0 7 5 w h e n t h ep r i m a r yi n p u tv o l t a g ei s5 0 k v ，t h e 慨s f o r m e r c a n c h a r g et h ep f l t o7 2 0 k vw i t ha ne n e r g yc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo f 3 6 i nt h ee n d ，b a s e do nt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ，s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e l 彻lf e s u l t ， as t r u c 眦o fm a g n e t i cc o r e a n d w i n d i n g so fh i g hp o w e r t e s l a p u l s et r a n s f o r m e r i s 戈 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 d e s i g n e d t h et r a n s i e n tc o u p l e d f i e l da n a l y s i sb e t w e e nc i r c u i ta n dm a g n e t i cf i e l da n d t h es t a t i ce l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n a l y s i sa r ec a r r i e do u tb ye m p l o y i n ga n s y ss o f t w a r e t h e v o l t a g ea n dc u r r e n tw a v e f o r m so fp r i m a r ya n ds e c o n d a r yw i n d i n g sa r eo b t a i n e d t h et r a n s i e n ti n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l di sa l s oo b t a i n e d f r o mt h e s i m u l a t i o n , t h ep r i m a r yi n d u c t a n c e ，s e c o n d a r yi n d u c t a n c ea n dc o u p l i n gc o e f f i c i e n to f t h eh i i g hv o l t a g ep u l s et r a n s f o r m e ra r e5 2 4l ah ，2 5 0 6 5 6uha n do 9 6 6 ，r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：t e s l at r a n s f o r m e r ；i n d u c t a n c ec a l c u l a t i o n ；c o u p l i n gc o e f f i c i e n t ； a n s y s s i m u l a t i o n ；p u l s em o d u l a t o r 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表3 1n l n 取值表2 5 表4 1磁性材料部分参数表4 0 表4 2 绝缘材料部分参数表4 0 表4 3 绝缘液体部分参数表41 表4 4 参数测量范围表4 2 表4 5 理论计算与测量结果比对表4 4 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图 目录 图1 1 脉冲变压器原理图1 图1 2t e s l a 变压器原理图1 图1 3 空芯带绕式3 图1 4 空芯螺旋线绕式3 图1 5 与传输线结合的t e s l a 变压器结构图3 图1 6空：签t e s l a 变压器结构图4 图1 7 空芯变压器型强流电子加速器结构图5 图1 8 磁绝缘空芯变压器结构图5 图1 9t e s l a 变压器型强流电子加速器结构图5 图1 1 0 紧凑型纳秒脉冲发生器。6 图1 11紧凑型脉冲变压器结构图6 图2 1磁：签截面简化图9 图2 2 磁芯截面示意图1 1 图2 3t 形等效电路图1 2 图2 4 半径1 5 m m 单位长度导线电阻随频率变化图1 5 图2 55 0 k h z 频率下单位长度导线电阻随半径变化图1 6 图2 6 硅钢片截面示意图。1 7 图2 7 磁感应强度比值随频率变化图18 图2 8 涡流损耗图2 0 图2 9 变压器电场分布图2 1 图2 1 0 变压器磁场分布图2 2 图3 1 无损t e s l a 变压器电路图2 4 图3 2 电压、充电时间随耦合系数变化图2 5 图3 3 一般t e s l a 变压器的等效电路图2 6 图3 4 输出电压波形图3 0 图3 5t 、v 2 、q 随c 1 变化曲线图3 1 图3 6t e s l a 变压器型脉冲调制器等效电路图3 1 图3 7 脉冲形成线上充电电压波形图3 2 图3 8 不同初级电容时脉冲形成线上充电电压波形图3 2 图3 9 不同次级电容时脉冲形成线上充电电压波形图3 3 图3 1 0 不同初级回路电阻时脉冲形成线上充电电压波形图3 4 图3 1 1不同次级回路电阻时脉冲形成线上充电电压波形图3 4 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图3 1 2 不同初级回路电感时脉冲形成线上充电电压波形图3 5 图3 1 3 不同次级回路电感时脉冲形成线上充电电压波形图3 5 图3 1 4 不同初级电感时脉冲形成线上充电电压波形图3 6 图3 1 5 不同次级电感时脉冲形成线上充电电压波形图3 6 图3 1 6 不同耦合系数时脉冲形成线上充电电压波形图3 7 图4 1变压器装配图4 l 图4 2电感测量模型图4 3 图4 3电子加速器结构图4 4 图4 4 水电阻分压器原理图。4 5 图4 5电阻分压器标定波形图4 5 图4 6 脉冲形成线模拟充电电压波形图。4 6 图4 7 实验波形图4 6 图5 1不同磁芯长度变压器的磁力线和磁感应强度图4 9 图5 2 路径上的磁感应强度图5 0 图5 3 不同磁芯距离变压器的磁力线和磁场强度图一5 1 图5 4 路径上的磁感应强度图5 2 图5 5 磁芯线圈结构模型5 2 图5 6 静电场等势线图5 3 图5 7电压、电流图5 4 图5 8 磁场强度瞬态分布图5 5 第v 页 独创性声明 本人声臻所呈交的学位论文是我本入在导癖指导下述行的研究王作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得圈防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书薅使蔫过的材料与我一离王作的褥志对本研究所做曲任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：纶盔企廑望坠震皇数! 宝鉴! 垒变廷墨鲍鲤塞 学位论文作者签名：耋差盘譬期：勿，年，月髟器 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保麴并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电予文档，兔 许论文被套阅和借阕；可以将学位论文曲全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印一，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适月本授权警) 学位论文题誉：继企廑呈堕盎童鲮强墨! 垒变压墨煎赁客 学位论文作者签名：。：耋垂蔓 作者指导教师签名：勃壶垄 1 日期：知口7 年，月刃日 爨期：叼年，月尹嚣 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 脉冲变压器的原理 变压器【l 】是以法拉第电磁感应定律为基础，能够将一个电路中的电能通过磁场 传输到另一个电路中的电磁装置。脉冲变压器【1 胴是变压器的一种特殊类型，它所 变换的不是正弦电压，而是脉冲电压。其基本工作原理如图1 1 所示，在脉冲的作 用下，初级线圈内产生瞬态的脉冲电流，从而在磁芯中激发起随时间变化的磁通 量。变化的磁通量又在次级线圈中产生感应电动势和感应电流，它反过来通过互 感磁通又影响到初级线圈。 输 冲 图i 1 脉冲变压器原理图 在各种脉冲设备中，应用着各种各样的脉冲变压器。它们的脉冲电压从几伏 到几百千伏；脉冲电流从若干毫安到几十千安；脉冲功率从若干分之一瓦到数百 兆瓦；脉冲宽度从纳秒到秒；重复频率从单脉冲到几十千赫兹。其中，高电压大 功率脉冲变压器主要应用在雷达、量子力学、高能物理等领域的设备中。低电压 小功率脉冲变压器主要应用在计算机技术、自动控制、工业自动化等设备中。 = = 图1 2t e s l a 变压器原理图 t e s l a 变压器【3 1 是一种工作在双谐振模式下的脉冲变压器。其原理如图1 2 所 示，首先常规交流变压器t 1 将输入的市电升压对储能电容器c l 充电；g 为火花开 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 关，当储能电容器c i 上的电压达到一定值时，火花开关导通，通过t e s l a 变压器t 2 升压对次级电容器c 2 充电。一般交流变压器t 1 将电压提升到1 2 - 5 0 k v ，t e s l a 变 压器t 2 能够将电压再次提升到2 0 0 k v - i m v 。t e s l a 变压器是由两个隔离的相互感 应的相关振荡回路组成的系统，与一般脉冲变压器不同的是，该系统的初级储能 和次级负载均为电容，且工作在自由振荡状态下，厶c 1 = , 2 c 2 使两个回路具有相等 的固有振荡频率。 在脉冲功率技术中，t e s l a 变压器主要用来对脉冲形成线充电，以代替采用多 级火花间隙开关的m a r x 发生器t 4 1 t 5 1 。与m a r x 发生器相比，t e s l a 变压器具有体积小， 能量传输效率高，容易实现重复频率运行等特点。 目前，为提高脉冲功率系统的性能，脉冲变压器正向高功率、高电压、高变 比的方向发展，同时还希望脉冲变压器具有重量轻、体积小、价格低、效率高和 长寿命等特点。 1 2 课题的研究的现状 高功率脉冲技术【3 】( h i g hp u l s e dp o w e rt e c h n o l o g y ) 是一种以较低的功率储存 电场或磁场能量，然后将其以高得多的功率变换为电磁脉冲能量并且释放给特定 负载的电物理技术。早在2 0 世纪4 0 5 0 年代，阿尔芬( a l f v e n ) 、布德凯尔( b u d k e r ) 等人就提出了强流相对论电子束的概念。但是直到6 0 年代初，英国原子武器研究 中心的j c m a r t i n 把经典的m a r x 发生器技术与布鲁莱因( b l u m l e i n ) 传输线技术结 合起来1 6 ，将微秒量级上升时间、百万伏量级的高电压脉冲压缩为数十纳秒量级持 续时间的高功率脉冲，从而开创了高功率脉冲技术的新纪元。 在2 0 世纪6 0 年代末，有人曾用空芯脉冲变压器作为充电电源，但是由于功 率小和输出电压不是很高，并没有得到人们的重视。直到8 0 年代俄罗斯人将t e s l a 变压器和脉冲形成线一体化【7 】以后，t e s l a 变压器型的强流电子加速器得到了快速 的发展。这一技术成为脉冲功率技术发展的一个新思路，与经典的m a r x 发生器相 比，这种技术途径具有多方面的特点：更容易实现重复频率运行；能量转换效率 更高，可达9 5 以上；使用较少的电容器，得到较高的输出电压；使用火花间隙 开关的数量更少，触发和同步都比较容易；体积小，重量轻邛j 。 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 w i m 0 l 为 lm a i 虻, i n w i 坼hlm a r g t ni p r i 舶 r y 砌蚋sj 。 s c 【辩d a i l yl u l i n $ o 、c 暇 矿一 l - h i g h v “聪e 蚀 阳f 的 图i - 3空芯带绕式i图1 4 空芯螺旋线绕式 从结构上来看，t e s l a 型空芯脉冲变压器主要有带绕式和螺旋线绕式两种结构 形式f 9 】。如图1 3 和图1 4 所示。这两种结构的初级线圈都绕在次级线圈外面，次 级高压由变压器的轴心引出，线圈间的空隙均用绝缘油或高压绝缘气体填充。它 们最大的区别是线圈之间的绝缘方式，图1 3 采用的是同轴带绕式【1 0 】f 1 1 1 结构，初、 次级线圈都由铜带和塑料绝缘薄膜隔层绕制，匝间具有径向电压梯度。图1 4 采用 的是螺旋线绕式结构，初级的铜带和次级的铜线均采用同轴螺旋绕制，匝间具有 轴向电压梯度。因为没有磁芯，当初级线圈通过瞬间大电流的时候，不存在磁饱 和效应，没有频率限制，也避免了磁芯的滞后和涡流损耗。此外，初级是单匝或 少数几匝，在给高压脉冲形成线充电的时候，在初级回路可以产生很强的电流。 因此这种空芯变压器适合于大功率电源装置，具有结构紧凑、重量轻和宽响应带 宽的优点【l2 1 。但是这两种结构的空芯变压器存在以下问题：( 1 ) 耦合系数比磁芯 变压器小，漏电感大；( 2 ) 能量传输效率相对较低，不适合重复频率运行； ( 3 ) 初、次级的匝与匝之间或线圈之间绕制比较紧密，增加了绝缘和散热的难度。 图1 5 与传输线结合的t e s l a 变压器结构图 自从俄罗斯人将脉冲变压器与脉冲形成线实现一体化设计以后【1 3 j ，产生了第 三种结构形式：带磁芯的t e s l a 脉冲变压器。这种变压器引入了开放磁芯，增加了 耦合系数，提高了能量传输效率；次级采用锥形绕组，增加了散热空间和绝缘强 度。因此，这种结构的t e s l a 变压器很适合高功率重复频率运行。 第3 页 蠢娃fi i 一咿髂 n h = p d ? 聃疆i 睁 r 昝j i ” 瞻0ui i咐n缸i r d 越p _ ?矿-。擅vi0，r了。i 冉，?二铲i盖“_j。j仃月qq j?d， 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 在脉冲功率技术领域中，正因为t e s l a 脉冲变压器具有许多优点，在国内外得 到了广泛的研究和应用： 在国内，1 9 9 5 年国防科技大学率先对加磁芯的t e s l a 变压器【1 4 】做了研究，研制 出了耦合系数为0 5 8 5 ，输入电压3 0 k v ，输出电压6 0 0 k v 的t e s l a 变压器。1 9 9 8 年 中物院应用电子学研究所设计了一台用于加速器的带磁芯的脉冲变压器【引，其设计 参数为标称电压6 0 0 k v 、脉宽1 51 ts 、脉冲电流5 k a 。1 9 9 9 年国防科技大学提出 空芯变压器型水介质b l u m l e i n 线强流电子加速器，该空芯变压器给水介质 b l u m l e i n 脉冲形成线充电，在场发射真空二极管上产生6 0 0 k v ，6 0 k a ，5 0 n s 的单次 强流电子柬。2 0 0 6 年国防科大研制的带磁芯的脉冲变压器【1 5 】，该变压器为同轴带 绕式结构，并且采用了内磁芯，初级电感为3 4 l - th ，次级电感为2 3 6 5i ih ，耦合 系数为0 8 8 ，次级输出电压超过6 0 0 k v 。 蛹嘲葛群铆咿粼瞧斟l i r - o o l a u 阿, sl # 警i 吼i v cd i v i d g t s p a r k - g a p e o t l e w i 喇蛔匿 c 鲥她嘲c 图1 6 空芯t e s l a 变压器结构图 图1 6 为s e t hb m s s a a r d 和d m i t r yv y u g a 在2 0 0 4 研制的2 5 m v 用于产生高亮度 电子束的激光触发亚纳秒脉冲发生器中所使用的t e s l a 空芯脉冲变压器【1 6 】。变压器 的初级为两匝平行铜带，次级为8 0 匝铜线绕制，初级储能电容充电到3 5 - - 5 0 k v 时，次级输出电压为1 2 - - 2 5 m v 。其设计与一般脉冲变压器不同：其初级两匝铜 带分别与两个触发开关和两个储能电容连接，通过控制触发开关同时导通来使其 同步；次级高压端与一个空心球状金属导体连接，有利于使高压端附近的电场均 匀。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 器【1 7 】。该脉冲发生器所设计的t e s l a 空芯脉冲变压器初级为单匝铜带，次级为锥形 线绕结构；初级电感2 2 0 n i l ，次级电感7 5uh ，耦合系数为0 5 2 。初级储能电容 充电到3 0 k v 时，能够给脉冲形成线充电超过5 0 0 k v ，变压器能量效率为8 2 。 图1 8 为m i s t e n i c 等人在2 0 0 6 年研制的1 m v 磁绝缘脉冲变压器【l 引。图中( i ) 为单匝初级铜带，( i i ) 为次级线圈，( i i i ) 为铝质导体。变压器为空芯结构，耦合系数 为0 6 。其绝缘方式与其他空芯变压器不同，整个变压器内部为真空，通过在铝质 导体上通电流产生大约1 t 的角向磁场来提高绝缘强度。当初级电容充电到2 8 k v 时，输出电压超过1 m v 而不会产生击穿。 1 一举i 哪f l ：一t e s l a i r a n * k r r a 口3 一s p n t t 暑勰鲫s m i t h - i 一饿玑n d i o h l e 。5 一亿蟛嗽l c l l 6 一- 也上i 图i 9t e s l a 变压器型强流电子加速器结构图 图1 9 为s d k o r o v i n 研制的基于螺旋脉冲形成线的重复频率强流电子束加速 器【1 9 】。该加速器采用了带磁芯的t e s l a 脉冲变压器，变压器耦合系数接近1 ，最高 能给脉冲形成线充电到1 1 m v 。在二级管上最高能够产生频率为1 0 0 h z ，脉宽 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 3 0 n s ，电压幅值5 0 0 , - - 一7 0 0 k v 的脉冲。 l23 l 一酗l a 蝴蛹蚪嚣b 咄啦妞也锄瞄g l i a e , 2 - 血j 娜辞骅k g a p 粥媳2 k - - - n a m m l s r d o n l i n e , 和嘲弹啪瞳g 妇鳓扭l o 峨孓叫皤喀睫逝雠，e - - - l a m , 盼sc a m , 7 - c 删妇c o i t , o l l i l 燃，9 1 臻艟c 键匹m m s l a t 愆 图1 1 0 紧凑型纳秒脉冲发生器 图1 1 0 为俄罗斯大电流研究所v l a d i m rp 等人研制的紧凑型1 0 0 0p p s 高压纳秒 脉冲发生器【2 0 1 。该发生器使用y t e s l a 脉冲变压器与脉冲形成线的一体化设计，变 压器初级为单匝铜带，次级为1 2 0 0 匝铜导线绕制，采用变压器油绝缘。变压器最 高可以给形成线充电到4 5 0 k v ，能量效率为5 0 。 图1 11紧凑型脉冲变压器结构图 图1 1 1 为美国s a l l d i a 国家实验室设计的2 0 0 k v 紧凑型脉冲变压器【2 1 1 ，该变压 器也使用了部分磁芯，初级2 匝，次级1 8 匝，耦合系数已达到0 9 5 ，能量传输效 率在8 0 以上，只是输出电压相对较低。美国洛斯弗可拉莫斯实验室b a n s h e e 微 秒脉冲加速器中使用的带磁芯脉冲变压器【8 l 其标称电压达到了1 m v ，脉宽1g ts ， 脉冲电流1 0 k a 。 综上所述，在基于脉冲形成线的高功率脉冲调制器中，空芯和带磁芯的t e s l a 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 高功率脉冲变压器得到了广泛的运用。高功率带绕式空芯脉冲变压器具有结构简 单、体积小、重量轻等优点，也具有耦合系数很难提高，能量效率低，并且结构 复杂，散热空间小，不易重复频率运行的不足。带磁芯的t e s l a 高功率脉冲变压器 充电性能稳定，能量传输效率高，能够以较高重复频率运行，但是多为给油介质 脉冲形成线充电而设计，其充电时间比较长。 1 3 论文的选题依据和主要工作 在低阻抗的高功率微波器件、核爆炸有关的效应模拟和粒子束惯性约束核聚 变等研究中，常常使用水介质脉冲形成线强流电子束加速器。如果使用传统的高 功率t e s l a 脉冲变压器给水介质的脉冲形成线充电，由于充电时间长，容易产生能 量损耗，甚至使水产生击穿。为此，研制一种给水介质脉冲形成线充电的带磁芯 的高功率t e s l a 脉冲变压器，弥补空芯脉冲变压器和传统带磁芯的t e s l a 变压器的 不足，实现给水介质脉冲形成线快速、高效的充电具有重要的理论和实践意义。 本课题正是基于t e s l a 脉冲变压器国内外发展状况和本实验室实际条件和应用的 需求而选定。+ 它是国家自然科学基金资助项目，属于应用基础研究范畴。 在充分调研脉冲变压器现状的基础上，本论文从理论分析、软件模拟和具体 实验研究对t e s l a 变压器进行了研究。 本论文进行的工作主要有以下几个方面： 第一章对变压器的原理以及脉冲变压器的应用进行了概述，介绍了脉冲变压 器的发展历史、研究现状和意义。 第二章对t e s l a 变压器的磁化电感、漏电感、耦合系数、欧姆损耗、磁芯损 耗进行了理论推导，并且用a n s y s 软件分别对变压器初、次级电磁场静态分布进 行了模拟。 第三章通过求解电路方程，对t e s l a 变压器型脉冲调制器电路进行了理论分 析，求解出了初、次级电压电流的近似表达式；运用p s p i c e 软件对t e s l a 变压器型 脉冲调制器电路中各部分参数的变化对次级充电电压的影响进行了参数扫描分 析。 第四章在查阅常用磁性材料和绝缘材料的性能的基础上对材料进行了选取， 对t e s l a 变压器的结构进行了工程设计；对所制作的t e s l a 变压器的参数进行了测 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 量，对电阻分压器进行了定标，对水介质螺旋脉冲形成线进行了充电实验，并且 对二极管的电压电流波形进行了测量。 第五章运用a n s y s 软件对不同磁芯长度和不同内外磁芯间距的变压器的磁 场强度分布进行了模拟；设计了一个磁：占线圈模型，运用a n s y s 软件对其进行了 电路与磁场的耦合分析，模拟计算出了电感、耦合系数等参数，模拟计算出的耦 合系数达到0 9 6 6 。 第六章对全文的主要工作和结果进行了总结，并且对今后的工作进行了展望。 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章t e s l a 变压器参数的理论计算和场模拟 t e s l a 变压器的制造是一项系统而复杂的工程，需要对这种变压器的理论、材 料，结构、工艺等各方面进行研究。通过变压器能产生什么样的脉冲波形，既和 外电路有关，又和变压器本身的电磁参数有关。因此，对t e s l a 变压器的初、次级 电感，电阻以及耦合系数等关键参数进行准确的理论计算是很重要的。通过模拟 对变压器工作时的场分布情况进行分析，进而确定其电磁参数与结构的关系，这 样才能确保设计出来的变压器的各项指标符合设计的需要。 2 1t e s l a 变压器参数的理论计算 2 1 1 磁化电感【2 2 】 磁化电感即变压器等效电路中的等效互感，是变压器设计中最重要的参数之 。t e s l a 脉冲变压器采用开放磁芯设计，内磁芯和外磁芯均为同轴圆柱结构，磁 芯的轴向截面如图2 1 所示，当变压器磁芯的长度远大于次级线圈的外半径( 通常 大于等于四倍) ，并在耦合系数较大的情况下( 大于0 7 ) ，磁化电感主要由磁芯 的特性决定，其磁场能量主要集中在内外磁芯，以及磁芯之间的空气间隙中。因 此分析中忽略杂散磁通和磁芯的损耗。设，l 为内磁芯的半径，2 为外磁芯的内半径， ，为磁：占总长度，1 为线匝的宽度，厶，厶分别为线圈两端匝离磁芯两端面的距离， s 。，s ：分别为内外磁芯的横截面积，q ，日：，日，。分别为对应部分的磁场强度。 l ：1 3 1 11 2 一 一i 一一 一 一 i k 图2 1 磁芯截面简化图 在磁场边缘效应忽略不计时，磁场能量的关系式为： s l 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 扛艮廖一d y ( 2 ) 其中v 为磁场分布空间的体积。由此，磁化电感可以由以下公式确定： 卢= 虿1 p 葡矿 = 寺( 研& “研s z ，+ 2 冗p 。厶e p l ，出+ 2 死“。f 2r j z 研，办) ( 2 2 ) 不考虑涡流和磁场导体横截面的不均匀性，由电磁学的积分方程扣d s = o 以得到： 丐否d - s = l z h i s ! - 2 7 c r l x 。1 3 h 2 0 ) - - o 叮否d s = , u h i s i - 2 m 1 t 。，2 凰( ，) = o ( 2 3 ) ( 2 4 ) 设内外磁芯的磁通量相等，由于内外磁：签的磁导率相同，所以有两& = 1 1 3 & ， 再由乒d l = n 。j ，可以得到磁场和电流的关系式： h + 沁d r + h 3 l + 札d r = n l i l ， 将( 2 5 ) 、( 2 6 ) 、( 2 7 ) 式代入( 2 8 ) 式即可以解得： 席： 型坐 2 珂d 2 1 3 + 2 - d 1 2 1 3 + 1 4 s d 2h 1 + ，娼函h l 其中：垒。 将( 2 5 ) 、( 2 6 ) 、( 2 7 ) 、( 2 9 ) 式代入( 2 2 ) 式可以得到： ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 第l o 页 国防科学技术大学研冤生院硕士学位论文 丘：一h(2tslla2+2jus21)+型盟型粤尝坐迹丝 ( 2 1 0 ) 口口7 “2 厶 当= & ，厶= 如，且胁号者时，则( 2 9 ) 式可以简化为： 日：r 蹦l q - t , )( 2 11 ) 2 1 瞒l n , 8 则( 2 1 0 ) 可以简化为： 厶叫。析舄 ( 2 1 2 ) 从( 2 1 2 ) 式可以看出，在相对磁导率较大的情况下，磁化电感主要由变压器 初级的匝数、线圈宽度、磁芯长度以及内磁芯半径和外磁芯内半径共同确定。 2 1 2 漏电感【2 习 漏电感表示磁路中的漏磁能，即变压器初、次级产生的磁场没有相互耦合的 那部分磁场能量。在t e s l a 变压器中，漏电感的存在导致了变压器耦合系数的降低。 当耦合系数比较大的情况下，可以通过将短路初级或次级线圈来对其进行研究。 这样计算出来的结果为初、次级线圈总的漏电感。如果短路次级线圈，在忽略磁 芯自磁场的情况下： t = 告归一2 d v ：( 2 1 3 ) 其中，日为初级电流五产生的磁场强度，h 为次级线圈产生感应电流t 激励 起的反向的磁场强度。当变压器次级线圈如图2 2 所示，为锥形结构时，认为漏磁 能主要集中在初、次级线圈之间的阴影部分。 图2 2 磁芯截面示意图 我们假设初级线圈的磁场强度是均匀的，与其在轴线上的磁场强度相等，次 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 级线圈在积分区域产生的磁场强度忽略刁i 计。则( 2 1 3 ) 式可以简化为： 厶坠1 7p 2 d v 则由电磁学基本定律可以得到初级线圈的磁场强度为： h ：盟 ，l 由积分区域的形状可以得到： d y ：2 秽! 旦? 1 出 恐一乃 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 所以，将( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 式代入( 2 1 4 ) 式可以得到： 厶：訾鍪盟掣 ( 2 1 7 ) 厶2 丁1 广 屹 其中：垒。 ，l 2 1 3 耦合系数【2 2 】 耦合系数表示初、次级电感之间的磁场相互联系的紧密程度，是衡量变压器 性能的一个非常重要的参数。当在t e s l a 变压器中引入开路磁芯以后，其t 形等效 电路如图2 3 所示。设t e s l a 变压器的初级和次级的匝数比刀。= 百v 2 ；为磁化电 o 1 感；厶、2 为初、次级电感；l 。、三，2 为初、次级漏感；厶，、厶：为初、次级回 路电感；蜀、r ：为初、次级等效电阻；为耦合系数。将其等效到变压器的初 级边来分析，有以下关系： 一m l 。一。 聆j 图2 3t 形等效电路图 ( 2 1 8 ) 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 厶+ l k l = l u + l , i + t t 厶+ 厶2 = 层( 厶+ 厶2 + 三1 2 ) 厶2 = n 。2 9 t k 2 根据耦合系数的定义有： 磅= 百瓦丽m 2 了历 将( 2 1 9 ) 、( 2 2 0 ) 式代入( 2 2 2 ) 式可以得到： 将( 2 1 8 ) 式代入( 2 2 3 ) 式，并且略去高阶小量得： 磅石面i 2 赢 则5 一磅型警出 ：生 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 )