[发明专利]带缓冲层的Tesla变压器磁芯及变压器和该磁芯制备方法

说明书

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。

技术领域

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

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。

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：

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。