[发明专利]一种Tesla变压器的轻量化同轴磁芯及变压器

说明书

技术领域

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。

发明内容

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。