[发明专利]可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器

摘要

本发明公开了一种可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器，用以解决现有Marx发生器充电电压高、电容充电不同步、气体开关寿命短、或磁开关饱和电感大、串联级数难以增大等问题。本发明由可饱和脉冲变压器SPT、Q级Marx电容器和接地电感单元、负载组成；SPT为轴对称结构，其Q组次级绕组作为磁开关，Q级Marx电容器和接地电感单元均匀排布在SPT外围圆周方向，与Q组次级绕组连接。Q级Marx电容器和接地电感单元中的每一级单元由一个Marx电容器和一个接地电感组成。本发明输入充电电压低，磁芯自动复位，各级电容均匀充电，开关串联同步建立时间短，具有高重复运行频率、固态化和长使用寿命的优势。

主权项

一种可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器，其特征在于可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器由可饱和脉冲变压器SPT、Q级Marx电容器和接地电感单元、负载load三大部分组成；可饱和脉冲变压器SPT的次级绕组作为磁开关，可饱和脉冲变压器SPT关于变压器中心对称轴(1)具有旋转对称性，位于全固态Marx发生器的中心，Q级Marx电容器和接地电感单元均匀分布在可饱和脉冲变压器SPT外围圆周方向，并与可饱和脉冲变压器SPT圆周方向均布的Q组次级绕组连接；Q级Marx电容器和接地电感单元共由Q个完全相同的单级Marx电容器和接地电感单元组成，第q级Marx电容器和接地电感单元由一个Marx电容器Cq和一个接地电感Liq组成，Cq低压端与Liq高压端相连； 可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器在结构上由Q级单元级联，即第1级单元、……、第q级单元、……、第Q级单元；第q级单元由第q级Marx电容Cq、第q级接地电感Liq、可饱和脉冲变压器SPT第q组次级绕组磁开关MSq串联而成；Cq为高电压脉冲电容器电容，或脉冲形成线或传输线的电容，或脉冲形成网络整体等效电容、或由多个陶瓷电容器并联而成；负载load是电感、电容、电阻，或者是电感、电容、电阻的组合形式，负载load高压极接在第Q级Marx电容CQ的低压极，负载load低压极直接接地；可饱和脉冲变压器取代气体开关的全固态Marx发生器输入端(Min)即为可饱和脉冲变压器SPT初级绕组输入端(Pin)，输出端(Mout)为第Q级Marx电容CQ低压极，或是负载load的高压极；其中Q、q为正整数，1≤q≤Q，Q为3的整数倍、1或2； 可饱和脉冲变压器SPT由变压器内芯部分、变压器初级绕组部分(P)和变压器次级绕组部分组成；变压器初级绕组部分(P)分组紧绕在变压器内芯部分分组的磁环上，变压器内芯部分关于变压器中心对称轴(1)具有旋转对称性，由磁芯(2)、磁芯隔板部分和内芯夹板部分组成；磁芯隔板部分位于磁芯(2)的磁环之间，内芯夹板部分位于磁芯(2)的顶部和底部，磁芯(2)由M块相同尺寸的磁环堆叠组成，每块磁环采用铁基非晶或铁基纳米晶材料制成的薄带卷绕成圆环状，再用玻璃钢材料浇灌封装而成，每块磁环封装后的内半径为Rmi，外半径为Rmo，厚度为hm1；M块磁环均分为m组，从上至下依次为第一组磁环、…、第k组磁环、…、第m组磁环；每组磁环均由M/m块磁环沿变压器中心对称轴(1)方向堆叠组成，从上至下依次为第一块、…、第M/m块，1≤k≤m，m为正整数，M为m的整数 倍数；变压器初级绕组部分(P)由第一路初级子绕组(P1)、……、第k路初级子绕组(Pk)、……、第m路初级子绕组(Pm)组成；第k路初级子绕组(Pk)绕线的外部输入端为第k路初级子绕组输入端(Pk‑1)，第k路初级子绕组(Pk)绕线的外部输出端为第k路初级子绕组输出端(Pk‑2)；第一路初级子绕组输入端(P1‑1)、……、第k路初级子绕组输入端(Pk‑1)、……、第m路初级子绕组输入端(Pm‑1)全部并联焊接在输入端并联导线(Pa)上，输入端并联导线(Pa)宽度和厚度与每一路初级子绕组绕线整体的宽度和厚度相同，输入端并联导线(Pa)下端焊接在输入端引出导线(Pc)上，向外引出，作为初级绕组整体输入端(Pin)，输入端引出导线的厚度和宽度与输入端并联导线相同，初级绕组整体输入端(Pin)与外部初级能源相连；每一路初级子绕组均为单匝，由m1根直径均为Φp的漆包线并联绕制而成，m1为正整数，m1≥1，满足m1×Φp小于磁芯顶板铣槽(7‑2)槽宽；第一路初级子绕组(P1)由第一路初级子绕组输入端(P1‑1)引入，穿入磁芯顶板铣槽(7‑2)，从里面包围第一组磁环，再穿入第一组隔板中的隔板下板第二铣槽(9‑2)，由第一路初级子绕组输出端(P1‑2)引出；……；第k路初级子绕组(Pk)由第k路初级子绕组输入端(Pk‑1)引入，穿入第k‑1组隔板中的隔板下板第一铣槽(9‑1)，从里面包围第k组磁环后，再穿入第k组隔板中的隔板下板第二铣槽(9‑2)，初级绕线从该铣槽穿出后由第k路初级子绕组输出端(Pk‑2)引出；……；按照相同的规律，一直到第m路初级子绕组(Pm)由第m路初级子绕组输入端(Pm‑1)引入，穿入第m‑1组隔板中的隔板下板第一铣槽(9‑1)，从里面包围第m组磁环后，再穿入磁芯底板铣槽(10‑1)，初级绕线从该铣槽穿出后由第m路初级子绕组输出端(Pm‑2)引出；第一路初级子绕组输出端(P1‑2)、……、第k路初级子绕组输出端(Pk‑2)、……、第m路初级子绕组输出端(Pm‑2)全部并联焊接在输出端并联导线(Pb)上，输出端并联导线(Pb)尺寸与输入端并联导线(Pa)尺寸相同，输出端并联导线(Pb)下端焊接在输出端引出导线(Pd)上并向外引出，作为初级绕组整体输出端Pout，输出端引出导线宽度和厚度与输出端并联导线相同，初级绕组整体输出端Pout与外部地端相连； 磁芯隔板部分由磁芯顶板(7)、磁芯中间隔板和磁芯底板(10)三部分组成，均采用绝缘材料制成；磁芯顶板(7)位于第一组磁环顶端，磁芯中间隔板将m组磁环分别隔离开，磁芯底板(10)位于第m组磁环的底部；磁芯顶板(7)为圆环状板，磁芯顶板(7)内半径为R1，外半径为R2，厚度不超过10mm；磁芯顶板(7)外侧壁边缘均布有3个磁芯顶板豁口(7‑1)，3个磁芯顶板豁口(7‑1)呈中心对称分布，半径均为R0，每个磁芯顶板豁口(7‑1)对应的圆心角度为θ0，磁芯顶板豁口(7‑1)底部相对于变压器中心对称轴(1)的距离为Rmo；3个磁芯 顶板豁口(7‑1)中的一个豁口中心位于磁芯顶板(7)俯视图的x轴上，且该豁口关于x轴对称；磁芯顶板(7)上表面的一象限内铣有磁芯顶板铣槽(7‑2)，磁芯顶板铣槽(7‑2)沿径向延伸，槽中心线与磁芯顶板(7)俯视图x轴夹角为θ1；磁芯顶板(7)上表面与内芯顶盖(3)压紧，磁芯顶板(7)下表面与第一组磁环顶部压紧；磁芯中间隔板共分成相同的m‑1组，从上到下依次为第一组隔板、…、第k组隔板、…、第m‑1组隔板；每一组隔板均由磁芯隔板上板(8)和磁芯隔板下板(9)组成，磁芯隔板上板(8)位于磁芯隔板下板(9)上面，二者重叠在一起；磁芯隔板上板(8)的形状和半径尺寸与磁芯顶板(7)相同，磁芯隔板上板厚度不大于2mm；磁芯隔板上板外侧壁边缘挖有3个磁芯隔板上板豁口(8‑1)，呈中心对称分布，3个磁芯隔板上板豁口(8‑1)半径亦均为R0，对应圆心角度亦为θ0，3个磁芯隔板上板豁口(8‑1)的位置与3个磁芯顶板豁口(7‑1)完全相同；每一组隔板中的磁芯隔板上板(8)上表面均与磁环压紧，下表面与磁芯隔板下板(9)的上表面压紧；磁芯隔板下板(9)形状和尺寸与磁芯顶板(7)相同，但磁芯隔板下板(9)的上表面一象限内铣有两个槽，即隔板下板第一铣槽(9‑1)和隔板下板第二铣槽(9‑2)；隔板下板第一铣槽(9‑1)与磁芯顶板铣槽(7‑2)的结构、尺寸和位置完全相同，隔板下板第二铣槽(9‑2)中心线与磁芯隔板下板(9)上表面的y轴方向夹角为θ2，θ2≤30°，隔板下板第二铣槽(9‑2)几何尺寸与隔板下板第一铣槽(9‑1)尺寸完全相同；磁芯隔板下板外侧壁边缘挖有3个中心对称的磁芯隔板下板豁口(9‑3)，磁芯隔板下板豁口(9‑3)尺寸和位置与磁芯顶板豁口(7‑1)完全相同；每组隔板的磁芯隔板下板(9)下表面均与磁环压紧；m‑1组隔板与m组磁环的连接关系如下：第一组磁环底部与第一组隔板中的磁芯隔板上板(8)上表面压紧，第一组隔板中的磁芯隔板上板(8)下表面与第一组隔板中的磁芯隔板下板(9)上表面压紧，第一组隔板中的磁芯隔板下板(9)下表面与第二组磁环顶部压紧；……；第k组磁环底部与第k组隔板中的磁芯隔板上板(8)上表面压紧，第k组隔板中的磁芯隔板上板(8)下表面与第k组隔板中的磁芯隔板下板(9)上表面压紧，第k组隔板中的磁芯隔板下板(9)下表面与第k+1组磁环顶部压紧；……；第m组磁环底部与磁芯底板(10)顶部压紧；磁芯底板(10)形状和尺寸与磁芯顶板(7)相同，但是磁芯底板(10)下表面的磁芯底板铣槽(10‑1)中心线与隔板下板第二铣槽(9‑2)的中心线平行且在变压器垂直方向对齐，磁芯底板铣槽(10‑1)尺寸与磁芯顶板铣槽(7‑2)和隔板下板第二铣槽(9‑2)的尺寸相同；磁芯底板(10)外侧壁边缘挖有磁芯底板豁口(10‑2)，磁芯底板豁口(10‑2)的尺寸、数目和位置与磁芯顶板豁口(7‑1)的尺寸、数目和位置分别相同；磁芯底板(10)下表面与内芯底板(4)上表面压紧；安装时应确保3个磁芯顶板豁口(7‑1)、3个磁芯隔板上板豁口(8‑1)、3个磁芯隔板下板豁口(9‑3)、3个磁芯底板豁口(10‑2)分别在3条直线上对齐； 内芯夹板部分由内芯顶盖(3)、内芯底板(4)、内芯底板支脚(5)、固定连杆(6)组成，均采用绝缘材料；固定连杆(6)在圆周方向以均匀分布的模式对内芯夹板部分进行锁紧；采用3根固定连杆(6)均匀分布并紧锁内芯夹板部分；内芯底板(4)为圆环板结构，内半径为R1，外半径为R3，满足R1>ωcLi1、1/ωdC1<<ωdLi1，且Li1远远大于第一组次级绕组(S1)的饱和电感，其中ωc为Marx发生器充电角频率，ωd为Marx发生器放电的角频率；C1顶部中间位置有两个第一级电容高压极螺栓(C1‑1)，两个第一级电容高压极螺栓(C1‑1)与第一个Z型连接片(15)连接紧固，第一个Z型连接片(15)与第一个次级绕组高压极连接片(11)通过螺栓连接紧固；通过第一个次级绕组高压极连接片(11)，第一个Z型连接片(15)与第一组次级绕组中第一路子绕组高压端(S11‑2)、……、第一组次级绕组中第n路子绕组高压端(S11‑2)、……、第一组次级绕组中第N路子绕组高压端(S1N‑2)均相连；第一级Marx电容器C1底部中间位置亦有两个第一级电容低压极螺栓(C1‑2)，两个第一级电容低压极螺栓(C1‑2)与第二个次级绕组低压极连 接片(12)、第二级Marx电容器和接地电感单元中螺线管绕组(14)低压端通过导线连在一起； 第二级Marx电容器和接地电感单元与第一级Marx电容器和接地电感单元结构、材料相同，只是与第二级Marx电容器和接地电感单元进行连接的分别是第二个Z型连接片(15)、第二个次级绕组高压极连接片(11)、第二个次级绕组低压极连接片(12)，并且两个第二级电容低压极螺栓(C2‑2)与第三个次级绕组低压极连接片(12)、第三级Marx电容器和接地电感单元中螺线管绕组(14)低压端通过导线连在一起；……；第q级Marx电容器和接地电感单元与第一级Marx电容器和接地电感单元结构、材料相同，只是与第q级Marx电容器和接地电感单元进行连接的分别是第q个Z型连接片(15)、第q个次级绕组高压极连接片(11)、第q个次级绕组低压极连接片(12)，并且两个第q级电容低压极螺栓(Cq‑2)与第q+1个次级绕组低压极连接片(12)、第q+1级Marx电容器和接地电感单元中螺线管绕组(14)低压端通过导线同时连在一起，此时1

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