具有不閉合磁芯的lac變壓器磁路的研究

具有不閉合磁芯的lac變壓器磁路的研究

莎拉壓是1891年首次提出的雙共振脈沖壓，它是由n.莎拉首次提出的。把Tesla變壓器與脈沖形成線結合起來的想法是由俄羅斯科學院G.A.Mesyats院士和他的同事們提出來的。采用Tesla變壓器構造技術,結構緊湊,體積和質量較小,能量傳輸效率高,并能夠實現(xiàn)大變比升壓,可以降低初級回路工作電壓,使初級回路控制相對比較容易,但其結構復雜,技術難度大。在Tesla變壓器的設計中,初、次級線圈電感等是很重要的參數(shù),文獻對空芯Tesla變壓器的初、次級線圈電感等參數(shù)進行了計算,但對不閉合磁芯的Tesla變壓器的初、次級線圈電感研究較少。本文研究了Tesla變壓器磁路中磁力線分布以及各處磁感應強度分布,分析了在理想情況下Tesla變壓器不閉合磁芯對初、次級線圈電感的影響,并給出了初、次級線圈電感的估算公式。1磁路密度模型磁路概念的建立是基于磁性(鐵磁)材料的磁導率遠遠大于非鐵磁材料的磁導率,也就是說,由磁導率大的導磁體構成磁路的路徑,則磁通主要在這種路徑———磁路中通過。電路中導電材料的電導率一般是周圍絕緣材料的電導率的108倍以上,而磁路中導磁材料的磁導率一般是周圍非導磁材料的磁導率的102~104倍,二者相差較大。因此,在實際的磁路中漏磁現(xiàn)象比漏電現(xiàn)象要顯著得多。漏磁通的計算比較困難,在大多數(shù)情況下忽略漏磁通。由于高壓絕緣和結構要求,將Tesla變壓器的初級線圈、次級線圈置于脈沖形成線內部,次級線圈一般為錐形結構,兩端分別與脈沖形成線內外筒相連,Tesla變壓器采用的是不閉合磁芯,是兩個不同半徑的圓筒狀磁芯,同軸安裝在形成線的內外筒導體上,如圖1所示。由于磁芯磁導率遠大于空氣間隙的磁導率,近似認為Tesla變壓器磁路主要由內外筒磁芯(軸向磁路)和磁芯兩端之間的環(huán)狀氣隙(徑向磁路)構成,如圖2所示。在忽略雜散磁通量、渦流、磁場沿磁導體截面的不均勻性以及磁芯邊沿效應的情況下,整個磁路各個截面上(磁芯內部和間隙中)的磁通量基本相等,這樣,可以假設磁芯間隙中相同半徑、不同軸向位置處磁場強度值基本相等(如圖2所示),從而有式中:S=2πbΔrb=2πaΔra;μr為磁芯材料的相對磁導率;H1為磁芯中的磁場強度;H2為兩磁芯間隙中的磁場強度。由假設知,磁芯兩端間隙中,穿過不同半徑環(huán)狀截面的磁通量相等,因而H2(r)r為常數(shù),并假定其方向為徑向。設已知r′處的磁場強度為H2(r′),則假設H表示Tesla變壓器磁路中的磁場強度,l表示磁路路徑,根據(jù)安培環(huán)路定理得化簡可得對于所選用磁性材料,相對磁導率在102~104量級,由式(2)知H1比H2小得多,因此式(5)左邊第一項遠小于第二項時,可以忽略,從而可得將式(6)代入式(2),可得以上結果是在理想情況下得到的磁路計算模型,實際情況中要考慮漏磁和邊緣效應。此時可以通過實際測量得到H2,再用式(2)估算H1。為了定性驗證圖1所示磁路的合理性,對Tesla變壓器磁路磁場分布進行模擬計算,其中脈沖形成線外筒半徑為10cm、內筒半徑為6cm,初級線圈匝數(shù)為1,磁芯長度40cm,初、次級線圈長度均為20cm。在次級回路斷開時,得到了一定的初級線圈電流產生的磁力線分布曲線,如圖3所示。圖4是Tesla變壓器中不同截面處磁感應強度B分布。圖4的模擬計算結果表明:在磁芯所在位置,磁力線主要集中在磁芯以內;在兩個筒形磁芯之間,磁力線主要分散在線圈以外磁芯兩端之間的氣隙中。從而也驗證了上述分析過程中所作假設的合理性。2參數(shù)估算的估計一般情況下,Tesla變壓器初級線圈匝數(shù)Np=1。根據(jù)式(7),通過初級線圈的磁通量可近似表示為式中:μ0為真空磁導率。則初級線圈電感可估算如下同理,次級線圈電感可估算如下式中:Ns為次級線圈匝數(shù)。以上參數(shù)計算公式和結果,是在理想情況下得到的,與實際情況有一定差距。盡管如此,式(9)和式(10)在Tesla變壓器設計和參數(shù)估算時仍不失為一種簡便易行的處理方法。利用式(9)和式(10)對1GW超寬譜高功率微波源和5GW超寬譜高功率微波源進行了估算。2.11小鼠變壓器初、次級線圈長度脈沖形成線外筒半徑a=10cm、內筒半徑b=6cm,Tesla變壓器初級線圈匝數(shù)Np=1、次級線圈匝數(shù)Ns=500,磁芯長度lT=40cm,初、次級線圈長度均為20cm。2.25sla變壓器初、次級線圈脈沖形成線外筒半徑a=25cm、內筒半徑b=16.5cm,Tesla變壓器初級線圈匝數(shù)Np=1、次級線圈匝數(shù)Ns=900,磁芯長度lT=80cm,初、次級線圈長度均為40cm。由此看出,Tesla變壓器初、次級線圈電感估算值與實測值誤差在15%以內。3測量結果分析本文對Tesla變壓器磁路進行了分析,計算了Tesla變壓器磁路中磁力線分布以及各處磁感應強度分布,在實際設計Tesla變壓器時,初、次級線圈電感的計算是很困難的,可以在假設沒有漏磁的理想情況下進行估算。經與實際測量對比,誤差范圍在15%以內。具體設計時,只要反復驗算和調整,定能得到滿意效果。假設Tesla變壓器初級線圈長度為lp、次級線圈長度為ls,且lp=ls=l0,磁芯長度為lT,外筒磁芯內半徑為a、厚度為Δra,內筒磁芯外半徑為b、厚度為Δrb,初級線圈匝數(shù)為Np、電流為Ip,通常取內、外筒磁芯截面積相等,設其為S。由式(9)得到初級線圈電感Lp估算值=770nH,實測值為7