带磁芯的高功率带绕式脉冲变压器的初步研究

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1、!第!"卷!第!#期强激光与粒子束$%&’!"!(%’!#!!)##*年!#月+,-+./012345124(6.427,831914:5/;<’!)##*!文章编号!!!##!=>?))")##*#!#=!@?*=#A带磁芯的高功率带绕式脉冲变压器的初步研究"刘金亮!!)!!李士忠)!!杨建华)!!冯加怀)!!周!相)!!殷!毅)"!!清华大学电机系!北京!###">$!)!国防科学技术大学光电科学与工程学院!长沙>!##@?#!!摘!要!!对高功率带绕式脉冲变压器磁芯的设计进行了初步考虑!从理论上分析了在高功率带绕式空芯脉冲变压器中加入部分磁芯对变压器内部电磁场分布及耦合

2、系数的影响%理论分析和实验结果均表明&磁芯对高功率带绕式脉冲变压器耦合系数的提高有显著作用!并能改善变压器内部的电磁场分布$设计的高功率带绕式脉冲变压器耦合系数可达#’""!与相同结构尺寸的带绕式空芯脉冲变压器相比!耦合系数提高!#B%!!关键词!!磁芯$!高功率$!脉冲变压器$!耦合系数!!中图分类号!!7:>!@!!!!文献标识码!!4(!=?)!!高功率带绕式空芯脉冲变压器因其结构简单’体积小’重量轻等优点而广泛应用于脉冲功率系统中!然而其缺点是耦合系数较小!能量利用效率低%在高功率带绕式空芯脉冲变压器中加入磁芯能提高变压器的耦合系数!进而提高脉冲功率系统的能量传输效率

3、%美国5CDEFC国家实验室设计的)##G$紧凑型脉冲变压(>)器!正是使用了部分磁芯带绕式变压器结构!耦合系数已达到#’HA!能量传输效率在"#B以上!只是输出电压幅值较低%文献(A)从理论上初步分析了高功率脉冲变压器铁心的结构参数及其材料选择原则%本文对高功率带绕式空芯脉冲变压器中加入磁芯后!其对耦合系数和变压器内部电磁场的影响进行了初步研究%"!理论分析"’"!磁芯的设计(*)!!脉冲变压器对磁芯材料的要求&"!#高饱和磁感应强度!I值$")#高脉冲磁导率$"?#低剩余磁感应强(@)度$">#损耗小%铁氧体材料虽然适合作为高频变压器的磁芯材料!但其饱和磁感应强度很低$硅

4、钢片饱和磁感应强度很高!但损耗很大!磁导率较低$铁基纳米晶材料满足高功率脉冲变压器的要求!但价格昂贵!所以本实验最终选定铁基非晶态材料作为高功率带绕式脉冲变压器的磁芯!其饱和磁感应强度为!’A7!电阻率为K*>!剩余磁感应强度很低!而且在实验采用单次脉!?#J!#!*;L!居里温度为>!#M!最大相对磁导率AJ!#冲时!剩余磁感应强度会慢慢降低接近于零%另外铁基非晶态材料还具有很好的温度稳定性’时效稳定性和脉冲稳定性等优点!很适合于作高功率脉冲变压器的磁芯%!!由公式"!N"L#E+$%!其中脉冲幅值"L取>#G$!脉宽#E取?#I!匝数$取?’A%对于铁基非晶态磁性材料!饱

5、和磁感应强度!取!’A7!剩余磁感应强度!在单次脉冲下取#7!所以"!N!!可得IOIK!ON!’A7磁芯截面积%N"+$"!N#’#))HL))%从计算结果可以看出!所需磁芯截面积比较大!所以为尽L#EN))H;L量增加磁芯截面积!设计的磁芯截面形状为圆环%即便如此!变压器内部空间仍不能满足所需的磁芯截面积%为使用较小截面积的磁芯又不使磁芯达到磁饱和!设计时在闭合磁路中加入气隙!可以增加漏磁!部分磁通经过圆环截面内部的油隙导磁!在闭合磁路中加入气隙还可以使磁芯材料的不良性能"不稳定’非线性和损耗#得(@)到改善%最终确定磁芯为两个圆柱筒的形状!内磁芯内直径为"#LL!外直径

6、为!A#LL!外磁芯的内直径为)"#LL!外直径为?)#LL!长度均为)A#LL%"’#!加入磁芯后场的模拟及参数的计算!!由于脉冲变压器结构复杂!采用简化的)维模拟!其结构图如图!所示%图中看到的是变压器沿半径方向的一个截面图!路径!$A为分析磁场强度变化情况所定义的路径%!!绕组的长度&!N)##LL!为确定磁芯长度!下面分析两种情况下变压器内部的电场&第一种情况为磁芯轴向长度与铜带的长度相等!长度都为)##LL$第二种情况为磁芯的长度为)A#LL!比铜带长A#LL!每边多"收稿日期!)##A=!#=)"$!!修订日期!)##*=#>=#A基金项目!国家"*?计划项目资助

7、课题作者简介!刘金亮"!H*>,#!男!研究员!主要从事脉冲功率技术研究$3331???%!*?’;%L%第%=期刘金亮等’带磁芯的高功率带绕式脉冲变压器的初步研究%B@B!"#$%!&’()*’)(+,-+.+*’(,/0#1+’"*234"/).0’",1图%!电磁场2维模拟结构图出25//!因为磁芯材料为铁基非晶态材料"主要成分是金属"使铜带端部的电场变得均匀!两种不同情况的电势分布如图2所示!从两种情况的电势分布图可以看出"当磁芯材料加长后"铜带端部的电势变缓"这对于铜带端部的高电场有一定的均压