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C_q和一个螺线管电感器L_iq组成，C_q低压端与L_iq高压端相连；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C_q、第q级螺线管电感器L_iq、可饱和脉冲变压器SPT第q组次级绕组磁开关MS_q串联而成；C_q为高电压脉冲电容器电容，或脉冲形成线电容，或传输线电容，或脉冲形成网络整体等效电容，或为多个陶瓷电容器并联而成的电容；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高电压输出极接在第Q级Marx电容C_Q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(M_in)即为可饱和脉冲变压器SPT初级绕组输入端(P_in)，输出端(M_out)为第Q级Marx电容C_Q低压极，或是负载load高电压输出极；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R_mi，外半径为R_mo，厚度为h_m1；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(P_in)，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(P_in)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Φ_p的漆包线并联绕制而成，m₁为正整数，m₁≥1，满足m₁×Φ_p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)，初级绕线从第k组隔板中的隔板下板第二铣槽(9‑2)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)，初级绕线从磁芯底板铣槽(10‑1)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P_out，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P_out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R_mo；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<R_mi<R_mo<R₂<R₃，厚度不小于15mm；内芯底板(4)上表面铣有3个呈扇形、在圆周方向均布的内芯底板扇形铣槽(4‑1)，内芯底板扇形铣槽(4‑1)对应的扇形圆心角均为Ψ₁，槽深不大于10mm，铣槽沿径向贯穿内芯底板(4)外缘和内缘，由于铣槽加工而在内芯底板(4)上表面出现3个相同且均布的扇形凸台即内芯底板扇形凸台(4‑2)，与3个内芯底板扇形铣槽(4‑1)相间交替分布，每个内芯底板扇形凸台圆心角均为Ψ₂，满足Ψ₁+Ψ₂＝90°；内芯底板(4)下表面与3个内芯底板扇形凸台(4‑2)相对的位置分别均布3个内芯底板螺孔，与3个内芯底板支脚(5)拧紧配合；3个内芯底板扇形凸台(4‑2)的外边缘各开有1个内芯底板通孔(4‑3)，3个内芯底板通孔(4‑3)在圆周方向均布，通孔半径均为R₄，每个内芯底板通孔(4‑3)中心距变压器中心对称轴(1)的距离为R_mo+R₄；内芯顶盖(3)的结构与内芯底板(4)的结构相同，亦为圆环板结构，内芯顶盖(3)内半径为R₁，外半径为R₃，厚度不小于15mm；在圆周方向，内芯顶盖(3)下表面在与内芯底板(4)相对的位置同样铣有3个均布的内芯顶盖扇形铣槽(3‑1)，槽深不大于10mm，铣槽亦沿径向贯穿内芯顶盖(3)外缘和内缘，内芯顶盖扇形铣槽(3‑1)对应的扇形中心角均为Ψ₁，内芯顶盖(3)下表面由于铣槽而出现的3个相同且均布的内芯顶盖扇形凸台(3‑2)圆心角均为Ψ₂；内芯顶盖扇形凸台(3‑2)上与3个内芯底板通孔(4‑3)在垂直方向上正对的位置，亦均布有3个内芯顶盖通孔(3‑3)，通孔半径均为R₄；固定连杆(6)是3根半径为R₄的圆柱体，其两端均有螺纹，3根固定连杆(6)的长度长于所有磁环厚度、磁芯隔板部分总厚度、内芯顶盖(3)厚度与内芯底板(4)厚度之和；固定连杆(6)紧靠对齐的磁芯顶板豁口(7‑1)、磁芯隔板上板豁口(8‑1)、磁芯隔板下板豁口(9‑3)和磁芯底板豁口(10‑2)，固定连杆(6)上端穿过3个内芯顶盖通孔(3‑3)，由连杆螺帽锁紧，固定连杆(6)下端穿过3个内芯底板通孔(4‑3)，由连杆螺帽锁紧；变压器次级绕组部分由共磁芯的Q组次级绕组沿圆周方向排布而成，每一组次级绕组又由组内相邻的N路线绕式子绕组并联组成，N路线绕式子绕组共磁芯，均紧绕在全部M块磁环上，N、M均为正整数；变压器次级绕组部分由第一组次级绕组(S₁)、……、第s组次级绕组(S_s)、……、第Q/3组次级绕组(S_(Q/3))、第Q/3+1组次级绕组(S_(Q/3+1))、……、第Q/3+s组次级绕组(S_(Q/3+s))、……、第2Q/3组次级绕组(S_(2Q/3))、第2Q/3+1组次级绕组(S_(2Q/3+1))、……、第2Q/3+s组次级绕组(S_(2Q/3+s))、第Q组次级绕组(S_Q)组成，s为整数，且1≤s≤Q/3；Q组次级绕组完全相同；第一组次级绕组(S₁)、……、第s组次级绕组(S_s)、……、第Q/3组次级绕组(S_(Q/3))刚好位于第一个内芯顶盖扇形铣槽(3‑1)和第一个内芯底板扇形铣槽(4‑1)对应的区域，且依次沿磁环圆周逆时针方向排布；第Q/3+1组次级绕组(S_(Q/3+1))、……、第Q/3+s组次级绕组(S_(Q/3+s))、……、第2Q/3组次级绕组(S_(2Q/3))刚好位于第二个内芯顶盖扇形铣槽(3‑1)和第二个内芯底板扇形铣槽(4‑1)对应的区域，且依次沿磁环圆周逆时针方向排布；第2Q/3+1组次级绕组(S_(2Q/3+1))、……、第2Q/3+s组次级绕组(S_(2Q/3+s))、第Q组次级绕组(S_Q)刚好位于第三个内芯顶盖扇形铣槽(3‑1)和第三个内芯底板扇形铣槽(4‑1)对应的区域，且依次沿磁环圆周逆时针方向排布；这Q组次级绕组分别穿过3个内芯顶盖扇形铣槽(3‑1)和3个内芯底板扇形铣槽(4‑1)对应的区域，并包围全部磁芯；每一组次级绕组所占据的扇形空间的圆心角均为Ψ₃，0<Ψ₃≤3Ψ₁/Q，每一组次级绕组内的N路线绕式子绕组共磁芯，且N路线绕式子绕组相互紧挨，并沿圆周方向依次排列；m路初级子绕组全部位于第1个内芯顶盖扇形铣槽(3‑1)和第1个内芯底板扇形铣槽(4‑1)所对应的圆心角为Ψ₁的扇形区域内；在每一对内芯顶盖扇形铣槽(3‑1)和内芯底板扇形铣槽(4‑1)所对应的圆心角为Ψ₁的扇形区域外边缘，均依次分布有Q/3个Marx电容器和接地电感单元；第一级Marx电容器和接地电感单元由螺线管电感器L_i1、第一级Marx电容器C₁和Z型连接片(15)组成；螺线管电感器L_i1由圆柱支撑体(13)和螺线管绕组(14)组成；圆柱支撑体(13)为实心圆柱，由绝缘材料制成；螺线管绕组(14)由高压导线沿圆柱支撑体(13)长度方向螺旋绕制而成，并由圆柱支撑体(13)支撑，螺线管绕组(14)为单层或多层绕线结构；螺线管绕组(14)高压端与第一级Marx电容器低压螺栓(C₁‑2)通过导线相连，螺线管绕组(14)低压端与第一个次级绕组低压极连接片(12)通过导线和螺栓进行连接，并接地；第一级Marx电容器C₁外表面为绝缘材料保护壳，L_i1与C₁满足：1/ω_cC₁>>ω_c L_i1、1/ω_dC₁<<ω_dL_i1，且L_i1远远大于第一组次级绕组(S₁)的饱和电感，其中ω_c为Marx发生器充电角频率，ω_d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(S_1N‑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(C_q‑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<q<Q；……；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、材料和相同，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(C_Q‑2)直接与负载load高电压输出极(M_out)相连。