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带磁芯螺旋线的脉冲延迟原理
发布时间：
2023-09-02
采用渐开线硅钢叠片的变压器磁芯与螺旋线的一体化的长脉冲产生结构;计算了螺旋线，引入磁芯后,电磁波延迟传输的慢波系数和波阻抗参数,以及脉冲形成的输出参数,并开展了数值模拟进行验证。研究结果表明:引入磁芯后,螺旋线上慢波传输时,内外筒电流沿磁芯基底而非磁芯表面;磁芯的径向厚度相对磁芯径向尺寸越小,磁芯对脉冲形成的影响越小。
俄罗斯大电流所研制的 Sinus 系列脉冲源采用了变压器开路磁芯与同轴脉冲形成线一体化的紧凑结构，,磁芯采用硅钢叠片形式,这种方法有望拓展应用于螺旋线结构。用于长脉冲产生的 Sinus 脉冲源与螺旋线串联的结构不紧凑,输出脉冲波形平顶出现台阶,波形质量差 ,为此西北核技术研究所提出了包含内导体和外屏蔽的螺旋线结构与变压器开路磁芯的一体化设计思路 。包含内导体和外屏蔽的螺旋线可用于长脉冲产生,螺旋线的一端开路,另一端与脉冲功率系统中常用的双导体同轴结构进行转换,理论分析了横电磁波在该结构上的传输特性,并进行了有限元分析数值模拟和原理实验验证。螺旋线慢充电过程中,线圈激励起的磁场分布与 Sinus 形成线的情形基本相同,磁场能量集中于开路磁芯的端部间隙,变压器次级的电场能量储存于形成线的油介质中,因此引入磁芯一体结构不影响变压器的正常工作,且能实现螺旋线的充电功能,该结论已得到实验验证。
带磁芯螺旋线的脉冲延迟原理
同轴形成线的内置开路磁芯分为内磁芯和外磁芯,与形成线同轴导体一体化,为圆筒状。磁芯由大量具有导磁性能的数十 μ m 厚的硅钢薄片粘接固化而成,大型磁芯的结构主要有硅钢片层叠和渐开线和为渐开线型,磁芯结构的磁性能为取向型,即磁性能角向不连续而轴向连续。因此硅钢片在轴向为整长,不能分段,且硅钢片在圆周方向不能形成环路,沿圆周阵列排布。包含内导体和外屏蔽的螺旋线结构可以引入磁芯,内外磁芯分别与内导体和外屏蔽一体化,其中内导体的外半径为 r1 ,螺旋中筒的半径为 r 2 ,外屏蔽的内半径为 r 3 ,内磁芯的内半径为 r ′ 1 、外半径等于r 1 ,外磁芯的外半径为 r ′ 3 、内半径等于 r 3 。磁芯的引入对螺旋延迟线的传输产生影响,由于磁芯在角向不连续,内外筒的角向电流无法沿内外磁芯表面(r = r 1 或 r = r 3 )行进,而是沿内外基筒表面( r = r ′ 1 或 r = r ′ 3 )行进。
螺旋线上的波传输将改变层叠型磁芯内外层间的径向电位差,引起绝缘问题。而渐开线磁芯结构不会出现径向电位差,磁芯保持与基筒等电位,叠片间不存在绝缘问题,因此与螺旋线一体化的磁芯只能采用渐开线叠片结构。螺旋线上的波传输使得螺旋中筒与内外磁芯间出现相等的电位差。
在螺旋线快放电过程中,用作磁芯材料的硅钢片不再保持变压器慢充电过程中(频率达数十 kHz )具有的相当高的磁导率,其相对磁导率 μr 接近 1 。磁芯设计一般要求内外磁芯的有效横截面相等,令 S 1 = S 2 = S 。考虑到 μr S 与p( r 32 -r 22 )或p(r 32 -r 22 )相比是小量,可忽略二阶小量。对于慢波系数在数倍以上的螺旋线,其轴向磁场分能量占总磁场能量的大部分。
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