CN112562995B - 一种具有波纹型绕组结构的高功率脉冲变压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有波纹型绕组结构的高功率脉冲变压器，目的是解决脉冲幅值变比较低、运行稳定性下降，工作性能受限等问题。本发明由初级绕组支撑、初级绕组、次级绕组支撑、次级绕组、绝缘外壳和磁耦合介质组成。磁耦合介质、次级绕组支撑、初级绕组支撑从内到外同轴嵌套于绝缘外壳内。初级绕组支撑和次级绕组支撑是由绝缘材料构成的波纹型圆锥筒，波纹型可增大次级绕组和初级绕组的长度，在确定体积内提升次级绕组匝数，提高高功率脉冲变压器的脉冲幅值变比；且增大初级绕组的长度可在相同的初级绕组匝数下提高匝间间隔，增加运行稳定性。磁耦合介质可聚合磁力线，提高耦合系数。本发明原理简单，使用方便，应用范围广泛。

Description

一种具有波纹型绕组结构的高功率脉冲变压器

技术领域

本发明涉及高功率脉冲驱动源技术领域的高功率脉冲变压器，尤其是一种具有波纹型绕组结构的高功率脉冲变压器。

背景技术

高功率脉冲驱动源技术是一种将长时间(ms量级)、低功率(kW量级)储存的能量，通过能量压缩、传输，转换成短时间(ns量级)、高功率(GW量级)形式并释放到负载中的电物理技术。20世纪60年代以来，随着核物理、加速器物理，以及等离子体物理等领域研究的推进，逐步发展成为一门高技术新兴学科，是当前国际上非常活跃的前沿高科技之一，在高能激光、高功率微波、电子对抗等国防和现代工业、环境保护、材料处理等工业领域具有广泛的应用前景。

实现高电压(MV量级)脉冲输出是高功率脉冲驱动源的核心技术之一，直接决定了脉冲驱动源的工作能力。使用高功率脉冲变压器实现高功率脉冲驱动源输出电脉冲的电压幅值提升是该领域的重要技术手段之一，获得了广泛关注和应用。

高功率脉冲变压器主要由磁耦合介质、初级绕组和次级绕组构成。磁耦合介质由相对磁导率为μ_S(μ_S>1)的介质构成，μ_S越大，耦合系数K(0<K<1)越高。初级绕组和次级绕组均由缠绕在耦合介质周围的导电材料构成。高功率脉冲变压器的工作原理为电磁感应定律，即当脉冲电信号加载到初级绕组时，次级绕组会通过磁耦合效应感应出脉冲电信号。理想情况下(耦合系数K＝1)，次级绕组感应出脉冲电信号峰值电压V_S与初级绕组加载脉冲峰值电压V_P的比值等于次级绕组和初级绕组的匝数比，即

其中，N_S和N_P分别为次级绕组匝数和初级绕组匝数。相同的匝数比时，绕组匝间距离越大，发生匝间绝缘失效的概率越低，变压器性能越稳定；在相同的耦合系数K下，匝数比越大，次级绕组上感应出脉冲电信号的变压效果越好。

加拿大原子能有限公司C.R.J.Hoffmann在学术论文《A Tesla transformerhigh-voltage generator》【C.R.J.Hoffmann.“A Tesla transformer high-voltagegenerator”，Review of Scientific Instruments,Vol.46,1975(一种基于Telsa型脉冲变压器的高功率脉冲发生器,激光与离子束,46卷,页码：1-6,1975年)”】中报道了一种高功率脉冲变压器。该脉冲变压器具有圆周对称性，其角向截面如图1所示，主要由工作腔1、初级绕组支撑2、初级绕组3、次级绕组支撑4、次级绕组5和背景气体6构成。初级绕组支撑2和次级绕组支撑4下底面通过绝缘材料焊料焊接在工作腔1圆柱型密闭空间的下底面，且与工作腔1同轴；初级绕组3和次级绕组5分别缠绕在初级绕组支撑2和次级绕组支撑4上；背景气体6均匀充满整个工作腔1。

工作腔1由绝缘材料构成，形成半径为r₁＝615mm，高度为h₁＝1640mm的密闭空间，密封气体能力大于5个标准大气压；初级绕组支撑2为锥形，由绝缘材料构成，底面半径为r₂₁＝218mm，顶面半径为r₂₂＝358mm，高度为h₂＝220mm，初级绕组支撑2采用空芯结构，厚度为X(X<218mm)，底面通过绝缘材料焊料焊接在工作腔1圆柱型密闭空间的下底面，且与工作腔1同轴；初级绕组3为锥形，由宽度为w₃＝114mm，厚度为h₃＝3.2mm的金属带构成，匝间间隔为l₃＝25mm，金属带以螺旋线形式均匀地缠绕在初级绕组支撑2上，因而具有锥形结构，匝数为4；次级绕组支撑4为圆柱形，由半径为r₄＝144mm，高度为h₄＝1000mm的透明树脂材料构成，次级绕组支撑4下底面通过绝缘材料焊料焊接在工作腔1圆柱型密闭空间的下底面，且与工作腔1同轴；次级绕组5为圆柱形，由截面直径为d₅＝0.4mm的圆漆包线构成，匝间间隔l₅＝0.3mm，漆包线均匀的缠绕在圆柱型次级绕组支撑4外侧壁上，因而具有圆柱型形状，匝数为1130匝；背景气体6为4个标准大气压的SF₆，均匀充满整个工作腔1。

俄罗斯大电流研究所Gennady A.Mesyats等人在学术论文《Repetitively pulsedhigh-current accelerators withtransformer charging of forming lines》【GennadyA.Mesyats,Sergei D.Korovin,Alezander V.Gunin,et al.“Repetitively pulsed high-current accelerators withtransformer charging of forming lines”，Laser andParticle Beams,Vol.21,197–209,2003(基于脉冲变压器为形成线充电的重频脉冲大电流加速器,激光与离子束,21卷,页码：197-209,2003年)”】中报道了一种高功率脉冲变压器。该高功率脉冲变压器具有圆周对称性，其角向截面结构如图2所示，主要由初级绕组支撑2、初级绕组3、次级绕组支撑4、次级绕组5、绝缘外壳7和开放圆柱型磁芯8构成。开放圆柱形磁芯8、次级绕组支撑4、初级绕组支撑2从内到外同轴嵌套与绝缘外壳7内。初级绕组3和次级绕组5分别缠绕在初级绕组支撑2和次级绕组支撑4上。

绝缘外壳7由绝缘筒701、前绝缘端板702和后绝缘端板703构成。绝缘筒701是由绝缘材料制成的外径为R₁，内径为R₂(R₂<R₁)，长度为L₁的圆筒。前绝缘端板702和后绝缘端板703均是由绝缘材料制成的外径为R₁，厚度为T₁的圆盘。绝缘筒701通过螺杆在两端面分别与前绝缘端板702和后绝缘端板703连接；初级绕组支撑2是由绝缘材料制成的外径为R₃，内径为R₄(R₄<R₃)，长度为L₁的圆筒；初级绕组3由导电金属带均匀缠绕在初级绕组支撑2绕成螺旋形而成，导电金属带厚度为H₁(H₁<R₂-R₃)，宽度为W₁，初级绕组3螺距为V₁(

N_P为初级绕组匝数)；次级绕组支撑4由绝缘材料构成的圆锥形，圆锥底面半径为R₅，顶面半径为R₆(R₆<R₅)，高度为L₁；次级绕组5由金属圆导线密绕到次级绕组支撑4上而成，金属圆导线截面直径为H₂(H₂<R₄–R₅)；开放圆柱型磁芯8由硅钢材料制成，半径为R₇(R₇<R₆)，长度为L₁。

对于高功率脉冲变压器而言，确定体积内能够实现的脉冲幅值变比

是衡量该类型器件工作性能的核心参数之一，而脉冲幅值变比正比于脉冲变压器次级绕组匝数N_S与初级绕组匝数N_P之比，即在初级绕组匝数N_P确定的情况下，次级绕组匝数N_S越大，匝数比越大，变比越高。

目前高功率脉冲变压器的次级绕组采用图1所示的圆柱形结构或者图2所示的锥形结构，可以看出，次级绕组匝数与圆柱形高度或者锥面长度成正比，而圆柱形或者圆锥形次级绕组结构使得可用于缠绕次级绕组的长度有限，且提升空间受到限制，这在很大程度上制约了高功率脉冲变压器在确定体积内脉冲幅值变比的提升，影响了高功率脉冲变压器工作性能提升。

减小初级绕组的绝缘失效概率，提升输入电压等级或提升运行稳定性是衡量高功率脉冲变压器工作性能的重要内容。现有文献报道的高功率脉冲变压器初级绕组均采用图1所示圆锥形或图2所示圆柱形结构，这使得初级绕组在匝数确定后，匝间距离受到很大的限制，这在很大程度上增大了初级绕组匝间的绝缘失效概率，限制了变压器运行稳定性的提升。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有高功率脉冲变压器由于绕组使用圆柱形或圆锥形结构造成其在确定体积内的脉冲幅值变比较低、运行稳定性下降，工作性能受限等不足，提供一种具有波纹型绕组结构的高功率脉冲变压器，通过设计具有波纹型周期结构的绕组绝缘支撑，增大次级绕组结构可用于缠绕次级绕组的长度，在确定体积内提升次级绕组匝数，提高高功率脉冲变压器的脉冲幅值变比；且增大初级绕组可用于缠绕初级绕组的长度，在相同的初级绕组匝数下提高匝间间隔，增加运行稳定性。

本发明的技术方案是：

本发明一种具有波纹型绕组结构的高功率脉冲变压器由初级绕组支撑、初级绕组、次级绕组支撑、次级绕组、绝缘外壳、磁耦合介质组成。磁耦合介质、次级绕组支撑、初级绕组支撑从内到外同轴嵌套于绝缘外壳内。初级绕组和次级绕组分别缠绕在初级绕组支撑和次级绕组支撑上。绝缘外壳由绝缘筒，前绝缘端板和后绝缘端板构成。定义本发明连接低压电源的一端(即前绝缘端板一侧)为输入端(左端)，定义本发明连接负载的一端(即后绝缘端板一侧)为输出端(右端)。磁耦合介质、次级绕组支撑、初级绕组支撑的左端固定在前绝缘端板右端，磁耦合介质、次级绕组支撑、初级绕组支撑的右端固定在后绝缘端板左端。

磁耦合介质是由磁性材料制成的圆柱，半径为D₁，长度为L₂，磁性材料的相对介电常数为μ_s(μ_s≥1)，主要起聚合磁力线，提高耦合系数K(0<K<1)的作用，相对介电常数μ_s越高，耦合系数K越大。其半径D₁和长度L₂结合初级绕组加载脉冲峰值电压V_P与次级绕组输出脉冲峰值电压V_S确定，D₁一般为5～25cm，L₂一般为20～100cm。磁耦合介质通过前绝缘端板上的第一定位槽和后绝缘端板上的第四定位槽分别固定在前绝缘端板右端和后绝缘端板左端。

次级绕组支撑是由绝缘材料构成的波纹型圆锥筒，次级绕组支撑的右端面外半径为D₂(D₂>D₁)，左端面外半径为D₃(D₃>D₂)，侧壁厚度均为S₁(一般为1～3cm)。以左端面中心O和右端面中心O’的连接线OO’为中心线，使用数控机床将次级绕组支撑侧面加工为波纹型，波纹深度为P₁(P₁<D₂-D₁)，波长为T₁(

其中P是次级波纹个数，一般为2～10)。波纹长度(即次级绕组支撑侧壁长度)为J₁。J₁可以看做是4P个正弦函数y的长度，

可用正弦函数积分求得。

令变量

则

由上式可知，J₁随着P₁的增大而增大、随着T₁增大而减小，通过改变波长T₁、波纹深度P₁可以调节波纹长度J₁。次级绕组支撑左端通过前绝缘端板上的第二定位槽与前绝缘板端板右端固定连接；其右端通过后绝缘端板上的第五定位槽与后绝缘端板左端固定连接。

次级绕组由圆形连续导线缠绕在次级绕组支撑而成，圆形连续导线外皮绝缘，截面直径为l(l<P₁，且l<T₁/4)，次级绕组匝数为N_S(具体数值根据变压器变比决定，一般为100～5000匝)，间距为q₁，

为了进一步提高变压比，次级绕组采用单层或多层绕制法，共绕制k层，其中k一般为1～5，且满足

D₄是初级绕组支撑的左端面外半径，S₂为初级绕组支撑2的侧壁厚度。初级绕组支撑是由绝缘材料构成的波纹型圆锥筒，初级绕组支撑的左端面外半径D₄(D₄>D₃)，右端面外半径为D₅(D₅>D₄)，侧壁厚度均为S₂(一般为1～3cm)。以左端面中心O和右端面中心O’的连接线OO’为中心线，使用数控机床将初级绕组支撑侧面加工为波纹型，波纹深度为P₂(P₂<D₄-D₃)，波长为T₂(

其中Q为初级波纹个数，一般为2～10)。波纹长度为J₂。

同理，可求得

J₂随着P₂的增大而增大、随着T₂增大而减小，通过改变波长T₂、波纹深度P₂可以调节波纹长度J₂。初级绕组支撑左端通过前绝缘端板上的第三定位槽与前绝缘板端板右端固定连接，其右端通过后绝缘端板上的第六定位槽与后绝缘端板左端固定连接。

初级绕组采用连续导线缠绕在初级绕组支撑构成，连续导线截面宽度D₆

高度D₇(D₇<P₂)，初级绕组采用单层绕制，匝数为N_P，具体数值根据变压器变比决定，一般为5～100匝。间距为

绝缘筒是由绝缘材料制成的圆筒，内半径为D₈，外半径为D₉(D₈<D₉)，长度为L₂。绝缘筒两侧端面均匀攻有S(S>1)个螺纹孔。螺纹孔孔径为M(M<D₉-D₈)，螺纹孔中心线半径(即螺纹孔中心离OO’的距离)为D

绝缘筒通过螺纹孔中插入的直径等于M的螺杆分别与前绝缘端板和后绝缘端板固定连接。

前绝缘端板是绝缘材料制成的圆盘，圆盘外半径为D₉，厚度为T₂，在中心线半径为

位置处钻S个通孔，通孔孔径等于绝缘筒两侧端面的螺纹孔的孔径M；前绝缘端板通过S个通孔与绝缘筒的左端通过螺杆连接。前绝缘端板以O为中心钻有半径为D₁的第一定位槽，第一定位槽深度一般为1～3cm，磁耦合介质的左端嵌入第一定位槽中，用于固定。前绝缘端板以半径为D₃的圆为基准向内(朝向O点)挖有第二定位槽，第二定位槽为圆环形，宽度为S₁(内外圈半径之差)，深度一般为1～3cm。次级绕组支撑左端嵌入第二定位槽中，用于固定。前绝缘端板以半径为D₄的圆为基准向内(朝向O点)挖有第三定位槽，第三定位槽为圆环形，宽度(内外圈半径之差)为S₂，深度一般为1～3cm。初级绕组支撑左端嵌入第三定位槽中，用于固定。

后绝缘端板是绝缘材料制成的圆盘，圆盘外半径为D₉，厚度为T₂，在中心线半径为

位置处钻S个通孔，通孔孔径等于绝缘筒两侧端面的螺纹孔的孔径M；后绝缘端板通过S个通孔与绝缘筒的右端通过螺杆连接。后绝缘端板以O’为中心钻有半径为D₁的第四定位槽，第四定位槽深度一般为1～3cm，磁耦合介质的右端嵌入第四定位槽中，用于固定。后绝缘端板以半径为D₂的圆为基准向内(朝向O’点)挖有第五定位槽，第五定位槽为圆环形，其宽度(内外圈半径之差)为S₁，深度一般为1～3cm。次级绕组支撑右端嵌入第五定位槽中，用于固定。后绝缘端板以半径为D₅的圆为基准向内(朝向O’点)挖有第六定位槽，第六定位槽为圆环形，其宽度(内外圈半径之差)为S₂，深度一般为1～3cm。将初级绕组支撑右端嵌入第六定位槽中，用于固定。

本发明的工作原理为：当脉冲电信号加载到初级绕组时，次级绕组会通过磁耦合效应感应出脉冲电信号。理想情况下(耦合系数K＝1)，次级绕组感应出脉冲电信号峰值电压V_S与初级绕组加载脉冲峰值电压V_P的比值等于次级绕组和初级绕组的匝数比，即

其中，N_S和N_P分别为次级绕组匝数和初级绕组匝数。通过设计具有波纹型周期结构的绕组绝缘支撑，增大次级绕组结构可用于缠绕次级绕组的长度，在确定体积内提升次级绕组匝数N_S，提高高功率脉冲变压器的脉冲幅值变比；且增大初级绕组可用于缠绕初级绕组的长度，在相同的初级绕组匝数下提高匝间间隔，增加运行稳定性。

采用本发明可以达到以下技术效果：

1.本发明次级绕组支撑为波纹型圆锥体，增大了次级绕组支撑可用于缠绕次级绕组的长度，在确定体积内提升次级绕组匝数，进而提高了高功率脉冲变压器的脉冲幅值变比；

2.本发明初级绕组支撑为波纹型圆锥体，增大了初级绕组支撑可用于缠绕初级绕组的长度，在确定的绕组匝数下提升初级绕组的匝间间隔，进而提高高功率脉冲变压器的工作稳定性；

3.本发明原理简单，使用方便，应用范围广泛。

附图说明

图1为加拿大原子能有限公司C.R.J.Hoffmann在学术论文《A Tesla transformerhigh-voltage generator》【C.R.J.Hoffmann.“A Tesla transformer high-voltagegenerator”，Review of Scientific Instruments,Vol.46,1975(一种基于Telsa型脉冲变压器的高功率脉冲发生器,激光与离子束,46卷,页码：1-6,1975年)”】中报道的一种高功率脉冲变压器结构图；

图2为背景技术俄罗斯大电流研究所(Institute of High-CurrentElectronics,Russia)Gennady A.Mesyats等人在学术论文《Repetitively pulsed high-current accelerators with transformer charging of forming lines》【GennadyA.Mesyats,Sergei D.Korovin,Alezander V.Gunin,et al.“Repetitively pulsed high-current accelerators with transformer charging of forming lines”，Laser andParticle Beams,Vol.21,197–209,2003(基于脉冲变压器为形成线充电的重频脉冲大电流加速器,激光与离子束,21卷,页码：197-209,2003年)”】中报道的一种高功率脉冲变压器结构图；

图3为本发明总体结构图；

图4为本发明次级绕组支撑和次级绕组轴向截面图；

图5为本发明初级绕组支撑和初级绕组轴向截面图；

图6位本发明绝缘筒左视图；

图7为本发明前绝缘端板右视图；

图8为本发明后绝缘端板左视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构以及工作原理作具体的说明：

如图3所示，本发明由初级绕组支撑2、初级绕组3、次级绕组支撑4、次级绕组5、绝缘外壳7、磁耦合介质9组成。磁耦合介质9、次级绕组支撑4、初级绕组支撑2从内到外同轴嵌套于绝缘外壳7内。初级绕组3和次级绕组5分别缠绕在初级绕组支撑2和次级绕组支撑4上。绝缘外壳7由绝缘筒701，前绝缘端板702和后绝缘端板703构成。定义本发明连接低压电源的一端(即前绝缘端板702一侧)为输入端(左端)，定义本发明连接负载的一端(即后绝缘端板703一侧)为输出端(右端)。磁耦合介质9、次级绕组支撑4、初级绕组支撑2的左端固定在前绝缘端板702右端，磁耦合介质9、次级绕组支撑4、初级绕组支撑2的右端固定在后绝缘端板703左端。

结合图3所示，磁耦合介质9是由磁性材料制成的圆柱，半径为D₁，长度为L₂，磁性材料的相对介电常数为μ_s(μ_s≥1)，主要起聚合磁力线，提高耦合系数K(0<K<1)的作用，相对介电常数μ_s越高，耦合系数K越大。其半径D₁和长度L₂结合初级绕组加载脉冲峰值电压V_P与次级绕组输出脉冲峰值电压V_S确定，D₁为5～25cm，L₂为20～100cm。磁耦合介质9通过前绝缘端板702上的第一定位槽10和后绝缘端板703上的第四定位槽13分别固定在前绝缘端板702右端和后绝缘端板703左端(见图7和图8)。

结合图4所示，次级绕组支撑4是由绝缘材料构成的波纹型圆锥筒，次级绕组支撑4的右端面外半径为D₂(D₂>D₁)，左端面外半径为D₃(D₃>D₂)，侧壁厚度均为S₁(为1～3cm)。以左端面中心O和右端面中心O’的连接线OO’为中心线，使用数控机床将次级绕组支撑4侧面加工为波纹型，波纹深度为P₁(P₁<D₂-D₁)，波长为T₁(

其中P是次级波纹个数，一般为2～10)。波纹长度(即次级绕组支撑4侧壁长度)为J₁。J₁可以看做是4P个正弦函数y的长度，

J₁采用公式(2)求得。

J₁随着P₁的增大而增大、随着T₁增大而减小，通过改变波长T₁、波纹深度P₁可以调节波纹长度J₁。次级绕组支撑4左端通过前绝缘端板702上的第二定位槽11与前绝缘板端板702右端固定连接(见图7)；其右端通过后绝缘端板703上的第五定位槽14与后绝缘端板703左端固定连接(见图8)。

次级绕组5由圆形连续导线缠绕在次级绕组支撑4而成，圆形连续导线外皮绝缘，截面直径为l(l<P₁，且l<T₁/4)，次级绕组匝数为N_S(具体数值根据变压器变比决定，为100～5000匝)，间距为q₁，

次级绕组5采用单层或多层绕制法，共绕制k层，其中k一般为1～5，且满足

D₄是初级绕组支撑2的左端面外半径，S₂为初级绕组支撑2的侧壁厚度。结合图5所示，初级绕组支撑2是由绝缘材料构成的波纹型圆锥筒，初级绕组支撑2的左端面外半径D₄(D₄>D₃)，右端面外半径为D₅(D₅>D₄)，侧壁厚度均为S₂(为1～3cm)。以左端面中心O和右端面中心O’的连接线OO’为中心线，使用数控机床将初级绕组支撑2侧面加工为波纹型，波纹深度为P₂(P₂<D₄-D₃)，波长为T₂(

其中Q为初级波纹个数，为2～10)。波纹长度为J₂。J₂采用公式(3)求得。

J₂随着P₂的增大而增大、随着T₂增大而减小，通过改变波长T₂、波纹深度P₂可以调节波纹长度J₂。初级绕组支撑2左端通过前绝缘端板702上的第三定位槽12与前绝缘板端板702右端固定连接(见图7)，其右端通过后绝缘端板703上的第六定位槽15与后绝缘端板703左端固定连接(见图8)。

初级绕组3采用连续导线缠绕在初级绕组支撑2构成，连续导线截面宽度

高度D₇(D₇<P₂)，初级绕组采用单层绕制，匝数为N_P，具体数值根据变压器变比决定，一般为5～100匝。间距为

结合图6所示，绝缘筒701是由绝缘材料制成的圆筒，内半径为D₈，外半径为D₉(D₈<D₉)，长度为L₂(见图3)。绝缘筒701两侧端面均匀攻有S(S>1)个螺纹孔7011。螺纹孔7011孔径为M(M<D₉-D₈)，螺纹孔7011中心线半径(即螺纹孔中心离OO’的距离)为D

绝缘筒701通过螺纹孔7011中插入的直径等于M的螺杆分别与前绝缘端板702和后绝缘端板703固定连接。

结合图7所示，前绝缘端板702是绝缘材料制成的圆盘，圆盘外半径为D₉，厚度为T₂(见图3)，在中心线半径为

位置处钻S个通孔7021，通孔7021孔径等于绝缘筒701两侧端面的螺纹孔7011的孔径M；前绝缘端板702通过S个通孔与绝缘筒701的左端通过螺杆连接。前绝缘端板702以O为中心钻有半径为D₁的第一定位槽10，第一定位槽10深度一般为1～3cm，磁耦合介质9的左端嵌入第一定位槽10中，用于固定。前绝缘端板702以半径为D₃的圆为基准向内(朝向O点)挖有第二定位槽11，第二定位槽11为圆环形，宽度为S₁(内外圈半径之差)，深度一般为1～3cm。次级绕组支撑4左端嵌入第二定位槽11中，用于固定。前绝缘端板702以半径为D₄的圆为基准向内(朝向O点)挖有第三定位槽12，第三定位槽12为圆环形，宽度(内外圈半径之差)为S₂，深度一般为1～3cm。初级绕组支撑2左端嵌入第三定位槽12中，用于固定。

结合图8所示，后绝缘端板703是绝缘材料制成的圆盘，圆盘外半径为D₉，厚度为T₂(见图3)，在中心线半径为

位置处钻S个通孔7031，通孔7031孔径等于绝缘筒701两侧端面的螺纹孔7011的孔径M；后绝缘端板703通过S个通孔与绝缘筒701的右端通过螺杆连接。后绝缘端板703以O’为中心钻有半径为D₁的第四定位槽13，第四定位槽13深度为1～3cm，磁耦合介质9的右端嵌入第四定位槽13中，用于固定。后绝缘端板703以半径为D₂的圆为基准向内(朝向O’点)挖有第五定位槽14，第五定位槽14为圆环形，其宽度(内外圈半径之差)为S₁，深度为1～3cm。次级绕组支撑4右端嵌入第五定位槽14中，用于固定。后绝缘端板703以半径为D₅的圆为基准向内(朝向O’点)挖有第六定位槽15，第六定位槽15为圆环形，其宽度(内外圈半径之差)为S₂，深度为1～3cm。将初级绕组支撑2右端嵌入第六定位槽15中，用于固定。

Claims (10)

1.一种具有波纹型绕组结构的高功率脉冲变压器，包括初级绕组支撑(2)、初级绕组(3)、次级绕组支撑(4)、次级绕组(5)、绝缘外壳(7)；初级绕组(3)缠绕在初级绕组支撑(2)上，次级绕组(5)缠绕在次级绕组支撑(4)上；绝缘外壳(7)由绝缘筒(701)，前绝缘端板(702)和后绝缘端板(703)构成；其特征在于具有波纹型绕组结构的高功率脉冲变压器还包括磁耦合介质(9)，磁耦合介质(9)、次级绕组支撑(4)、初级绕组支撑(2)从内到外同轴嵌套于绝缘外壳(7)内；定义具有波纹型绕组结构的高功率脉冲变压器连接低压电源的一端为输入端，即左端，定义连接负载的一端为输出端，即右端；磁耦合介质(9)、次级绕组支撑(4)、初级绕组支撑(2)的左端固定在前绝缘端板(702)右端，磁耦合介质(9)、次级绕组支撑(4)、初级绕组支撑(2)的右端固定在后绝缘端板(703)左端；

磁耦合介质(9)是由磁性材料制成的圆柱，半径为D₁，长度为L₂，D₁和L₂结合初级绕组(3)加载脉冲峰值电压V_P与次级绕组(5)输出脉冲峰值电压V_S确定；

次级绕组支撑(4)是由绝缘材料构成的波纹型圆锥筒，次级绕组支撑(4)的右端面外半径为D₂，D₂>D₁，左端面外半径为D₃，D₃>D₂，侧壁厚度均为S₁；以左端面中心O和右端面中心O’的连接线OO’为中心线，使用数控机床将次级绕组支撑(4)侧面加工为波纹型；波纹深度为P₁，波长为T₁，波纹长度即次级绕组支撑(4)侧壁长度为J₁；

次级绕组(5)由圆形连续导线缠绕在次级绕组支撑(4)而成，圆形连续导线外皮绝缘；初级绕组支撑(2)是由绝缘材料构成的波纹型圆锥筒，初级绕组支撑(2)的左端面外半径D₄，D₄>D₃，右端面外半径为D₅，D₅>D₄，侧壁厚度均为S₂；以左端面中心O和右端面中心O’的连接线OO’为中心线，使用数控机床将初级绕组支撑(2)侧面加工为波纹型，波纹深度为P₂，波长为T₂，波纹长度为J₂；

初级绕组(3)采用连续导线缠绕在初级绕组支撑(2)构成；

绝缘筒(701)是由绝缘材料制成的圆筒，内半径为D₈，外半径为D₉，D₈<D₉，长度为L₂；绝缘筒(701)两侧端面均匀攻有S个螺纹孔(7011)，S>1，螺纹孔(7011)孔径为M，螺纹孔(7011)中心线半径即螺纹孔中心离OO’的距离为D；绝缘筒(701)通过螺纹孔(7011)中插入的螺杆分别与前绝缘端板(702)和后绝缘端板(703)固定连接；

前绝缘端板(702)是绝缘材料制成的圆盘，圆盘外半径为D₉，厚度为T₂，在中心线半径为D位置处钻S个通孔(7021)，通孔(7021)孔径等于M；前绝缘端板(702)通过S个通孔与绝缘筒(701)的左端通过螺杆连接；前绝缘端板(702)以O为中心钻有半径为D₁的第一定位槽(10)，磁耦合介质(9)的左端嵌入第一定位槽(10)中；前绝缘端板(702)以半径为D₃的圆为基准朝向O点挖有第二定位槽(11)，第二定位槽(11)为圆环形，第二定位槽(11)宽度即内外圈半径之差等于S₁，次级绕组支撑(4)左端嵌入第二定位槽(11)中；前绝缘端板(702)以半径为D₄的圆为基准朝向O点挖有第三定位槽(12)，第三定位槽(12)为圆环形，第三定位槽(12)宽度即内外圈半径之差等于S₂，初级绕组支撑(2)左端嵌入第三定位槽(12)中；

后绝缘端板(703)是绝缘材料制成的圆盘，圆盘外半径为D₉，厚度为T₂，在中心线半径为D位置处钻S个通孔(7031)，通孔(7031)孔径等于M；后绝缘端板(703)通过S个通孔与绝缘筒(701)的右端通过螺杆连接；后绝缘端板(703)以O’为中心钻有半径为D₁的第四定位槽(13)，磁耦合介质(9)的右端嵌入第四定位槽(13)中；后绝缘端板(703)以半径为D₂的圆为基准朝向O’点挖有第五定位槽(14)，第五定位槽(14)为圆环形，其宽度即内外圈半径之差等于S₁，次级绕组支撑(4)右端嵌入第五定位槽(14)中；后绝缘端板(703)以半径为D₅的圆为基准朝向O’点挖有第六定位槽(15)，第六定位槽(15)为圆环形，其宽度即内外圈半径之差等于S₂，初级绕组支撑(2)右端嵌入第六定位槽(15)中。

2.如权利要求1所述的一种具有波纹型绕组结构的高功率脉冲变压器，其特征在于所述磁耦合介质(9)采用的磁性材料的相对介电常数μ_s满足μ_s≥1，磁耦合介质(9)的半径D₁为5～25cm，长度L₂为20～100cm。

3.如权利要求1所述的一种具有波纹型绕组结构的高功率脉冲变压器，其特征在于所述次级绕组支撑(4)的侧面加工的波纹深度P₁满足P₁<D₂-D₁，波长T₁满足

其中P是次级波纹个数，P为2～10；波纹长度J₁是4P个正弦函数y的长度，

次级绕组支撑(4)侧壁厚度均为S₁为1～3cm。

4.如权利要求1所述的一种具有波纹型绕组结构的高功率脉冲变压器，其特征在于所述构成次级绕组(5)的圆形连续导线截面直径为l，l<P₁，且l<T₁/4，次级绕组匝数N_S根据变压器变比决定，为100～5000匝，间距为q₁，

5.如权利要求1所述的一种具有波纹型绕组结构的高功率脉冲变压器，其特征在于所述次级绕组(5)采用单层或多层绕制法共绕制k层，其中k为1～5，且满足

D₄是初级绕组支撑(2)的左端面外半径，S₂为初级绕组支撑(2)的侧壁厚度。

6.如权利要求1所述的一种具有波纹型绕组结构的高功率脉冲变压器，其特征在于所述初级绕组支撑(2)的侧面加工的波纹深度P₂满足P₂<D₄-D₃，波长T₂满足

其中Q为初级波纹个数，Q为2～10；波纹长度J₂满足

初级绕组支撑(2)的侧壁厚度S₂为1～3cm。

7.如权利要求1所述的一种具有波纹型绕组结构的高功率脉冲变压器，其特征在于所述构成初级绕组(3)的连续导线截面宽度

高度D₇满足D₇<P₂。

8.如权利要求1所述的一种具有波纹型绕组结构的高功率脉冲变压器，其特征在于所述初级绕组(3)采用单层绕制，匝数N_P根据变压器变比决定，为5～100匝；间距为

D₆为连续导线截面宽度。

9.如权利要求1所述的一种具有波纹型绕组结构的高功率脉冲变压器，其特征在于所述绝缘筒(701)上的螺纹孔(7011)的孔径M满足M<D₉-D₈，螺纹孔(7011)中心离OO’的距离

螺纹孔(7011)中插入的螺杆直径等于M。

10.如权利要求1所述的一种具有波纹型绕组结构的高功率脉冲变压器，其特征在于所述前绝缘端板(702)的第一定位槽(10)、第二定位槽(11)、第三定位槽(12)的深度均为1～3cm；后绝缘端板(703)的第四定位槽(13)、第五定位槽(14)、第六定位槽(15)的深度均为1～3cm。

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