铜钛复合Tesla变压器初级线圈的制作方法

本发明涉及脉冲功率技术领域，特别涉及一种Tesla变压器初级线圈。

背景技术：

Tesla变压器是由两个相互耦合的振荡回路组成的系统，两个回路工作在自由振荡状态，它们具有各自的固有频率。将Tesla变压器放置于脉冲形成线(Pulse Forming Line,PFL)内，再加上气体开关、脉冲传输线以及负载，便构成了Tesla型脉冲功率源。Tesla型脉冲功率源的显著特点是结构紧凑、可以运行在1～1000Hz重复频率范围。

Tesla型脉冲功率源的核心是Tesla变压器，Tesla变压器的关键部件之一是Tesla变压器初级线圈。传统Tesla变压器初级线圈是将厚度、面积一定的铜板加工成要求形状，然后再靠外力紧固于脉冲形成线外导体的内表面。初级线圈正对着形成线的内导体，两者之间靠液体实现绝缘。如果Tesla变压器应用在特殊环境，或者采用其他方式绝缘时，则上述初级线圈会暴露出绝缘强度低的问题。比如，当脉冲源采用真空绝缘方式时，由于电子在真空中容易被加速，并且铜材质易受到电子轰击，所以传统初级线圈就会暴露出绝缘强度低的问题；再如，当脉冲源承受剧剧烈振动时，由于纯铜材质较软，所以线圈还会暴露出容易变形的问题。

技术实现要素：

为了解决现有工艺Tesla变压器初级线圈耐电强度低、易变形的技术问题，本发明提出了一种铜钛复合的Tesla变压器初级线圈。

本发明的技术解决方案是：

本发明所提供的铜钛复合的Tesla变压器初级线圈，其特殊之处在于：所述初级线圈由铜板和钛板复合而成，钛板位于铜板的内侧。

以上为本发明的基本解决方案，基于该基本方案，本发明还做出以下优化限定：

优化的，本发明的铜板材质为紫铜，厚度限定为0.2～0.5mm。这是根据电流通过铜板引起的能量损耗(能损)而确定的。铜板的能损与铜板的导通电阻正相关，而铜板的导通电阻又与铜板的截面积反相关，所以铜板厚度越大，电流流经铜板时引起的能损越低。能损的计算过程复杂，表1仅给出计算结果，从表中看出，当铜材质厚度大于0.2mm时，铜板内的能损将低于0.03％。以此作为判据，如果希望铜板内的能损低于0.03％，则铜板厚度应大于0.2mm。另一方面，如果铜板厚度过大，则不利于卷绕，并且增加了线圈的质量。综合考虑，选取铜板厚度在0.2～0.5mm范围，既可以保证较低的能损，又可以保证合适的加工难度。表1铜板厚度与有用能量关系

优化的，本发明的钛板材质为TA0，厚度为0.2～0.5mm。这是因为，初级线圈表面积一般至少是1mX2m，相应的钛板面积也需要1mX2m，调研了现有各种钛合金材料，仅有TA0延展性较好，适合加工成薄板状。钛板厚度考虑如下：原有纯铜初级线圈厚度在1mm以内，新工艺线圈厚度应不大于该厚度，否则需要对Tesla变压器的结构重新进行设计，又考虑到铜板厚度为0.2～0.5mm，所以钛板厚度不能大于0.5mm。对于1mX2m的TA0材料目前，国内能加工到的最小厚度为0.2mm，所以钛板厚选为0.2～0.5mm。

优化的，本发明的铜板、钛板采用真空钎焊技术进行复合。除该技术之外，还可以考虑的技术有钛表面镀铜技术和铜钛碾压技术。但铜钛真空钎焊技术最为成熟，实现起来成品率也最高，所以综合考虑选用铜钛真空钎焊技术来实现两种薄板的复合。

进一步优化的，本发明钎焊的焊料厚度～0.1mm，均匀铺满于铜板和钛板之间。这个数据是通过实验得到的，实验中发现如果焊料厚度大于0.1mm，则熔化后的焊料容易溢出到线圈表面；如果焊料厚度小于0.1mm，则铜钛复合初级线圈会出现局部虚焊的情况。

进一步优化的，本发明铜板表面的粗糙度不低于1.6，钛板表面的粗糙度不低于0.8。这是由于Tesla变压器初级线圈安装于脉冲形成线外导体的内表面，两者之间以0.5mm的介质膜进行绝缘，如果铜板粗糙度过低，则表面毛刺会刺破介质膜，进而影响到初级线圈与形成线外导体之间的绝缘。安装好的初级线圈内表面正对着脉冲形成线的内导体，钛板与形成线内导体也需要绝缘。理论上，钛板的表面粗糙度越高越好，但粗糙度越高，加工难度和加工代价越大，综合考虑，钛板的表面粗糙度不低于0.8。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

本发明的铜钛复合Tesla变压器初级线圈相比传统铜板初级线圈，具有以下优势：

1、耐电强度、机械强度高。本发明结合了铜板的优良的导电性、钛板优良的绝缘强度及硬度，克服了现有纯铜板线圈耐电强度低、易变形的缺陷。

2、质量小。由于钛密度低于筒的密度，所以，本发明的线圈与现有纯铜线圈相比，具有质量小的优点。

3、易保型、便于安装。本发明的铜板与钛板之间的复合采用真空钎焊，铜板及钛板在高温环境中经历了退火工艺，所以铜钛复合初级线圈还具有易于保型的特点，由于该特点，铜钛复合初级线圈还便于安装。

附图说明

图1为典型Tesla型脉冲功率源的结构示意图；

图2为铜钛复合Tesla变压器初级线圈示意图；

图3为安装在脉冲形成线内的铜钛复合Tesla变压器初级线圈。

其中附图标记为：

1-内置于脉冲形成线内的Tesla变压器；2-气体开关；3-脉冲传输线；4-负载；5-铜板；6-钛板；7-前向绝缘支撑；8-脉冲形成线外导体；9-脉冲形成线内导体；10-铜钛复合Tesla变压器初级线圈；11-Tesla变压器次级线圈；12-后向绝缘支撑。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

如图2所示，本发明相比较仅由铜板卷绕传统Tesla变压器初级线圈，铜钛复合的Tesla变压器初级线圈在保持线圈厚度不增加的前提下，在原有铜板内表面复合了一层钛板，线圈由铜板5和钛板6复合而成，铜板5位于线圈外侧，起到导电作用，钛板6位于线圈内侧，起到增加线圈电气及机械强度的作用。铜板5的材质为紫铜，厚度在0.2～0.5mm；钛板6的材质为TA0，厚度在0.2～0.5mm。铜、钛薄板采用真空钎焊的复合方式，焊料厚度～0.1mm，加工时，焊料均匀铺满于铜、钛薄板之间；利用内外模具将铜板、焊料、钛板三者夹紧，并在真空环境中高温加热复合成型。成型后的Tesla变压器初级线圈，要求铜表面不能有钛露出，钛表面不能有铜露出，铜表面粗糙度不低于1.6，钛表面粗糙度不低于0.8，线圈整体无毛刺，并且边缘无开缝。

由于钛合金具有较高的机械强度(以TA0为例，其抗拉强度～400MPa，近似为紫铜的2倍)和较低的密度(～4.4g/cm³，约为紫铜密度的一半)，所以铜钛复合初级线圈的机械强度高于单纯铜板初级线圈，质量也低于后者。

除以上两个特点外，铜钛复合初级线圈还有一个突出的优点，即绝缘强度高。由于钛元素的电子逸出功为6.6eV，而铜的逸出功4.4eV，所以金属钛的电子发射能力远低于金属铜。同时，实验结果表明，2cm真空平行平板电极下，钛电极的击穿强度大于200kV/cm，而铜电极的击穿强度不到180kV/cm，并且相同电压下钛电极的耐受脉冲数远高于铜电极。所以，当Tesla变压器中的铜钛复合初级线圈与同轴线的高压内导体组成电极时，其耐电强度及寿命会高于铜板初级线圈对应的寿命。这一特点决定了铜钛复合Tesla变压器初级线圈适合用于以真空/气体为绝缘介质的环境当中。

图3是一台尺寸一定的内置于脉冲形成线内的Tesla变压器，其中脉冲形成线外导体内径591mm，内导体外径284mm，形成线长度1428mm；铜钛复合Tesla变压器初级线圈紧贴于形成线外导体的内壁，长1000mm，外导体与初级线圈之间用宽度1040mm、厚0.5mm的聚酰亚胺薄膜进行绝缘，初级线圈总厚度0.7mm，其中铜层材质为TU1，厚度0.2mm，起到传导电流的作用；钛层材质为TA0，厚度0.4mm，起到绝缘及增强机械强度的作用，铜、钛之间为0.1mm的焊料，铜板、焊料、钛板三者高温复合成型。该线圈表面无毛刺、边缘无开缝；铜表面粗糙度为1.6，钛表面粗糙度为0.8。当Tesla变压器采用SF₆作为绝缘介质时，可承受1MV的充电电压。