本发明涉及脉冲变压器技术领域，特别地，涉及一种全固态轻型100kv级脉冲变压器及其制作方法。
背景技术：
变压器是以法拉第电磁感应定律为基础，能够将一个电路中的电能通过磁场传输到另一个电路中的电磁装置。脉冲变压器是变压器的一种特殊类型，它所变换的不是持续的电压，而是脉冲电压。近年来随着脉冲功率装置在医疗、食品杀菌、高功率微波、高能激光器等领域的广泛应用，脉冲变压器作为脉冲功率装置的主要升压模块而得到广泛研究，它是实现高电压输出的重要装置，对其也提出了越来越高的要求，如在民用领域要求提高变压器的能量效率、降低使用成本；在军事领域中，研究应用于无人机、飞机或导弹等飞行平台的脉冲功率装置，要求变压器具有体积小、重量轻、环境适应性强、效率高等优点。
现有的高电压脉冲变压器为提高耦合系数及能量效率通常采用闭合磁芯或开路磁芯设计【张瑜，刘金亮，程新兵等，高电压闭合磁环小型脉冲变压，强激光与粒子束，2010,22(12):3047-3051；张自成，杨汉武，张建德等，紧凑重频tesla变压器型调制器的实验研究，强激光与粒子束，2008,20(8):1392-1396.】，由于磁芯的使用，相比于无磁芯变压器，其设计难度、成本、体积、重量也大为增加。此外上述提及的脉冲变压器，其负载为脉冲形成线，形成线等效电容仅为零点几～几个纳法，其充电能量仅为几个焦耳～几百焦耳，因此变压器的充电的时间很短，通常小于10微秒。然而在很多应用中，脉冲变压器充电的负载等效电容为微法量级，如marx发生器型负载、脉冲形成网络型负载等，此时变压器的充电周期达到了数十甚至上百微秒，传输能量达到也达到数十kj。这种情况下，需增大磁芯的重量，这是因为考虑到变压器磁芯磁饱和问题，磁芯工作点不宜靠近磁饱和感应强度bs处，磁芯有效截面积se需满足
其中smin为磁芯最小有效截面积，δbmax为磁芯磁感应强度的最大变化量，稍小于磁性材料的饱和磁感应强度bs，u0为变压器初级电容上充电电压，tz为达到最大充电电压时的充电时间。
从公式可知，充电时间的增加将导致变压器磁芯截面积增加，因此该种情况下的脉冲变压器仅磁芯的重量就大于变压器其它部分重量之和；此外由于引入磁芯，同时为防止初、次级线圈间高压击穿，该类变压器内部通常用变压器油绝缘，为保证变压器油密封还需考虑密封圈及相应的压紧螺杆设计，这些因素都使得变压器的重量显著增加。按照传统的变压器设计方法，100kv级脉冲变压器，设计完成后其重量在50kg左右，无法适应紧凑、轻型100kv级变压器要求的应用场景。
基于上述分析，有必要开展100kv级全固态轻型高压脉冲变压器的设计，以满足新形势下的军事及民用领域的需求。
技术实现要素：
为了解决上述问题的不足，本发明目的在于提供一种全固态轻型100kv级脉冲变压器及其制作方法，该变压器无需外加磁芯，整个变压器采用绝缘胶灌封，无变压器油类高压绝缘液体，无需多余螺杆、密封挡板，重量仅为10kg左右，其研究可促进该类脉冲变压器在民用和军事领域的应用。主要用于高功率脉冲调制器、高功率微波源、食品杀菌、医疗和环保等技术领域。
为实现上述目的，本发明提供了一种全固态轻型100kv级脉冲变压器，包括变压器外筒、变压器内筒、高压输出端挡板、高压输出端、次级线圈、初级线圈输入端、初级线圈ⅰ、初级线圈ⅱ、初级共地端和低压端挡板；所述次级线圈绕制在变压器内筒上，所述变压器外筒套设在绕制有次级线圈的变压器内筒外侧，所述初级线圈ⅰ和初级线圈ⅱ绕制在变压器外筒外侧，初级线圈ⅰ和初级线圈ⅱ的起始端分别通过螺栓引出通过铜条相连形成初级线圈输入端，所述初级线圈ⅰ和初级线圈ⅱ的末端通过螺栓引出通过铜条相连形成初级共地端；所述高压输出端挡板设置在变压器外筒的一端，所述高压输出端设置在高压输出端挡板上，所述低压端挡板设置在变压器外筒的另一端。
上述方案中，优选的是次级线圈采用漆包线紧密绕制在变压器内筒上，在次级线圈绕制前，在变压器内筒外表面预先涂有绝缘漆，绕制完成后在次级线圈表面再次涂上绝缘漆。
上述方案中，优选的是变压器外筒由尼龙类或者高分子绝缘材料制成，变压器外筒的外侧设置有矩形螺旋凹槽，用于固定初级线圈ⅰ和初级线圈ⅱ，螺旋槽匝间有3mm以上的间隔，用于初级线圈ⅰ或初级线圈ⅱ间的绝缘。
上述方案中，优选的是初级线圈ⅰ和初级线圈ⅱ采用铜带，初级线圈ⅰ和初级线圈ⅱ固定绕制在变压器外筒外侧的凹槽中。
上述方案中，优选的是高压输出端挡板在次级线圈与初级线圈ⅰ之间的空间相对应的位置上，开设有n个通孔，用于次级线圈与初级线圈ⅰ间的绝缘胶灌注，其中n≥3，n为正整数。
上述方案中，优选的是低压端挡板为一环形绝缘材料，中心设置有空心圆，环形外直径与变压器外筒外直径一致，环形内直径小于变压器内筒靠近共地端部分的内直径。
上述方案中，优选的是变压器外筒的两侧端面和变压器内筒的两侧端面均设置有密封圈凹槽，密封圈凹槽装有密封圈，在灌胶的过程中，防止绝缘灌封胶溢出。
本发明还包括夹具板ⅰ、夹具板ⅱ和螺杆，所述夹具板ⅰ和夹具板ⅱ设置为不锈钢圆环，圆环的直径大于变压器外筒直径，并在每个圆环圆周上设计有螺杆孔，夹具板ⅰ和夹具板ⅱ上均设置有一环形凸台，夹具板ⅰ上设置有n个通孔，其中n≥3，n为正整数，通孔与高压输出端挡板上的灌胶通孔位置相对应；螺杆两端分别设置在夹具板ⅰ和夹具板ⅱ螺杆孔上并拉紧设置。
一种全固态轻型100kv级脉冲变压器的制作方法，包括如下步骤：
步骤1、将次级线圈在变压器内筒绕制完成，将初级线圈ⅰ和初级线圈ⅱ在变压器外筒绕制完成，并完成初级线圈输入端、初级共地端和高压输出端连接，把变压器外筒套设在绕制有次级线圈的变压器内筒外侧；
步骤2、将低压端挡板放置在夹具板ⅱ的上方，通过夹具板ⅱ的凸台进行固定低压端挡板的位置，将步骤1制作完成的变压器初、次级竖直放置在低压端挡板(9)上；
步骤3、在上方依次放置高压输出端挡板和夹具板ⅰ；
步骤4、将螺杆穿过夹具板ⅰ和夹具板ⅱ的螺孔，并拉紧，使得变压器两端密封圈密封良好；
步骤5、将步骤4制作好的变压器放置在真空环境5小时以上，然后将加热后的绝缘胶通过高压输出端挡板上的小孔灌入变压器；
步骤6、在真空容器中，待绝缘胶完全固化后，将变压器取出；
步骤7、拆除螺杆、去除夹具，完成全固态100kv级变压器的制作。
所述步骤5中的绝缘胶使用耐高压、高温流动性好的绝缘胶，确保灌胶过程中变压器的中间无气泡；变压器设计中中保证绝缘距离满足要求条件下，减小变压器初、次级间绝缘距离，以进一步提高变压器的耦合系数；步骤5密封灌胶过程中，可采用加热和振动相结合，便于排除变压器内部气泡。
本发明具有以下有益效果：
本发明不需要变压器油绝缘，无磁芯，整个变压器实现紧凑、全固态、重量轻；相比于油绝缘变压器，该变压器具有更好的环境适应性，比如高、低温下性能；设计了专门夹具，变压器制作过程简单、安装方便。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明装置结构图；
图2是本发明的变压器夹具结构示意图；
图3是本发明的全固态变压器外观结构示意图；
图4是本发明的变压器输出电压和电流波形图。
图中标号：1变压器外筒、2变压器内筒、3高压输出端挡板、4高压输出端、5次级线圈、6初级线圈输入端、7-1初级线圈ⅰ、7-2初级线圈ⅱ、8初次级共地端、9低压端挡板、10夹具板ⅰ、11夹具板ⅱ、12螺杆。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
一种全固态轻型100kv级脉冲变压器，如图1所示，包括变压器外筒1、变压器内筒2、高压输出端挡板3、高压输出端4、次级线圈5、初级线圈输入端6、初级线圈ⅰ7-1、初级线圈ⅱ7-2、初次级共地端8和低压端挡板9。该变压器无需外加磁芯，整个变压器采用绝缘胶灌封，无变压器油类高压绝缘液体，无需多余螺杆、密封挡板，重量仅为10kg左右，其研究可促进该类脉冲变压器在民用和军事领域的应用。
次级线圈5绕制在变压器内筒2上，所述变压器外筒1套设在绕制有次级线圈5的变压器内筒2外侧。初级线圈ⅰ7-1和初级线圈ⅱ7-2绕制在变压器外筒1外侧，初级线圈ⅰ7-1和初级线圈ⅱ7-2的起始端分别通过螺栓引出通过铜条相连形成初级线圈输入端6。初级线圈ⅰ7-1和初级线圈ⅱ7-2的末端通过螺栓引出通过铜条相连形成初次级共地端8。次级线圈5采用漆包线紧密绕制在变压器内筒2上，在次级线圈5绕制前，在变压器内筒2外表面预先涂有绝缘漆，绕制完成后在次级线圈5表面再次涂上绝缘漆。变压器外筒1由尼龙类或者高分子绝缘材料制成，变压器外筒1的外侧设置有矩形螺旋凹槽，用于固定初级线圈ⅰ7-1和初级线圈ⅱ7-2，螺旋槽匝间有3mm以上的间隔，用于初级线圈ⅰ7-1或初级线圈ⅱ7-2间的绝缘。初级线圈ⅰ7-1和初级线圈ⅱ7-2采用铜带，初级线圈ⅰ7-1和初级线圈ⅱ7-2固定绕制在变压器外筒1外侧的凹槽中。变压器内筒2外表面预先涂有环氧胶类绝缘漆，绕制完成后在变压器的次级线圈5表面再次涂上环氧胶类绝缘漆。其目的一方面用于增强初、次级之间绝缘，另一方面主要用于固定变压器次级线圈5，避免在百微秒级的充电周期内，次级线圈通过数千安的电流时，因线圈匝间电动力过大造成次级线圈脱落。实验表明，采用该种方式绕制的变压器用于给高压电容类负载脉冲充电时，次级线圈可承受电流数千安而不会发生散落。为进一步降低变压器初级的回路阻抗，提高变压器效率，变压器初级铜带分两组并联绕制，每组初级n匝，两组初级线圈起始端通过铜螺杆引出变压器外筒，在变压器外部通过铜条并联，作为共地端。两组初级线圈末端通过铜螺杆引出，在变压器外部并联，作为变压器初级的高压输入端。实验表面通过该种设计，变压器初级铜带在通过脉冲电流100ka的情况下，仍能工作正常。
高压输出端挡板3设置在变压器外筒1的一端。高压输出端4设置在高压输出端挡板3上。低压端挡板9设置在变压器外筒1的另一端。高压输出端挡板在中心处有一铜制螺杆，与变压器次级输出相连，作为变压器的高压输出端；变压器输出端挡板，在与变压器初、次级之间的空间相对应的位置上，开有n(n≥3)个通孔，用于变压器的初、次级间的绝缘胶灌注。低压输出端挡板为一环形绝缘材料，环形外直径与变压器外筒外直径一致，环形内直径略小于变压器内筒靠近共地端部分的内直径。变压器内筒和变压器外筒，在两个筒两边都留有密封圈凹槽，并装有密封圈。在变压器灌胶的过程中，防止绝缘灌封胶溢出。变压器初次级之间采用绝缘胶进行绝缘灌封。为对该类全固态变压器灌胶，专门制作了一套夹具。高压输出端挡板3在次级线圈5与初级线圈ⅰ7-1之间的空间相对应的位置上，开设有n个通孔，用于次级线圈5与初级线圈ⅰ7-1和初级线圈ⅱ7-2间的绝缘胶灌注，其中n≥3，n为正整数。低压端挡板9为一环形绝缘材料，中心设置有空心圆，环形外直径与变压器外筒外直径一致，环形内直径小于变压器内筒靠近共地端部分的内直径。变压器外筒1的两端侧面和变压器内筒2的两端侧面均设置有密封圈凹槽，密封圈凹槽装有密封圈，在灌胶的过程中，防止绝缘灌封胶溢出。夹具包括夹具板ⅰ10、夹具板ⅱ11和螺杆12。夹具板ⅰ10和夹具板ⅱ11设置为不锈钢圆环，圆环的直径大于变压器外筒直径，并在每个圆环圆周上设计有螺杆孔，夹具板ⅰ10和夹具板ⅱ11上均设置有一环形凸台。夹具板ⅰ10上设置有n个通孔，其中n≥3，n为正整数。通孔与高压输出端挡板3上的灌胶通孔位置相对应。螺杆12两端分别设置在夹具板ⅰ10和夹具板ⅱ11螺杆孔上并拉紧设置。
变压器外筒最大直径230mm，轴向长度230mm，变压器初级采用宽度12mm、厚2mm的铜带绕制，共5.5匝，两个初级并联后，电感5.2μh。
变压器次级采用直径为1mm的漆包线密绕在锥形的变压器内筒外表面而成，匝数190匝，变压器锥形内筒两端的外半径分别90mm和100mm，实测变压器次级为电感4.2mh。在不加磁芯的情况下，实测变压器耦合系数0.87，变压器变比24。
所设计的变压器夹具为两个不锈钢圆环，参见图2，分别为高压端夹具1和低压端夹具2，高、低压端圆环均设计有定位凸台，圆环外均为直径280mm，将变压器放置在两个夹具中间，通过螺杆压紧变压器高压、低压端挡板，按照前面所述的制作方法，完成变压器的灌封，去除夹具后最高耐压达120kv的变压器总重量仅为11kg。
为验证实施例的特性，根据设计进行了实验验证。选取变压器初级电容为cp＝1.2mf，初始充电电压5kv，变压器次级电容1μf，实验测得负载电容上最高电压120kv，此时对应充电时间82μs，变压器初级电流最大85ka，次级电流最大2.25ka，传输能量7.2kj；变压器工作性能良好。变压器次级输出的电压和变压器初级电流波形如图4所示。
本发明所述100kv级全固态脉冲变压器装置，无需外加磁芯、无变压器油绝缘、全固态，结构紧凑，重量仅需～10kg，大大降低了传统的100kv级脉冲变压器的重量和体积。同时该变压器由于全固态，因此具有更广泛的温度工作范围。该全固态轻型脉冲变压器结构简单、设计合理、使用方便，对于促进该类型变压器在军事、民用领域广泛应用有重要意义。
一种全固态轻型100kv级脉冲变压器的制作方法，包括如下步骤：
步骤1、将次级线圈5在变压器内筒2绕制完成，将初级线圈ⅰ7-1和初级线圈ⅱ7-2在变压器外筒1绕制完成，并分别完成初级线圈输入端6、初次级共地端8和高压输出端4连接，把变压器外筒1套设在绕制有次级线圈5的变压器内筒2外侧。变压器设计中保证绝缘距离满足要求条件下，减小变压器初、次级间绝缘距离，以进一步提高变压器的耦合系数。变压器初级输入采用低电感引入，减小杂散参数影响，提高能量效率。
步骤2、将低压端挡板9放置在夹具板ⅱ11的上方，通过夹具板ⅱ11的凸台进行固定低压端挡板9的位置，将步骤1制作完成的变压器初、次级竖直放置在低压端挡板(9)上。
步骤3、在上方依次放置高压输出端挡板3和夹具板ⅰ10。
步骤4、将螺杆12穿过夹具板ⅰ10和夹具板ⅱ11的螺孔，并拉紧，使得变压器两端密封圈密封良好。变压器高压输出端采用内凹的结构设计，参见图1，减小变压器轴向长度，结构更为紧凑。步骤5、将步骤4制作好的变压器放置在真空环境5小时以上，然后将加热后的绝缘胶通过高压输出端挡板3上的小孔灌入变压器。绝缘胶选用耐压高、高温流动性好的绝缘胶，确保灌胶过程中变压器的中间无气泡。密封灌胶过程中，可采用加热和振动相结合，便于排除变压器内部气泡。
步骤6、在真空容器中，待绝缘胶完全固化后，将变压器取出。
步骤7、拆除螺杆、去除夹具，完成全固态100kv级变压器的制作。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。