磁开关变压器试制中的一些问题

提要：本文介绍了在磁开关变压器设计中必须兼顾它的变压作用和开关作用的特点，以及该元件试制中的铁芯、绝缘、灌注等工艺问题。

1 试制概况
三十年代末期，磁调制器使用以来，由于它体积小、机械强度高、可靠性好等优点在航用和空用雷达发射机中得到了比较广泛的运用。特别是在磁调制器采用半导体固态器件和新型材料以后，除保留原来特点外，在减轻重量、提高效率，特别是在消除脉冲波形抖动，提高脉冲稳定度上有了进一步发展。
本文介绍的磁开关变压器用于某雷达全磁调制器发射机。在试制过程中，我们兼顾该元件所具有的变压器和开关双重作用的特点，吸取了残骸结构设计中比较好的部份。在上海钢研所，6××所等兄弟单位协助下，根据我所现有条件采用了以卷绕模压法加工铁芯，真空灌注环氧树脂复合物，电容器纸聚酰亚胺薄膜混合使用做绕组主绝缘，对残骸数据作了一些改变以后完成了试制任务。和残骸相比：在体积重量相同的情况下对电路略加调整以后，磁调制器的末级脉冲输出波形和高频输出功率等方面和残骸基本相同，满足了分机的技术要求。

2 磁开关变压器工作原理
了解磁开关变压器的工作原理，对于顺利完成试制任务是重要的。

本元件所在的磁调制器电路图略图见图1。交流馈电式磁调制器系由交流电源对电容进行谐振或非谐振充电，控制各级回路的充放电时间，就可以将正弦电压经过逐级压缩以后在输出端得到所需要的高能窄脉冲。这要求后一级压缩回路的自然谐振频率远大于前一级压缩回路的自然频率。也就是说，各级开关元件的电感量要满足：

式中：LB1为第一节磁开关的电感量。
为第二节磁开关的电感量。
为第三节磁开关的电感量。
各级储能电容器的放电速度要比充电速度快得多，所以后一级的脉宽就比前一级的脉宽要窄（各级电容相等）。即：

式中：为第一级放电时间。
为第二级放电时间。
为第三级放电时间。
为第一级放电频率。
为第二级放电频率。
w03为第三级放电频率。
因为第三级的和的最小电感量LB3min构成一节人工线，所以：

式中：为第三节储能电容器容量。
本元件在第一压缩级，它工作在有偏磁不对称状态下，又具有在交流一周内饱和二次的特点，这比较少见。但是它的工作过程与交流一周内放电一次有相似之处，试分析如下：

与第一压缩级有关的等效电路见图2。（折算到磁开关变压器的次级；为简化起见，忽略了各元件的损耗电阻和漏感。应该指出：这些被忽略了的因素在分机调试中必须予以足够的重视，否则就达不到分机的技术要求。）
图2中：Lo′为折算到次级的充电电感。
Lm为磁开关变压器未饱和时励磁电感。
为第一级储能电容。
为第二级储能电容。
为第一级磁开关变压器。
为第二级磁开关。
为磁桥式换向电感。
E=为偏磁直流源。
为磁开关变压器，由于使用了矩形度较高的材料，在饱和状态和未饱和状态之间导磁率相差很大，起了变压器和升压作用；在饱和状态时它的感抗很小，磁开关变压器处于导通状态起开关作用。
本元件在工作过程中加有直流偏磁，一般选择直流偏磁点在饱和状态和非饱和状态的边界点上。设本元件起始工作点位于负向饱和区，当交流正半周接入以后，使的工作点开始离开负饱和区而进入非饱和区（或称稳定区）。这时磁开关变压器励磁电感很大，成为升压变压器，交流馈电源通过充电电感 对进行谐振充电。
有关的电流电压变化如下：

式中：E为电流瞬时电压。
为流经电容器上的电流。
为电容器上瞬时谐振电压。
为流经充电电感上的电流。
为偏磁直流。
上已设充电从电源正半周开始， 进入非饱和状态。满足条件：Lm>>；又因为>>(为第二级磁开关饱和电感量）约有千倍； 对中频交流容抗很大；磁桥式换向器处于饱和状态；所以图2等效电路可以再简化成图3等效电路。

图3中：Lx为除Lo′外回路剩余电感；n为磁开关变压器的变化；
的谐振充电路经为：电源→Lo′→→Lx再回到电源。
因为Lm>>Lx，所以两端电压近似等于上电压，即=。所以中的磁感应变化为：

式中：为第一级磁开关饱和磁感应值。
当放电时：
当ωt=π放电时：
式中:为磁开关变压器的初级匝数。
为磁开关变压器铁芯净面积（）。
ω为电源的角频率。

当△B≥2时，由非饱和状态成为饱和状态，磁开关变压器的电感量急剧下降，放电，充电。等效电路见图4。

放电路径为：
→min→再回到。
本元件所在的磁调制器各级电压及磁开关变压器磁感随时间变化图见图5所示。

在理想（无损耗）条件下所推得的式（1），并不能用来设计交流一周内饱和二次的磁开关变压器。它只是定性地指出元件各参数和电参数相互间的关系，为元件设计和试制指明了方向。
实际工作状态下，计算第一节磁感应增量的公式为：


式中：r为系数；它和上电压波形、直流偏磁大小、充电是否谐振有关。
为第一级电容器上电压。
N2为磁开关变压器次级匝数。
式（2）与系数r的推导比较冗长，此处略去。经计算本元件所在第一级的r=0.955×；
除和电源电压有关外还和充电系数r有关：

式中：Q为充电回路品值因素。
T为交流源充电周期。
本元件系ωt=π，2π两次放电；所以取
将有关各数据代入式（2）后，核算残骸的磁感应增量△B值：
初级用50匝，次级为2030匝时△B=29400高斯
初级用46匝，次级为2030匝时△B=32000高斯
初级用42匝，次级为2030匝时△B=35000高斯
在前两次试制中，发现我们制作的元件次级电阻比残骸约大10%；铁芯损耗约大20%；最大磁感约低1000高斯；矩形比也略低一些。为了满足分机的技术要求，必须保证：电源电压、磁开关变压器的磁工作状态， 上电压和末级输出脉冲电压都基本相同。在这个前提下，我们在第三次试制中采用和残骸一样大小的铁芯尺寸，同时考虑到我们在试制中工艺及材料的一些不利因素，将有关数据代入式（2）中计算后：
原初级为50匝，现计算为46.5匝，次级不变；
原初级为46匝，现计算为42.7匝，次级不变；
原初级为42匝，现计算为39.1匝，次级不变；
在发射机上所作的对比试验结果列于表1。
从表1所列对比试验结果可以看出：（1）根据我们现有条件可以造出与残骸同等大小，电性能满足分机要求的磁开关变压器。存在问题是调制器输入电流略大一些，磁开关变压器的效率要低一些。（2）我们采用减少一些匝数，提高升压弥补了我们发射机上由于充电回路品质因数较低而使降低的部份。同时带来的一个好处是使用的饱和磁感值略有增大，使得饱和导磁率降低，即放电时饱和电感下降，向放电就增快，提高了U上电压幅值。缺点是调制器输入电流和铁芯损耗都有所增加。（3）试验表明：充电电感不同，调制器输入阻抗不同，即L-C串联谐振状态有所不同，影响了高频输出功率。元件在制造过程中有各种因素影响，不可能制成完全一样的元件。在保证元件基本性能的条件下，这种差异的影响可以对电路略加调整以后就可以克服。我们经过一年三次试制，基本上完成了试制磁开关变压器的任务。

3 铁芯加工的工艺选择
磁开关变压器铁芯料由上海钢研所供给。第一级功率容量较大，采用了～0.1×25×L硅钢带，其化学成份及磁性能如表2所示。
铁芯是磁开关变压器比较重要的部分，它的质量好坏影响很大。对铁芯的动态质量要求归结为一定空载电流大小的要求是比较恰当的。已知铁芯的直流性能以后，空载电流大小可以反映出动态磁感及损耗的大小。在400HZ115伏下于特定线圈中测得残骸的空载电流为0.5安培，以这个标准作为我们加工铁芯的测量条件。
我们曾先后采用下列工艺作为制造磁开关变压器铁芯的手段。
1）带料卷绕→真空退火→铁芯浸渍环氧树脂胶木漆两次→环氧树脂涂侧面→切开→精铣端面→测试。
用这种工艺制成的铁芯在115伏400周交流于特定的线圈中测试空载电流为0.7A。
2）钢带下料→去油叠片→模压成形→粗铣两腿（留精铣余量）→真空退火→浸渍环氧树脂胶木漆两次→脱去退火成形夹具，→涂侧面→精铣铁芯端面→测试。
用此种工艺制造的铁芯在与（1）相同的测量条件下初期空载电流为0.35A到后期可达0.35A～0.27A。
3）在（2）的基础上将精铣工序改为研磨。
用这种工艺制成的铁芯在与以上相同的测量条件下，空载电流为0.15A。
在试制中发现涂侧面对增加铁芯机械强度有一定好处，但为了不影响铁芯散热不宜涂得太厚。为了防止铁芯在浸渍后脱去夹具时，夹具粘带钢片致使铁芯叠厚超差，可以事先在铁芯叠片时留出一定余量，使其铁芯窗口及叠厚在剥落若干片后仍可达到图纸要求。去脱夹具时以趁热进行为最好。
用示波器法观察了动态磁滞回线，结果见图6。测量表明卷绕的矩磁比为0.5；模压的矩磁比为0.7。

上述不同工艺路线的实践表明：模压成形，研磨加工的铁芯空载电流小，占空系数高，铁芯形状比较规则，这对以后装配变压器大为方便。而用卷绕法加工的铁芯占空系数低，虽经过多次浸渍加固，铣开过程注意装夹，仍有程度不同的“喇叭”状变形。这种铁芯由于变形，铁芯端面间接触间隙较大，因此空载电流也较大，铁芯的矩磁比也不高，而磁开关需要较高的矩形比。
试制的磁开关变压器对体积和重量都有比较严格的要求，其结构比较紧凑。根据铁芯不同加工方法的比较以后，我们采用了铁芯模压加精铣的工艺方法。钢带下料采用三片一组，以减少工时，尽管如此，模压加工的铁芯仍是费工费时的。我们认为在铁芯生产量不大的情况下，用模压法生产磁开关变压器铁芯是切实可行的。


关于铁芯加工还要补充说明以下几个问题：
1）由于制造铁芯所用钢带厚度较薄（～0.1mm），因此，对于热处理要求较高的真空度，以防止钢片氧化。热处理工艺为：随炉升温至900℃保温8小时，随炉降温至200℃后出炉，升温、保温、和降温的过程中真空度都应保持在≤1×mmHg。
2）铁芯热处理以前，将铁芯两腿进行粗铣加工，（留精加工余量0.2mm）是为了尽可能减少铁芯在热处理以后因机械加工所产生的应力。
3）铁芯叠片、打弯时用增减片数的方法，保证铁芯占空系数在95%～96%之间。占空系数过大会破坏铁芯的片间绝缘，占空系数过小，就减小了铁芯的净截面积，从而使铁芯空载电流增大。
4）铁芯浸渍剂的配方：（按重量计）环氧树脂6010 100%，酚醛树脂（胶木漆）70%，苯二甲酸二丁脂20%。铁芯分二次浸渍，第一次为小粘度浸渍：20℃，Bz-4粘度计35～40秒，以利铁芯浸透。第二次为大粘度浸渍：20℃，Bz-4粘度计80～120秒，以利铁芯侧面留有较多浸渍液增加其强度。

4 绝缘问题
为了减少磁开关变压器饱和电感，增大第二级电压幅度，本元件的次级（第一级放电路径）绕在紧靠铁芯最里层的底筒上。计算和实际测量表明次级对地最高电位高达8000～10000伏。整个元件用环氧树脂复合物全部灌满。绕组联接部份套上瓷套管架空，引出线端焊上防电晕环。底筒用3412塑料压制，绕线前将其次级端空部份砂毛，增加环氧树脂复合物与底筒的粘结，防止高电位对铁芯爬电。初次级间用薄电容器纸和聚酰亚胺混合迭绕作主绝缘。这种混合绝缘可以充分发挥聚酰亚胺耐高温和高抗电强度的特点，其层间的电容器纸疏松多孔极易吸收粘度很小的环氧树脂复合物，从而较好地克服了聚酰亚胺薄膜易电晕和爬电的弱点。实物解剖证明这种混合绝缘渗透环氧树脂良好，固化后的主绝缘层已成为一体，有较高的抗电强度和较好的散热效果。
线包层间绝缘仍用薄聚酰亚胺薄膜，次级导线较细层数又多，用环氧树脂复合物灌注时虽然真空度已经达到1×mmHg高，但环氧树脂复合物也只渗透到每层两端部份，中心部位没有环氧树脂。这个问题要进一步加以研究改进。
变压器绕组所用导线以选用聚酰亚胺漆包线为宜，因变压器温升很高。

5 环氧树脂复合物的灌注
磁开关变压器是高压元件，又有较严格的体积和机械强度的要求。采用环氧树脂复合物灌注的结构是行之有效的办法。
我们现在采用的环氧树脂复合物灌注固以后，由于收缩应力较大，所以对变压器结构因素特别是对铁芯件影响很大，变压器灌注后与灌注前测试结果比较，空载电流增加了40%～50%。使用灌注工艺要求所灌注的复合物渗透到变压器需要绝缘的地方，固化之后不应该开裂。此外，对元件的电性能影响应尽可能地小，这就要求我们在考虑配制环氧树脂复合物的配方，和制定操作工艺，以及对于磁开关变压器的结构都应全盘安排，分别采取措施。
本元件共有5组散热片分别焊在两边的铝合金框架上。铁芯散热片共有三组分别插在两对“C”型铁芯的三个侧面之间，灌注环氧树脂复合物后起到部分保护铁芯的作用。散热片和铝框架内壁及铁芯卷绕方向都贴有无碱玻璃布（无碱玻璃布使用前须经550℃焙烧1～2分钟除去石腊）和铁芯接触的散热片上同时还涂有一层硅橡胶，均可缓冲环氧树脂复合物收缩应力对铁芯的影响。硅橡胶涂复时只能涂在铁芯裸露在线圈外的部分，切不可涂在线圈、底筒上，否则由于环氧树脂复合物与硅橡胶结合不好而造成间隙爬电。无碱玻璃布作为环氧树脂复合物与金属之间的过渡层，可以增加它们之间的粘结力。在框架四个散热管之间还插有四个玻璃布卷可以减少环氧树脂复合物的用量，既减少收缩力又可以防止灌注模具不对称所造成的开裂现象。
实物解剖发现少量环氧树脂复合物在较高的真空状态下渗入到铁芯的端面上，导致变压器空载电流增大及铁芯矩磁比下降。因此这种情况必须设法避免，我们在变压器灌注前用硅橡胶或沾有环氧漆的电容器纸将铁芯的四周封死，从而防止复合物渗进铁芯端面。
灌注磁开关变压器的复合物的配方如下：
610 环氧树脂 100份（按重量计）
邻苯二甲酸二丁脂 10份
滑石粉 60份
混合固化剂 40份
注：混合固化剂指苯二甲酸酐：顺丁烯二酸酐=4：1。

在最初的配方中还有碳黑2份，其目的是使元件在灌注后通体为黑色，从而有利于元件散热。但是我们所使用的碳黑是一般工业橡胶中所用的碳黑填料，是一种半导体材料。考虑到本元件在类似交流高压工作状态下工作，半导体的碳黑对其工作有无影响这是我们所担心的，因此我们进行了加碳黑配方与不加碳黑配方在同等条件下的耐压实验，其结果如表3。

从配方耐压比较的试验中可以看出：混有碳黑的环氧树脂复合物的配方的抗电强度平均值较低，数据起伏也大；仔细检查试样的击穿处大都在碳黑颗粒上。因此在以后的配方中就不再使用碳黑，而改为元件表面涂复黑漆改善其散热条件。（最初碳黑在配方中的使用，是由于残骸元件是通黑元件，根据我们现有条件所采用的一种仿效残骸元件散热措施的材料。）
灌注的简单工艺程序如下：
先将按比例称好的环氧树脂及二丁脂、滑石粉倒进环形烧瓶中，烧瓶在120℃的油浴中加热并不断摇晃烧瓶和抽气以除去复合物中的水分和空气。最后加入固化剂盖上瓶盖抽真空4-5分钟后开始灌注。磁开关变压器在灌注配料之前就应焊好电晕环，接线柱装入模具中在130℃的恒温箱中干燥（应保证二小时以上），而后将装入模具的开关变压器趁热移到事先已准备好的可以抽真空的玻璃密封容器中。将经过配制的环氧树脂复合物通过漏斗徐徐灌入模具中，同时不断抽空除气，一般使真空度达到1×mmHg是可以办到的。灌注时应注意控制放料速度，放料过快，复合物中的空气不易抽去，过慢灌注料粘度增大对逸出气泡也不利，同时还要控制灌注料的粘度（T=100℃时BZ-4粘度计测量60～80秒为宜）。
按上述工艺处理后的磁开关变压器经耐压试验以及发射机上满功率考验以后，结果证明均能够可靠地工作。

6 散热问题
由于磁开关变压器用于机载雷达之中，对其重量、体积的要求比较严格。因此磁开关变压器的温升设计的比较高，理论计算和实际测量表明，它的温升可达75℃，如此之高的温升除要求有相应的绝缘材料外，变压器的结构设计仍需考虑良好的散热条件。磁开关变压器的散热结构是用铝框架夹装铁芯，四角各有一只矩形通风管。这些零件的焊接在工艺上有一段曲折过程。起初采用搓锌铝焊，结果强度太差，用氩弧焊又有焊疤影响装配，（它的结构非常紧凑）而且材料厚度较薄焊起来较困难，也采用过铆接，铆接后强度虽然够了，但接触不好，影响散热效果。直到最近焊接工艺有了新的发展才较理想地解决了问题，这就是零件材料使用LF-21铝镁合金的材料，采取铝钎焊接工艺。其效果是既牢固又美观。

7 结束语
我们在试制磁开关变压器的过程中得到所内外不少同志的协作与帮助，在早期杨源庆同志完成了对残骸解剖和结构出图等工作；周庭光、汪荣顺同志进行了设计计算，并参加了我们试制方案的制定。6××所提供了相关分机数据和实验条件，在此表示谢意。由于我们水平所限，一定存在错误和欠妥之处，欢迎大家予以批评指正。