1引言 人们知道，电容器放电可以产生很大的脉冲电流。其最大电流Imax由适用的峰值电流开关的性能决定。 用火花隙做开关，可以得到很大的脉冲电流Imax。但它们的性能不稳定。用放电管作大电流开关，虽然其脉冲电流值可以比较恒定，但它们在持续工作状态下易于损坏。 当用闸流管作峰值电流开关时，其最大幅度电流Imax和最大电流比率dI/dt要受到限制。但这个问题已由一种用多个放电电路的办法得到了解决。这种变压器用多个初级线圈和一个作为次级线圈的大电流回路组成。该次级线圈回路将磁场集聚起来成为磁场成形器，如图1所示。在该变压器中，一个个独立的放电电路的脉冲电流Imax被组合成为单个脉冲电流n·Imax。当n=6时，每一个初级绕组的峰值放电电流Imax=16kA，而合成产生的次级绕组的峰值电流n·Imax则可以达到580kA。就是说，每一个电路的电流和电容器的电压保持着低值，但各个初级电流之积则是很大的。该变压器初级绕组的排列见图1。次级是一个单独的由一根纵向开缝的铜管作为绕组，见图2。在这种变压器上，初级绕组相互绝缘，同时也与作为 次级绕组的铜管绝缘。初级绕组的全部接点焊联在铜管下部一个纵向切缝的中部，以便与大电流回路的外面部分相联接。 2实验 由图1可见，变压器各初级线圈和单一的次级线圈之间是通过感应实现磁耦合的。并且，通过增加变压器铁心的叠片可以起到对漏磁通的屏蔽作用。 多个电路单元各自放电的工作原理必须做到各个电路间彼此严格绝缘，以增加设备的安全性与可使用性。 图2所示变压器由第一个为400μF/3000V的6个电容器放电单元与6个绕制在外径为180mm、长度为280mm的开缝铜管的6个线圈一起构成。全部接点焊联在开缝铜管中部的缝隙附近，这种由硬铜合金制成的回路可以承受大的电流。这个矩形回路有一个0.3cm直径和1.2cm长度的圆孔。电流在圆孔周围形成磁场。该电流可以用电位测量仪的线圈和无源RC积分器接到存储示波器上测出其值。 电容器的放电电流I（t）是正弦波，放电过程直到电容器两端的电压到零为止，然后由二极管非周期地与每一个电容器并联。这种电路可以理解为并联负载与放电的电容器串联，结果是Cn=C/n和Un=U·n。因此，当n=6时，电容C的放电过程曲线I（t）为Cn=400μF/6=67μF；Un=3000V·6=18000V。 由于电流脉冲的速度很高[ω=π/（2·Tmax）≈20000/s]，而趋肤深度d则是浅的。对导电率σ=25×104/Ω·cm时，d为： （1） 由此可见，主电流在磁场成形器孔的内边很浅的周围流动。电流的这种分布可以用电位计线圈穿过磁场成形器中的全部焊点上的小内腔进行测量。 在磁场成形器孔周围的峰值电流为580kA；见图3，孔中心产生了42特斯拉（T）的峰值感应磁通密度。在100μs，感应磁通密度也超过30（T）。 3设计计算 众所周知，通过增加变压器的尺寸和电容器的储能，在相同的感应下可以得到更高的磁场强度。但磁场强度的增高受到磁场成形器材料的机械抗张应力的限制。42（T）的磁场感应将产生705Mpa的应力，同时要在磁场成形器的侧面产生很大的伸缩力，因此磁场成形器必须用高强度的钢材制作的衔铁进行支撑。 作为相当于次级绕组的开缝铜管主要用作屏蔽变压器的内部。所以其中心部位的磁通密度是比较低的。同时铁心不会饱和。如果省略了铁心，在其中心的磁通仅大约为0.3T。所以，使用铁心的主要目的是屏蔽剩余杂散磁通。 该变压器的损耗主要由初级和次级绕组两者之间的绝缘强度以及由绕组自身的绝缘强度决定。它们的强度最小值受初级电压和机械稳定性的制约。 这种装置的效率可以由磁场成形器的气隙中的能量来计算： （2） 而电容器中的初始贮存能量为： （3） 则 （4） 在t=t(Imax)=tmax时，电路不同部分的总能量AO的分布如公式（5）： （5） 用图4和以下公式表示： （6） （7） 且 （8） 式中，I为初级电流，AL是所有场强（磁场成形器、变压器、电流导体、电容器等）中的能量；AC是在t=tmax时保留在电容器的的能量；AR是在电阻性阻抗中消耗的能量。 当ωτ=5（根据测量所得值计算），则 （9） （10） 如此低效率所要求达到的目的，完全是为了使工作电流回路通过高压绝缘与3kV初级电路严格地隔离开来。 在脉冲变压器以连续的方式工作时会出现一些问题，电容器中存贮的全部能量将使全部电路的导体之热量上升。当在6秒之内以1200ws的工作方法工作时，将有2k W平均功率，其结果是在导体上产生很高的温升，尤其是变压器和磁场成形器的温升更高。它们可以放置在整体成型的磁场成形器本身的冷却内腔中，用液态介质（如水或油）冷却，这样完全与放电电路的高电压隔离了。 4应用 设备中脉冲变压器的作用是以可靠安全的脉冲电流源产生高的脉冲磁场。 位于脉冲变压器外部的大电流回路即磁场聚集器，在其设计结构上应易于装拆、便于接地和容易调换。因为它仅是一匝，所以可以制作得很稳定并且能够抵制机械脉冲的冲击。 设备的作用是以强磁场进行金属成型加工。一个例子是将涂覆有聚酰胺的铝管变形。这种铝涂覆管用于汽车工业以替代软管与钢管，如作为油路、制动液和冷却液以及液压液的管线（见图5）。 需要加工的管子和配件放置在磁场成形器内。加工变形是通过磁场成形器中的电流I1和管子中的反方向流动的感应电流I2两种电流所产生的磁场排斥力而实现成形的。因为电流脉冲很窄，管子不会明显地发热。又因为是无接触式加工，涂料层也不会被损坏。 因为10mm外径和8mm内径的铝管具有130MPa的抗张强度，所以需要采用13cm内径和16mm长度的磁场形成器。它可以产生25（T）磁通量密度。这就可以使铝管成功地成型。并且把钢配件固定在铝管的端点，当加压至30Mpa时，该连接将是非常密封牢固的。 主要参考资料： 1.IEEE Transaction on Magnetics.Vol.34，No4，July1998. 2.U.S.patent 5586460，December 24.1996