[发明专利]自耦式空芯超导储能脉冲变压器

说明书

技术领域

本发明属于脉冲功率应用领域中能量存储和脉冲电流发生装置，特别涉及一种高幅值脉冲电流发生器件，以提高电感脉冲输出电流幅值，降低电感脉冲输出的时间常数。

背景技术

脉冲功率技术是通过对储能器件缓慢充电。然后在很短时间内通过对能量的脉冲压缩、整形、传输、匹配和开关等功率调节系统处理。得到各种理想的高幅度、大功率、陡前沿的电脉冲输出，为各种应用目标提供强电流脉冲功率源。目前高功率脉冲技术作为高新、尖端技术日益受到重视，在新概念武器及未来高速运载工具方面，具有极大的发展潜力。脉冲功率技术在现代科学技术研究、工业领域，以及国防军事领域均有广泛的应用，如核聚变、加速器、脉冲强磁场、机械加工、材料处理、环保、电磁推进技术、超高速碰撞力学、激光、电磁炮、微波武器、粒子束武器以及电磁发射系统等。以激光、粒子束、电磁炮以及飞机起飞电磁弹射系统等新概念武器将成为未来武器的重要打击力量。这类武器需要大功率脉冲电源。超导电感储能（SMES）因其直流电阻为零，可以实现长时间的能量存储，在需要储能待机的脉冲功率技术中有较好的应用前景。但是超导电感的脉冲输出受开关开断能力所限制，较难获得大电流。同时，超导电感对小阻抗负载直接放电时，脉冲输出的时间常数大，难以获得高重复频率的脉冲输出。目前，超导电感脉冲输出的主要方式有：

（1）超导储能电感的直接脉冲输出模式。超导电感直接对负载阻抗放电。这种脉冲输出需要断开开关来实现，因此脉冲电流的幅值在某种意义上取决于开关的开断能力，而现有开关有限的开断能力限制了脉冲输出电流的幅值。

（2）超导储能电感通过电容器脉冲输出模式。超导电感对电容器充电，再由电容器对负载放电。电容放电只需要闭合开关，因此对开关开断能力没有要求，可以获得较高幅值的脉冲输出电流，但从电感至电容的能量传递过程中需要耗费一定时间，不利于产生高重复频率的脉冲输出。

（3）如专利《高温超导磁体脉冲成型装置》（公开号CN1988382A）中提出多模块超导储能电感通过空芯脉冲变压器脉冲输出模式。超导储能电感对降压升流的空芯脉冲变压器放电，脉冲电流经变压器提升后作用于与变压器副边绕组相连的负载阻抗。此方法可以有效提高负载阻抗上的脉冲电流幅值，也可降低脉冲输出的时间常数，但超导储能电感对脉冲变压器原边电感放电过程中产生残余电流（电感二阶电路中残余的直流分量），降低了能量传递效率。残余电流在脉冲变压器原边绕组上的叠加会改变后续模块脉冲输出的初始状态和输出波形，使得脉冲输出过程更加难以控制。

发明内容

本发明提供一种自耦式空芯超导储能脉冲变压器，目的在于克服现有断路器开断能力之不足，提高电感脉冲电流输出幅值，降低脉冲输出的时间常数。

本发明的技术方案如下：

自耦式空芯超导储能脉冲变压器，本发明包括有串联、且相互耦合的原边超导线圈和副边超导线圈、保护电阻、超导断路开关和二极管，其连接结构为:

原边超导线圈和副边超导线圈同名端串联，耦合系数在0.95-1范围内；

保护电阻与原边超导线圈和副边超导线圈组成的串联支路相并联；

超导断路开关与原边超导线圈和副边超导线圈组成的串联支路相并联；

二极管与负载阻抗构成串联支路，此串联支路与副边超导线圈并联。

当超导开关闭合时，装置处于储能状态，原边超导线圈和副边超导线圈通过超导开关蓄流；当超导开关断开时，装置处于放电状态原边超导线圈储存的能量通过磁场传递到副边超导线圈，再由副边超导线圈通过二极管对负载阻抗放电。

所述的自耦式空芯超导储能脉冲变压器，其特征在于：所述串联的原边线圈与副边线圈材料为超导材料。

所述的自耦式空芯超导储能脉冲变压器，其特征在于：超导断路开关采用超导开关。