一种新型的变压器

志勰

本文提出一种新型的高频变压器,目前找不出它的实用性,但它可将变压器的工作范围由高频阶段扩展到微波段。此只是一种理论,未曾经过实验验证。


    几十周上百周的交流电我们采用铁芯(如硅钢片)作为线圈的磁芯,几千周几万周的交流电我们则必须采用铁氧体等绝缘的软磁性材料才可以作为磁芯。频率在高的如上兆周的交流电,我们就很难找到合适的磁性材料作为增大交流线圈磁感应强度的磁芯了。那么,是不是上兆周的交流电就不能进行升压了呢?

     从无线电波段到远红外区(不包括远红外区),通常都是采用电子在导线中流动产生的电磁波信号。按理说,通过导线产生的电磁信号,我们应该可以采用电磁感应原理对这种频率的电流进行升压。我认为只要减少电磁线圈中的阻抗就可以了。

     减少变压器电磁线圈中的阻抗存在两种方法:

     一种方法是减少电磁线圈中的砸数。

     另一种方法是去掉线圈中的磁芯,采用空绕的方法。

     实际上,不论我们采用如何减少电磁线圈的砸数,只要存在线圈,那么在高频状态下,线圈的阻抗还是很大的,即便我们不采用线圈的方法,而直接采用笔直的导线去通过高频电流,这个高频电流仍然还是要向外辐射电磁波,在接近远红外波段,自然就更不用说了。那么,对于频率太高的电流,最好的办法就是不饶线圈。当然,由于高频电流和普通电流的特点是不同的,这种超高频变压器还需要对导线有一定的要求。(在高频状态是存在趋肤效应,由于导线中电流的感应,导线中电子的流动会只在导线的表面,增大电阻。)

     我的设计如下:

    低压线圈的设计:

     由于高频电流存在趋肤效应,因此必须增大低压线圈导线的表面积。在这里我认为采用空心的圆环状的导线为最好。如图:

     chgpbyq-1.jpg (2406 字节)

     在这个空心的导线两端,分别接上低压电源的两个电极。

     高压线圈的设计:

     高压线圈的设计和低压线圈则不同了,因为低压线圈和高压线圈的砸数之比等于低压线圈和高压线圈的电压之比,所以高压线圈的砸数必然不能是一条直线。

     在这个设计中,为了提高磁感应强度,我将高压线圈分成两部分。

     一部分线圈位于圆环导线的内侧,另一部分线圈则位于低压导线的外侧。线圈采用平行的直导线,并且和低压导线平行。如图:

chgpbyq-2.gif (2512 字节)

    位于低压导线内侧的高压线圈和位于低压导线外侧的高压线圈可采用并联,也可采用串联。

    两个线圈砸数和电压的关系

      和普通变压器不同的是,这种变压器的线圈砸数和电压的关系不是成正比的。普通变压器中的线圈和砸数比决定线圈电压比依赖于线圈中的磁感应强度是恒定的,两种线圈都处在相同的磁感应强度中,(或者相差甚微的磁感应强度里。但这种变压线圈则不同了,高压线圈(次级线圈)的一个线环(一圈导线)a、b两个层面的磁感应强度是不同的,a层面的磁感应强度减去b层面上的磁感应强度就等于次级线圈的一个线圈的磁感应强度。a、b层面的磁感应强度的计算方法是磁感应强度同距初级线圈的距离的平方成反比。我们可以确定,在这种高频变压器中,次级线圈中的磁感应强度同感应电动势成正比。

      升压关系为:

chgpbyq-3.gif (1081 字节)

    其中B高和B低分别为高压线圈和低压线圈中的磁感应强度。

  如果高压线圈和低压线圈相距很近,如上图中的a层面,可以认为a层面的磁感应强度和低压线圈是近似相同的。

    高频电流对高频变压器的影响

    高频变压器由于频率很高,不能采用普通的导线模式。对于这种高频变压器可采用如下的处理方法:

    1、对于低压线圈

    低压线圈中的电流较大,趋肤效应所形成的电阻的影响可以采用增加低压导线的表面积的方法来处理,如本文说的采用环形导线,采用电阻较小的金属来做这种低压导线(低压线圈)。如图.

chgpbyq-3.jpg (2721 字节)

    2、对于高压线圈

     由于高压线圈中的电流较小,趋肤效应和低压线圈相比要差一些,但也仍以增大导线的表面积为易。可采用贴近低压线圈的导线增大表面积。这样做的另一个目的在于增加低压导线和高压导线间的作用,通常所说的电磁感应。如示意图

chgpbyq-4.jpg (4611 字节)

     当然,图中画的并不是标准的,贴近低压导线的高压导线最好能把低压导线外表面完全覆盖。

  3、频率和线圈的关系

   在频率较低的阶段,比如高频变压器的极限频率,由于频率的升高普通的高频变压器不能使用的时候。而要采用这种变压器,这时变压器的低压线圈要长一些,相应的高压线圈也要相应的长一些。反之在频率非常高的情况下,比如接近远红外段,相应的低压线圈的长度要短一些。

    在普通的变压器中,比如几十周的交流电变压器,初级线圈的磁感应强度要达到确定的值才可以满足变压器的正常工作,对于确定面积的铁芯,线圈要绕上确定的砸数。和这个是相同的道理。高频的变压器很显然不能满足这种情况,所以计算方法是不同的。

    我认为采用作用变化率去对磁感应强度计算是合适的并且是方便的。

这种高压变压器的意义

     这种高频电压器由于工作在甚高频波段,电磁辐射会增加功率的损耗,这个功耗应该是非常大的。但倘若只需要很小的电流,或者需要调节一下高频信号的电压,我想使可以的。但不能无限制的升压,因为即便低压线圈的砸数为最少的一砸,每通过这种变压器把电压提高2倍,高压线圈至少要提高的砸数至少要提高四倍,这样增加线圈等于成倍的增加导线电流的阻抗,高压线圈中的电流就会越小,同时无用的功耗也越大。另一方面,还要向外辐射电磁波。频率越高,电流越大、导线越长辐射的电磁波也越大。一般情况下,辐射和导线的表面积没有关系。

   另一个需要说明的是这种设计只能应用于升压,不能应用于降压。

     到目前为止,这种变压器的应用,我想不出什么实际应用的价值。

     但是,对于变压器而言至少有一种意义。这种意义就是改变变压器的工作范围,将变压器从高频工作段扩展到微波段。

[说明:逆子先生曾在有关相对论讨论的论坛里提出如何产生高压高频信号的问题,本文是高频信号的一种思考的结果。然而这种设计却不能应用于高压,除非改变结构设计,并且功率甚微。是不划算的]

2001.2.25


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