直流变压器设计

系统由一组电磁透镜组成，作用是将电子枪发射的有一定发散角的电子聚焦成直线电子束，以便
对电子加速。
（2）加速电压电路
加速电压电路由提供加速电压 U0的电源、两块平行的金属板及导线组成，两块平行的金属板 法线方向为水平方向，电源两级分别经导线连接至两块平行的金属板，使金属板之间形成加速电
压 U0，金属板中央开有小孔，从电子发射设备发射的电子束从小孔中穿过，被加速电压加速至速 度 v 后进入变压设备。制造金属板的材料可选用铜或铝。
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直wk.baidu.com变压器设计
作者： 作者单位：
薛聪 南京航空航天大学材料科学与工程学院
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加速电压 U0即为直流变压器的原电压，U 即为直流变压器的输出电压。
（2）举例 以设计一个将 U0=100V 电压变到 U=500kV 的直流变压器为例：
由 v= 2qU0 / m ，并带入数据得：v=5.931*106m/s。
再由 U=Bdv，并带入数据得：Bd=0.084299T*m，若采用匀强磁场磁感应强度 B=5000Gs 的永 磁铁（10000Gs=1T），则 d=0.1686m=16.86cm。
板，以及提供匀强磁场 B 的永磁铁组成，电子在变压设备中受到向上的洛伦兹力 FB，向上发生偏 转，使上面的金属板带负电，这样就在两块金属板之间形成了电压 U（该电压 U 就是经变压器变
压后的输出电压）。下面的金属板接地，可以维持系统电子的平衡，否则无法持续运行。输出电压
经导线连接至用电设备电路。图 1 中用电设备所示为简化了的电路，实际中可以是小型电路，也
另外若用高压直流输电，采用两根输电线的直流输电可以输送与采用三根输电线的交流输电 相等的功率，从而使线路的造价近似降低为交流输电的 2/3。导线数目的减少还可使线路的功率 损耗减少，在输送功率相同的条件下，采用直流输电时功率损耗也可下降为交流输电时的 2/3。[2]
（5）用电设备 只要是可以使用直流电的电器即可。经变压设备变压后的输出电压经导线连接至用电设备电 路。可以将用电设备两端电压看作是直流变压器的输出电压 U。 目前电能大多是以交流电的形式被人们利用的，我们在日常生活中就使用交流电。比如交流 电动机、日光灯、电磁炉等。直流电应用虽然较少，但它在一些领域有着交流电无法代替的优点。 比如直流电动机、蓄电池充电、同步电机励磁、电镀和电解、直流电焊以及汽车、拖拉机、船舶 上的用电等等，仍然需要直流电。[3] 除了在直流高压输电方面的应用，其他小型设备上也可以用上直流变压器，比如电工电子行 业、电学实验、提高燃料电池的电压等。其中提高燃料电池电压，我感觉很有价值，将燃料电池、 直流变压器以及直流电动机组合起来，可以制成新型的动力设备，代替传统的内燃机（效率低、 有污染）提供动力，真的很有用。 （5）真空壳体 可以设计成长方体等体型容器，只要求有足够保证内部真空度的强度和气密性即可，是较易 实现的设备。
（3）变压设备
变压设备是直流变压器的关键部分，它由两块平行的金属板、永磁铁和导线组成。平行的金
属板可以选用铜或铝，铜熔点高更合适。两块平行金属板法线方向为竖直方向。永磁铁提供匀强
磁场，其磁感应强度为 B，B 的方向如图 1 所示的垂直纸面向外。该设备要求当电子打到金属板上
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参考文献
[1]张植保.变压器原理与应用.北京：化学工业出版社，2007 [2]尹克宁.电力工程.北京：中国电力出版社，2005 [3]秦曾煌.电工学（上册）.北京：高等教育出版社，1999
作者简介： 薛聪，男，1991年4月出生于陕西商洛。现就读于南京航空航天大学材料科学与技术学院大三年级，专业是材料科学与工程。我一直以来对 物理很感兴趣，其中的电磁学更是吸引我，所以我在学习《电工学》后感到有必要发明改变直流电电压的设备。在经过一段时间思考后，
到目前为止，限制直流电应用的因素仍是无法高效的改变直流电电压，除此之外直流电有很 大的优越性。本文论述的直流变压器，从原理上讲可以较容易地实现直流变压，从而改变直流电 不能变压的局限性，改变直流电不能变压的传统观念，拓展直流电的应用领域，充分发挥直流电 的优势。当直流电也能升至很高电压时，直流电就能远程输送，输电线路变得简单、经济、安全、 可靠、节能。在低压领域，直流变压器也能部分代替电子元件的功能，使电路简单化。
4 直流变压的实现
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（1）原理 设磁感应强度为 B，电子的电荷量为 q，变压设备中两块金属板间的电场强度为 E，电子的质 量为 m，变压设备中两块金属板的尺寸：长 L 宽 b，整个面积为 S=Lb,两块金属板间的距离为 d， 板厚为 h。 如图 1 所示，电子经加速电压加速后，获得速度 v
2 系统设计
本发明直流变压器的主要作用是改变直流电的电压，它由电子发射设备、加速电压电路、变 压设备以及真空壳体组成。
如图 1 所示，电子从发射设备中发出并聚焦成电子束，经过加速电压 U0加速（加速电压 U0
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也是该变压器的原电压），获得速度为 v 的初速度，并进入变压设备。变压设备由两块平行的金属
现有高压直流输电的原理：电源仍由发电厂中的交流发电机，经变压器将电压升高后接至整 流器，由整流器将高压交流变为高压直流，经过直流输电线路输送到受端，再经过逆变器重新将 直流变成交流，降压供用户使用。这里面的变压器效率很高在 95%以上，但是整流器和逆变器采 用二极管整流和电感电容元件，有功消耗和无功消耗较大，这也是直流输电不能推广的一个原因。 并且每次整流和逆变都将使波形，频率，相位等可能改变，将产生很多高次谐波，这样就又需要 无功补偿和滤波装置，使结构变得更复杂且价格贵，很不稳定。所以这种直流变压并不理想。而 以上的问题基本上可以通过这种直流变压器解决掉。
关键词:直流变压器 直流高压输电 交流变压器 交流高压输电
1 引言
自从电发明以来，人们逐渐进入了电气时代，使人类社会有了大幅进步。随着科技的不断发 展，电也越来越成为人类社会不可缺少的能源，所以更好的、更高效的利用电能是我们应当一直 探索的科学问题之一。电在发明初期是以直流电的形式应用的，当时的电器大部分使用直流电， 爱迪生是直流电忠实的拥护者。后来随着电力工业的发展，面临着远距离输电的问题，而要高效 率的远距离输电，就应当提高输电电压。但是直流电不能改变电压，这就使它不能用于远距离输 电。特斯拉成功地研究出了交流电以及高压交流输电系统。为此，爱迪生和特斯拉两位伟大的科 学家还发生了很大的争执。由于交流电在输送方面的优越性，最终交流电成了人们利用电能的有 效形式并延续至今。
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直流变压器设计
薛聪
(南京航空航天大学材料科学与工程学院)
摘 要：此文章简要论述传统变压器的原理和局限性，变压器在电力行业的应用。重点介绍直流变压器的工作原
理、技术要求以及直流变压器的应用价值。直流变压器主要为了用来改变恒压直流电的电压，打破直流电不能变压 的局限性，拓展直流电的应用领域，简化直流电变压电路，提高电能利用效率。直流变压器的工作原理类似于磁流 体发电，核心部分是通过匀强磁场使有一定初速度的电子束偏转，使电子束打到上下两个金属板之一，使两个电极 板之间产生相对电动势，从而将恒定电压从加速电压改变到输出电压，实现对恒压直流电电压的改变。按照文章中 的设计，可以制造出不同于传统交流变压器的直流变压器，新型变压器有望应用于直流高压输电和燃料电池等领域， 有不错的节能、经济价值。总之，直流变压器对电力行业来讲，是一个突破性发明，若能得到认可并推广，必将发 挥重大作用。
时能量损失尽可能小，这和电子束入射方向与金属板的夹角、金属板的材料性能等有关。 （4）与传统变压器的比较 在高压输电系统中，一个最重要的设备就是变压器，它能将电压升高以满足高压输送的需要。
另一方面，它能将电压降低到用电电压以供用户使用。传统的变压器是利用电磁感应原理，以交 变磁场为媒介，把线圈从电源吸收的某一种电压的交流电能转变成频率相同的另一种电压的交流 电能，由另一线圈向负载提供。除自耦变压器外，一般的变压器原绕组和副绕组之间只有磁的耦 合，而没有电路上的直接联系。变压器只能用来传送交流电功率而不能用来传送直流电功率。[1]
由 mv2/2=qU0
得 v= 2qU0 / m
（电子荷质比 q/m=1.759*1011C/kg） 在变压设备两块平行的金属板间，运动的电子受到竖直向上的洛伦兹力 FB=Bqv 和竖直向下的 电场力 FE=Eq=Uq/d，当洛伦兹力 FB和电场力 FE平衡时有
Bqv=Eq=Uq/d
则 U=Bdv=Bd 2qU0 / m
可以是用于输电的大型电路。电子发射设备、加速电压电路及变压设备均设置在真空壳体中，可
以保证电子的运动轨迹和设备的寿命。
一。一！１ ５啉 3系统构成
图 1 直流变压器原理示意图
Ｕ
十
（1）电子发射设备
该设备由电子枪和电子聚焦系统（一组电磁透镜）组成。现有的电子枪分两类，即热电子发
射型电子枪和场致发射型电子枪。对于直流变压器而言更适合的是场致发射型电子枪。电子聚焦
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受到磁流体发电的启发，想到了直流变压器的工作原理。我们学校理学院的物理实验老师李香莲副教授对此发明很支持，指导我写完了这 篇论文。直流变压器作为一个发明按道理讲应该先做实验验证，若成功，再去发表。其实我和李香莲老师刚开始的想法是做实验的，可由 于这个发明涉及到对电子的精确控制，高真空，冷却，甚至X射线防护等比较难的工作，且因南航物理实验室并无这些设备，最终不得以暂 时放弃做实验的打算。改为先去发表了，然后让有能力、有条件的单位或个人去做实验验证它，发表起到了一个桥梁作用。这里的逻辑关 系由于现实情况所迫，由“因为做实验且成功，所以才可以发表”变为了“因为发表，所以才有更多人知道，所以可以去做实验”。发表 与否对直流变压器来说很重要。
综上可得这个变压器的参数为：原电压 U0=100V，变压后电压 U=500kV，匀强磁场磁感应强 度 B=5000Gs=0.5T，金属板间距离 d=0.1686m=16.86cm,长 L，宽 b 和板厚 h 应根据实际情况确定。
5 结语
传统的观念是直流电不能变电压，但是我们对电能利用的需要又要求我们能够改变直流电的 电压，本文所述的直流变压器正是改变直流电电压的一种设备。如果直流变压器能够成功地在电 力行业得到应用，必然会对电力技术的进步起到一定的推动作用，也为节约能源、保护环境做出 一定贡献。