一種緊湊型電感一體化電極及其加工方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種緊湊型電感一體化電極及其加工方法，包括電極頭、電極底盤以及設(shè)置在電極頭和電極底盤之間的電感單元；電極底盤為圓環(huán)形結(jié)構(gòu)；電感單元包括一個(gè)半圓環(huán)形電感；半圓環(huán)形電感與電極底盤平行，其一端通過電感支撐段與電極頭連接，其另一端與電極底盤連接；感支撐段的高度滿足電感絕緣性能要求，可置于絕緣氣體或液體中組成開關(guān)。本發(fā)明電感段電極的加工采用首先實(shí)心錐體和電極頭，再加工成空心錐面，最后進(jìn)行線切割的工藝實(shí)現(xiàn)；并在線切割過程中對所有電場增強(qiáng)點(diǎn)進(jìn)行一次性切割圓滑處理；從而降低了加工難度，并保證了電感段的機(jī)械強(qiáng)度和電場絕緣強(qiáng)度。以得到最好的電感絕緣性能。
【專利說明】一種緊湊型電感一體化電極及其加工方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于一種緊湊型電感一體化電極及其加工方法，具體涉及一種用于大型快前沿電磁脈沖源的前沿調(diào)節(jié)技術(shù)的緊湊型高壓開關(guān)。
【背景技術(shù)】
[0002]開關(guān)是脈沖功率【技術(shù)領(lǐng)域】中的關(guān)鍵器件，它連接著儲能器件和負(fù)載。開關(guān)的性能影響著輸出電壓波形的上升時(shí)間、形狀和幅值。應(yīng)用在脈沖功率領(lǐng)域中的高壓開關(guān)有氣體開關(guān)、真空開關(guān)、半導(dǎo)體開關(guān)、機(jī)械開關(guān)等，不同的應(yīng)用場合對開關(guān)性能和類型的要求也不同。在大型快前沿電磁脈沖源中，經(jīng)常要求開關(guān)電感可控、高耐壓、結(jié)構(gòu)緊湊、控制簡單可靠等。
[0003]常用的脈沖功率設(shè)備中，開關(guān)一般與電感分別設(shè)計(jì)，連接于電路中。開關(guān)常采用兩電極對稱設(shè)計(jì)，內(nèi)充絕緣氣體或液體，開關(guān)電感由結(jié)構(gòu)決定，不能調(diào)節(jié)；開關(guān)回路中串入的電感一般采用絕緣子表面刻槽外接導(dǎo)體線繞的沿面絕緣結(jié)構(gòu)，須采用沿面絕緣閾值考慮，使得該結(jié)構(gòu)電感笨重，要求絕緣距離較長，導(dǎo)致設(shè)備的體積大且輸出指標(biāo)不可控。該類開關(guān)回路結(jié)構(gòu)需要足夠的空間分別安置各部件，所以開關(guān)回路結(jié)構(gòu)體積較大，無法做的十分緊湊。同時(shí)，電感采用沿面絕緣可能大幅度降低絕緣強(qiáng)度，易發(fā)生絕緣損壞。
[0004]在高電壓、強(qiáng)電場要求的設(shè)備環(huán)境中，一般要求開關(guān)回路的體積盡可能小。因?yàn)殚_關(guān)回路體積偏大會造成絕緣子體積龐大，制造成本增加等一系列問題。而在要求輸出快前沿的電磁脈沖源中，采用電極、電感分別設(shè)計(jì)的思路來調(diào)節(jié)電磁脈沖模擬源的輸出脈沖前沿是非常困難的，在技術(shù)上和制造成本上都是不可取的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述問題，本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)更加緊湊，電感絕緣性能優(yōu)良、采用電感一體化設(shè)計(jì)思路的緊湊型電感一體化電極及其加工方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)決方案是:
[0007]一種緊湊型電感一體化電極，其特殊之處在于:
[0008]包括電極頭、電極底盤以及設(shè)置在電極頭和電極底盤之間的電感單元；
[0009]所述電極底盤為圓環(huán)形結(jié)構(gòu)；
[0010]所述電感單元包括一個(gè)半圓環(huán)形電感；所述半圓環(huán)形電感與電極底盤平行，其一端通過電感支撐段與電極頭連接，其另一端與電極底盤連接；所述電感支撐段的高度滿足電感絕緣性能要求；
[0011]所述電極頭、半圓形半圓環(huán)形電感、電感支撐段構(gòu)成一個(gè)空心圓錐面布局。
[0012]上述電極頭的尖端表面圓滑過渡，構(gòu)成電場不均勻系數(shù)小于2的稍不均勻電場；所述電極頭與電感支撐段之間、電感支撐段與半圓環(huán)形電感之間、電感支撐段與電極底盤之間均為圓角線切割的過渡結(jié)構(gòu)。
[0013]上述空心圓錐面結(jié)構(gòu)的錐角范圍為15~60度角。[0014]上述電極頭、電極底盤、電感單元采用不銹鋼或黃銅。
[0015]一種緊湊型電感一體化電極，其特殊之處在于:
[0016]包括電極頭、電極底盤以及設(shè)置在電極頭和電極底盤之間的電感單元；
[0017]所述電極底盤為圓環(huán)形結(jié)構(gòu)；
[0018]所述電感單元包括至少兩個(gè)半圓環(huán)形電感；所述半圓環(huán)形電感與電極底盤平行；相鄰所述半圓環(huán)形電感之間相位角相差180度；相鄰所述半圓環(huán)形電感之間通過電感支撐段首尾相連；最頂部的半圓環(huán)形電感的另一端通過電感支撐段與電極頭連接，最底部的半圓環(huán)形電感的另一端通過電感支撐段與電極底盤連接；所述電感支撐段的高度滿足電感絕緣性能要求；
[0019]所述電極頭、半圓形半圓環(huán)形電感、電感支撐段構(gòu)成一個(gè)空心圓錐面布局。
[0020]上述電極頭的尖端表面圓滑過渡，構(gòu)成電場不均勻系數(shù)小于2的稍不均勻電場；所述電極頭與電感支撐段之間、電感支撐段與半圓環(huán)形電感之間、電感支撐段與電極底盤之間均為圓角線切割的過渡結(jié)構(gòu)。
[0021]上述空心圓錐面結(jié)構(gòu)的錐角范圍為15?60度角。
[0022]上述電極頭、電極底盤、電感單元采用不銹鋼或黃銅。
[0023]上述緊湊型電感一體化電極的加工方法，其特征在于:包括以下步驟:
[0024]I)首先加工出電極頭和電極頭下方的實(shí)心圓錐；
[0025]2)按照厚度要求將實(shí)心圓錐掏空成空心圓錐；
[0026]3)采用線切割的工藝切出半圓環(huán)形電感及電感支撐段；
[0027]4)形成緊湊型電感一體化電極。
[0028]上述方法還包括線切割后進(jìn)行所有棱邊的圓滑過渡和電極表面的拋光處理的步驟。
[0029]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
[0030]1、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了高電壓、強(qiáng)電場條件下的電感和電極的一體化結(jié)構(gòu)，使電極回路結(jié)構(gòu)更加緊湊，自身電感可控。可應(yīng)用于高電壓、強(qiáng)電場、小體積要求的設(shè)備環(huán)境中，例如于聞壓開關(guān)。
[0031]2、本發(fā)明電感主體部采用體擊穿絕緣的形式，且對電場增強(qiáng)點(diǎn)進(jìn)行了圓滑處理，使電感段的體積大大降低，且絕緣強(qiáng)度得到了較大提升，從而達(dá)到提高耐壓和緊湊結(jié)構(gòu)的目的。
[0032]3、本發(fā)明電感段電極的加工采用首先加工實(shí)心錐體和電極頭，再加工成空心錐面，最后進(jìn)行線切割的工藝實(shí)現(xiàn)；并在線切割過程中對所有電場增強(qiáng)點(diǎn)進(jìn)行一次性切割圓滑處理；從而降低了加工難度，并保證了電感段的機(jī)械強(qiáng)度和電場絕緣強(qiáng)度。實(shí)際應(yīng)用證明，開關(guān)電感段承受電動(dòng)力大于370N，未發(fā)生機(jī)械變形；開關(guān)工作在2.5MV脈沖電壓下，電感段未發(fā)生絕緣擊穿。
[0033]4、本發(fā)明主體電極采用黃銅，可以提高開關(guān)在脈沖電壓下的擊穿穩(wěn)定性，同時(shí)可以減小加工過程中的難度。
[0034]5、本發(fā)明同軸但非軸對稱結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的可擴(kuò)充性；可采用多級電感段串聯(lián)的方式進(jìn)行電感調(diào)節(jié)。
[0035]6、本發(fā)明電極可以適應(yīng)大型電磁脈沖模擬裝置內(nèi)部緊湊、復(fù)雜且氣體壓力大范圍變化的工作環(huán)境；可以滿足前沿I一幾ns脈沖電壓的前沿調(diào)節(jié)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1是本發(fā)明電感一體化電極結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖2是本發(fā)明電感一體化電極三維示意圖；
[0038]圖3是本發(fā)明電感絕緣示意圖；
[0039]附圖標(biāo)記如下:1-電極頭，2-半圓環(huán)形電感，21-第一半圓環(huán)形電感，22-第二半圓環(huán)形電感，3-電感支撐段，4-電極底盤，5-電感絕緣圓角。
【具體實(shí)施方式】
[0040]如圖1所示，本發(fā)明一種緊湊型電感一體化電極包括電極頭1、電極底盤4以及設(shè)置在電極頭和電極底盤之間的電感單元；電極底盤為圓環(huán)形結(jié)構(gòu)；電感單元包括一個(gè)半圓環(huán)形電感2 ;半圓環(huán)形電感與電極底盤平行，其一端通過電感支撐段與電極頭連接，其另一端與電極底盤連接；2感支撐段的高度滿足電感絕緣性能要求，可置于絕緣氣體或液體中組成開關(guān)。電極由高電導(dǎo)率、非鐵磁性物質(zhì)的黃銅材料加工而成。電極尖端表面圓滑過渡，構(gòu)成電場不均勻系數(shù)小于2的稍不均勻電場。
[0041]本發(fā)明電極的整體結(jié)構(gòu)采用與負(fù)載要求匹配的雙錐結(jié)構(gòu)，雙錐與軸心成15?60度角。根據(jù)雙錐阻抗的計(jì)算公式，可以得到，采用該電極的負(fù)載阻抗，可使其與設(shè)備輸出負(fù)載要求一致。
[0042]本發(fā)明電極電感段的設(shè)計(jì)集中在電極頭的支撐段上。電極由一段滿足負(fù)載度角要求的空心圓錐結(jié)構(gòu)支撐，在這一空心圓錐表面上采用線切割工藝制成兩段或幾段半圓弧電感2，并在所有過渡結(jié)構(gòu)中采用圓角線切割。兩段電感在電路上采用同向串聯(lián)結(jié)構(gòu)，每段電感均沿著錐面進(jìn)行圓角過渡處理，以得到最好的電感絕緣性能。其加工工藝為:首先加工出電極頭和實(shí)心圓錐支撐段；然后按照厚度要求將圓錐段掏空成空心圓錐；第三步采用線切割的工藝切出電感段及電感支撐段；第四步進(jìn)行所有棱邊的圓滑過渡和電極表面的拋光處理。
[0043]參見圖1，本發(fā)明的電極由電極頭和支撐電極頭的電感段共同組成。其中電感段可由一段、兩段或幾段電流同向串聯(lián)的半圓弧電感構(gòu)成，具有可擴(kuò)展性。電極材料可采用不銹鋼或黃銅，期中黃銅電極具有更優(yōu)良的加工性能和擊穿穩(wěn)定性能。
[0044]參見圖2，本發(fā)明在這一空心圓錐表面上采用線切割工藝制成兩段半圓弧電感，每段電感在電路上采用同向串聯(lián)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明電感段電極的加工采用首先實(shí)心錐體和電極頭，再加工成空心錐面，最后進(jìn)行線切割的工藝實(shí)現(xiàn)；并在線切割過程中對所有電場增強(qiáng)點(diǎn)進(jìn)行一次性切割圓滑處理；從而降低了加工難度，并保證了電感段的機(jī)械強(qiáng)度和電場絕緣強(qiáng)度。以得到最好的電感絕緣性能。
[0045]參見圖3，本發(fā)明的電極電感段絕緣主要通過電感兩段的電場集中點(diǎn)圓角過渡來優(yōu)化設(shè)計(jì)，以兩段半圓形電感的結(jié)構(gòu)為例，通過電感的大小及其承受的脈沖電壓分配絕緣余度和絕緣距離，比如整個(gè)電極的絕緣性要求為70NH，那么第一半圓環(huán)形電感與第二半圓環(huán)形電感之間的垂直絕緣距離hi不小于20mm，如果電極頭與第一半圓環(huán)形電感之間的絕緣性要求為18.6NH，那么電極頭與第一半圓環(huán)形電感之間的垂直絕緣距離h2不小于IOmm ；如果第二半圓環(huán)形電感與電極地盤之間的絕緣性要求為51.4NH，那么第二半圓環(huán)形電感與電極地盤之間的垂直絕緣距離h3不小于14mm。
[0046]本發(fā)明的工作原理是:
[0047]當(dāng)高壓脈沖到來時(shí)，開關(guān)正負(fù)電極之間產(chǎn)生強(qiáng)電場，導(dǎo)致開關(guān)主間隙擊穿，將電感和雙錐負(fù)載同時(shí)接入開關(guān)回路中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電感和負(fù)載在小空間內(nèi)接入電路中。此時(shí)，電極電感段的電壓降與每段電感的值及加載在其兩段的電流的變化率有關(guān)，必須進(jìn)行絕緣強(qiáng)度的設(shè)計(jì)和校核。當(dāng)脈沖電壓消失后，開關(guān)主間隙熄弧，開關(guān)恢復(fù)到絕緣狀態(tài)，電極電感段的電壓降消失。
[0048]電感與電極的一體化結(jié)構(gòu):
[0049]本發(fā)明電極的整體結(jié)構(gòu)采用與電感一體化設(shè)計(jì)思路，電極的支撐段采用半圓環(huán)形電感半圓串聯(lián)的形式，每個(gè)半圓之間考慮電感絕緣性能并根據(jù)不同的絕緣介質(zhì)進(jìn)行電場設(shè)計(jì)。
[0050]電極的加工方法:
[0051]本發(fā)明在這一空心圓錐表面上采用線切割工藝制成兩段半圓弧電感，每段電感在電路上采用同向串聯(lián)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明電感段電極的加工采用首先實(shí)心錐體和電極頭，再加工成空心錐面，最后進(jìn)行線切割的工藝實(shí)現(xiàn)；并在線切割過程中對所有電場增強(qiáng)點(diǎn)進(jìn)行一次性切割圓滑處理；從而降低了加工難度，并保證了電感段的機(jī)械強(qiáng)度和電場絕緣強(qiáng)度。以得到最好的電感絕緣性能。
[0052]電極電感可控的思想:
[0053]通過調(diào)節(jié)電極電感段的直徑和半圓電感的數(shù)量可以實(shí)現(xiàn)對電極電感的控制。
【權(quán)利要求】
1.一種緊湊型電感一體化電極，其特征在于: 包括電極頭、電極底盤以及設(shè)置在電極頭和電極底盤之間的電感單元； 所述電極底盤為圓環(huán)形結(jié)構(gòu)； 所述電感單元包括一個(gè)半圓環(huán)形電感；所述半圓環(huán)形電感與電極底盤平行，其一端通過電感支撐段與電極頭連接，其另一端與電極底盤連接；所述電感支撐段的高度滿足電感絕緣性能要求； 所述電極頭、半圓形半圓環(huán)形電感、電感支撐段構(gòu)成一個(gè)空心圓錐面布局。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的緊湊型電感一體化電極，其特征在于:所述電極頭的尖端表面圓滑過渡，構(gòu)成電場不均勻系數(shù)小于2的稍不均勻電場；所述電極頭與電感支撐段之間、電感支撐段與半圓環(huán)形電感之間、電感支撐段與電極底盤之間均為圓角線切割的過渡結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的緊湊型電感一體化電極，其特征在于:所述空心圓錐面結(jié)構(gòu)的錐角范圍為15~60度角。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的緊湊型電感一體化電極，其特征在于:所述電極頭、電極底盤、電感單元采用不銹鋼或黃銅。
5.一種緊湊型電感一體化電極，其特征在于: 包括電極頭、電極底盤以及設(shè)置在電極頭和電極底盤之間的電感單元； 所述電極底盤為圓環(huán)形結(jié)構(gòu)； 所述電感單元包括至少兩個(gè)半圓環(huán)形電感；所述半圓環(huán)形電感與電極底盤平行；相鄰所述半圓環(huán)形電感之間相位角相差180度；相鄰所述半圓環(huán)形電感之間通過電感支撐段首尾相連；最頂部的半圓環(huán)形電感的另一端通過電感支撐段與電極頭連接，最底部的半圓環(huán)形電感的另一端通過電感支撐段與電極底盤連接；所述電感支撐段的高度滿足電感絕緣性能要求； 所述電極頭、半圓形半圓環(huán)形電感、電感支撐段構(gòu)成一個(gè)空心圓錐面布局。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的緊湊型電感一體化電極，其特征在于:所述電極頭的尖端表面圓滑過渡，構(gòu)成電場不均勻系數(shù)小于2的稍不均勻電場；所述電極頭與電感支撐段之間、電感支撐段與半圓環(huán)形電感之間、電感支撐段與電極底盤之間均為圓角線切割的過渡結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的緊湊型電感一體化電極，其特征在于:所述空心圓錐面結(jié)構(gòu)的錐角范圍為15~60度角。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的緊湊型電感一體化電極，其特征在于:所述電極頭、電極底盤、電感單元采用不銹鋼或黃銅。
9.權(quán)利要求1至8所述緊湊型電感一體化電極的加工方法，其特征在于:包括以下步驟: 1)首先加工出電極頭和電極頭下方的實(shí)心圓錐； 2)按照厚度要求將實(shí)心圓錐掏空 成空心圓錐； 3)采用線切割的工藝切出半圓環(huán)形電感及電感支撐段； 4)形成緊湊型電感一體化電極。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述緊湊型電感一體化電極的加工方法，其特征在于:還包括線切割后進(jìn)行所有棱邊的圓 滑過渡和電極表面的拋光處理的步驟。
【文檔編號】H01F27/29GK103903838SQ201410119380
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月27日
【發(fā)明者】李俊娜, 賈偉, 陳維青, 郭帆, 陳志強(qiáng), 湯俊萍, 孫鳳榮, 楊天, 謝霖?zé)? 申請人:西北核技術(shù)研究所