一种紧凑型电感一体化电极及其加工方法
【专利摘要】本发明提供一种紧凑型电感一体化电极及其加工方法，包括电极头、电极底盘以及设置在电极头和电极底盘之间的电感单元；电极底盘为圆环形结构；电感单元包括一个半圆环形电感；半圆环形电感与电极底盘平行，其一端通过电感支撑段与电极头连接，其另一端与电极底盘连接；感支撑段的高度满足电感绝缘性能要求，可置于绝缘气体或液体中组成开关。本发明电感段电极的加工采用首先实心锥体和电极头，再加工成空心锥面，最后进行线切割的工艺实现；并在线切割过程中对所有电场增强点进行一次性切割圆滑处理；从而降低了加工难度，并保证了电感段的机械强度和电场绝缘强度。以得到最好的电感绝缘性能。
【专利说明】一种紧凑型电感一体化电极及其加工方法【技术领域】
[0001]本发明属于一种紧凑型电感一体化电极及其加工方法，具体涉及一种用于大型快前沿电磁脉冲源的前沿调节技术的紧凑型高压开关。
【背景技术】
[0002]开关是脉冲功率【技术领域】中的关键器件，它连接着储能器件和负载。开关的性能影响着输出电压波形的上升时间、形状和幅值。应用在脉冲功率领域中的高压开关有气体开关、真空开关、半导体开关、机械开关等，不同的应用场合对开关性能和类型的要求也不同。在大型快前沿电磁脉冲源中，经常要求开关电感可控、高耐压、结构紧凑、控制简单可靠等。
[0003]常用的脉冲功率设备中，开关一般与电感分别设计，连接于电路中。开关常采用两电极对称设计，内充绝缘气体或液体，开关电感由结构决定，不能调节；开关回路中串入的电感一般采用绝缘子表面刻槽外接导体线绕的沿面绝缘结构，须采用沿面绝缘阈值考虑，使得该结构电感笨重，要求绝缘距离较长，导致设备的体积大且输出指标不可控。该类开关回路结构需要足够的空间分别安置各部件，所以开关回路结构体积较大，无法做的十分紧凑。同时，电感采用沿面绝缘可能大幅度降低绝缘强度，易发生绝缘损坏。
[0004]在高电压、强电场要求的设备环境中，一般要求开关回路的体积尽可能小。因为开关回路体积偏大会造成绝缘子体积庞大，制造成本增加等一系列问题。而在要求输出快前沿的电磁脉冲源中，采用电极、电感分别设计的思路来调节电磁脉冲模拟源的输出脉冲前沿是非常困难的，在技术上和制造成本上都是不可取的。
【发明内容】
[0005]针对上述问题，本发明提供了一种结构更加紧凑，电感绝缘性能优良、采用电感一体化设计思路的紧凑型电感一体化电极及其加工方法。
[0006]本发明的技术决方案是:
[0007]一种紧凑型电感一体化电极，其特殊之处在于:
[0008]包括电极头、电极底盘以及设置在电极头和电极底盘之间的电感单元；
[0009]所述电极底盘为圆环形结构；
[0010]所述电感单元包括一个半圆环形电感；所述半圆环形电感与电极底盘平行，其一端通过电感支撑段与电极头连接，其另一端与电极底盘连接；所述电感支撑段的高度满足电感绝缘性能要求；
[0011]所述电极头、半圆形半圆环形电感、电感支撑段构成一个空心圆锥面布局。
[0012]上述电极头的尖端表面圆滑过渡，构成电场不均匀系数小于2的稍不均匀电场；所述电极头与电感支撑段之间、电感支撑段与半圆环形电感之间、电感支撑段与电极底盘之间均为圆角线切割的过渡结构。
[0013]上述空心圆锥面结构的锥角范围为15~60度角。[0014]上述电极头、电极底盘、电感单元采用不锈钢或黄铜。
[0015]一种紧凑型电感一体化电极，其特殊之处在于:
[0016]包括电极头、电极底盘以及设置在电极头和电极底盘之间的电感单元；
[0017]所述电极底盘为圆环形结构；
[0018]所述电感单元包括至少两个半圆环形电感；所述半圆环形电感与电极底盘平行；相邻所述半圆环形电感之间相位角相差180度；相邻所述半圆环形电感之间通过电感支撑段首尾相连；最顶部的半圆环形电感的另一端通过电感支撑段与电极头连接，最底部的半圆环形电感的另一端通过电感支撑段与电极底盘连接；所述电感支撑段的高度满足电感绝缘性能要求；
[0019]所述电极头、半圆形半圆环形电感、电感支撑段构成一个空心圆锥面布局。
[0020]上述电极头的尖端表面圆滑过渡，构成电场不均匀系数小于2的稍不均匀电场；所述电极头与电感支撑段之间、电感支撑段与半圆环形电感之间、电感支撑段与电极底盘之间均为圆角线切割的过渡结构。
[0021]上述空心圆锥面结构的锥角范围为15?60度角。
[0022]上述电极头、电极底盘、电感单元采用不锈钢或黄铜。
[0023]上述紧凑型电感一体化电极的加工方法，其特征在于:包括以下步骤:
[0024]I)首先加工出电极头和电极头下方的实心圆锥；
[0025]2)按照厚度要求将实心圆锥掏空成空心圆锥；
[0026]3)采用线切割的工艺切出半圆环形电感及电感支撑段；
[0027]4)形成紧凑型电感一体化电极。
[0028]上述方法还包括线切割后进行所有棱边的圆滑过渡和电极表面的抛光处理的步骤。
[0029]本发明的优点是:
[0030]1、本发明实现了高电压、强电场条件下的电感和电极的一体化结构，使电极回路结构更加紧凑，自身电感可控。可应用于高电压、强电场、小体积要求的设备环境中，例如于闻压开关。
[0031]2、本发明电感主体部采用体击穿绝缘的形式，且对电场增强点进行了圆滑处理，使电感段的体积大大降低，且绝缘强度得到了较大提升，从而达到提高耐压和紧凑结构的目的。
[0032]3、本发明电感段电极的加工采用首先加工实心锥体和电极头，再加工成空心锥面，最后进行线切割的工艺实现；并在线切割过程中对所有电场增强点进行一次性切割圆滑处理；从而降低了加工难度，并保证了电感段的机械强度和电场绝缘强度。实际应用证明，开关电感段承受电动力大于370N，未发生机械变形；开关工作在2.5MV脉冲电压下，电感段未发生绝缘击穿。
[0033]4、本发明主体电极采用黄铜，可以提高开关在脉冲电压下的击穿稳定性，同时可以减小加工过程中的难度。
[0034]5、本发明同轴但非轴对称结构，具有较强的可扩充性；可采用多级电感段串联的方式进行电感调节。
[0035]6、本发明电极可以适应大型电磁脉冲模拟装置内部紧凑、复杂且气体压力大范围变化的工作环境；可以满足前沿I一几ns脉冲电压的前沿调节。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1是本发明电感一体化电极结构示意图；
[0037]图2是本发明电感一体化电极三维示意图；
[0038]图3是本发明电感绝缘示意图；
[0039]附图标记如下:1-电极头，2-半圆环形电感，21-第一半圆环形电感，22-第二半圆环形电感，3-电感支撑段，4-电极底盘，5-电感绝缘圆角。
【具体实施方式】
[0040]如图1所示，本发明一种紧凑型电感一体化电极包括电极头1、电极底盘4以及设置在电极头和电极底盘之间的电感单元；电极底盘为圆环形结构；电感单元包括一个半圆环形电感2 ;半圆环形电感与电极底盘平行，其一端通过电感支撑段与电极头连接，其另一端与电极底盘连接；2感支撑段的高度满足电感绝缘性能要求，可置于绝缘气体或液体中组成开关。电极由高电导率、非铁磁性物质的黄铜材料加工而成。电极尖端表面圆滑过渡，构成电场不均匀系数小于2的稍不均匀电场。
[0041]本发明电极的整体结构采用与负载要求匹配的双锥结构，双锥与轴心成15?60度角。根据双锥阻抗的计算公式，可以得到，采用该电极的负载阻抗，可使其与设备输出负载要求一致。
[0042]本发明电极电感段的设计集中在电极头的支撑段上。电极由一段满足负载度角要求的空心圆锥结构支撑，在这一空心圆锥表面上采用线切割工艺制成两段或几段半圆弧电感2，并在所有过渡结构中采用圆角线切割。两段电感在电路上采用同向串联结构，每段电感均沿着锥面进行圆角过渡处理，以得到最好的电感绝缘性能。其加工工艺为:首先加工出电极头和实心圆锥支撑段；然后按照厚度要求将圆锥段掏空成空心圆锥；第三步采用线切割的工艺切出电感段及电感支撑段；第四步进行所有棱边的圆滑过渡和电极表面的抛光处理。
[0043]参见图1，本发明的电极由电极头和支撑电极头的电感段共同组成。其中电感段可由一段、两段或几段电流同向串联的半圆弧电感构成，具有可扩展性。电极材料可采用不锈钢或黄铜，期中黄铜电极具有更优良的加工性能和击穿稳定性能。
[0044]参见图2，本发明在这一空心圆锥表面上采用线切割工艺制成两段半圆弧电感，每段电感在电路上采用同向串联结构。本发明电感段电极的加工采用首先实心锥体和电极头，再加工成空心锥面，最后进行线切割的工艺实现；并在线切割过程中对所有电场增强点进行一次性切割圆滑处理；从而降低了加工难度，并保证了电感段的机械强度和电场绝缘强度。以得到最好的电感绝缘性能。
[0045]参见图3，本发明的电极电感段绝缘主要通过电感两段的电场集中点圆角过渡来优化设计，以两段半圆形电感的结构为例，通过电感的大小及其承受的脉冲电压分配绝缘余度和绝缘距离，比如整个电极的绝缘性要求为70NH，那么第一半圆环形电感与第二半圆环形电感之间的垂直绝缘距离hi不小于20mm，如果电极头与第一半圆环形电感之间的绝缘性要求为18.6NH，那么电极头与第一半圆环形电感之间的垂直绝缘距离h2不小于IOmm ；如果第二半圆环形电感与电极地盘之间的绝缘性要求为51.4NH，那么第二半圆环形电感与电极地盘之间的垂直绝缘距离h3不小于14mm。
[0046]本发明的工作原理是:
[0047]当高压脉冲到来时，开关正负电极之间产生强电场，导致开关主间隙击穿，将电感和双锥负载同时接入开关回路中，进而实现电感和负载在小空间内接入电路中。此时，电极电感段的电压降与每段电感的值及加载在其两段的电流的变化率有关，必须进行绝缘强度的设计和校核。当脉冲电压消失后，开关主间隙熄弧，开关恢复到绝缘状态，电极电感段的电压降消失。
[0048]电感与电极的一体化结构:
[0049]本发明电极的整体结构采用与电感一体化设计思路，电极的支撑段采用半圆环形电感半圆串联的形式，每个半圆之间考虑电感绝缘性能并根据不同的绝缘介质进行电场设计。
[0050]电极的加工方法:
[0051]本发明在这一空心圆锥表面上采用线切割工艺制成两段半圆弧电感，每段电感在电路上采用同向串联结构。本发明电感段电极的加工采用首先实心锥体和电极头，再加工成空心锥面，最后进行线切割的工艺实现；并在线切割过程中对所有电场增强点进行一次性切割圆滑处理；从而降低了加工难度，并保证了电感段的机械强度和电场绝缘强度。以得到最好的电感绝缘性能。
[0052]电极电感可控的思想:
[0053]通过调节电极电感段的直径和半圆电感的数量可以实现对电极电感的控制。
【权利要求】
1.一种紧凑型电感一体化电极，其特征在于: 包括电极头、电极底盘以及设置在电极头和电极底盘之间的电感单元； 所述电极底盘为圆环形结构； 所述电感单元包括一个半圆环形电感；所述半圆环形电感与电极底盘平行，其一端通过电感支撑段与电极头连接，其另一端与电极底盘连接；所述电感支撑段的高度满足电感绝缘性能要求； 所述电极头、半圆形半圆环形电感、电感支撑段构成一个空心圆锥面布局。
2.根据权利要求1所述的紧凑型电感一体化电极，其特征在于:所述电极头的尖端表面圆滑过渡，构成电场不均匀系数小于2的稍不均匀电场；所述电极头与电感支撑段之间、电感支撑段与半圆环形电感之间、电感支撑段与电极底盘之间均为圆角线切割的过渡结构。
3.根据权利要求1或2所述的紧凑型电感一体化电极，其特征在于:所述空心圆锥面结构的锥角范围为15~60度角。
4.根据权利要求3所述的紧凑型电感一体化电极，其特征在于:所述电极头、电极底盘、电感单元采用不锈钢或黄铜。
5.一种紧凑型电感一体化电极，其特征在于: 包括电极头、电极底盘以及设置在电极头和电极底盘之间的电感单元； 所述电极底盘为圆环形结构； 所述电感单元包括至少两个半圆环形电感；所述半圆环形电感与电极底盘平行；相邻所述半圆环形电感之间相位角相差180度；相邻所述半圆环形电感之间通过电感支撑段首尾相连；最顶部的半圆环形电感的另一端通过电感支撑段与电极头连接，最底部的半圆环形电感的另一端通过电感支撑段与电极底盘连接；所述电感支撑段的高度满足电感绝缘性能要求； 所述电极头、半圆形半圆环形电感、电感支撑段构成一个空心圆锥面布局。
6.根据权利要求5所述的紧凑型电感一体化电极，其特征在于:所述电极头的尖端表面圆滑过渡，构成电场不均匀系数小于2的稍不均匀电场；所述电极头与电感支撑段之间、电感支撑段与半圆环形电感之间、电感支撑段与电极底盘之间均为圆角线切割的过渡结构。
7.根据权利要求5或6所述的紧凑型电感一体化电极，其特征在于:所述空心圆锥面结构的锥角范围为15~60度角。
8.根据权利要求7所述的紧凑型电感一体化电极，其特征在于:所述电极头、电极底盘、电感单元采用不锈钢或黄铜。
9.权利要求1至8所述紧凑型电感一体化电极的加工方法，其特征在于:包括以下步骤: 1)首先加工出电极头和电极头下方的实心圆锥； 2)按照厚度要求将实心圆锥掏空 成空心圆锥； 3)采用线切割的工艺切出半圆环形电感及电感支撑段； 4)形成紧凑型电感一体化电极。
10.根据权利要求9所述紧凑型电感一体化电极的加工方法，其特征在于:还包括线切割后进行所有棱边的圆 滑过渡和电极表面的抛光处理的步骤。
【文档编号】H01F27/29GK103903838SQ201410119380
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月27日 优先权日:2014年3月27日
【发明者】李俊娜, 贾伟, 陈维青, 郭帆, 陈志强, 汤俊萍, 孙凤荣, 杨天, 谢霖燊 申请人:西北核技术研究所