一种一体化多级高压脉冲隔离电感的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种一体化多级高压脉冲隔离电感，包括若干个依次连接的绝缘连接节，每相邻的两个绝缘连接节之间夹一个铜圆环电极，每个铜圆环电极外同轴的套接一个管状均压电极，均压电极与铜圆环电极之间通过螺栓连接为一体；还包括一根导线，导线均匀的螺旋缠绕在连接为一体的绝缘连接节的外表面，导线与每一个铜圆环电极通过螺栓压接。本发明具有更高的耐电压强度，且接触电阻小、结构紧凑。
【专利说明】—种一体化多级高压脉冲隔离电感
【技术领域】
[0001]本发明涉及脉冲功率【技术领域】，特别是涉及一种一体化高耐电压隔离电感。
【背景技术】
[0002]作为脉冲功率【技术领域】中脉冲产生及成形的主要部件，脉冲功率源的发展一直备受瞩目。Marx发生器是最为常用的一种电容式脉冲功率源装置。由于其并联充电、串联放电的工作特性，为保护电路，同时防止脉冲从电容对地端泄放，通常用电阻作为电容器间的隔离元件。但电阻隔离时，恒压充电条件下充电效率最高仅为50%，且有充电时间较长，无法工作于高重复频率模式等缺陷。采用电感隔离方式可显著降低脉冲功率源的充电时间，提升其充电效率和重复运行频率，且体积和重量相比电阻隔离方式均有减小。因此，隔离电感的引入符合Marx发生器小型化、实用化的发展要求。
[0003]目前，高功率、高能量的Marx发生器采用的隔离电感一般都为带有磁芯的线圈，这样可以有效增大电感量并提高其品质因数。但由于将线圈内部绝缘介质替换成了等电位的磁芯，使得表面线圈与磁芯之间，及电感线圈两端之间的绝缘强度大幅降低，从而导致隔离电感系统耐电压强度大幅降低，容易被击穿而损坏；此外，即使忽略电感量的影响，使用无内置磁芯的块体绝缘介质，对于数十级以上的高压Marx系统而言，单节电感的耐电压强度仍然显得不足，系统高压端经常会发生沿面闪络，甚至击穿损坏；且多级Marx发生器的隔离电感数量至少与Marx发生器级数相当，各个独立的隔离电感的引入使得电感分布及结构设计等成为必须考虑的因素，并引入更为复杂的空间分布参数；较多电感线圈的引入同时也会增加系统的接触点，接触点的增多不但可能引入更多的接触电阻，而且增加了接触点发生尖端放电等不良现象的几率，从而在较大程度上降低电路的稳定性和可靠性。
[0004]调研发现，目前国内对多级Marx发生器中的隔离电感的研究并不多见。实验中我们发现，隔离电感对Marx发生器最终输出波形的脉宽及平顶段的平滑度均有重要影响，且一体化的隔离电感设计可在高压条件下显著减少尖端放电等有害现象的发生，同时简化Marx发生器系统的设计。因此，设计并制备一种绝缘及耐电压强度高、一体化程度高、体积重量小，可靠性高的隔离电感对高功率、高能量的紧凑型脉冲功率源系统的发展具有重要的意义。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种与现有技术有较大区别的隔离电感，实现结构紧凑、耐电压强度高、接触电阻小等功能。
[0006]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
一种一体化多级高压脉冲隔离电感，包括若干个依次连接的绝缘连接节，每相邻的两个绝缘连接节之间夹一个铜圆环电极，每个铜圆环电极外同轴的套接一个管状均压电极，均压电极与铜圆环电极之间通过螺栓连接为一体；所述多级高压脉冲隔离电感还包括一根导线，导线均匀的螺旋缠绕在连接为一体的绝缘连接节的外表面，导线与每一个铜圆环电极通过螺栓压接。
[0007]在上述技术方案中，所述若干个绝缘连接节包括一个顶端绝缘连接节、一个底端绝缘连接节和中间的若干个绝缘连接节；所述顶端绝缘连接节其中一端的中心为凸起状；所述底端绝缘连接节其中一端的中心为内凹状；所述中间的若干个绝缘连接节由相同结构的单节首尾依次连接而成，一端的中心为凸起状，另一端中心为内凹状。
[0008]在上述技术方案中，所有绝缘连接节的凸起的尺寸与内凹的尺寸相匹配。
[0009]在上述技术方案中，所述铜圆环电极的圆环内径与所述绝缘连接件的凸起部分的外径相适应，且铜圆环电极可套入绝缘连接件的凸起部分。
[0010]在上述技术方案中，所述铜圆环电极的外侧面及均压电极上均设置有等距的螺纹孔，均压电极与铜圆环电极通过螺栓连接在一起。
[0011 ] 在上述技术方案中，所述均压电极为圆筒形状，所述均压电极套在两个绝缘连接节靠近连接处的外部并与两个绝缘连接节之间的铜圆环电极同轴连接。
[0012]在上述技术方案中，所述每一个绝缘连接节的中心设置有通孔。
[0013]在上述技术方案中，所述每一个绝缘连接节、铜圆环电极、均压电极均为同轴心连接结构。
[0014]在上述技术方案中，所述每一个绝缘连接节中心的通孔连接为一体形成一个内部中空结构。
[0015]在上述技术方案中，所述绝缘连接节为圆柱形，其圆柱形表面设置有螺纹，所述单根导线均匀的嵌入螺纹间隙之间。
[0016]本发明的工作原理:电容式Marx脉冲功率源装置由于采用并联充电、串联放电的倍压原理来实现高压输出特性，故要求前级充电电路须具有如下特性:该电路在直流电通过时，呈无阻抗短路状态；而当交流电通过时，呈高阻断路状态。本发明中所提及的一种一体化多级高压脉冲隔离电感的引入正好符合这一特殊要求:当直流电通过时，电感线圈相当于一段导线，阻值很小，可通过电感线圈为各级电容充电；而当交流电通过时，电流的变化会引发电感线圈产生一个反向的感应电动势阻碍其变化，呈现高阻断开状态。这样既可以保护前级充电电路不受放电产生的高压的影响，又可防止能量的非必要耗散，从而得到较高的输出能量。
[0017]本发明的技术方案与现有技术相比其优点在于:本发明所述一体化多级高压脉冲隔离电感具有更高的耐电压强度，且接触电阻小、结构紧凑。所述一种一体化多级高压脉冲隔离电感系统在各级电感间引入了具有较大截面积的铜圆环电极，可将高压均匀分布在较大的导电平面上，从而有效减小电感线圈内部的电场强度。此外，电容的正负充电端亦可通过螺栓压接在铜圆环的外侧面，使接触点不出现裸露的线头及尖端等，有效防止了尖端放电及沿面闪络等有害现象的发生；管状不锈钢均压电极与铜圆环电极通过导电的固定螺栓同轴连接，可显著增大各高压端的电场分布区域，进一步减小电感线圈内部的电场强度及电场梯度，从而大幅提升其耐电压强度；圆柱形连接节表面为紧密的螺纹状，可将绕线牢固的固定在螺纹缝隙之间，防止导线松动脱落；绝缘连接节通过螺纹形式套接在一起，便于安装和维护，结构牢固，外形紧凑；整个隔离电感的线圈由单根导线绕成，极大减少了电接触点；电感系统的所有电接触点均采用压接形式，不出现任何尖锐的结构，极大降低了尖端放电等有害现象的发生。本发明可减少Marx发生器系统的体积和重量，并有效满足高能量、高功率的Marx脉冲功率源小型化发展的技术要求。
[0018]
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本发明的结果示意图；
图2是图1的首lJ视不意图；
图3是绝缘连接节的结构剖视示意图；
图4是顶端绝缘连接节结果剖视示意图；
图5是底端绝缘连接节结果剖视示意图；
其中:1是底端绝缘连接节，2是铜圆环电极，3是紧固螺栓，4是管状不锈钢均压电极，5是绝缘连接节，6是顶端绝缘连接节，5-1是内凹部分，5-2是凸起，5-3是通孔。
【具体实施方式】
[0020]如图1所示，本发明主体部分是由一个顶端绝缘连接节，一个底端绝缘连接节和若干个绝缘连接节连接为一体组成。
[0021]如图3所示，所述绝缘连接节外部为圆柱形，上表面的中心为内凹部分，向下凹进去一定空间，绝缘连接节的下表面的中心处向外凸起。绝缘连接节上表面的内凹部分与下表面的凸起部分均与绝缘连接节的中心同轴心。
[0022]如图4所示，所述顶端绝缘连接节与图3中的绝缘连接节唯一不同的是顶端绝缘连接节的上表面为光滑平面，没有内凹部分。
[0023]如图5所示，所述底端绝缘连接节与图3中的绝缘连接节唯一不同的是底端绝缘连接节的下表面为光滑平面，没有凸起部分。
[0024]如图2所示，从上至下为顶端绝缘连接节、若干个绝缘连接节、底端绝缘连接节。顶端绝缘连接节的凸起部分嵌入下一个的绝缘连接节的内凹部分，该绝缘连接节的凸起部分再嵌入下一个绝缘连接节的内凹部分，依次类推，直到最后一个绝缘连接节的凸起部分插入到底端绝缘连接节的内凹部分中。在每个绝缘连接节的凸起部分上套有一个铜圆环电极，铜圆环电极的内径略大于绝缘连接节凸起部分的外径，使得铜圆环电极被相邻的两个绝缘连接节夹在中间。在相邻两个绝缘连接节的连接处的外表面套有一个管状不锈钢均压电极，管状不锈钢均压电极通过螺栓与铜圆环电极外侧面的螺纹孔连接在一体。
[0025]如图1所示，通过依次连接不同数量的绝缘连接节即可达到相应级数；顶端绝缘连接节和底端绝缘连接节的主要作用是为整个隔离电感系统提供稳固支撑；铜圆环电极夹在任意两个连接节，或连接节与顶节(底节)之间，主要作用为通过在节端引入较大的导电平面，减小高压条件下连接节内部的电场强度，并使其中电场变的均匀，有效减少尖端放电、沿面闪络等有害现象的发生；管状不锈钢均压电极的引入对于高耐电压电感系统的获得具有重要意义:该电极通过导电螺栓与铜圆环电极同轴连接，可进一步增大隔离电感系统各高压端的电场分布区域，降低电场强度及其梯度，从而进一步提升其耐电压值；圆柱形连接节表面为紧密的螺纹状，可将绕线固定在螺纹缝隙之间，防止导线松动脱落。绕线在节间通过螺栓牢固的压接在铜圆环电极上，铜圆环电极亦起到了固定导线的作用。
[0026]本发明的外形为圆柱形，中心为中空的结构，当所有连接节连接在一起的时候，每一节的连接节的中空结构连接在一起形成一个通道，在使用过程中向通道内注入绝缘油，绝缘油可以通过连接节与连接节之间的缝隙流入，使得每一个连接节之间的绝缘效果和密封效果更好。
[0027]以充电电源为正负充电形式为例，将所述两组隔离电感系统接入Marx功率源，其中一组接充电电源的正极，另一组接充电电源的负极，各级充电电容的两个正负充电极与相应级的铜圆环电极相连。以直径为40 mm，材质为聚四氟乙烯的连接节组成的20级隔离电感系统为例:常用的内芯含磁性介质的隔离电感系统，其单节隔离电感耐电压值小于10KV;对于本发明所述的隔离电感，若仅在级间引入铜圆盘电极，则耐电压强度可提升至不小于25 KV ;若在铜圆盘电极上再同轴套接管状不锈钢均压电极(本发明所述结构)，则耐电压强度可再提升一倍，至不小于50 KV。实验经验表明，当单级脉冲电压值高于30 KV时，通过增加单节电感的长度或直径并不能有效抑制沿面闪络等有害现象的发生，且会大幅增加电感系统的体积和重量。管状均压电极的引入在基本不改变电感系统尺寸外观等前提下，不仅显著增加了电感的耐电压强度，更十分有效的抑制了沿面闪络等有害现象的发生。在相同的条件下，相比普通有磁芯的隔离电感系统，本发明所述的隔离电感系统的使用寿命可提升数十倍。
[0028]本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式组合。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种一体化多级高压脉冲隔离电感，其特征在于包括若干个依次连接的绝缘连接节，每相邻的两个绝缘连接节之间夹一个铜圆环电极，每个铜圆环电极外同轴的套接一个管状均压电极，均压电极与铜圆环电极之间通过螺栓连接为一体；所述多级高压脉冲隔离电感还包括一根导线，导线均匀的螺旋缠绕在连接为一体的绝缘连接节的外表面，导线与每一个铜圆环电极通过螺栓压接。
2.根据权利要求1所述的一种一体化多级高压脉冲隔离电感，其特征在于所述若干个绝缘连接节包括一个顶端绝缘连接节、一个底端绝缘连接节和中间的若干个绝缘连接节；所述顶端绝缘连接节其中一端的中心为凸起状；所述底端绝缘连接节其中一端的中心为内凹状；所述中间的若干个绝缘连接节由相同结构的单节首尾依次连接而成，一端的中心为凸状，另一端中心为内凹状。
3.根据权利要求2所述的一种一体化多级高压脉冲隔离电感，其特征在于所有绝缘连接节的凸起的尺寸与内凹的尺寸相匹配。
4.根据权利要求1或2所述的一种一体化多级高压脉冲隔离电感，其特征在于所述铜圆环电极的圆环内径与所述绝缘连接件的凸起部分的外径相适应，且铜圆环电极可套入绝缘连接件的凸起部分。
5.根据权利要求1所述的一种一体化多级高压脉冲隔离电感，其特征为所述铜圆环电极的外侧面及均压电极上均设置有等距的螺纹孔，均压电极与铜圆环电极通过螺栓连接在一起。
6.根据权利要求5所述的一种一体化多级高压脉冲隔离电感，其特征为所述均压电极为圆筒形状，所述均压电极套在两个绝缘连接节靠近连接处的外部并与两个绝缘连接节之间的铜圆环电极同轴连接。
7.根据权利要求1所述的一种一体化多级高压脉冲隔离电感，其特征为所述每一个绝缘连接节的中心设置有通孔；所有绝缘连接节中心的通孔可连接为一体形成一个内部中空结构。
8.根据权利要求1所述的一种一体化多级高压脉冲隔离电感，其特征为所述每一个绝缘连接节、铜圆环电极、均压电极均为同轴心连接。
9.根据权利要求1所述的一种一体化多级高压脉冲隔离电感，其特征为所述绝缘连接节为圆柱形，其圆柱形表面设置有螺纹，所述单根导线均匀的嵌入螺纹间隙之间。
【文档编号】H01F27/30GK104376987SQ201410726056
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年12月4日 优先权日:2014年12月4日
【发明者】宋法伦, 金晓, 许州, 甘延青, 于爱民, 李飞, 龚海涛, 朱明冬 申请人:中国工程物理研究院应用电子学研究所