CN100536054C - 旋转电弧脉冲功率开关 - Google Patents

Abstract

旋转电弧脉冲功率开关，属于一种大电流脉冲功率闭合开关，目的在于使得电弧在轴向磁场的控制下高速旋转，减小电极烧蚀，延长开关寿命，以适于大电流工作。本发明包括内电极、外电极，上、下线圈和上、下盖板，所述内电极为横截面王字形的圆柱体；外电极为两个半圆盘，套于内电极之外构成同轴圆柱结构；内电极的上下两端分别与上、下线圈机械及电气相连；所述上、下线圈的绕向保证电流流过线圈时，电流的旋转方向相同；所述上、下盖板分别通过绝缘材料将内、外电极以及上、下线圈固定。本发明工作气体为一个大气压的空气，不需特殊密封；开关导通时，电弧在轴向磁场的控制下绕着内电极高速旋转，从而减小开关电极的烧蚀，延长开关的寿命。

Description

旋转电弧脉冲功率开关

技术领域

本发明属于一种大电流脉冲功率闭合开关，特别涉及一种轴向磁场控制的旋转电弧脉冲功率开关。

背景技术

在脉冲功率系统中，开关元件具有举足轻重的作用，这是因为开关元件的参数和特性对脉冲的上升时间、幅值等产生最直接、最敏感的影响。脉冲功率开关一般在高电压、大电流下工作，条件十分恶劣，开关中的击穿现象和开关电极上的放电物理过程十分复杂，开关电极材料在击穿时的烧蚀将会直接影响到开关的性能和寿命。为此，具有耐受高电压强电流、击穿时延短而分散性小、电感和电阻小、电极烧蚀轻微以及能高重复频率工作的各种开关元件的研制，是当前脉冲功率技术中十分重要的研究课题。

目前高功率脉冲大电流闭合开关主要有触发真空开关TVS(TriggeredVacuum Switch)、赝火花开关PSS(Pseudo-spark Switch)、两电极和三电极的气体火花开关、大功率超高速半导体开关等。Rim G H和Cho C H提出了一种横向磁场控制的旋转电弧开关，见《Design and testing of a rotaryarc gap-switch for pulsed power》，IEEE Transactions on Plasma Science，2000，28(5)：1491-1496，如图1所示，该旋转电弧开关包括两个被绝缘体支撑、上下放置的环形电极，每个电极中有一个缺口，这些缺口彼此错开180°放置，电极的联接电线接线端也被彼此错开180度放置，缺口是为了使电弧可以在电极之间持续的作旋转运动。开关导通后，放电电流感应产生磁场，电极间隙中的电弧在磁场的洛仑兹力的驱动下，会沿环形电极移动。这种旋转电弧开关虽然可以实现电弧的旋转，但是由于驱动电弧旋转的磁场较弱，导致电弧运动的速度不快，没有很好的起到减小电极烧蚀的作用，而且此开关不能工作在大电流情况下，因此，有必要对这种开关进行改进。

发明内容

本发明提出一种旋转电弧脉冲功率开关，目的在于使得电弧在轴向磁场的控制下高速旋转，减小电极烧蚀，延长开关寿命，以适于大电流工作。

本发明的旋转电弧脉冲功率开关，包括内电极、外电极，上、下线圈和上、下盖板，其特征在于：所述两个电极分别为内电极和外电极，内电极为横截面王字形的圆柱体；外电极为两个半圆盘，套于内电极之外构成同轴圆柱结构；内电极的上下两端分别与上、下线圈机械及电气相连；所述上、下线圈的绕向保证电流流过线圈时，电流的旋转方向相同；所述上、下盖板分别通过绝缘材料将内、外电极以及上、下线圈固定。

所述的旋转电弧脉冲功率开关，其特征在于：所述内、外电极相对面的边缘均进行倒角处理；构成所述外电极的两个半圆盘之间距离为1～2mm；所述上、下线圈由紫铜带材绕制，分别为3～7匝。

本发明的开关触发导通后，传导电流分别由上、下两组线圈引入，经过内电极、电弧和外电极传出；传导电流流过上、下线圈时，上、下线圈在开关电极中产生轴向控制磁场，驱动电弧在内、外电极表面高速旋转，从而减小开关电极的烧蚀，延长开关的寿命。

本发明为气体开关，工作气体为一个大气压的空气，无须对开关进行特殊的密封；内电极和外电极为同轴圆柱结构，电极间电场分布均匀，且倒角部分的电场小于未倒角的中间平板部分；电流流过内电极时分流，使得电弧在流过电极的电流的作用下受力平衡；外电极的两个半圆盘之间间隔一段距离，防止产生涡流；上、下线圈产生的合成磁场为轴向，且磁场较强，磁场位形为磁镜结构；电弧在轴向磁场的作用下绕着电极作高速运动，电极烧蚀轻微，可以在大电流情况下工作且寿命较普通气体火花开关长。

附图说明

图1为传统的横向磁场控制的旋转电弧开关；

图2为本发明的开关结构示意图；

图3a为本发明内电极示意图；

图3b为本发明外电极示意图；

图4a为本发明上线圈示意图；

图4b为本发明下线圈示意图。

图中标记：上盖板1，上线圈绝缘板2，上线圈3，上密封筒4，外电极5，输出端子6，内电极7，下密封筒8，下线圈绝缘板9，下线圈10，下盖板11，输入端子12。

具体实施方式

图2所示为本发明的开关结构示意图，本发明包括内电极7和外电极5，内电极7为横截面王字形的圆柱体；外电极5为两个半圆盘，套于内电极7之外构成同轴圆柱结构；内电极7的上下两端分别与上线圈3、下线圈10机械及电气相连；上线圈3各匝之间具有上线圈绝缘板2，通过螺杆压紧固定；下线圈10各匝之间具有下线圈绝缘板9，通过螺杆压紧固定；上线圈3、下线圈10分别通过输入端子12与外电路的一相电流连接。外电极5的两个半圆盘分别通过输出端子6与外电路的同一相电流连接。固定在上盖板1和外电极5之间的上密封筒4、固定在下盖板11和外电极5之间的下密封筒8用来减小开关导通时的声音，并不起密封气体的作用。上盖板1、下盖板11分别通过绝缘材料和螺杆、螺帽将内、外电极以及上、下线圈固定。

图3a为本发明内电极示意图，图3b为本发明外电极示意图；内、外电极采用紫铜材料，在装配时构成同轴圆柱结构。电弧为径向电弧，内、外电极相对面的边缘均进行倒角处理，使得开关间隙的电场尽量均匀，且倒角部分的电场小于未倒角的中间平板部分。外电极由两个半圆盘组成，间距为1mm，以防止产生涡流。

图4a为本发明上线圈示意图，图4b为本发明下线圈示意图；上、下线圈放置在开关的上下两端，上、下线圈分别为5匝，均由紫铜带材绕制，使得线圈的合成磁场为轴向，且磁场位形为磁镜结构。

Claims (2)

1.一种旋转电弧脉冲功率开关，包括内电极、外电极，上、下线圈和上、下盖板，其特征在于：所述内电极为横截面王字形的圆柱体；所述外电极为两个半圆盘，套于内电极之外构成同轴圆柱结构；内电极的上下两端分别与上、下线圈机械及电气相连；所述上、下线圈的绕向保证电流流过线圈时，电流的旋转方向相同；所述上、下盖板分别通过绝缘材料将内、外电极以及上、下线圈固定。

2.如权利要求1所述的旋转电弧脉冲功率开关，其特征在于：所述内、外电极相对面的边缘均进行倒角处理；构成所述外电极的两个半圆盘之间距离为1～2mm；所述上、下线圈由紫铜带材绕制，分别为3～7匝。

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