CN103551231A - 一种脉冲破碎机构、海底富钴结壳破碎系统及破碎方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲破碎机构、海底富钴结壳破碎系统及破碎方法，所述的脉冲破碎机构包括安装盘(37)以及安装在安装盘(37)上的多组成对安装的脉冲电极；每组脉冲电极包括一个正电极(35)和一个接地电极(38)；脉冲电极通过电缆与脉冲电源相连；脉冲电极包括电极本体和包裹住该电极本体的绝缘体，且电极本体的尖端部分从绝缘体的底部伸出；绝缘体的中段设有法兰，脉冲电极置于安装盘内带有限位台阶的安装孔中；安装孔的上端设有螺纹透盖(34)，在螺纹透盖与法兰之间设有弹簧(36)。这种脉冲破碎机构、海底富钴结壳破碎系统及破碎方法具有破碎效率高，易于实施。

Description

一种脉冲破碎机构、海底富钴结壳破碎系统及破碎方法

技术领域

本发明涉及一种脉冲破碎机构、海底富钴结壳破碎系统及破碎方法。

背景技术

近年来矿产资源日趋短缺和枯竭，世界各国将注意力转向海洋，开发和利用海洋资源是人类社会发展需求新资源的必然趋势。富钴结壳广泛分布于各海洋国家的专属经济区内，1600一3500米水深范围内，在海山斜坡上广泛发育，覆盖率高，贮量巨大，是海底极为重要的有经济开发价值的矿产资源。

传统的海底富钴结壳破碎方法均为机械破碎，如螺旋滚筒式截齿切削、盘刀式轧削、冲击钻冲击破碎和水射流切削等等。机械破碎方式利用破碎头对富钴结壳的冲击和剪切作用产生应力破坏，该方法有结构简单，操作方便，破碎富钴结壳速度快等优点，但是破碎头易磨损，能耗高，效率低，除此之外，还有一个机械式破碎方法无法避免的缺点是采矿贫化率较高【贫化率是指工业矿石品位降低的程度，以百分数表示；是采出的矿石品位与平均地质品位之比，是指矿石在开采过程中，由于废石的混入，致使采出矿石的品位降低，其降低程度以百分比表示。采矿中因混入废石、溶解或因富矿散失等，造成采出矿石的平均品位通常比矿体平均品位低，一般用百分比表示。】，在开采过程中会混入许多基岩，因此导致贫化率较高(商业开采要求贫化率不高于25％)对于附着在基岩上的富钴结壳而言，其厚度从几厘米到几十厘米不等，而机械破碎方法的切削深度是固定的，切削深度小，混入的基岩量少，贫化率低，但是采集率也低，然而随着切削深度的增加，采集率提高的同时，贫化率也随之上升。针对机械式的破碎方法，切削深度直接影响到采集率和贫化率，需要结合钴结壳矿层的厚度以及微地形表面特征信息才能确定最佳切削深度，在实际作业过程中要实现信息的在线采集以及切削深度的在线调整是相当困难的。

因此，有必要设计一种脉冲破碎机构、海底富钴结壳破碎系统及破碎方法。发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种脉冲破碎机构、海底富钴结壳破碎系统及破碎方法，该脉冲破碎机构、海底富钴结壳破碎系统及破碎方法易于实施，破碎效率高，采集率高，贫化率低。

发明的技术解决方案如下：

一种脉冲破碎机构，包括安装盘(37)以及安装在安装盘(37)上的多组成对安装的脉冲电极；每组脉冲电极包括一个正电极(35)和一个接地电极(38)；脉冲电极通过电缆与脉冲电源相连；

脉冲电极包括电极本体和包裹住该电极本体的绝缘体，且电极本体的尖端部分从绝缘体的底部伸出；

绝缘体的中段设有法兰，脉冲电极置于安装盘内带有限位台阶的安装孔中；【所述的法兰与限位台阶适配】

安装孔的上端设有螺纹透盖(34)，在螺纹透盖与法兰之间设有弹簧(36)。

脉冲电源包括充电回路(41)、脉冲形成回路(42)和脉冲压缩回路(43)；高压脉冲电源采用全固态元件；

充电回路(41)包括调压器T和L-C谐振恒流充电回路，L-C谐振恒流充电回路由带磁芯的电感L1、L2(其互感为M)以及电容Cc组成，电感L1的一端接调压器T的第一输出端，电感L1的另一端接电容Cc的正极，调压器T的第二输出端接电容Cc的负极；电感L2的一端接电容Cc的正极，电感L2的另一端为充电回路的第一输出端；电容Cc的负极为充电回路的第二输出端；

脉冲形成回路包括n个结构相同的脉冲形成回路单元，n个脉冲形成回路单元共用一个充电回路；

第i个脉冲形成回路单元包括隔离变压器Ti、整流桥Bi、储能电容Ci、IGBTQi和二极管Di；i=1，2，…，n；

隔离变压器Ti的原边接充电回路(41)的输出侧；隔离变压器Ti的副边接整流器Bi的交流侧，储能电容Ci并联在整流器Bi的直流侧；储能电容Ci的正极接IGBT Qi的C极，IGBT Qi的E极接二极管Di的负极；二极管Di的正极接储能电容Ci的负极；IGBT Qi的G极受控于微处理器；

二极管Di的正极连接二极管Di+1的负极；

第1个脉冲形成回路单元的二极管D1的负极为脉冲形成回路的正输出端；第n个脉冲形成回路单元的二极管Dn的正极为脉冲形成回路的地端；

脉冲压缩回路(43)采用两级磁开关压缩电路；脉冲压缩回路包括磁开关Ls1、电容Cs1、磁开关Ls2、电容Cs2以及电流源I1和I2；

电容Cs1与脉冲形成回路的输出侧并联，磁开关Ls1的原边的一端接脉冲形成回路的正输出端，磁开关Ls1的原边的另一端接电容Cs2的正极；电容Cs2的负极接所述的地端；电流源I1与磁开关Ls1的副边并联；

电容Cs2的正极经磁开关Ls2的原边接所述的正电极(35)；电流源I2与磁开关Ls2的副边并联；电容Cs2的负极与所述的接地电极(38)相连。

一种海底富钴结壳破碎系统，其特征在于，包括车体、行走机构(2)、破碎头变幅机构(1)、水力式采集机构(3)、破碎机构和脉冲电源；行走机构(2)为履带式行走机构，行走机构和水力式采集机构均设置在车体的底部；破碎头变幅机构(1)的一端设置在车体上，破碎机构设置在破碎头变幅机构(1)的另一端；其特征在于，所述的破碎机构为权利要求1所述的脉冲破碎机构(4)。

所述的脉冲电源包括充电回路(41)、脉冲形成回路(42)和脉冲压缩回路(43)；高压脉冲电源采用全固态元件；

充电回路(41)包括调压器T和L-C谐振恒流充电回路，L-C谐振恒流充电回路由带磁芯的电感L1、L2(其互感为M)以及电容Cc组成，电感L1的一端接调压器T的第一输出端，电感L1的另一端接电容Cc的正极，调压器T的第二输出端接电容Cc的负极；电感L2的一端接电容Cc的正极，电感L2的另一端为充电回路的第一输出端；电容Cc的负极为充电回路的第二输出端；

脉冲形成回路包括n个结构相同的脉冲形成回路单元，n个脉冲形成回路单元共用一个充电回路；

第i个脉冲形成回路单元包括隔离变压器Ti、整流桥Bi、储能电容Ci、IGBTQi和二极管Di；i=1，2，…，n；

隔离变压器Ti的原边接充电回路(41)的输出侧；隔离变压器Ti的副边接整流器Bi的交流侧，储能电容Ci并联在整流器Bi的直流侧；储能电容Ci的正极接IGBT Qi的C极，IGBT Qi的E极接二极管Di的负极；二极管Di的正极接储能电容Ci的负极；IGBT Qi的G极受控于微处理器；

二极管Di的正极连接二极管Di+1的负极；

第1个脉冲形成回路单元的二极管D1的负极为脉冲形成回路的正输出端；第n个脉冲形成回路单元的二极管Dn的正极为脉冲形成回路的地端；

脉冲压缩回路(43)采用两级磁开关压缩电路；脉冲压缩回路包括磁开关Ls1、电容Cs1、磁开关Ls2、电容Cs2以及电流源I1和I2；

电容Cs1与脉冲形成回路的输出侧并联，磁开关Ls1的原边的一端接脉冲形成回路的正输出端，磁开关Ls1的原边的另一端接电容Cs2的正极；电容Cs2的负极接所述的地端；电流源I1与磁开关Ls1的副边并联；

电容Cs2的正极经磁开关Ls2的原边接所述的正电极(35)；电流源I2与磁开关Ls2的副边并联；电容Cs2的负极与所述的接地电极(38)相连。

充电回路(41)、脉冲形成回路(42)设置在车体的框架(10)上，脉冲压缩回路直接安装在破碎机构上；脉冲压缩回路中磁开关及电容安装在密封舱(22)内，两个磁芯复位电源安装在破碎机构的密封舱(21)内。

所述的海底富钴结壳破碎系统还包括设置在车体【即主体设备框架10】上的矿石分离机构(8)、浮力块(9)、水下输运管道(10)、水下摄像头(12)以及水下照明系统(13).

一种海底富钴结壳破碎方法，其特征在于，采用前述的脉冲破碎机构对海底富钴结壳实施破碎；

利用脉冲破碎机构的弹簧使脉冲电极的尖端始终保持与富钴结壳表面接触；由脉冲电源输出脉冲能量，该脉冲能量通过脉冲电极施加在富钴结壳上实现海底富钴结壳的破碎。

一种海底富钴结壳破碎方法，采用前述的海底富钴结壳破碎系统对对海底富钴结壳实施破碎，利用脉冲破碎机构的弹簧使脉冲电极的尖端始终保持与富钴结壳表面接触；由脉冲电源输出脉冲能量，该脉冲能量通过脉冲电极施加在富钴结壳上实现海底富钴结壳的破碎。

富钴结壳的破碎由脉冲等离子体放电来完成，一对破碎电极包括一个正电极和一个接地电极，正电极和接地电极间有一定距离，施加高压短脉冲(脉冲前沿及脉宽为纳秒量级)后，在富钴结壳内部形成等离子体放电通道，使周围的富钴结壳破裂和破碎。通常每秒放电10～100次，通过重复动作来破裂和破碎富钴结壳，形成高效的、可控制的深海富钴结壳破碎过程，即利用多个脉冲的重复作用可实现快速的富钴结壳破碎。

本发明的技术构思：

利用脉冲功率技术进行岩石破碎以及岩石钻孔是近年来开发的一种新技术。脉冲功率破碎技术的主要特点是脉冲工作方式，这也成为了它的主要优点。它的能量在较短时间内集中利用，利用效率比常规机械破碎装置高。一般地，脉冲等离子体的瞬时功率最高可以达到数十至数百兆瓦，时间在几百纳秒至几个微秒，因此所需的平均功率很低。

在百纳秒上升沿的高压陡脉冲作用下，电极前方的待破岩石的内部可形成等离子体放电通道，这种通道在不到1μs的时间内迅速扩张，使周围的岩石破裂和破碎。这种现象就像树木遭雷击一样，但是雷击闪电的长度在3000m以上，而高压脉冲微放电技术可以使放电长度缩小到10～20mm，并且在1s可以重复放电数十到数百次，这样通过重复动作来破裂和破碎岩石，形成高效的、可控制的破碎过程或钻孔过程，即利用多个脉冲的重复作用可实现快速的连续岩石破碎或钻孔。

本发明的核心构思在于脉冲功率破碎钴结壳这个概念，以及机械构造，电路是较为成熟技术，只是用于海底作业，需要选择全固体元件，常用于脉冲电源的气体开关不可取。

在本发明之前，未见有将脉冲功率技术用于海底钴结壳破碎的，主要优势在于机械破碎贫化率高，很容易混入大量基岩，原因在于钴结壳的厚度从几厘米到几十厘米，厚度不确定，在线测量难度大且精度差，在线调整机械式破碎的切削深度难度更大。根据钴结壳和基岩的物理特性，可以将脉冲能量控制在合适的水平，仅破碎钴结壳，而不破碎基岩。

有益效果：

本发明的脉冲破碎机构、海底富钴结壳破碎系统及破碎方法，传统的矿产资源破碎采用机械的方式，本发明利用脉冲功率技术破碎海底富钴结壳，效率更高，能耗更小，破碎装置轻便，更能大大降低贫化率。本发明涉及的开采装置包括破碎头变幅机构(1)、行走机构(2)、水力式采集机构(3)、脉冲功率破碎机构(4)、高压脉冲电压的脉冲压缩部分(5)、动力供给系统(6)、高压脉冲电源的充电及脉冲形成部分(7)、矿石分离机构(8)、浮力块(9)、水下输运管道(10)、主体设备框架(11)、水下摄像头(12)以及水下照明系统(13)。其中脉冲功率破碎机构(4)包括至少一对脉冲破碎电极。高压脉冲电源由充电回路(41)、脉冲形成回路(42)及脉冲压缩回路(43)组成，采用模块化结构，全固态元件，可输出电压上升沿和脉宽为百纳秒量级的重复高压脉冲。

采用的高压脉冲电源为全固态元件，且模块化结构，确保电源在海底工作的可靠性、稳定性及寿命。

为保证高压脉冲直接施加到破碎电极上，将脉冲电源脉冲压缩回路(43)与电源其他部分分离，安装在破碎机构(4)上，将充电回路(41)和脉冲形成回路(42)安装在主体设备框架(11)上。

破碎机构至少包括一对脉冲破碎电极。所述高压脉冲破碎头上通常安装有多对破碎电极，并按照一定的规律分布在破碎电极安装盘上，以达到高效破碎。

高压脉冲电源输出的高压陡脉冲的频率和单次脉冲能量可调，从而根据富钴结壳与基岩不同的物理特性，在破碎电极上施加足够破碎富钴结壳但不至于破碎基岩的脉冲能量，降低采集贫化率。

为避免破碎电极在导电率极高的海水中放电，破碎机构中的破碎电极整体被绝缘材料包裹，仅有与富钴结壳接触的电极尖端裸露在外，由裸露在外的电极尖端在富钴结壳内部产生等离子体放电通道，实现结壳的破碎。

破碎机构中每对破碎电极都安装有随动机构，即压力保持弹簧(36)，以确保破碎电极始终与富钴结壳矿床接触，提高破碎效率。

破碎机构中的正电极与接地电极分置，其间距取决于高压脉冲电源的输出电压，根据结壳破碎粒径及破碎效率的需求，通常高压脉冲电源输出电压至少为100kV。

集矿车(又名车体)通过高压同轴电缆接入动力供给系统(6)，为整车提供动力，靠履带式行走机构(2)在海底富钴结壳赋存区域行走。通过变幅机构(1)可调节脉冲功率破碎机构(4)的位置，在指定的作业点进行连续开采作业，并通过后置的水力式集矿头(3)将破碎矿石抽吸至矿石分离机构(8)，再利用水下输运管道输送至中间仓，最后由管道提升系统提升至采矿母船。破碎机构采用脉冲功率技术对富钴结壳进行破碎，高压陡脉冲施加在破碎电极上，破碎电极直接接触海底富钴结壳矿床，脉冲放电产生的放电通道在富钴结壳中形成。通过调整高压脉冲电源输出高压陡脉冲的频率和单次脉冲的能量，可使破碎机构仅破碎钴结壳而不影响其赋存基岩，降低采集贫化率，灵活性强。本发明涉及的开采方法可以实现海底富钴结壳的开采。

本发明提出一种新的脉冲破碎机构、海底富钴结壳破碎系统及破碎方法，利用脉冲功率放电在海底富钴结壳中形成的放电通道将其破碎。通过高压陡脉冲的频率和单次脉冲的能量，可使破碎机构仅破碎钴结壳而不影响赋存基岩。这种方法能耗低，效率高，设备简单轻便，采集率高，贫化率低。

附图说明

图1：高压脉冲电源电路图；

图2：海底富钴结壳集矿车示意图；

图3：海底富钴结壳脉冲功率破碎机构示意图；

图4：海底富钴结壳脉冲功率破碎机构的安装盘的底部的结构示意图。(图中51为破碎头安装盘的安装孔，52为破碎电极)

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

如图1-5，一种脉冲破碎机构，包括安装盘(37)以及安装在安装盘(37)上的多组成对安装的脉冲电极；每组脉冲电极包括一个正电极(35)和一个接地电极(38)；脉冲电极通过电缆与脉冲电源相连；

脉冲电极包括电极本体和包裹住该电极本体的绝缘体，且电极本体的尖端部分从绝缘体的底部伸出；

绝缘体的中段设有法兰，脉冲电极置于安装盘内带有限位台阶的安装孔中；【所述的法兰与限位台阶适配】

安装孔的上端设有螺纹透盖(34)，在螺纹透盖与法兰之间设有弹簧(36)。

脉冲电源包括充电回路(41)、脉冲形成回路(42)和脉冲压缩回路(43)；高压脉冲电源采用全固态元件；

充电回路(41)包括调压器T和L-C谐振恒流充电回路，L-C谐振恒流充电回路由带磁芯的电感L1、L2(其互感为M)以及电容Cc组成，电感L1的一端接调压器T的第一输出端，电感L1的另一端接电容Cc的正极，调压器T的第二输出端接电容Cc的负极；电感L2的一端接电容Cc的正极，电感L2的另一端为充电回路的第一输出端；电容Cc的负极为充电回路的第二输出端；

脉冲形成回路包括n个结构相同的脉冲形成回路单元，n个脉冲形成回路单元共用一个充电回路；

第i个脉冲形成回路单元包括隔离变压器Ti、整流桥Bi、储能电容Ci、IGBTQi和二极管Di；i=1，2，…，n；

隔离变压器Ti的原边接充电回路(41)的输出侧；隔离变压器Ti的副边接整流器Bi的交流侧，储能电容Ci并联在整流器Bi的直流侧；储能电容Ci的正极接IGBT Qi的C极，IGBT Qi的E极接二极管Di的负极；二极管Di的正极接储能电容Ci的负极；IGBT Qi的G极受控于微处理器；

二极管Di的正极连接二极管Di+1的负极；

第1个脉冲形成回路单元的二极管D1的负极为脉冲形成回路的正输出端；第n个脉冲形成回路单元的二极管Dn的正极为脉冲形成回路的地端；

脉冲压缩回路(43)采用两级磁开关压缩电路；脉冲压缩回路包括磁开关Ls1、电容Cs1、磁开关Ls2、电容Cs2以及电流源I1和I2；

电容Cs1与脉冲形成回路的输出侧并联，磁开关Ls1的原边的一端接脉冲形成回路的正输出端，磁开关Ls1的原边的另一端接电容Cs2的正极；电容Cs2的负极接所述的地端；电流源I1与磁开关Ls1的副边并联；

电容Cs2的正极经磁开关Ls2的原边接所述的正电极(35)；电流源I2与磁开关Ls2的副边并联；电容Cs2的负极与所述的接地电极(38)相连。

充电回路(41)、脉冲形成回路(42)设置在车体的框架(10)上，脉冲压缩回路直接安装在破碎机构上；脉冲压缩回路中磁开关及电容安装在密封舱(22)内，两个磁芯复位电源安装在密封舱(21)内。

一种海底富钴结壳破碎系统，包括车体、行走机构(2)、破碎头变幅机构(1)、水力式采集机构(3)、破碎机构和脉冲电源；行走机构(2)为履带式行走机构，行走机构和水力式采集机构均设置在车体的底部；破碎头变幅机构(1)的一端设置在车体上，破碎机构设置在破碎头变幅机构(1)的另一端；还包括设置在车体【即主体设备框架10】上的矿石分离机构(8)、浮力块(9)、水下输运管道(10)、水下摄像头(12)以及水下照明系统(13).

当海底富钴结壳集矿车在富钴结壳赋存的海山斜坡上作业时，其履带行走机构(2)驱动整车行走。动力供给系统(6)为整车提供动力，包括驱动履带式行走机构(2)和变幅机构(1)的液压系统以及高压脉冲电源。通过变幅机构(1)可调节脉冲功率破碎机构(4)的位置，在指定的海山斜坡上进行连续开采作业，并通过后置的水力式集矿头(3)将破碎矿石抽吸至矿石分离机构(8)，再利用水下输运管道(10)输送至中间仓，最后由管道提升系统提升至采矿母船。

对于高压脉冲电源，首先根据富钴结壳及基岩的物理特性来确定单次脉冲的输出能量，从而选择每个充电及脉冲形成模块中储能电容的个数。IGBT触发信号及磁开关复位电源控制信号由控制系统发出。电源工作的步骤如下：

1.调压器T的输出经过L-C谐振恒流充电单元、隔离变压器T1、整流桥B1为储能单元C1、C2、C3、---、Cn充电；

2.充电结束后，所有的IGBT同时开通，形成A*n千伏的高压脉冲。电容C1、C2、C3、---、Cn上电压逐渐下降，电容Cs1上电压逐渐上升；

3.待电容C1、C2、C3、---、Cn上电压降至零，而电容Cs1上电压升到最高时，关断所有IGBT，同时在电压脉冲的作用下，电感Ls1磁芯的磁通密度逐渐升高，磁芯磁导率会突然变小，达到饱和状态，电感随之变小，电容Cs1电压开始下降，电容Cs2电压开始上升，电容Cs1上存储的能量开始向电容Cs2转移；

4.当电容Cs2电压上升到最高时(电容Cs2电压上升时间远小于电容Cs1电压上升时间)，电感Ls1在复位电源I1的作用下达到退饱和状态，电感Ls2磁芯的磁通密度逐渐升高，磁芯磁导率会突然变小，达到饱和状态，电感随之变小，电容Cs2电压通过饱和电感Ls2施加在破碎电极上，形成纳秒级高压陡脉冲。

高压脉冲电源通过高压低波阻抗电缆(32)相连与正电极(35)和接地电极(38)，接收到脉冲电源输出的高压陡脉冲后，高压脉冲电极(35)和接地电极(38)的裸露尖端在富钴结壳内部形成等离子体放电通道，完成富钴结壳的破碎。绝缘材料(33)中端带有法兰，法兰上端连接有压力保持弹簧(36)，弹簧上端通过螺纹透盖(34)将弹簧限位在破碎电极安装盘(37)的安装孔内，利用弹簧使电极尖端始终保持与富钴结壳表面接触。通过调节高压脉冲电源输出的高压陡脉冲的频率和单次脉冲能量，在破碎电极上施加足够破碎富钴结壳但不至于破碎基岩的脉冲能量，以达到降低贫化率的目的。

本发明高压脉冲电源采用模块化结构，每个模块包括一个脉冲形成回路(42)，每个模块的电路结构完全一致，且参数相同。为产生足够高的输出电压，该高压脉冲电源由n个模块串联组成，每个模块输出电压为A千伏，则n个模块串联后输出电压为A*n千伏。(这里说的n个模块就是图1中42的多个模块)n个模块在IGBT关断时是并联的，IGBT开通后就是串联的，等于是通常所说的Marx发生器，只是将Marx发生器中常用的火花隙换成了固体开关IGBT。

n的取值由高压脉冲电源所需输出电压来决定，如果储能电容C1、C2、C3、---、Cn的充电电压为3千伏，输出脉冲电压要求是120千伏，则n取40。

本发明采用电容作为能量存储单元，C1、C2、C3、---、Cn为n组储能单元，每组储能单元由B个电容并联组成，每个电容值为H(避免与后面的互感系数重复)法，可以根据单次脉冲的能量需求来选择每组储能单元中电容的个数。单次脉冲的能量由以下公式进行计算：

$E=\frac{1}{2}{\mathrm{nCU}}^2$

式中，C为B个电容并联后的电容值，C=B*H，U为每个模块的输出电压，即A千伏(A的取值根据所选取IGBT的电压等级，常见的IGBT耐压等级有1.2千伏、1.7千伏、3.3千伏、6.5千伏等，选择3.3千伏的IGBT，A取3千伏，略低于其耐压等级)。根据富钴结壳与基岩不同的物理特性，在破碎电极上施加足够破碎富钴结壳但不至于破碎基岩的脉冲能量，可以达到提高采集率和降低贫化率的目的。改变每个模块中电容的数量B即可改变单次脉冲的能量。在某一实例中，n取40，B取20，H取2.5微法，A取3千伏，则电源输出单次脉冲能量为9000J。

充电回路(41)采用谐振恒流充电，n个脉冲形成回路共用一个充电回路。调压器T的输出经过L-C谐振恒流充电单元、隔离变压器T1、整流桥B1为储能单元C1充电。L-C谐振恒流充电单元由带磁芯的电感L1、L2(其互感为M)以及电容Cc组成，充电电流与负载无关，充电速度快，充电回路无须电阻，充电效率得以提高。L1，L2，Cc的取值应满足ω2LC=1，ω为充电频率，L1=L2=L，M=KL，K为互感系数，0<K<1

脉冲形成回路(42)中，脉冲形成开关为IGBT，每个脉冲形成模块输出的电压是A千伏，IGBT的最大通流能力是H千安，每个模块中有m个IGBT并联，图中用一个IGBT代表m个并联的IGBT，因为一个IGBT的通流能力有限，必须靠m个并联的IGBT来提高通流流能，通常放电电流能达到数千安培，而单个IGBT的通流能力仅为几百安培，用于提高放电电流，n个脉冲形成模块串联输出的电压为A*n千伏，最大放电电流可达到H*m千安。例如，如果需要10千安的放电电流，则需要10个通流能力为1.2千安的IGBT并联(留一定裕度)。充电结束后，触发回路触发所有的IGBT全部同时开通，触发回路信号要求高度同步，否则会导致IGBT高压击穿或者过流。所有的IGBT同时开通后，会形成A*n千伏的高压脉冲。

由于IGBT的开通和关断时间较长，为形成上升沿足够快的高压脉冲输出，还需要对形成的脉冲进行压缩，考虑到气体开关寿命较短、稳定性差，不适合用于海底作业，因此选择具有高重复频率、高平均功率、高可靠性、长寿命等优点的磁开关压缩技术。为获得足够快的高压脉冲上升沿，采用了两级磁开关压缩，磁开关Ls1和电容Cs1为第一级压缩，磁开关Ls2和电容Cs2为第一级压缩，电流源I1和I2分别为磁开关Ls1和Ls2的磁芯复位电流源。所有的IGBT同时开通后，电容C1、C2、C3、---、Cn上电压逐渐下降，电容Cs1上电压逐渐上升，此时电感Ls1处于退饱和状态，呈现出较大的阻抗，电容Cs2上电压为零，待电容C1、C2、C3、---、Cn上电压降至零，而电容Cs1上电压升到最高时，关断所有IGBT，同时电感Ls1达到饱和状态，电容Cs1电压下降，电容Cs2电压上升。当电容Cs2电压上升到最高时，启动电流源I1将电感Ls1复位达到退饱和状态，电感Ls2处于饱和状态，电容Cs2电压通过饱和电感Ls2施加在破碎电极上。经过两级磁开关压缩后，电源输出的高压脉冲上升沿可到百纳秒量级(通常可达到200纳秒以内)。

本发明提出的富钴结壳脉冲功率破碎机构包括(4)包括至少一个脉冲破碎头。脉冲破碎头包括破碎电极安装盘(37)，破碎电极按照一定的规律成对地安装在安装盘(37)上，一对破碎电极包括一个正电极【又称正电极】(35)和一个接地电极(38)。正电极和接地电极的顶端接有高压低波阻抗电缆(32)，高压是指电缆的耐压等级要比高压脉冲电源输出的电压要高，电源输出电压为120千伏，则电缆耐压等级要达到150千伏；波阻抗越小，输出的脉冲电压损失越小，通常要求波阻抗小于10欧姆，其统一封装在破碎头顶盖上(31)，穿过绝缘材料(33)上端的小孔与高压脉冲电源相连。绝缘材料(33)中端带有法兰，用于限定绝缘材料与安装盘(37)的相对位置，并与压力保持弹簧(36)相连。弹簧上端通过螺纹透盖(34)将弹簧限位在破碎电极安装盘(31)的安装孔内，利用弹簧使电极尖端始终保持与富钴结壳表面接触。破碎头上每对破碎电极都安装有此随动机构，以确保破碎电极始终与富钴结壳矿床接触，从而提高破碎效率。

海水是良导体，为避免破碎电极在施加高压陡脉冲时在海水中形成放电通道，正电极与接地电极分置，电极整体被绝缘材料(33)包裹，破碎头上的破碎电极整体被绝缘材料包裹，仅有与富钴结壳接触的电极尖端裸露在外，由裸露在外的电极尖端在富钴结壳内部产生等离子体放电通道，实现结壳的破碎。所选择的绝缘材料(33)必须满足良好的绝缘性能和防腐蚀的要求。

富钴结壳的破碎由脉冲等离子体放电来完成，一对破碎电极包括一个正电极和一个接地电极，正电极和接地电极间有一定距离，其间距取决于高压脉冲电源的输出电压，根据结壳破碎粒径及破碎效率的需求，通常高压脉冲电源输出电压至少为100kV。

Claims (9)

1.一种脉冲破碎机构，其特征在于，包括安装盘(37)以及安装在安装盘(37)上的多组成对安装的脉冲电极；每组脉冲电极包括一个正电极(35)和一个接地电极(38)；脉冲电极通过电缆与脉冲电源相连； 

脉冲电极包括电极本体和包裹住该电极本体的绝缘体，且电极本体的尖端部分从绝缘体的底部伸出； 

绝缘体的中段设有法兰，脉冲电极置于安装盘内带有限位台阶的安装孔中； 

安装孔的上端设有螺纹透盖(34)，在螺纹透盖与法兰之间设有弹簧(36)。 

2.根据权利要求1所述的脉冲破碎机构，其特征在于，脉冲电源包括充电回路(41)、脉冲形成回路(42)和脉冲压缩回路(43)；高压脉冲电源采用全固态元件； 

充电回路(41)包括调压器T和L-C谐振恒流充电回路，L-C谐振恒流充电回路由带磁芯的电感L1、L2(其互感为M)以及电容Cc组成，电感L1的一端接调压器T的第一输出端，电感L1的另一端接电容Cc的正极，调压器T的第二输出端接电容Cc的负极；电感L2的一端接电容Cc的正极，电感L2的另一端为充电回路的第一输出端；电容Cc的负极为充电回路的第二输出端； 

脉冲形成回路包括n个结构相同的脉冲形成回路单元，n个脉冲形成回路单元共用一个充电回路； 

第i个脉冲形成回路单元包括隔离变压器Ti、整流桥Bi、储能电容Ci、IGBT Qi和二极管Di；i=1，2，…，n； 

隔离变压器Ti的原边接充电回路(41)的输出侧；隔离变压器Ti的副边接整流器Bi的交流侧，储能电容Ci并联在整流器Bi的直流侧；储能电容Ci的正极接IGBT Qi的C极，IGBT Qi的E极接二极管Di的负极；二极管Di的正极接储能电容Ci的负极；IGBT Qi的G极受控于微处理器； 

二极管Di的正极连接二极管Di+1的负极； 

第1个脉冲形成回路单元的二极管D1的负极为脉冲形成回路的正输出端；第n个脉冲形成回路单元的二极管Dn的正极为脉冲形成回路的地端； 

脉冲压缩回路(43)采用两级磁开关压缩电路；脉冲压缩回路包括磁开关Ls1、电容Cs1、磁开关Ls2、电容Cs2以及电流源I1和I2； 

电容Cs1与脉冲形成回路的输出侧并联，磁开关Ls1的原边的一端接脉冲形成回路的 正输出端，磁开关Ls1的原边的另一端接电容Cs2的正极；电容Cs2的负极接所述的地端；电流源I1与磁开关Ls1的副边并联； 

电容Cs2的正极经磁开关Ls2的原边接所述的正电极(35)；电流源I2与磁开关Ls2的副边并联；电容Cs2的负极与所述的接地电极(38)相连。 

3.一种海底富钴结壳破碎系统，其特征在于，包括车体、行走机构(2)、破碎头变幅机构(1)、水力式采集机构(3)、破碎机构和脉冲电源；行走机构(2)为履带式行走机构，行走机构和水力式采集机构均设置在车体的底部；破碎头变幅机构(1)的一端设置在车体上，破碎机构设置在破碎头变幅机构(1)的另一端；其特征在于，所述的破碎机构为权利要求1所述的脉冲破碎机构(4)。 

4.根据权利要求1所述的海底富钴结壳破碎系统，其特征在于，所述的脉冲电源包括充电回路(41)、脉冲形成回路(42)和脉冲压缩回路(43)；高压脉冲电源采用全固态元件； 

充电回路(41)包括调压器T和L-C谐振恒流充电回路，L-C谐振恒流充电回路由带磁芯的电感L1、L2(其互感为M)以及电容Cc组成，电感L1的一端接调压器T的第一输出端，电感L1的另一端接电容Cc的正极，调压器T的第二输出端接电容Cc的负极；电感L2的一端接电容Cc的正极，电感L2的另一端为充电回路的第一输出端；电容Cc的负极为充电回路的第二输出端； 

脉冲形成回路包括n个结构相同的脉冲形成回路单元，n个脉冲形成回路单元共用一个充电回路； 

第i个脉冲形成回路单元包括隔离变压器Ti、整流桥Bi、储能电容Ci、IGBT Qi和二极管Di；i=1，2，…，n； 

隔离变压器Ti的原边接充电回路(41)的输出侧；隔离变压器Ti的副边接整流器Bi的交流侧，储能电容Ci并联在整流器Bi的直流侧；储能电容Ci的正极接IGBT Qi的C极，IGBT Qi的E极接二极管Di的负极；二极管Di的正极接储能电容Ci的负极；IGBT Qi的G极受控于微处理器； 

二极管Di的正极连接二极管Di+1的负极； 

第1个脉冲形成回路单元的二极管D1的负极为脉冲形成回路的正输出端；第n个脉冲形成回路单元的二极管Dn的正极为脉冲形成回路的地端； 

脉冲压缩回路(43)采用两级磁开关压缩电路；脉冲压缩回路包括磁开关Ls1、电容 Cs1、磁开关Ls2、电容Cs2以及电流源I1和I2； 

电容Cs1与脉冲形成回路的输出侧并联，磁开关Ls1的原边的一端接脉冲形成回路的正输出端，磁开关Ls1的原边的另一端接电容Cs2的正极；电容Cs2的负极接所述的地端；电流源I1与磁开关Ls1的副边并联； 

电容Cs2的正极经磁开关Ls2的原边接所述的正电极(35)；电流源I2与磁开关Ls2的副边并联；电容Cs2的负极与所述的接地电极(38)相连。 

5.根据权利要求4所述的海底富钴结壳破碎系统，其特征在于，充电回路(41)、脉冲形成回路(42)设置在车体的框架(10)上，脉冲压缩回路直接安装在破碎机构上；脉冲压缩回路中磁开关及电容安装在密封舱(22)内，两个磁芯复位电源安装在破碎机构的密封舱(21)内。 

6.根据权利要求3-5任一项所述的海底富钴结壳破碎系统，其特征在于，还包括设置在车体上的矿石分离机构(8)、浮力块(9)、水下输运管道(10)、水下摄像头(12)以及水下照明系统(13)。 

7.一种海底富钴结壳破碎方法，其特征在于，采用权利要求1或2所述的脉冲破碎机 

构对海底富钴结壳实施破碎； 

利用脉冲破碎机构的弹簧使脉冲电极的尖端始终保持与富钴结壳表面接触；由脉冲电源输出脉冲能量，该脉冲能量通过脉冲电极施加在富钴结壳上实现海底富钴结壳的破碎。 

8.一种海底富钴结壳破碎方法，其特征在于，采用权利要求3-5任一项所述的海底富钴结壳破碎系统对对海底富钴结壳实施破碎，利用脉冲破碎机构的弹簧使脉冲电极的尖端始终保持与富钴结壳表面接触；由脉冲电源输出脉冲能量，该脉冲能量通过脉冲电极施加在富钴结壳上实现海底富钴结壳的破碎。 

9.一种海底富钴结壳破碎方法，其特征在于，采用权利要求6所述的海底富钴结壳破碎系统对对海底富钴结壳实施破碎，利用脉冲破碎机构的弹簧使脉冲电极的尖端始终保持与富钴结壳表面接触；由脉冲电源输出脉冲能量，该脉冲能量通过脉冲电极施加在富钴结壳上实现海底富钴结壳的破碎。 

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