CN107888169A - 一种脉冲升流器、脉冲电流产生装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脉冲升流器、脉冲电流产生装置及其制备方法，脉冲升流器包括从内到外依次嵌套布置的线圈骨架、初级线圈以及感应环，和同感应环并排套于初级线圈外的固定环；在初级线圈和感应环之间设置有气隙；初级线圈的输入端作为脉冲升流器的输入端，感应环为环状导体结构，在感应环上设置有绝缘间隙，绝缘间距的两端作为脉冲升流器的输出端；固定环用于同线圈骨架共同固定初级线圈和感应环；脉冲电流经由脉冲升流器的输入端进入初级线圈，通过初级线圈、感应环以及初级线圈同感应环之间的气隙实现将脉冲电流升压为高脉冲电流。本发明提供的脉冲升流器具有使用方便、通用性强、可重复使用等优点，可以弥补现有脉冲大电流产生方法的不足。
Description
技术领域
本发明属于升流器技术领域，具体地，涉及一种脉冲升流器、脉冲电流产生装置及其制备方法。
背景技术
脉冲大电流被广泛应用于核物理、电磁成形和电磁弹射等领域。随着科学研究的深入和应用范围的扩大，人们需要找到一种能产生更高幅值的脉冲大电流的方法。
目前，脉冲大电流主要由脉冲电流发生器产生。脉冲电流发生器大多采用电容器储能，储能完成后通过触发开关导通，使得电容器在短时间(us级)内以极高的功率密度向负载放电。在这种工作模式下，脉冲电流发生器的最大输出脉冲电流值取决于电容器的容量和放电电压，电容器的容量和放电电压越大，输出的脉冲电流值就越大。
然而，在实际应用中电容器的耐压水平决定了脉冲电流发生器的最大放电电压。虽然可以通过增大电容器的容量来提高放电能量从而增大输出的脉冲电流，但脉冲电流发生装置的生产成本、体积以及输出脉冲电流的脉宽也会随着电容器容量的增大而增大，尤其是当脉宽大于一定值时输出的脉冲电流可能不再满足实际应用需求。
另外，脉冲电流发生器的最大输出脉冲电流值还受限于触发开关的最大允许电流。最大输出脉冲电流值不应大于开关的最大允许电流，否则开关可能会损坏甚至烧毁。
再者，脉冲电流发生器的负载只需要脉冲电流发生器提供脉冲大电流，而不需要提供高电压。但实际应用中脉冲电流发生器和负载往往采用直接连接形式，负载两端承受不必要的高电压，会对负载造成损害。
因此，现有的脉冲大电流产生方法存在以下不足：
受限于电容器的容量和耐压值以及触发开关的最大允许电流，脉冲电流发生器可提供脉冲大电流的幅值有限；
脉冲电流发生器与负载直接连接，负载承受不必要的高电压，存在绝缘威胁。
找到一种能同时解决以下问题的方法，将有利于在现有技术的基础上进一步提高最大输出脉冲电流值，或在输出脉冲电流值一定时减小电容器容量、放电电压和通过开关的电流。
现有的升流器采用铁芯结构来实现聚磁和引磁，当升流器原边电流达到5KA级以上，内部磁场强度达到5T级以上时，常规铁芯达到饱和，显著降低聚磁和引磁效果，导致传统的升流器无法用于对5kA以上电流进行升流输出更高幅值的脉冲电流。
发明内容
为了弥补上述不足，本发明提出一种脉冲升流器、脉冲电流产生装置及其制备方法，其目的在解决现有的脉冲升流器由于采用铁芯结构使得无法对超过5kA脉冲电流进行升流的技术问题。
为了实现上述目的，作为本发明的一方面，本发明提供了一种脉冲升流器，包括：
从内到外依次嵌套布置的线圈骨架、初级线圈以及感应环，和同感应环并排套于初级线圈外固定环；在初级线圈和感应环之间设置有气隙；
初级线圈的输入端作为脉冲升流器的输入端，感应环为环状导体结构，在感应环上设置有绝缘间隙，绝缘间距的两端作为脉冲升流器的输出端；固定环用于同线圈骨架共同固定初级线圈和感应环；
脉冲电流经由脉冲升流器的输入端进入初级线圈，通过初级线圈、感应环以及初级线圈同感应环之间的气隙实现将脉冲电流升压为高脉冲电流。
优选地，脉冲升流器还包括第一加固层和第二加固层，第一加固层位于初级线圈和感应环之间，第二加固层套于感应环的外部，用于防止初级线圈和感应环受到电磁力沿径向变形。
优选地，线圈骨架包括骨芯以及在骨芯的两端分别设置的第一端部和第二端部，第一端部和第二端部同心固定在骨芯上，初级线圈上端与第一端部接触，初级线圈下端与第二端部接触，第一端部和第二端部用于限制初级线圈受到电磁力后沿轴向变形。
优选地，感应环的宽度同线圈的宽度相同，可以实现将初级绕组产生的磁场限制在内部，避免能量的损耗。
优选地，线圈骨架的第一端部设有两个通孔，在线圈骨架的第二端部设有槽，初级线圈的进线端和出线端各穿过一个通孔，感应环的输出端穿过槽。
优选地，感应环材料为良导体金属。
优选地，第一加固层和第二加固层为极限强度在3.0GPa以上的玻璃纤维或有机纤维。
作为本发明的另一发面，本发明提供一种脉冲电流产生装置，包括：
脉冲产生器和输入端与脉冲产生器的输出端连接的脉冲升流器；
脉冲产生器用于产生初级脉冲电流，脉冲升流器用于对初级脉冲电流进行升流处理，输出幅值放大的脉冲电流。
作为本发明的另一发面，本发明提供一种脉冲升流器的制备方法，包括如下步骤：
对导线以施加预紧力和加固剂的方式缠绕在线圈骨架的骨芯上，制备并固定初级线圈；
对加固纤维以施加预紧力和加固剂的方式缠绕至初级线圈上，制备并固定第一加固层；
将感应环套于第一加固层外，并让感应环的输出端贯穿线圈骨架的第二端部的槽中，通过在线圈骨架的第二端部的槽中涂覆加固剂，实现感应环的固定；
将固定环套于线圈骨架的第一端部外，通过在固定环同感应环接触面、线圈骨架的第一端部上涂覆加固剂实现固定环固定；
对加固纤维以施加预紧力和加固剂的方式缠绕至感应环上，制备以及固定第二加固层，完成脉冲升流器的制备。
所述加固剂被配置在所述导线和所述加固纤维上、所述感应环和所述第二端部之间以及所述贯穿槽内部，用于提高所述导线、所述加固纤维和所述输出端子的机械强度。
优选地，从靠近第一端部的一侧开始缠绕，沿着骨芯的高度方向通过施加预紧力和加固剂的方式依次缠绕导线直至达到第二端部，从靠近第二端部的一侧通过施加预紧力和加固剂的方式缠绕导线，直至达到第一端部，完成一个周期导线的缠绕；重复上述步骤实现多个周期导线的缠绕。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提供的脉冲升流器中没有铁芯，初级线圈与感应环通过初级线圈与感应环之间的气隙实现能量传输，具体地是指，当初级线圈中通有交流电流时，根据楞次定律，在感应环中便产生交流磁通，使感应环中感应出电压(或电流)，同时由于脉冲升流器输入端接收到为脉冲电流，能量转化效率高。因此，该脉冲升流器能够避免由于电流较大导致铁芯式脉冲升流器中铁芯饱和使得电流不能按照原有的升压比进行升压，本发明提供的脉冲升流器能够实现对10KA级脉冲电流进行升流，输出更高幅值的脉冲电流。
2、本发明提供的脉冲电流产生装置，脉冲升流器用作脉冲电流发生器的中间负载，将脉冲电流发生器的输出脉冲电流作为脉冲升流器初级绕组的输入，基于变压器原理在次级绕组上感应出比初级绕组电流幅值更高的脉冲电流并提供给负载。在脉冲电流发生器的电容器容量和放电电压以及开关最大允许电流不变的情况下，提高了输出到负载的脉冲电流值，从而解决了现有脉冲电流发生器受限于电容器容量和放电电压以及开关最大允许电流，无法向负载提供更高幅值的脉冲电流的问题。
3、与现有的其它升流器相比，本发明应用在脉冲大电流场合，电流幅值更高，线圈受到的应力更大，因此需要考虑线圈的机械强度并采取必要的加固措施。本发明通过在线圈绕制的过程中提供预应力、缠绕加固纤维和配置固化剂，保证线圈不发生应力破坏。
4、通过初级绕组和次级绕组实现电气隔离，在次级绕组上只产生大电流而不产生高电压，避免了脉冲电流发生器两端的高电压直接施加在负载上。另外，当负载要求的输出脉冲电流幅值一定时，由于本发明的电流放大作用，使得通过开关的电流幅值减小，有效保护开关不过流。
5、本发明具有使用方便、通用性强、可重复使用等优点，可以弥补现有脉冲大电流产生方法的不足，在现有技术的基础上提供更高幅值脉冲电流，以更好地满足科学研究和实际应用中对更高幅值的脉冲大电流的需求。
附图说明
图1为本发明提供的脉冲升流器的结构示意图；
图2为本发明提供的脉冲升流器的爆炸图；
图3为本发明提供的脉冲升流器沿A平面的右视剖面图；
图4为本发明提供的脉冲升流器沿B平面的前视剖面图；
图5为本发明提供的脉冲升流器进行升流后的电流波形图；
其中，带箭头的曲线指向其代表的不可视对象所在的位置，如图1中曲线3表示感应环3在图1中不可视，其被放置在第二加固层52的内部；虚线表示加固剂7的实施位置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的脉冲升流器，是一种应用在需要提供高幅值脉冲电流场合的升流器装置，本发明能够实现10KA级以上脉冲电流的幅值放大。
图1为本发明提供的一种脉冲升流器的结构示意图；图2为本发明提供的脉冲升流器的爆炸图；本发明提供的脉冲升流器的实施例中，脉冲升流器包括线圈骨架1、导线构成的初级绕组2、构成次级绕组的感应环3、电极4、加固纤维构成的加固层5和固定环6。
线圈骨架10由硬质绝缘材料如环氧树脂制作，包括圆柱形骨芯11、在骨芯11上底面设置的第一端部12和在骨芯11下底面设置的第二端部13。本实施例把骨芯11、第一端部12和第二端部13三者加工为整体，其中，第一端部11和第二端部13用于固定初级绕组2。
本实施例中构成初级绕组2的导线采用尺寸为4mm×2mm的矩形截面铜导线。初级绕组2由60匝导线构成，这些导线沿径向分为6层，每层绕有10匝导线。选定骨芯半径为70mm，再根据绕组尺寸并留有一定裕度，选定骨芯高度为44.5mm，第一端部厚度50mm，半径89mm，第二端部厚度15mm，半径110mm。需要注意的是，选定骨芯高度时若所取裕度过小将导致骨芯11高度方向上的空间不足以缠绕10匝导线，若所取裕度过大则会导致初级绕组2与第一端部12或第二端部13之间的间隙过大，第一端部12和第二端部13无法向初级绕组2提供支撑力，此时初级绕组2通过大电流时易发生变形。绕组在大电流作用下发生变形是脉冲型设备区别于常规设备存在的问题，也是本发明为实现发明目的要解决的主要问题。
在骨芯11上缠绕初级绕组2前，根据绕组尺寸在第一端部12的适当位置开设两个通孔12a和12b，分别用于引出初级绕组2的进线端和出线端，利用液压钳将进线端和出线端分别与冷压接头压紧构成电极4a和4b，如图2至图4所示。在骨芯11上缠绕初级绕组2时，从靠近第一端部12的一侧开始缠绕，沿着骨芯11的高度方向依次缠绕第2-10匝导线直至达到第二端部13，至此第1层导线缠绕完毕。随后第二层导线从靠近第二端部13的一侧开始缠绕，直至达到第一端部12完成第2层导线的缠绕。第3-6层导线的缠绕同理。在缠绕的过程中，利用拉力机提供一定的预应力使绕组紧紧缠绕以提高绕组强度和抵抗变形。同时，在缠绕过程中在导线上涂刷加固剂7，如图2所示。加固剂7是环氧树脂和固化剂的混合剂，同样用于提高绕组的机械强度。这是本发明为避免绕组在大电流作用下发生变形而采取的两个特征手段。
图3为本发明提供的脉冲升流器沿A平面的右视剖面图；图4为本发明提供的脉冲升流器沿B平面的前视剖面图；如图所示，初级绕组2缠绕完毕后，在其外围缠绕加固纤维使其完全包裹初级绕组2构成第一加固层51，即在初级绕组2外面设置一层加固层51，在缠绕加固纤维过程中同样施加预应力并在加固纤维上涂刷加固剂。利用加固纤维对绕组进行缠绕是本发明为避免绕组在大电流作用下发生变形而采取的第三个特征手段。根据应力仿真结果，为保证在电极4上施加20kV高压时初级绕组2不发生破坏变形，取第一加固层51的厚度为5mm。加固纤维采用极限强度为4.0GPa的Zylon有机纤维。
感应环3为环状结构，在环状结构上设置有括绝缘间隙31和设置在绝缘间隙两侧的输出端子32，输出端子32上设置有两个圆柱形通孔并作为外接电极。为了在感应环3上感应出尽量大的脉冲电流，使其尽可能靠近初级绕组2，取其内半径为89.5mm。受趋肤效应影响，在脉冲高频下感应环3中的感应电流集中分布在内侧，当感应环3的厚度大于趋肤深度时会造成铜材料的浪费。但是，感应环3受到沿径向往外的电磁力，增大厚度有利于提高感应环3的机械强度。感应环的宽度同初级线圈2的宽度相同，可以实现将初级绕组产生的磁场限制在内部，避免能量的损耗，根据仿真结果并综合考虑以上两方面因素，取感应环3的厚度为7mm。为了保证在电极4上施加20kV高压时，在感应环3的绝缘间隙31上不发生击穿，取绝缘间隙31的宽度为4mm并用同等宽度和厚度的环氧树脂长条填充。输出端子32的宽度取为25mm，高度取为35mm。
感应环3与初级绕组2同心，放置在第二端部13上方，输出端子32通过贯穿槽13a中心并贯穿第二端部。在感应环3和第二端部13的接触面上涂刷加固剂7，如图2所示，使两者不发生相对位移，在第二端部13的贯穿槽内部填充加固剂7，用以提高输出端子32的机械强度，避免输出端子32在电磁力作用下发生变形。取固定环6的内半径为89.1mm，外半径为110mm，高度为30mm。将固定环6放置在感应环3上方，在固定环6和第一端部12的接触面、固定环6和感应环3的接触面上分别涂刷加固剂7，从而固定环6与第二端部13一起夹紧感应环3，如图3和图4所示。同样地，在感应环3上缠绕加固纤维构成第二加固层52，缠绕过程中利用拉力机提供预应力并在加固纤维上涂刷加固剂7。取第二加固层52的厚度为5mm。
实际应用本发明时，只需要将脉冲电流发生器的输出端与电极4相连，将感应环3的输出端子与负载两端相连，再利用脉冲电流发生器输出初级脉冲电流，即可在感应环3上感应出幅值更高的次级脉冲电流并输出到负载。由图5可见，本发明可以将脉冲电流发生器的输出脉冲电流幅值放大。本发明具有使用方便、通用性强、可重复使用等优点。
本发明提供脉冲电流产生装置，包括：脉冲产生器和输入端与脉冲产生器的输出端连接的脉冲升流器；脉冲产生器用于产生初级脉冲电流，脉冲升流器用于对初级脉冲电流进行升流处理，输出幅值放大的脉冲电流。
本发明提供的脉冲电流产生装置，通过脉冲升流器对脉冲产生器输出的电流进行升流处理，在脉冲电流发生器的电容器容量和放电电压以及开关最大允许电流不变的情况下，提高了输出到负载的脉冲电流值，从而解决了现有脉冲电流发生器受限于电容器容量和放电电压以及开关最大允许电流，无法向负载提供更高幅值的脉冲电流的问题。
本发明提供一种脉冲升流器的制备方法，包括如下步骤：
对导线以施加预紧力和加固剂的方式缠绕在线圈骨架的骨芯上，制备并固定初级线圈；
在骨芯上缠绕初级绕组时，从靠近第一端部的一侧开始缠绕，沿着骨芯的高度方向通过施加预紧力和加固剂的方式依次缠绕导线直至达到第二端部，完成第1层导线缠绕；随后第二层导线从靠近第二端部的一侧通过施加预紧力和加固剂的方式缠绕导线，直至达到第一端部完成第2层导线的缠绕；后续各层导线按照上述方式缠绕。
对加固纤维以施加预紧力和加固剂的方式缠绕至初级线圈上，制备并固定第一加固层；
将感应环套于第一加固层外，并让感应环的输出端贯穿线圈骨架的第二端部的槽中，通过在线圈骨架的第二端部的槽中涂覆加固剂，实现感应环的固定；
将固定环套于线圈骨架的第一端部外，通过在固定环同感应环接触面、线圈骨架的第一端部上涂覆加固剂实现固定环固定；
对加固纤维以施加预紧力和加固剂的方式缠绕至感应环上，制备以及固定第二加固层，完成脉冲升流器的制备。
本发明提供的制备方法，通过将加固剂被配置在所述导线和所述加固纤维上、感应环和所述第二端部之间以及所述贯穿槽内部，用于提高所述导线、所述加固纤维和所述输出端子的机械强度，同时在制备初级线圈、第一加固层以及第二加固层的过程中，施加预紧力，进一步提高初级线圈、第一加固层以及第二加固层的机械强度。
以上描述显示了本发明的基本原理、主要特征和优点，但本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明会有各种变化和改进。本发明要求保护范围由权利要求书界定。
Claims (9)
1.一种脉冲升流器，其特征在于，包括：
从内到外依次嵌套布置的线圈骨架、初级线圈以及感应环，和同感应环并排套于初级线圈外的固定环；在初级线圈和感应环之间设置有气隙；
初级线圈的输入端作为脉冲升流器的输入端，感应环为环状导体结构，在感应环上设置有绝缘间隙，绝缘间距的两端作为脉冲升流器的输出端；固定环用于同线圈骨架共同固定初级线圈和感应环；
脉冲电流经由脉冲升流器的输入端进入初级线圈，通过初级线圈、感应环以及初级线圈同感应环之间的气隙实现将脉冲电流升压为高脉冲电流。
2.权利要求1所述的脉冲升流器，其特征在于，脉冲升流器还包括：
第一加固层和第二加固层，第一加固层位于初级线圈和感应环之间，第二加固层套于感应环的外部，用于防止初级线圈和感应环受到电磁力沿径向变形。
3.权利要求1或2所述的脉冲升流器，其特征在于，线圈骨架包括：
骨芯以及在骨芯的两端分别设置的第一端部和第二端部，第一端部和第二端部同心固定在骨芯上，初级线圈上端与第一端部接触，初级线圈下端与第二端部接触，第一端部和第二端部用于限制初级线圈受到电磁力后沿轴向变形。
4.权利要求3所述的脉冲升流器，其特征在于，线圈骨架的第一端部设有两个通孔，在线圈骨架的第二端部设有槽，初级线圈的进线端和出线端各穿过一个通孔，感应环的输出端穿过槽。
5.权利要求1至4任一项所述的脉冲升流器，其特征在于，感应环的宽度同线圈的宽度相同，可以实现将初级绕组产生的磁场限制在内部，避免能量的损耗。
6.权利要求1至5任一项所述的脉冲升流器，其特征在于，所述第一加固层和第二加固层均为极限强度在3.0GPa以上的玻璃纤维或有机纤维。
7.一种基于权利要求1所述的脉冲升流器的脉冲电流产生装置，其特征在于，包括：
脉冲产生器和输入端与脉冲产生器的输出端连接的脉冲升流器；
脉冲产生器用于产生初级脉冲电流，脉冲升流器用于对初级脉冲电流进行升流处理，输出幅值放大的脉冲电流。
8.一种基于权利要求1所述的脉冲升流器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
对导线以施加预紧力和加固剂的方式缠绕在线圈骨架的骨芯上，制备并固定初级线圈；
对加固纤维以施加预紧力和加固剂的方式缠绕至初级线圈上，制备并固定第一加固层；
将感应环套于第一加固层外，并让感应环的输出端贯穿线圈骨架的第二端部的槽中，通过在线圈骨架的第二端部的槽中涂覆加固剂，实现感应环的固定；
将固定环套于线圈骨架的第一端部外，通过在固定环同感应环接触面、线圈骨架的第一端部上涂覆加固剂实现固定环固定；
对加固纤维以施加预紧力和加固剂的方式缠绕至感应环上，制备以及固定第二加固层，完成脉冲升流器的制备。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在骨芯上缠绕初级绕组包括如下步骤：
从靠近第一端部的一侧开始缠绕，沿着骨芯的高度方向通过施加预紧力和加固剂的方式依次缠绕导线直至达到第二端部，从靠近第二端部的一侧通过施加预紧力和加固剂的方式缠绕导线，直至达到第一端部，完成一个周期导线的缠绕；重复上述步骤实现多个周期导线的缠绕。
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