CN110660569A - 一种同轴结构的脉冲成形电感器及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同轴结构的脉冲成形电感器及其加工方法，包括螺旋状的电感导体；所述电感导体的内侧设有绝缘内筒；所述电感导体的外侧设有绝缘外筒；所述绝缘内筒的内侧，且位于电感导体的轴心位置设有同轴；所述绝缘内筒和所述同轴之间形成中空结构；所述电感导体和所述同轴的同一端设有圆形的导电板；所述电感导体远离导电板的一侧设有电极引出端；所述同轴远离导电板的一端形成同轴引出端；所述同轴垂直连接所述导电板。本发明的同轴结构通过高功率密度设计、严谨结构方案处理，使本发明能够承受大电流所带来的电磁冲击力与热沉积，还能保证同轴结构对脉冲成形电感器耐压效果与良好的导电性能。
Description
技术领域
本发明属于电感器技术领域，特别涉及一种同轴结构的脉冲成形电感器及其加工方法。
背景技术
随着新概念武器装备的发展，电磁发射技术作为一种新概念武器装备应用尤为突出和普遍，作为电磁发射技术中的关键单元－－脉冲功率源的高功率密度要求越来越高，其中的脉冲成形电感器，在脉冲功率源中起着关键性的作用。随着装备化应用的需求，脉冲功率源对高功率密度、小型化的要求越来越迫切。
发明内容
针对上述问题，本发明一种同轴结构的脉冲成形电感器，包括螺旋状的电感导体；
所述电感导体的内侧设有绝缘内筒；
所述电感导体的外侧设有绝缘外筒；
所述绝缘内筒的内侧，且位于电感导体的轴心位置设有同轴；
所述绝缘内筒和所述同轴之间形成中空结构；
所述电感导体和所述同轴的同一端设有圆形的导电板；
所述电感导体远离导电板的一侧设有电极引出端；
所述同轴远离导电板的一端形成同轴引出端；
所述同轴垂直连接所述导电板。
优选的，所述同轴引出端上设有两个平行相对应的平面。
优选的，所述平面上垂直贯穿通孔。
优选的，所述电极引出端包括与电感导体连接的环形导电板；
所述环形导电板的边缘向外延伸形成延伸部；
所述延伸部上设有通孔。
优选的，所述同轴采用紫铜材质。
优选的，所述同轴引出端采用绝缘处理。
优选的，所述同轴引出端通过绝缘端子进行绝缘处理；
所述绝缘端子包括管状件，以及连接在管状件一端的环形板件。
优选的，所述管状件的内径与同轴的直径相同；
所述管状件的外径与绝缘内筒的内径相等。
优选的，所述环形板件上远离管状件的一侧设有环形槽；
所述环形槽围绕环形板件的圆心设置。
根据上述的同轴结构的脉冲成形电感器的加工方法，包括：
第一步：预制电感导体、同轴和电极引出端；
第二步：将电感导体进行绝缘处理，并将电感导体与同轴结构进行连接；
第三步：上述第二步后的组合件装入绝缘内筒和绝缘外筒，并进行定位加固；
第四步：将管状绝缘端子套装入同轴引出端与平行端；
第五步：将电极引出端与电感导体进行连接，并固定。
第六步：对电感导体进行灌胶封装。
本发明结构紧凑，稳定性高，便于生产加工，同轴结构通过高功率密度设计、严谨结构方案处理。同轴结构通过高功率密度设计、严谨结构方案处理，使本发明能够承受大电流所带来的电磁冲击力与热沉积，还能保证同轴结构对脉冲成形电感器耐压效果与良好的导电性能。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例的剖面结构示意图；
图2示出了本发明实施例的整体结构示意图；
图3示出图2的A方向结构示意图；
图4示出了本发明的绝缘连接端子的轴测图
图5示出了本发明的同轴结构的脉冲成形电感器的电路原理图；
图6示出了本发明的同轴结构截面上磁感应强度分布示意图；
图7示出了本发明同轴结构断面应力示意图；
图8示出了本发明的同轴结构的脉冲成形电感器的放电测试电路图；
图9示出了本发明实施例的电流互感器采集波形示意图；
图10示出了电感导体受力分析图；
图11示出了同轴受力分析图；
图中：1、同轴；2、导电板；3、电感导体；4、绝缘内筒；5、绝缘外筒；6、同轴引出端；7、电极引出端；8、绝缘端子；81、管状件；82、环形板件。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种同轴结构的脉冲成形电感器，该同轴结构合理利用脉冲成型电感器的空心结构特性，在同轴引出端位置采用具有绝缘性高、耐高温能力强、介电常数好的聚四氟材料作为高压绝缘处理。
具体的，图1示出了本发明的同轴1结构的脉冲成形电感器的剖面结构示意图，如图1所示，本发明包括螺旋状结构的电感导体3，具体的，电感导体3为中空紫铜导体。本发明还包括设置在电感导体3轴心的同轴1。在脉冲成型电感器的一端设置圆板状的导电板2，电感导体3的一端与导电板2连接，同轴1的一端垂直设置在导电板2的圆心位置。为保证整个脉冲成型电感器的安全性，在电感导体3的外侧和内侧分别设置绝缘外筒5 和绝缘内筒4。
图2示出了本发明的同轴1结构的脉冲成形电感器的整体结构示意图，如图2所示，脉冲成型电感器的绝缘外筒5包裹电感导体3的外壁。
图3示出了本发明的图2的A方向的结构示意图，如图3所示，导电板2的底面暴露在外，绝缘外筒5包裹导电板2的边缘位置。
为将同轴1引出，以方便连接同轴1，在同轴1远离导电板2的一端形成同轴引出端6结构。具体的，如图1所示，同轴1为圆柱形结构，在同轴引出端6上切割形成两个平行于同轴1轴心的平面，两个大小相同，且平行相对。在该平面上垂直贯穿通孔，通过垂直贯穿的通孔，可方便线缆的连接工作。示例性的，在该平面上设置两个通孔，两个通孔沿同轴1轴心方向设置，两个通孔的最远距离小于该平面的长度，通孔的最大直径应小于该平面的宽度。并且该平面的宽度应小于同轴1的直径。
为将电感导体3引出，在电感导体3远离导电板2的另一端连接电极引出端7。具体的，电感导体3远离导电板2的电极引出端7为一个环形导电板件，环形导电板件的侧面与电感导体3连接。在环形导电板件的一侧向外延伸形成延伸部。同时，为方便延伸部与其他线缆或连接件连接，在延伸部上设置通孔。示例性的，延伸部上设置两组及两组以上通孔时，通孔设置在同一直线方向上，并且，该方向垂直于同轴1的轴向。
需要说明的是，本发明的同轴1选用导电性能良好的紫铜(T1)材料，既保证其良好的导电性能，也满足了脉冲功率源的低阻抗损耗要求。并且，本发明的同轴1材质并不限于紫铜材质，也可以为其他具有相似的性能的材质。以此能够在高电压、大电流、连续性工作条件下，承受大电流所带来的电磁冲击力和热沉积。而且还保证同轴1结构对脉冲成型器件耐压条件与良好的导电性能。
为了对同轴1进行高压绝缘处理，在脉冲成型电感器上还设置绝缘连接端子。具体的，图4示出了本发明的绝缘连接端子的轴测图，如图4所示，绝缘连接端子包括一管状件81，以及连接在管状件81一端的环形板件 82，管状件81的内径与同轴1的外径相等，同轴1穿过管状件81。并且绝缘内筒4的内径与管状件81的外径相等，以此使管状件81刚好置于绝缘内筒4和同轴1之间，以此可进一步提高绝缘内筒4和同轴1之间相对稳定性。环形板件82为圆板状结构，为保证环形板件82在受热变形时的稳定性，在环形板件82远离管状件81的一侧围绕环形板件82圆心位置设置若干组环形凹槽。需要说明的是，本发明的绝缘端子8采用具有绝缘性能高、耐高温能力强、介电常数好的聚四氟材料作为高压绝缘处理的绝缘连接端子。
本发明还提出了同轴结构的脉冲成形电感器的加工方法，包括：
第一步：预制电感导体、同轴和电极引出端；
电感导体通过紫铜材质线缆绕制。可采用绕线机以及相应的绕线模具将线缆绕制形成中空的电感导体。
同轴采用紫铜材质加工成型，并在同轴一端切割两个平行平面，形成平行端。在平行端上开孔。
电极引出端通过激光切割制造。
第二步：将电感导体进行绝缘处理，并将电感导体与同轴结构进行连接；
第三步：上述第二步后的组合件装入绝缘内筒和绝缘外筒，并进行定位加固；
第四步：将管状绝缘端子套装入同轴引出端与平行端；
第五步：将电极引出端与电感导体进行连接，并固定。
第六步：对电感导体进行灌胶封装。
图5示出了本发明的同轴结构的脉冲成形电感器的电路原理图。脉冲成形电感器的技术指标要求：工作电压10kV，正常工作电流峰值：160kA，工作电流峰值10％处有效脉宽2ms，每6s一次放电连续性工作。其中，同轴重量约为：20kg，绝缘内筒约：3kg，绝缘外筒约：5kg，导体重量约6kg；比热容：C＝386J/(kg·℃)；短时间内视为电抗器绝热，则电抗器在正常情况下的单次工作温升为：
导体受力的计算是通过ANSYS软件仿真，因为可以忽略集肤效应的影响，所以采用了稳态磁场解算器解算，其结果与实际情况的差别不大。
图6可以看出磁感应强度B在截面上是极不均匀分布的，所以断面的受力分布也是不均匀的。下面给出相应的分析结果，并对结果进行简单说明：
工作情况下：磁感应强度最高约9×104GS；在线性系统中力与电流的平方成正比；磁场强度与电流一次方成正比。
工作情况下：磁感应强度最高约9×104GS；在线性系统中力与电流的平方成正比；磁场强度与电流一次方成正比。
从图7可以看出：
最大位移距离：δ＝0.3×10-4m；
相对位移：k＝0.03÷57.5＝5.2×10-4；
由公式推算最大应力：σ＝19600×5.2×10-4＝10.192kg/mm2(取E＝196MPa)；
考虑磁体填充系数：σ＝4.9×4÷3.14＝12.98kg/mm2；
这样，通过计算出来的最大应力与仿真结果直接给出的最大应力基本上是一致的。紫铜的抗拉强度为200Mpa～240Mpa，即20kg/mm2～24kg/mm2，这样看来磁体导体的最大应力小于材料的抗拉应力。
图8示出了本发明的同轴结构的脉冲成形电感器的放电测试电路图，如图8所示，在高压充电极的高压输出端(HV+)连接固态开关，通过固态开关连接到脉冲成型电感器，脉冲成型电感器的通过放电电阻接地。在高压充电极的高压输出端和接地端(GND)之间并联电容C1，高压充电极的接地端接地。通过电流互感器测量电容C1和放电电阻之间的电流，电流互感器将测量数据传递给放电电流检测。
将待测同轴结构连接至回路中，高压充电极通过T型保护回路给储能电容充电，到达额定电压后通过固态开关将能量加载在脉冲成形电感器中，通过电感器将能量释放到待测同轴结构回路中，通过电流互感器采集电流波形。
图8中示出的电容C1参数为DC10kV 5120μF，脉冲成形电感器参数为7uH，当电容C1充电达到DC10kV时进行触发放电，电流互感器采集波形如图9所示。
图8所示波形为电流互感器Pearson1080(1V:5000A)采集波形，由图 8可见同轴结构在160kA下能够正常工作，试验前后同轴结构附近无打火现象并且外观无形变发生。
图10示出了电感导体受力分析图，如图10，可以观察出电感导体受力方向为：上端受力倾斜向下并向内，中部受力垂直向下，下部倾斜向下并向外；
图11示出了同轴结构受力分析图，图11所示，同轴的受力方向为：同轴上端受力倾斜向上并向外，中部受力向上，下部受力倾斜向上并向外。可见，同轴结构受到的电磁力具体与电感所产生的电磁力有相抵效果。
为此关于轴向电磁力的验证采取对比形式，分别采用两种不同的方式装配将脉冲成形电感器装配在图8所示回路中，即普通装配与同轴装配；在距离此装配50mm～100mm处立置一块100mm*100mm*5mm(长宽厚) 环氧板，发现将电容器充电达到DC8kV进行触发放电时，普通装配的环氧板由于受到轴向力发生了倾倒现象，同样的方法而采用同轴装配的环氧板在电容器达到DC10kV触发放电的情况下未发生倾倒现象。
同轴结构通过高功率密度设计、严谨结构方案处理最终实现了技术条件，并通过试验平台进行验证，解决了脉冲电流的电磁力问题，使得结构内部布局简单。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种同轴结构的脉冲成形电感器，其特征在于，包括螺旋状的电感导体(3)；
所述电感导体(3)的内侧设有绝缘内筒(4)；
所述电感导体(3)的外侧设有绝缘外筒(5)；
所述绝缘内筒(4)的内侧，且位于电感导体(3)的轴心位置设有同轴(1)；
所述绝缘内筒(4)和所述同轴(1)之间形成中空结构；
所述电感导体(3)和所述同轴(1)的同一端设有圆形的导电板(2)；
所述电感导体(3)远离导电板(2)的一侧设有电极引出端(7)；
所述同轴(1)远离导电板(2)的一端形成同轴引出端(6)；
所述同轴(1)垂直连接所述导电板(2)。
2.根据权利要求1所述的同轴结构的脉冲成形电感器，其特征在于，
所述同轴引出端(6)上设有两个平行相对应的平面。
3.根据权利要求2所述的同轴结构的脉冲成形电感器，其特征在于，
所述平面上垂直贯穿通孔。
4.根据权利要求1所述的同轴结构的脉冲成形电感器，其特征在于，
所述电极引出端(7)包括与电感导体(3)连接的环形导电板；
所述环形导电板的边缘向外延伸形成延伸部；
所述延伸部上设有通孔。
5.根据权利要求1所述的同轴结构的脉冲成形电感器，其特征在于，
所述同轴(1)采用紫铜材质。
6.根据权利要求1所述的同轴结构的脉冲成形电感器，其特征在于，
所述同轴引出端(6)采用绝缘处理。
7.根据权利要求1或6所述的同轴结构的脉冲成形电感器，其特征在于，
所述同轴引出端(6)通过绝缘端子(8)进行绝缘处理；
所述绝缘端子(8)包括管状件(81)，以及连接在管状件(81)一端的环形板件(82)。
8.根据权利要求7所述的同轴结构的脉冲成形电感器，其特征在于，
所述管状件(81)的内径与同轴(1)的直径相同；
所述管状件(81)的外径与绝缘内筒(4)的内径相等。
9.根据权利要求7所述的同轴结构的脉冲成形电感器，其特征在于，
所述环形板件(82)上远离管状件(81)的一侧设有环形槽；
所述环形槽围绕所述环形板件(82)的圆心设置。
10.一种同轴结构的脉冲成形电感器的加工方法，其特征在于，包括：
第一步：预制电感导体、同轴和电极引出端；
第二步：将电感导体进行绝缘处理，并将电感导体与同轴结构进行连接；
第三步：上述第二步后的组合件装入绝缘内筒和绝缘外筒，并进行定位加固；
第四步：将管状绝缘端子套装入同轴引出端与平行端；
第五步：将电极引出端与电感导体进行连接，并固定；
第六步：对电感导体进行灌胶封装。
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Denomination of invention: A Coaxial Pulse Forming Inductor and Its Processing Method Effective date of registration: 20220929 Granted publication date: 20210604 Pledgee: Hefei Xingtai technology financing Company limited by guarantee Pledgor: HEFEI BOLEI ELECTRICITY Co.,Ltd. Registration number: Y2022980016813 |
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