CN112786308B - 磁压接电极结构、峰化电容器以及兆伏级电磁脉冲模拟器 - Google Patents

磁压接电极结构、峰化电容器以及兆伏级电磁脉冲模拟器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁压接电极结构、峰化电容以及兆伏级电磁脉冲模拟器。本发明的磁压接电极结构包括高压电极环、永磁体、紧配环、上导磁片以及下导磁片；高压电极环的内孔中自下而上依次同轴设置下导磁片、永磁体以及上导磁片；下导磁片采用先液氮冷却，再使用压机的方式安装于高压电极环内孔中，并均与高压电极环的内孔为过盈配合；上导磁片与高压电极环的内孔之间安装紧配环；紧配环采用先液氮冷却，再使用压机的方式安装于上导磁片与高压电极环的内孔之间。该磁压接电极结构具有强磁力、大面积电极压接均匀和金属表面的平整光滑等优点。

Description

磁压接电极结构、峰化电容器以及兆伏级电磁脉冲模拟器
技术领域
本发明属于电磁脉冲技术领域，具体涉及一种磁压接电极结构、峰化电容以及兆伏级电磁脉冲模拟器。
背景技术
电磁脉冲模拟器是一种产生快前沿电磁脉冲的装置，按结构形式可分为有界波模拟器和辐射波模拟器。有界波模拟器结构示意图如图1所示，图中虚线所包围的就是磁力压紧式平板型峰化电容器。峰化电容器是脉冲功率源的核心部件，为了获得快前沿脉冲，必须减小峰化输出回路的电感。也就是减小输出回路中峰化电容器和输出开关的电感，即减小这两个元件的几何尺寸，但峰化电容器必须能够承受高达几MV的脉冲高压。
有界波模拟器典型工作过程是：由初级脉冲产生器1产生一个前沿较慢的高压脉冲，通过高压脉冲输出端2给峰化电容器4快速充电，峰化电容器4充电到一定电压后，开关3击穿，快前沿电脉冲通过天线5传播，产生实验所需的电磁脉冲场。
现有的峰化电容器4由一个上极板6、一个或多个中间极板7，一个下极板8以及一系列绝缘薄膜9组成。由于峰化电容器4的容值一般都很小，大部分采用气绝缘，为了使电容值稳定，一种利用强力磁铁之间的吸力压紧薄膜的峰化电容器的理论被提出，这种方式理论上可实现电容值的稳定，同时减少了绝缘薄弱环节。
但如何将永磁体内嵌于金属电极中间，并实现强磁力、大面积电极压接均匀和金属表面的平整光滑是一个急需解决的问题。
发明内容
为了解决背景技术中现有技术难以实现将永磁体内嵌于金属电极中间，并实现强磁力、大面积电极压接均匀和金属表面的平整光滑的电极结构，本发明提供给了一种磁压接电极结构；
同时本发明还提供了一种采用该磁压接电极结构的可满足低电感、低阻抗脉冲要求的峰化电容器，以及可抑制绝缘表面闪络的兆伏级电磁脉冲模拟器。
本发明的技术方案是：
提供了一种磁压接电极结构，包括高压电极环、永磁体、紧配环、上导磁片以及下导磁片；
高压电极环的内孔中自下而上依次同轴设置下导磁片、永磁体以及上导磁片；
其中，下导磁片采用先液氮冷却，再使用压机的方式安装于高压电极环内孔中，并均与高压电极环的内孔为过盈配合；
上导磁片与高压电极环的内孔之间安装紧配环；紧配环采用先液氮冷却，再使用压机的方式安装于上导磁片与高压电极环的内孔之间。
进一步地，为了增大金属电极表面的磁场强度，上述永磁体选用钕铁硼等强磁性材料，该材料具有极高的磁能积和矫顽力，同时良好的机械特性和高能量密度的优点。上导磁片、下导磁片均选用2Cr13材料制作，高压电极为304不锈钢材料制作。
基于上述磁压接电极结构，现提供一种使用该电极结构的峰化电容器，包括一个上极板、N个中间极板，一个下极板以及多层绝缘薄膜；
上极板、中间极板以及下极板均采用上述磁压接电极结构，并且上极板中永磁体与下极板中永磁体的极性相反；
与上极板相邻的中间极板中的永磁体，与上极板中的永磁体极性相反；
与下极板相邻的中间极板中的永磁体，与下极板中的永磁体极性相反；
每相邻两个中间极板的永磁体极性相反。
为实现大面积电极压力分布的均匀性，本发明还提供了另一种磁压接电极结构，包括高压电极环、金属支撑盘以及N个永磁体组件；
高压电极环内同轴设置金属支撑盘；
金属支撑盘上均匀分布N个安装孔，每个安装孔内均设有永磁体组件；
永磁体组件包括在安装孔内自下而上设置的下导磁片、永磁体、上导磁片；
下导磁片采用先液氮冷却，再使用压机的方式安装于安装孔中，并均与安装孔为过盈配合；
紧配环采用先液氮冷却，再使用压机的方式安装于上导磁片与安装孔之间。
进一步地，为了增大金属电极表面的磁场强度，上述永磁体选用钕铁硼等强磁性材料，该材料具有极高的磁能积和矫顽力，同时良好的机械特性和高能量密度的优点。上导磁片、下导磁片均选用2Cr13材料制作，高压电极为304不锈钢材料制作。
基于上述磁压接电极结构，现提供一种使用该电极结构的峰化电容器，包括一个上极板、N个中间极板，一个下极板以及多层绝缘薄膜；
上极板、中间极板以及下极板均采用上述磁压接电极结构，并且上极板中永磁体组件与下极板中永磁体组件的极性相反；
与上极板相邻的中间极板的永磁体组件，与上极板的永磁体组件极性相反；
与下极板相邻的中间极板的永磁体组件，与下极板的永磁体组件极性相反；
每相邻两个中间极板的永磁体组件极性相反。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用高压电极环、永磁体、紧配环、上导磁片以及下导磁片构成了可实际使用的磁压接电极结构，并通过液氮冷却，在压机装配的方式，实现了上述零件的紧密配合，为后续磁压接电极结构的上下表面加工提供了有力的支撑。
2、本发明将上述磁压接电极结构和多层绝缘薄膜构成的峰化电容器，实现了峰化电容值的稳定，同时有效抑制了薄膜沿面闪络，有效提高了高功率脉冲下沿面闪络电压，提升高功率脉冲源指标参数。
3、本发明提供两种磁压接电极结构，分别适用于两种不同的场景，一种适应于电极直径小于200mm情形；另一种适用于电极直径大于200mm的情况，进一步地提升了该结构的压接力分布的均匀性，提高电容可靠性，减小薄膜损伤的概率。
附图说明
图1是有界波模拟器结构示意图。
图2是本发明基于磁力压接平板峰化电容器电极结构单个强磁场局部示意图。
图3是本发明基于磁力压接平板峰化电容器永磁体布局图。
附图标记如下：
1-初级脉冲产生器、2-高压脉冲输出端、3-开关、4-峰化电容器、5-天线、6-上极板、7-中间极板、8-下极板、9-绝缘薄膜。
10-高压电极环、11-永磁体、12-紧配环、13-上导磁片、14-下导磁片、15-金属支撑盘。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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有没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。
实施例1
本实施例提供了一种磁压接电极结构，如图2所示，该电极结构包括高压电极环10、永磁体11、紧配环12、上导磁片13以及下导磁片14；
高压电极环10的内孔中自下而上依次同轴设置下导磁片14、永磁体11以及上导磁片13；
其中，下导磁片14与高压电极环10的内孔为过盈配合；
上导磁片13与高压电极环10的内孔之间安装紧配环12。
为了增大金属电极表面的磁场强度，永磁体11选用钕铁硼等强磁性材料，该材料具有极高的磁能积和矫顽力，同时良好的机械特性和高能量密度的优点。上导磁片13、下导磁片14均选用2Cr13材料制作，高压电极环10为304不锈钢材料制作。
该电极结构的制作方法为：
1、将下导磁片14在液氮中冷却，用压机将下导磁片14装入高压电极环10的内孔中，再将永磁体11装入高压电极环10的内孔，安装时注意磁极方向。
2、之后将加工后的紧配环12、上导磁片13在液氮中冷却，用压机将紧配环12、上导磁片13装入紧配环12的内孔中。
3、装配完成后，时效20天，以消除应力。
4、装配完成了将磁压接电极结构的上、下表面加工磨平，以保证0.05mm平面度和平行度0.05mm。
利用上述方法加工完成多个磁压接电极结构，并将磁压接电极结构配合多个绝缘薄膜制作成峰化电容器；即就是说峰化电容器的上极板、中间极板以及下极板均采用上述磁压接电极结构；(即就是多个磁压接电极结构依次叠放，每层磁压接电极结构之间设置绝缘薄膜)；
需要注意的是：
上极板(最上层磁压接电极结构)中永磁体与下极板(最下层磁压接电极结构)中永磁体的极性相反；
与上极板相邻的中间极板中的永磁体，与上极板中的永磁体极性相反；
与下极板相邻的中间极板中的永磁体，与下极板中的永磁体极性相反；
每相邻两个中间极板的永磁体极性相反。
将以上峰化电容器与初级脉冲产生器、高压脉冲输出端、开关、天线进行装配即可组装成一个兆伏级电磁脉冲模拟器。
实施例2
为实现大面积电极压力分布的均匀性，本实施例还提供了另一种磁压接电极结构，如图3所示，包括高压电极环10、金属支撑盘15以及N个永磁体组件16；
高压电极环10内同轴设置金属支撑盘15；
金属支撑盘15上均匀分布N个安装孔17，每个安装孔17内均设有永磁体组件16；
参见图2，永磁体组件16包括在安装孔内自下而上设置的下导磁片14、永磁体11、上导磁片13；
下导磁片14与安装孔17为过盈配合；
紧配环12安装于上导磁片13与安装孔17之间。
为了增大金属电极表面的磁场强度，上述永磁体11选用钕铁硼等强磁性材料，该材料具有极高的磁能积和矫顽力，同时良好的机械特性和高能量密度的优点。上导磁片13、下导磁片14均选用2Cr13材料制作，高压电极环10和金属支撑盘15均为304不锈钢材料制作。
该电极结构的制作方法为：
1、一个永磁体组件16的装配：
1.1、将下导磁片14在液氮中冷却，用压机将下导磁片14装入金属支撑盘15的安装孔17中，再将永磁体11装入安装孔17，安装时注意磁极方向。
1.2、之后将加工后的紧配环12、上导磁片13在液氮中冷却，用压机将紧配环12、上导磁片13装入紧配环12的内孔中。
2、重复步骤1.1和1.2将N个永磁体组件16分别安装于金属支撑盘15的N个安装孔17内；
3、装配完成后，时效20天，以消除应力。
4、装配完成了将磁压接电极结构的上、下表面加工磨平，以保证平面度和平行度。
利用上述方法加工完成多个磁压接电极结构，并将磁压接电极结构配合多个绝缘薄膜制作成峰化电容器；即就是说峰化电容器的上极板、中间极板以及下极板均采用上述磁压接电极结构；(即就是多个磁压接电极结构依次叠放，每层磁压接电极结构之间设置绝缘薄膜)；
需要注意的是：
上极板(最上层磁压接电极结构)中永磁体组件与下极板(最下层磁压接电极结构)中永磁体组件的极性相反；
与上极板相邻的中间极板的永磁体组件，与上极板的永磁体组件极性相反；
与下极板相邻的中间极板的永磁体组件，与下极板的永磁体组件极性相反；
每相邻两个中间极板的永磁体组件极性相反。
这种磁压接电极结构的每个永磁体组件中永磁体的极性一致。
将以上峰化电容器与初级脉冲产生器、高压脉冲输出端、开关、天线进行装配即可组装成一个兆伏级电磁脉冲模拟器。
本发明的说明书已经对发明内容给出了充分的说明，各结构的具体参数可以根据实际需求设定，普通技术人员足以通过本发明说明书的内容加以实施。在权利要求的框架下，任何基于本发明思路的改进都属于本发明的权利范围。

Claims (10)

1.一种磁压接电极结构，其特征在于：包括高压电极环、永磁体、紧配环、上导磁片以及下导磁片；
高压电极环的内孔中自下而上依次同轴设置下导磁片、永磁体以及上导磁片；
其中，下导磁片采用先液氮冷却，再使用压机的方式安装于高压电极环内孔中，并均与高压电极环的内孔为过盈配合；
上导磁片与高压电极环的内孔之间安装紧配环；紧配环采用先液氮冷却，再使用压机的方式安装于上导磁片与高压电极环的内孔之间。
2.根据权利要求1所述的磁压接电极结构，其特征在于：所述永磁体选用钕铁硼；上导磁片、下导磁片均选用2Cr13材料制作。
3.根据权利要求2所述的磁压接电极结构，其特征在于：高压电极为304不锈钢材料制作。
4.一种峰化电容器，包括一个上极板、N个中间极板，一个下极板以及多层绝缘薄膜；
其特征在于：
所述上极板、中间极板以及下极板均采用如权利要求1-3之一所述的磁压接电极结构；
其中，上极板中永磁体与下极板中永磁体的极性相反；
与上极板相邻的中间极板中的永磁体，与上极板中的永磁体极性相反；
与下极板相邻的中间极板中的永磁体，与下极板中的永磁体极性相反；
每相邻两个中间极板的永磁体极性相反。
5.一种兆伏级电磁脉冲模拟器，其特征在于：采用了如权利要求4所述的峰化电容器。
6.一种磁压接电极结构，包括高压电极环、金属支撑盘以及N个永磁体组件；
高压电极环内同轴设置金属支撑盘；
金属支撑盘上均匀分布N个安装孔，每个安装孔内均设有永磁体组件；
永磁体组件包括在安装孔内自下而上设置的下导磁片、永磁体、上导磁片；
下导磁片采用先液氮冷却，再使用压机的方式安装于安装孔中，并均与安装孔为过盈配合；
紧配环采用先液氮冷却，再使用压机的方式安装于上导磁片与安装孔之间。
7.根据权利要求6所述的磁压接电极结构，其特征在于：所述永磁体选用钕铁硼；上导磁片、下导磁片均选用2Cr13材料制作。
8.根据权利要求7所述的磁压接电极结构，其特征在于：高压电极为304不锈钢材料制作。
9.一种峰化电容器，包括一个上极板、N个中间极板，一个下极板以及多层绝缘薄膜；
其特征在于：
上极板、中间极板以及下极板均采用如权利要求6-8之一所述的磁压接电极结构，并且上极板中永磁体组件与下极板中永磁体组件的极性相反；
与上极板相邻的中间极板的永磁体组件，与上极板的永磁体组件极性相反；
与下极板相邻的中间极板的永磁体组件，与下极板的永磁体组件极性相反；
每相邻两个中间极板的永磁体组件极性相反。
10.一种兆伏级电磁脉冲模拟器，其特征在于：采用了如权利要求9所述的峰化电容器。
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