CN117596762A - 一种用于放电等离子体的双极性纳秒脉冲电源 - Google Patents
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Abstract
本发明属于等离子电源技术领域，具体涉及一种用于放电等离子的双极性纳秒脉冲电源，包括壳体；壳体上设有两个高压输出端口；壳体内安装有主电机，主电机和第一皮带轮相连，第一皮带轮通过皮带和第二皮带轮相连，第二皮带轮上固定有旋转轴，旋转轴上固定有旋转叶片，旋转叶片的两端旋转针电极组件；旋转叶片的两端分别固定有整流电路板；主电机的一侧设有变压器，变压器的前侧固定有高压整流板；主电机的一侧壳体内固定有正高压储能电容和负高压储能电容，另一侧壳体内固定有正高压脉冲电容和负高压脉冲电容。本发明的电源脉冲上升沿时间≤20ns，电压≥30KV，完全满足等离子应用。
Description
技术领域
本发明属于等离子电源技术领域，具体涉及一种用于放电等离子的双极性纳秒脉冲电源。
背景技术
随着电力电子技术的飞速发展以及等离子体技术在生活中的广泛应用，脉冲电源的需求量也越来越大，并广泛应用于工业、民用以及军事等各个领域。这主要有以下几个方面的原因：首先它具有很高的功率密度E/N，能够产生高能量的电子使气体发生电离；其次它能够促使高效率、高密度、高能量的等离子体产生；并且它能在体系温度不高的情况下完成一些常规条件下无法实现的反应；而且它还能进一步解释一些气体电击穿机理无法解释的现象。
目前，放电等离子体已成为一种新型能源载体，它极大的响应了节能减排的号召。在军事、经济、医疗等各方面全面发展的今天，气体放电产生的等离子体已涉及众多领域，如表面改性、杀菌消毒、生物医疗以及飞机隐身等。但是就当前形势来看，国内外脉冲电源的研究重心都放在了大功率、强电流等理论物理方面，却忽视了实验室中用于放电等离子研究的小功率高压方波脉冲电源。
为了解决实验室中低温等离子体放电研究的实际需求，本发明设计了一款频率、幅度可调的双极性纳秒脉冲电源。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种用于放电等离子体的双极性纳秒脉冲电源。
本发明采用如下技术方案：
一种用于放电等离子体的双极性纳秒脉冲电源，包括壳体、主电机、内配电盘和外配电盘；
所述壳体的侧板上设有第一高压输出端口和第二高压输出端口；
所述壳体内安装有主电机，所述主电机的输出轴和第一皮带轮相连，所述第一皮带轮通过皮带和第二皮带轮相连，所述第二皮带轮的中间固定有旋转轴，所述旋转轴的另一端固定有旋转叶片，所述旋转叶片的两端分别固定有第一旋转针电极组件和第二旋转针电极组件；一端的两个第一旋转针电极组件分别和内配电盘和外配电盘上的板电极相对应；
在中空电机的内侧，所述旋转叶片的两端分别固定有整流电路板；
所述内配电盘或外配电盘上分别设有四个安装槽，所述内配电盘和外配电盘上的安装槽位于同一个圆周上，所述单个所述安装槽内安装有板电极组件；所述内配电盘和外配电盘上的板电极组件相对应；
所述主电机的一侧设有变压器，所述变压器的前侧固定有高压整流板；
在主电机的一侧，所述壳体内固定有正高压储能电容和负高压储能电容；
在主电机的另一侧，所述壳体内固定有正高压脉冲电容和负高压脉冲电容。
进一步的，所述旋转针电极组件包括中空电机，所述中空电机的输出轴和螺栓电阻相连，所述螺栓电阻和旋转针电极相连。
进一步的，所述板电极组件包括板电极本体，所述板电极本体安装在护套的一端，所述护套的一端设有堵头，所述堵头上安装有接线螺丝，在安装时将护套伸入安装槽内，并通过螺母固定。
进一步的，所述内配电盘和外配电盘上的四个板电极本体分别相对应，相邻板电极本体之间的夹角为45°、90°和135°，四个板电极本体分别命名为第一板电极本体、第二板电极本体、第三板电极本体和第四板电极本体；
进一步的，所述内配电盘上的第一板电极本体，通过导线连接至负高压储能电容；
所述内配电盘上的第二板电极本体和第三板电极本体通过导线并连至壳体上的高压输出端口；
所述内配电盘上的第四板电极本体，通过导线连接至正高压储能电容；
所述外配电盘上的第一板电极本体和第二板电极本体，通过导线连接至负高压脉冲电容；
所述外配电盘上的第三板电极本体和第四板电极本体，通过导线连接至正高压脉冲电容。
进一步的，所述旋转针电极采用不锈钢螺纹杆，与螺栓电阻实现螺纹连接；旋转叶片一端的对称设置的两个不锈钢螺纹杆的端面之间的距离大于内配电盘和外配电盘上相对应的板电极本体的端面之间的距离，距离之差为1-2mm。
进一步的，所述壳体内安装有第一横梁和第二横梁，所述第一横梁和第二横梁的两个侧面上安装有第一轴承组件和第二轴承组件，所述旋转轴依次穿过第一轴承组件和第二轴承组件和内配电盘和旋转叶片固定相连。
本发明的有益技术效果：
（1）本发明的电源脉冲上升沿时间≤20ns，电压≥30KV，完全满足等离子应用。
（2）本发明的电源结构简单，电子元器件少，故障点少，皮实耐用。
（3）本发明的旋转针电极在放电过程中不断发生自转，有效避免了针电极单一部位的烧蚀，可有效延长针电极使用寿命。经实测，电极使用寿命延长20倍以上，可工业化应用。
（4）本发明采用窃电技术，无需为旋转针电极电机提供额外电源，具有结构简单，成本低廉，抗干扰能力强，皮实耐用的特性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的结构示意图（不带壳体）；
图3为旋转针电极组件的结构示意图；
图4为板电极组件的结构示意图；
图5为内配电盘的电路连接示意图；
图6为外配电盘的电路连接示意图；
图7为本发明的原理图；
图8为针电极电机整流电路板原理图。
图中1、壳体，2、主电机，3、内配电盘，4、外配电盘，5、第一高压输出端口，6、第二高压输出端口，7、第一皮带轮，8、第二皮带轮，9、皮带，10、旋转轴，11、旋转叶片，12、中空电机，13、螺栓电阻，14、安装槽，15、整流电路板，16、变压器，17、高压整流板，18、正高压储能电容，19、负高压储能电容，20、正高压脉冲电容，21、负高压脉冲电容，22、护套，23、堵头，24、接线螺丝，25、螺母，26、第一横梁，27、第二横梁，28、第一轴承组件，29、第二轴承组件，30、第一板电极本体，31、第二板电极本体，32、第三板电极本体，33、第四板电极本体，34、第一旋转针电极，35、第二旋转针电极。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
参见图1-2，一种用于放电等离子体的双极性纳秒脉冲电源，包括壳体1、所述壳体1的侧板上设有第一高压输出端口5和第二高压输出端口6；
所述壳体1内安装有主电机2，所述主电机2的输出轴和第一皮带轮7相连，所述第一皮带轮7通过皮带和第二皮带轮8相连，所述第二皮带轮8的中间固定有旋转轴10；通过电机带动旋转轴10的旋转。
参见图3，所述旋转轴10的另一端固定有旋转叶片11，所述旋转叶片11的两端分别固定有第一旋转针电极组件和第二旋转针电极组件；
所述第一旋转针电极组件或第二旋转针电极组件包括中空电机12，单个所述中空电机12的输出轴和螺栓电阻13相连，所述螺栓电阻13和旋转针电极相连；
单个所述旋转针电极采用不锈钢螺纹杆，与螺栓电阻13实现螺纹连接；旋转叶片11一端的对称设置的两个不锈钢螺纹杆的端面之间的距离大于内配电盘3和外配电盘4上相对应的板电极本体的端面之间的距离，距离之差为1-2mm。在中空电机12的内侧，所述旋转叶片11的两端分别固定有整流电路板15。
所述主电机2的一侧设有变压器16，所述变压器16的前侧固定有高压整流板17；
在主电机2的一侧，所述壳体1内固定有正高压储能电容18和负高压储能电容19；
在主电机2的另一侧，所述壳体1内固定有正高压脉冲电容20和负高压脉冲电容21。
在主电机2的前方，所述壳体1内安装有第一横梁26和第二横梁27，所述第一横梁26和第二横梁27用来安装第一轴承组件28和第二轴承组件29，所述第一轴承组件28和第二轴承组件29分别安装在第一横梁26和第二横梁27的两个侧面上，所述旋转轴10依次穿过第一轴承组件28和第二轴承组件29和旋转叶片11固定相连。
参见图4-6，所述内配电盘3或外配电盘4上分别设有四个安装槽14，所述内配电盘3或外配电盘4上的安装槽14位于同一个圆周上，相邻的安装槽14之间的角度为45°、90°或者135°。单个所述安装槽14内安装有板电极组件；所述内配电盘3和外配电盘4上的板电极组件相对应；
所述板电极组件包括板电极本体，所述板电极本体安装在护套22的一端，所述护套22的一端设有堵头23，所述堵头23上安装有接线螺丝24，在安装时将护套22伸入安装槽内，并通过螺母25固定。在本实施例中，将内配电盘3和外配电盘4上的四个板电极本体分别命名为第一板电极本体30、第二板电极本体31、第三板电极本体32和第四板电极本体33。
在本实施例中，主电机2通电后在第一皮带9轮7、第二皮带9轮8和传动皮带9传动下，旋转叶片11高速旋转。旋转叶片11上第一旋转针电极34和第二旋转针电极35依次和相匹配的内配电盘3和外配电盘4上的第一板电极本体30、第二板电极本体31、第三板电极本体32和第四板电极本体33依次导通，形成放电通道。
在本实施例中，变压器16将市电升压至10KV-40KV交流电，通过导线输入至高压整流板17，经高压整流板17上第一二极管整流后的形成正高压直流电，通过导线输送至正高压储能电容18。经高压整流板17上第二二极管整流后的形成负高压直流电，通过导线输送至负高压储能电容19。
参见图5，内配电盘3上的第一板电极本体30，通过导线连接至负高压储能电容19。内配电盘3上的第二板电极本体31和第三板电极本体32通过导线并连至壳体1上的高压输出端口。内配电盘3上的第四板电极本体33，通过导线连接至正高压储能电容18。
参见图6，外配电盘4上的第一板电极本体30和第二板电极本体31，通过导线连接至负高压脉冲电容21。外配电盘4上的第三板电极本体32和第四板电极本体33，通过导线连接至正高压脉冲电容20。
参见图7-8，本发明的工作流程如下所示：
1、当第一旋转针电极34位于内配电盘3上的第一板电极本体30位置时，内配电盘3上的第一板电极本体30通过第一旋转针电极34与外配电盘4上的第一板电极本体30导通（主原理图中K3导通）。此时，负高压储能电容19向负高压脉冲电容21充电。第二旋转针电极35悬空。
2、逆时针旋转45°，当第一旋转针电极34位于内配电盘3上的第二板电极本体31位置时，内配电盘3上的第二板电极本体31通过第一旋转针电极34与外配电盘4上的第二板电极本体31导通主（原理图中K4导通）。负高压脉冲电容21向高压输出端口输出负脉冲高压。第二旋转针电极35悬空。
3、再逆时针旋转45°，第一旋转针电极34悬空。内配电盘3上的第四板电极本体33通过第二旋转针电极35与外配电盘4上的第四板电极本体33导通（主原理图中K1导通）。正高压储能电容18向正高压脉冲电容20充电。
4、再逆时针旋转45°，第一旋转针电极34位于内配电盘3上第三板电极本体32位置时，内配电盘3上的第三板电极本体32通过第一旋转针电极34与外配电盘4上的第三板电极本体32导通(主原理图中K2导通)。正高压脉冲电容20向高压输出端口输出正脉冲高压。第二旋转针电极35悬空。
5、再逆时针旋转45°，第一旋转针电极34悬空。内配电盘3上的第一板电极本体30通过第二旋转针电极35与内配电盘3上的第一板电极本体30导通（主原理图中K3导通）。负高压储能电容19向负高压脉冲电容21充电。第一旋转针电极34悬空。
6、如此不断循环，第一高压输出端口5和第二高压输出端口6，在一个旋转周期内形成2次正高压脉冲，2次负高压脉冲。
旋转针电极在每次导通过程中，高压螺栓电阻13两端将产生电压，螺栓电阻13两端通过导线连接至整流电路板15，整流电路板15对此电压整流滤波稳压后，通过导线连接至中空电机12，使得中空电机12发生一定角度的转动。
Claims (7)
1.一种用于放电等离子体的双极性纳秒脉冲电源，其特征在于：包括壳体（1）、主电机（2）、内配电盘（3）和外配电盘（4）；
所述壳体（1）的侧板上设有第一高压输出端口（5）和第二高压输出端口（6）；
所述壳体（1）内安装有主电机（2），所述主电机（2）的输出轴和第一皮带轮（7）相连，所述第一皮带轮（7）通过皮带（9）和第二皮带轮（8）相连，所述第二皮带轮（8）的中间固定有旋转轴（10），所述旋转轴（10）的另一端固定有旋转叶片（11），所述旋转叶片（11）的两端分别固定有第一旋转针电极组件和第二旋转针电极组件；
在中空电机（12）的内侧，所述旋转叶片（11）的两端分别固定有整流电路板（15）；
所述内配电盘（3）或外配电盘（4）上分别设有四个安装槽（14），所述内配电盘（3）和外配电盘（4）上的安装槽（14）位于同一个圆周上，所述单个所述安装槽内安装有板电极组件；所述内配电盘（3）和外配电盘（4）上的板电极组件相对应；
所述主电机（2）的一侧设有变压器（16），所述变压器（16）的前侧固定有高压整流板（17）；
在主电机（2）的一侧，所述壳体（1）内固定有正高压储能电容（18）和负高压储能电容（19）；
在主电机（2）的另一侧，所述壳体（1）内固定有正高压脉冲电容（20）和负高压脉冲电容（21）。
2.根据权利要求1所述的用于放电等离子体的双极性纳秒脉冲电源，其特征在于：所述旋转针电极组件包括中空电机（12），所述中空电机（12）的输出轴和螺栓电阻（13）相连，所述螺栓电阻（13）和旋转针电极（14）相连。
3.根据权利要求1所述的用于放电等离子体的双极性纳秒脉冲电源，其特征在于：所述板电极组件包括板电极本体，所述板电极本体安装在护套（22）的一端，所述护套（22）的一端设有堵头（23），所述堵头（23）上安装有接线螺丝（24），在安装时将护套（22）伸入安装槽内，并通过螺母（25）固定。
4.根据权利要求1所述的用于放电等离子体的双极性纳秒脉冲电源，其特征在于：所述内配电盘（3）和外配电盘（4）上的四个板电极本体分别相对应，内配电盘（3）或外配电盘（4）上的相邻板电极本体之间的夹角为45°、90°和135°，四个板电极本体分别命名为第一板电极本体（30）、第二板电极本体（31）、第三板电极本体（32）和第四板电极本体（33）。
5.根据权利要求4所述的用于放电等离子体的双极性纳秒脉冲电源，其特征在于：所述内配电盘（3）上的第一板电极本体（30），通过导线连接至负高压储能电容（19）；
所述内配电盘（3）上的第二板电极本体（31）和第三板电极本体（32）通过导线并连至壳体（1）上的高压输出端口；
所述内配电盘（3）上的第四板电极本体（33），通过导线连接至正高压储能电容（18）；
所述外配电盘（4）上的第一板电极本体（30）和第二板电极本体（31），通过导线连接至负高压脉冲电容（21）；
所述外配电盘（4）上的第三板电极本体（32）和第四板电极本体（33），通过导线连接至正高压脉冲电容（20）。
6.根据权利要求1所述的用于放电等离子体的双极性纳秒脉冲电源，其特征在于：所述旋转针电极（14）采用不锈钢螺纹杆，与螺栓电阻（13）实现螺纹连接；旋转叶片（11）一端的对称设置的两个不锈钢螺纹杆的端面之间的距离大于内配电盘（3）和外配电盘（4）上相对应的板电极本体的端面之间的距离，距离之差为1-2mm。
7.根据权利要求1所述的用于放电等离子体的双极性纳秒脉冲电源，其特征在于：所述壳体（1）内安装有第一横梁（26）和第二横梁（27），所述第一横梁（26）和第二横梁（27）的两个侧面上安装有第一轴承组件（28）和第二轴承组件（29），所述旋转轴（10）依次穿过第一轴承组件（28）和第二轴承组件（29）和内配电盘（3）和旋转叶片（11）固定相连。
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