CN205212805U - 大功率高电压磁开关 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高效简易的大功率高电压磁开关，包括绝缘支架、铁芯、环绕于绝缘支架和铁芯的线圈，其特征在于，所述铁芯为环形铁芯组，由若干个环形小铁芯层叠而成；所述绝缘支架位于环形铁芯组的两端，绝缘支架的中心镂空，绝缘支架的正面设置有若干下凹的线圈卡槽，线圈卡槽以镂空部位为中心呈圆周放射状分布；在绝缘支架的内边缘、与每一线圈卡槽对齐的位置设置有内凹的内边凹槽，在绝缘支架的外边缘、与每一线圈卡槽对齐的位置设置有内凹的外边凹槽。本实用新型采用环形铁芯和绝缘支架，确保实现更大功率、更高电压的脉冲压缩，以实现小体积高压缩比，又能在高电压下工作。

Description

大功率高电压磁开关

技术领域

本实用新型涉及脉冲功率应用技术领域，具体涉及一种高效简易的大功率高电压磁开关，以实现更大功率的脉冲压缩。

背景技术

在磁脉冲压缩系统中，磁开关是最关键的核心部件，磁开关主要由铁芯和线圈组成，铁芯的铁磁材料在饱和前后磁导率差异非常大，表现出开关特性，利用其导磁性能的非线性和可恢复性可以方便地改变电路状态。理论上，基于磁开关的脉冲压缩源通过单级或多级压缩可以实现从微秒到纳秒时间的脉冲压缩。

根据磁开关的理论公式，磁脉冲压缩的能量传输时间t，就是磁开关的磁饱和时间，也就是铁芯的B值从-Br到+Bs所需的时间；U（t）是磁开关两端（电容）的电压；N为磁开关的绕线匝数；Sc为铁芯的有效截面积；ΔB是铁芯磁感应强度的变化幅度，主要由铁芯的饱和磁感应强度决定，但是变化幅度可以通过对铁芯的复位进行改善。

在实际工程中，要实现大功率高电压的脉冲源的压缩，主要技术问题：大功率的脉冲源输出的脉冲波形的上升沿时间会达到几十到几百微秒，这时要求磁开关的磁饱和时间t也要达到几十到几百微秒，为了达到时间要求，一种方案是增大有效截面积Sc或线圈匝数N，有效截面积Sc的增加会导致磁开关的体积急剧膨胀，增大线圈匝数会导致饱和后的电感过大，影响脉冲上升率；另一种方案就是采用多个磁开关组成多级压缩回路实现脉冲压缩，但是这样增加了电路的复杂性，降低了电路的可靠性。磁开关在几十至几百千伏的高电压下工作时，如何保证磁开关线圈匝间的绝缘及线圈对铁芯的绝缘。为了设计一种能在较小的体积下实现高压缩比，又能在高电压下工作的磁开关，本实用新型提供了一种解决方案。

发明内容

本实用新型提供一种高效简易的大功率高电压磁开关，采用环形铁芯和绝缘支架，确保实现更大功率、更高电压的脉冲压缩，以实现小体积高压缩比，又能在高电压下工作。

本实用新型的上述技术问题是通过以下技术方案得以实施的：一种大功率高电压磁开关，包括绝缘支架、铁芯、环绕于绝缘支架和铁芯的线圈，其特征在于，所述铁芯为环形铁芯组，由若干个环形小铁芯层叠而成；所述绝缘支架位于环形铁芯组的两端，绝缘支架的中心镂空，绝缘支架的正面设置有若干下凹的线圈卡槽，线圈卡槽以镂空部位为中心呈圆周放射状分布；

在绝缘支架的内边缘、与每一线圈卡槽对齐的位置设置有内凹的内边凹槽，在绝缘支架的外边缘、与每一线圈卡槽对齐的位置设置有内凹的外边凹槽；所述绝缘支架的背面设置有若干铁芯支架，若干铁芯支架以镂空部位为中心呈圆周放射状分布。

通过改变单个环形小铁芯的直径、环宽和厚度增大铁芯的有效截面积，或通过叠加单个环形小铁芯的个数来增加铁芯的有效截面积：若保持有效截面积不变，在高电压下，增大环形铁芯的直径，提高磁开关线圈匝间的安全距离，提高磁开关线圈的耐压，使磁开关可以在更高的电压下工作；而在较低电压下，减小环形铁芯的直径，可以减小磁开关的体积。

磁开关的功率可以通过调节单个环形小铁芯的直径、环宽、厚度、数量来控制，磁开关所用的铁芯体积相比其他磁开关小很多，成本控制提升。

上述环形绝缘支架尺寸的变化可以改变线圈对铁芯的安全距离，控制磁开关的体积，使磁开关在不同电压下工作。

作为优选，所述线圈连接于其中一绝缘支架的外边凹槽，沿着环形铁芯组外围延伸至另一绝缘支架的外边凹槽，并且卡入线圈卡槽后延伸至内边凹槽；所述线圈连接于其中一绝缘支架的内边凹槽，沿着环形铁芯组内侧延伸至另一绝缘支架的内边凹槽。

作为优选，相邻的环形小铁芯之间设置有绝缘垫片，增大层叠环形小铁芯之间的距离，用来改善散热效果。

作为优选，所述绝缘支架的主体为环形齿轮，外边缘呈齿状，形成外边凹槽；中心为圆形镂空且镂空边缘呈齿状，形成内边凹槽，圆形镂空的直径小于环形小铁芯的内直径；绝缘支架的正面固定有若干扇形的挡块，挡块以圆心镂空为中心呈圆周放射状分布，则相邻两挡块之间形成了下凹的线圈卡槽。

上述线圈卡槽用于固定匝间线圈，保证线圈不会震动位移，确保高压的安全绝缘距离，使磁开关可靠工作在几十至几百千伏的高电压下。另外磁开关线圈的绕线匝数可以方便地通过绝缘支架上的卡槽进行增加或减少，绕制方便，结构紧凑。

作为优选，所述铁芯支架呈扇形，其作用是支撑铁芯。

作为优选，所述大功率高电压磁开关，还包括输入端、输出端、第一复位电路接口、第二复位电路接口、高压脉冲隔离电感。

作为优选，所述线圈包括主线圈、复位线圈；主线圈的两端分别连接输入端、输出端。

作为优选，所述复位线圈的两端分别连接高压脉冲隔离电感，第二复位电路接口；高压脉冲隔离电感的内端连接复位线圈，高压脉冲隔离电感的外端连接第一复位电路接口。

上述复位电路接口，可以连接复位电路，复位电路接入时会增大铁芯ΔB的变化范围，同时提高了磁开关性能；所述高压脉冲隔离电感与磁开关的复位线圈相连，作用是将复位线圈产生的高压脉冲与低压复位电路隔离，低压信号可直接连接复位接口，避免了复位线圈直接连接时，复位端引出线上的高压脉冲对设备及人身安全的损害。

作为优选，由绝缘支架、环形铁芯组、线圈、输入端、输出端、第一复位电路接口、第二复位电路接口、高压脉冲隔离电感构成的磁开关整体采用一体化封装，多级串联使用。

综上所述，本实用新型与现有技术相比具有如下优点：

本实用新型主体采用环形铁芯和绝缘支架，其创新的结构确保实现更大功率、更高电压的脉冲压缩；本实用新型通过改变单个环形小铁芯的直径、环宽和厚度增大铁芯的有效截面积，或通过叠加单个环形小铁芯的个数来增加铁芯的有效截面积；本实用新型磁开关的功率可以通过调节单个环形小铁芯的直径、环宽、厚度、数量来控制，磁开关所用的铁芯体积相比其他磁开关小很多，成本控制提升；本实用新型环形绝缘支架尺寸的变化可以改变线圈对铁芯的安全距离，控制磁开关的体积，使磁开关在不同电压下工作；本实用新型的复位线圈和高压脉冲隔离电感的接入有利于提高磁开关的性能和安全稳定；本实用新型结构可靠，工艺简单，能满足磁开关对散热效果和高绝缘耐压的要求。

附图说明

图1是本实用新型磁开关整体连接示意图；

图2是本实用新型磁开关结构示意图；

图3是本实用新型环形小铁芯结构示意图；

图4是本实用新型绝缘支架正面结构示意图；

图5是本实用新型绝缘支架背面结构示意图。

图中标号为：1、绝缘支架；11、内边凹槽；12、线圈卡槽；13、外边凹槽；2、环形小铁芯；21、输入端；22、输出端；23、第一复位电路接口；24、第二复位电路接口；25、高压脉冲隔离电感；3、铁芯支架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

实施例1：

如图2所示，一种大功率高电压磁开关，中心主体为环形铁芯组，由多个环形小铁芯2层叠而成，相邻的环形小铁芯1之间有绝缘垫片；环形小铁芯1，其结构如图3所示。

环形小铁芯1的直径、环宽、厚度、数量均可调节，可根据实际要求限定和定制，最后层叠而成的环形铁芯组的有效截面积和功率则由上述参数确定。本实施例中，环形小铁芯2的内直径:外直径为11:18；外直径:厚度为6:1；每一环形铁芯组由八个环形小铁芯2层叠构成。

环形铁芯组的两端分别有一绝缘支架1，如图4所示，绝缘支架2的主体为环形齿轮，环形齿轮的中心为圆形镂空且镂空边缘呈齿状，形成内边凹槽11，而圆形镂空部分的直径小于环形小铁芯2的内直径；环形齿轮的外边缘呈齿状，形成了外边凹槽13；绝缘支架2的正面固定有多个扇形的挡块，挡块以圆心镂空为中心呈圆周放射状分布，则相邻两挡块之间形成了下凹的线圈卡槽12；并且，内边凹槽11、线圈卡槽12、外边凹槽13三者的数量相等、三者呈直线一一对齐。

上述的内边凹槽11、线圈卡槽12、外边凹槽13三者用来控制绕线匝数，匝间凹槽的距离确保高压绝缘，提升磁开关的耐高压特性，整体体现出绕制方便，结构紧凑的特点。

由于绝缘支架1呈环形齿轮，则齿轮宽度（即相邻两卡线凹槽的间距）决定了线圈之间的最小绝缘距离；而环形宽度（绝缘支架的环形面宽）决定了线圈与铁芯的距离，并影响着磁开关的体积大小。

另外，线圈卡槽的作用是固定线圈，保证线圈与线圈的最小绝缘距离。

本实施例中，绝缘支架1的外直径:绝缘支架1的内直径为22:9；绝缘支架1的外直径:环形小铁芯2的外直径为11:9；绝缘支架1的内边凹槽11、线圈卡槽12、外边凹槽13均为十八个。

如图5所示，绝缘支架1的背面固定有多个铁芯支架3，每个铁芯支架3呈扇形，并且以绝缘支架1的圆形镂空为中心呈圆周放射状分布。

两端的绝缘支架1上环绕线圈，线圈包括主线圈和复位线圈，而一部分线圈位于绝缘支架1和环形铁芯组的外侧，该部分线圈连接于其中一绝缘支架1的外边凹槽13，沿着环形铁芯组外围延伸至另一绝缘支架1的外边凹槽13，并且卡入线圈卡槽12后延伸至内边凹槽11；同时，另一部分线圈位于绝缘支架1和环形铁芯组的内侧、从绝缘支架1的内边凹槽11，沿着环形铁芯组内侧延伸至另一绝缘支架1的内边凹槽11处。

如图1所示，所述大功率高电压磁开关，还设置有输入端21、输出端22、第一复位电路接口23、第二复位电路接口24、高压脉冲隔离电感25。

由绝缘支架1、环形铁芯组、线圈、输入端21、输出端22、第一复位电路接口23、第二复位电路接口24、高压脉冲隔离电感25构成的磁开关整体采用一体化封装，根据实际需要可多级串联使用。

因此，线圈中的主线圈，其两端分别连接输入端21、输出端22；线圈3中的复位线圈，其两端分别连接高压脉冲隔离电感25，第二复位电路接口24；高压脉冲隔离电感25的两端分别连接复位线圈、第一复位电路接口23。

即输入端21，外部与脉冲源或前级磁开关的输出端相连，内部与磁开关的主线圈相连。

输出端22，外部与负载或后级磁开关的输入端相连，内部与磁开关的主线圈相连。

第二复位电路接口24，外部与复位电路相连，内部与高压脉冲隔离电感26相连。

第一复位电路接口23，外部与复位电路相连，内部与磁开关的复位线圈相连。

高压脉冲隔离电感25，内部与复位线圈相连，外部与第一复位电路接口相连23。

当磁开关工作时，复位电路为磁开关提供一个复位电流，使饱和后的铁芯被迅速复位到反向饱和区，确保铁芯工作在-Br到+Bs区间，增大△B的变化范围；其中复位电路接入的高压脉冲隔离电感将复位线圈产生的高压脉冲与低压复位电路隔离。

文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种大功率高电压磁开关，包括绝缘支架（1）、铁芯、环绕于绝缘支架和铁芯的线圈，其特征在于，所述铁芯为环形铁芯组，由若干个环形小铁芯（2）层叠而成；

所述绝缘支架位于环形铁芯组的两端，绝缘支架的中心镂空，绝缘支架的正面设置有若干下凹的线圈卡槽（12），线圈卡槽以镂空部位为中心呈圆周放射状分布；

在绝缘支架的内边缘、与每一线圈卡槽对齐的位置设置有内凹的内边凹槽（11），在绝缘支架的外边缘、与每一线圈卡槽对齐的位置设置有内凹的外边凹槽（13）；

所述绝缘支架的背面设置有若干铁芯支架（3），若干铁芯支架以镂空部位为中心呈圆周放射状分布。

2.根据权利要求1所述的大功率高电压磁开关，其特征在于，所述线圈连接于其中一绝缘支架的外边凹槽，沿着环形铁芯组外围延伸至另一绝缘支架的外边凹槽，并且卡入线圈卡槽后延伸至内边凹槽；所述线圈连接于其中一绝缘支架的内边凹槽，沿着环形铁芯组内侧延伸至另一绝缘支架的内边凹槽。

3.根据权利要求1所述的大功率高电压磁开关，其特征在于，相邻的环形小铁芯之间设置有绝缘垫片。

4.根据权利要求1所述的大功率高电压磁开关，其特征在于，所述绝缘支架的主体为环形齿轮，外边缘呈齿状，形成外边凹槽；中心为圆形镂空且镂空边缘呈齿状，形成内边凹槽，圆形镂空的直径小于环形小铁芯的内直径；绝缘支架的正面固定有若干扇形的挡块，挡块以圆心镂空为中心呈圆周放射状分布，则相邻两挡块之间形成了下凹的线圈卡槽。

5.根据权利要求1所述的大功率高电压磁开关，其特征在于，所述铁芯支架呈扇形。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的大功率高电压磁开关，其特征在于，所述大功率高电压磁开关，还包括输入端（21）、输出端（22）、第一复位电路接口（23）、第二复位电路接口（24）、高压脉冲隔离电感（25）。

7.根据权利要求6所述的大功率高电压磁开关，其特征在于，所述线圈包括主线圈、复位线圈；主线圈的两端分别连接输入端（21）、输出端（22）。

8.根据权利要求7所述的大功率高电压磁开关，其特征在于，所述复位线圈的两端分别连接高压脉冲隔离电感（25），第二复位电路接口（24）；高压脉冲隔离电感的内端连接复位线圈，高压脉冲隔离电感（25）的外端连接第一复位电路接口（23）。

9.根据权利要求8所述的大功率高电压磁开关，其特征在于，由绝缘支架、环形铁芯组、线圈、输入端、输出端、第一复位电路接口、第二复位电路接口、高压脉冲隔离电感构成的磁开关整体采用一体化封装，多级串联使用。