CN210535508U - 一种改进型同轴薄膜电容器 - Google Patents

Abstract

为了显著提高同轴薄膜电容器沿面闪络性能，本实用新型提供了一种改进型同轴薄膜电容器，通过在现有同轴薄膜电容器的金属环和内芯上粘接有机玻璃环作为支撑结构，延长了聚合物薄膜介质相对金属环的伸出长度，显著降低了聚合物薄膜介质边缘的表面电场，提高了电容器的沿面闪络电压。

Description

一种改进型同轴薄膜电容器

技术领域

本实用新型属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种用于电磁脉冲模拟装置中的同轴薄膜电容器。

背景技术

电磁脉冲模拟装置是强电磁脉冲试验不可或缺的设备，用于按照试验所要求的电磁脉冲标准，为试验对象提供特定的电磁脉冲试验环境。电磁脉冲模拟装置按照特定的用途来设计，在其辐射空间中产生电场的幅度、均匀性和极化方向等均必须符合相关标准的要求。MV(兆伏)级电磁脉冲模拟装置常采用两级脉冲压缩的技术方案，其中作为第二级抖化回路储能器件的峰化电容器是影响整个电磁脉冲模拟装置性能的关键器件之一。峰化电容器主要包括平板型和同轴型两类，其中同轴薄膜电容器因其结构电感小，常用于快前沿电磁脉冲模拟装置。同轴薄膜电容器采用基于金属电极和聚合物薄膜介质的层叠结构，薄膜介质材料具有优越的体绝缘性能，电极和介质由内向外依次层叠，薄膜介质伸出金属电极边缘一定距离以提高耐受沿面电压的能力。

随着电磁脉冲试验对象从单器件试验逐步向全系统试验发展，要求电磁脉冲模拟装置提供空间足够大，且满足辐射场幅值和均匀性要求的试验环境。电磁脉冲模拟装置的输出电压指标将需要在现有水平上进一步提高，这对峰化电容器的绝缘性能，特别是沿面闪络性能提出了更高的要求。

实用新型内容

为了显著提高同轴薄膜电容器沿面闪络性能，本实用新型提供了一种改进型同轴薄膜电容器。

本实用新型的技术方案是：

一种改进型同轴薄膜电容器，包括内芯、N个金属环、N+1个聚合物薄膜介质；

单个金属环上设有沿其轴向延伸的开口，且金属环的两端部边缘倒有圆角，圆角半径等于金属环的厚度；

其特殊之处在于：

单个金属环的外侧壁中部开设有多个环形凹槽，环形凹槽内缠绕有聚酰亚胺薄膜；

还包括2N个第一有机玻璃环和两个第二有机玻璃环；

每两个第一有机玻璃环对应一个所述金属环；每个第一有机玻璃环的厚度、内径均与其所对应金属环的厚度、内径相等；每个第一有机玻璃环上设有沿其轴向延伸的开口，且该开口的位置、宽度与其所对应的金属环上开口的位置、宽度一致；

每个第一有机玻璃环的其中一端加工有与其所对应金属环的端部圆角相适配的第一凹槽，该第一凹槽内注有粘接剂；

每两个第一有机玻璃环分别通过所述第一凹槽内的粘接剂粘接在所对应金属环的两端，构成一个复合材料开口环；

两个第二有机玻璃环的的厚度均与第一有机玻璃环的厚度相等，外径与所述内芯的外径相等；

每个第二有机玻璃环的其中一端加工有与所述内芯内侧端部圆角相适配的第二凹槽，该第二凹槽内注有粘接剂；两个第二有机玻璃环分别通过所述第二凹槽内的粘接剂粘接在所述内芯的两端；

所述N+1个聚合物薄膜介质与所述复合材料开口环由内向外交替层叠设置，各复合材料开口环与聚合物薄膜介质紧密贴合，且聚合物薄膜介质两侧边缘伸出复合材料开口环边缘一定距离。

进一步地，所述第一有机玻璃环和第二有机玻璃环的高度根据以下原则确定：一是使得缠绕在所述复合材料开口环和内芯上的聚合物薄膜介质不影响其他部件的安装；二是有机玻璃环的最大高度应小于等于电容器的体击穿电压与沿面闪络电压相当时，所述聚合物薄膜介质所需的支撑高度。

进一步地，每个第一有机玻璃环的第一凹槽的曲率半径比其所对应金属环的端部圆角的半径大0.2-0.4mm。

进一步地，在所述环形凹槽中卷绕有多层聚酰亚胺薄膜，聚酰亚胺薄膜的宽度与环形凹槽同宽，总厚度等于环形凹槽的深度。

进一步地，所述环形凹槽的数量、深度、宽度由电容器卷绕过程中所述金属环所需要的箍紧力确定。

进一步地，单个所述聚合物薄膜介质由多层聚合物薄膜卷绕在所述内芯和/或金属环外而成。

进一步地，所述聚合物薄膜为双面粗化聚丙烯薄膜。

进一步地，第一有机玻璃环和/或第二有机玻璃环由绝缘性能良好的聚合物环替代。

本实用新型的有益效果：

1.本实用新型通过在金属环和内芯上粘接有机玻璃环作为支撑结构，大大延长了聚合物薄膜介质相对金属环的伸出长度，显著降低了聚合物薄膜介质边缘的表面电场，提高了电容器的沿面闪络电压。

2.本实用新型中金属环和有机玻璃环粘结时采用图3所示方法，可以降低粘结剂中残留的气泡，并保持内外表面的光滑。

3.本实用新型中的粘结剂采用对金属和有机玻璃粘结效果良好的JULY6808软胶，一方面可以保证粘接强度，另一方面确保了固化后的粘结剂可以发生一定的变形，在金属环和有机玻璃环组成的复合材料开口环安装过程中粘结剂有一定的弹性，不会发生碎裂。

4.本实用新型将由金属环和有机玻璃环组成的开口环安装过程中用于缠绕聚酰亚胺薄膜以箍紧金属环的气隙从金属环两侧调整为设置于金属环中间部位的多个环形凹槽，有利于增大金属环端部圆角和有机玻璃环的粘接面积，同时避免了粘接有机玻璃环之后金属环末端气隙的存在。

5.本实用新型中金属环和有机玻璃环开口位置和大小一致，金属环外表面环形凹槽与金属环的开口连通，金属环的开口与外界连通，确保电容器内部气隙可以与外界进行气体交换。

附图说明

图1是现有的同轴薄膜电容器轴向剖面示意图(以三层介质的电容器为例)。

图2是本发明改进型同轴薄膜电容器轴向剖面示意图(以三层介质的电容器为例)。

图3是本发明中金属开口环与第一有机玻璃环的粘接方法，a为凹槽加工；b为注入粘接剂；c为按压、固化；d为锉削、抛光。

图4是本发明改进后的金属环的结构示意图。

附图标记说明：

1-内芯，2-聚合物薄膜介质，3-金属环，4-箍紧环，5-气隙，6-第一有机玻璃环，7-第二有机玻璃环，8-环形凹槽。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。

现有三层介质的同轴薄膜电容器结构如图1所示，包括内芯1、聚合物薄膜介质2、金属环3(轻量化考虑，一般为铝质)和箍紧环4。内芯1位于电容器壳体的中心，单个聚合物薄膜介质2由多层聚合物薄膜(一般为双面粗化聚丙烯薄膜)卷绕在内芯1和/或金属环3外而成。为便于安装，金属环3为开口环，开口沿金属环3的轴向延伸，且金属环3的两端边缘倒角，倒角半径等于金属环3的厚度；金属环3外侧壁的两个端部处各设置有气隙5，金属环3的侧壁上，且在气隙5处缠绕有聚酰亚胺薄膜，以实现卷绕过程中金属环3的箍紧。三层聚合物薄膜介质2与两个金属环3由内向外依次交替层叠，各层金属环3和聚合物薄膜介质2紧密贴合，待聚合物薄膜介质2绕制完成后，由箍紧环4箍紧，以防止运输或者安装过程中的各层金属环3与聚合物薄膜介质2之间的滑脱。

如图2所示，本实用新型实施例的改进型同轴薄膜电容器是在上述同轴薄膜电容器的基础上，通过在金属环3的两端粘接第一有机玻璃环6，在内芯1的内侧两端粘接第二有机玻璃环7(在其他实施例中，第一有机玻璃环6、第二有机玻璃环7也可以是其他电绝缘性能良好的聚合物材料)作为支撑，延长聚合物薄膜介质2伸出金属环3的长度，以降低聚合物薄膜介质2边缘的电场，提高峰化电容器的沿面耐压强度。第一有机玻璃环6的数量为金属环3的两倍；第一有机玻璃环6的厚度、内径均与与其相粘接的金属环3的厚度、内径相等，第一有机玻璃环6和第二有机玻璃环7的高度(即轴向长度)主要由两个方面决定：(1)延长距离增长后不影响峰化电容器内其他部件的安装；(2)电容器的体击穿电压与沿面闪络电压相当时，再增加聚合物薄膜介质2的伸长长度便无意义。

第一有机玻璃环6也为开口环，其开口沿第一有机玻璃环6的轴向延伸，且与与其粘接的金属环3上的开口位置、开口宽度相同；第一有机玻璃环6的一端加工为与金属环3端部倒角相适配的第一凹槽，第一凹槽的曲率半径比金属环3两端边缘倒角半径大0.2-0.4mm。

第二有机玻璃环7的厚度与任一个第一有机玻璃环6的厚度相等，第二有机玻璃环7的外径与内芯1的外径相等；第二有机玻璃环7的其中一端加工有与内芯1内侧端部圆角相适配的第二凹槽，该第二凹槽内注有粘接剂；两个第二有机玻璃环7分别通过第二凹槽内的粘接剂粘接在内芯1的两端。

如图3所示，金属环3与有机玻璃环6按照图3所示方式进行粘接，将粘接剂(东莞巨力生产、型号JULY6808环氧软胶或其他固化后质软的强力粘结剂)注入第一有机玻璃环6的第一凹槽内，再将金属环3的开口与第一有机玻璃环6的开口对准后，将金属环3的端部按压至第一有机玻璃环6的第一凹槽内，待粘接剂固化后用刮刀处理挤压出来的粘结剂，之后再使用细砂纸和羊毛轮对粘结处进行打磨即实现金属环3与第一有机玻璃环6的连接。

除了上述改进外，如图4所示，本实用新型还对金属环3作了改进，具体是将金属环3端部的气隙5去除，而在金属环3的中部设置多个平行的环形凹槽8，在该环形凹槽8内缠绕聚酰亚胺薄膜，利用聚酰亚胺薄膜箍紧金属环3，后续不会将聚酰亚胺薄膜撤掉。

本实用新型改进型同轴薄膜电容器的具体制作过程为：

1.结合图1和图2，首先根据所设计同轴薄膜电容器的容值、尺寸和耐压要求，确定内芯1的长度和外径，聚合物薄膜介质2的材质、宽度、厚度和卷绕层数，金属环3的高度、厚度和内径参数，参数确定方法见文献“陈志强,贾伟,汤俊萍,等.同轴薄膜电容器结构参数的优化设计[J].现代应用物理,2019,10(1):010502.”；聚合物薄膜介质2在洁净室准备后备用，内芯1和金属环3加工时应确保光洁度和圆度；

2.加工第一有机玻璃环6和第二有机玻璃环7。

3.将金属环3与第一有机玻璃环6粘接固定，将内芯1与第二有机玻璃环7粘接固定。

4.结合图2和图4，在洁净室中完成整个电容器的卷绕：

4.1将第一层聚合物薄膜介质2卷绕在粘接有第二有机玻璃环7的内芯1上，然后将第一层金属环3和第一有机玻璃环6组合而成的开口环安装在第一层聚合物薄膜介质2上并用卡箍箍紧；

4.2在金属环3表面的环形凹槽8中缠绕聚酰亚胺薄膜带(缠绕的聚酰亚胺薄膜带宽度与环形凹槽8同宽，总厚度等于环形凹槽8的深度)之后撤掉卡箍，第一层金属环3和第一有机玻璃环6组合而成的开口环由聚酰亚胺薄膜箍紧；

4.3利用步骤4.1-4.2的方法，依次卷绕和箍紧第二层聚合物薄膜介质2、第二层金属环3和第一有机玻璃环6组合而成的复合材料开口环、……、最后一层聚合物薄膜介质2、最后一层金属环3和第一有机玻璃环6组合而成的复合材料开口环；

4.4待所有聚合物薄膜介质2和开口环安装完毕后，安装箍紧环4，再采用卡箍进行箍紧，改进型同轴薄膜电容器便制作完毕。卡箍箍紧的位置不限，只要箍紧即可，实际上，箍紧环越多，金属环的受力越均匀，具体用多少只箍紧环可以根据实际情况决定。

Claims (7)

1.一种改进型同轴薄膜电容器，包括内芯、N个金属环、N+1个聚合物薄膜介质；

单个金属环上设有沿其轴向延伸的开口，且金属环的两端部边缘倒有圆角，圆角半径等于金属环的厚度；

其特征在于：

单个金属环的外侧壁中部开设有多个环形凹槽，环形凹槽内缠绕有聚酰亚胺薄膜；

还包括2N个第一有机玻璃环和两个第二有机玻璃环；

每两个第一有机玻璃环对应一个所述金属环；每个第一有机玻璃环的厚度、内径均与其所对应金属环的厚度、内径相等；每个第一有机玻璃环上设有沿其轴向延伸的开口，且该开口的位置、宽度与其所对应的金属环上开口的位置、宽度一致；

每个第一有机玻璃环的其中一端加工有与其所对应金属环的端部圆角相适配的第一凹槽，该第一凹槽内注有粘接剂；

每两个第一有机玻璃环分别通过所述第一凹槽内的粘接剂粘接在所对应金属环的两端，构成一个复合材料开口环；

两个第二有机玻璃环的厚度均与第一有机玻璃环的厚度相等，外径与所述内芯的外径相等；

每个第二有机玻璃环的其中一端加工有与所述内芯内侧端部圆角相适配的第二凹槽，该第二凹槽内注有粘接剂；两个第二有机玻璃环分别通过所述第二凹槽内的粘接剂粘接在所述内芯的两端；

所述N+1个聚合物薄膜介质与所述复合材料开口环由内向外交替层叠设置，各复合材料开口环与聚合物薄膜介质紧密贴合，且聚合物薄膜介质两侧边缘伸出复合材料开口环边缘一定距离。

2.根据权利要求1所述的改进型同轴薄膜电容器，其特征在于：每个第一有机玻璃环的第一凹槽的曲率半径比其所对应金属环的端部圆角的半径大0.2-0.4mm。

3.根据权利要求2所述的改进型同轴薄膜电容器，其特征在于：在所述环形凹槽中卷绕有多层聚酰亚胺薄膜，聚酰亚胺薄膜的宽度与环形凹槽同宽，总厚度等于环形凹槽的深度。

4.根据权利要求3所述的改进型同轴薄膜电容器，其特征在于：所述环形凹槽的数量、深度、宽度由电容器卷绕过程中所述金属环所需要的箍紧力确定。

5.根据权利要求4所述的改进型同轴薄膜电容器，其特征在于：单个所述聚合物薄膜介质由多层聚合物薄膜卷绕在所述内芯和/或金属环外而成。

6.根据权利要求5所述的改进型同轴薄膜电容器，其特征在于：所述聚合物薄膜为双面粗化聚丙烯薄膜。

7.根据权利要求1-6任一所述的改进型同轴薄膜电容器，其特征在于：第一有机玻璃环和/或第二有机玻璃环由绝缘性能良好的聚合物环替代。

Images