一種具有黃金分割型面的觸發(fā)電極的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種具有黃金分割型面的觸發(fā)電極，其電極型面為由母線旋轉(zhuǎn)得到的對稱面，所述母線采用水平線段和橢圓弧段相切得到，其中母線直線段長度l＝0.618R，母線橢圓弧段的長半軸AL＝0.382R，母線橢圓弧段的短半軸BL＝0.382AL，R為母線半徑。實(shí)驗(yàn)對比表明采用本發(fā)明的黃金分割型面構(gòu)成的放電電極比Rogowski電極和Borda電極獲得的直達(dá)波脈沖峰值壓力有較大的提高，獲得的直達(dá)波脈沖寬度窄，脈沖較尖銳；脈沖寬度方差和抖動也較小，表明本發(fā)明設(shè)計(jì)的放電電極等效阻抗和插入損耗小，能有效提高放電效率，獲得的脈沖寬度一致性好，放電均勻，能有效提高放電穩(wěn)定性。
【專利說明】一種具有黃金分割型面的觸發(fā)電極
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種脈沖功率系統(tǒng)中的觸發(fā)電極，尤其是一種基于黃金分割法進(jìn)行型面設(shè)計(jì)的觸發(fā)電極。
【背景技術(shù)】
[0002]脈沖功率技術(shù)(Pulsed Power Technology)是指將“慢”存儲起來的具有較高密度的能量，進(jìn)行快速壓縮、轉(zhuǎn)換或直接以很短的時間釋放能量給負(fù)載的物理技術(shù)。脈沖功率技術(shù)及其應(yīng)用研究從本世紀(jì)70年代末開始以來，發(fā)展十分迅速，已在地質(zhì)勘探、石油解堵、力口速器、粒子束、電子束、準(zhǔn)分子激光器、體外沖擊波碎石、目標(biāo)探測等領(lǐng)域取得了不少成果，并引起很多學(xué)科領(lǐng)域特別是一些高【技術(shù)領(lǐng)域】的重視。其主要研究和發(fā)展方向是:提高電容的儲能密度、研制大功率轉(zhuǎn)換開關(guān)以及產(chǎn)生高重復(fù)頻率的大功率脈沖。
[0003]觸發(fā)開關(guān)在脈沖功率系統(tǒng)中占有特殊的地位，這是因?yàn)橛|發(fā)開關(guān)的結(jié)構(gòu)、型面、參數(shù)和特性對脈沖的上升時間、幅值等性能參數(shù)產(chǎn)生最直接、最敏感的影響。同時，觸發(fā)開關(guān)電極材料在擊穿時的燒蝕情況將會直接影響到開關(guān)的性能和使用壽命。因此，具有耐受高電壓強(qiáng)電流、擊穿時延短而分散性小、電感和電阻小、電極燒蝕少且能高重復(fù)頻率工作的各種觸發(fā)開關(guān)的研制，是當(dāng)前脈沖功率技術(shù)中十分重要的研究課題。
[0004]在脈沖功率系統(tǒng)中，附圖1所示的雙極板(專利號92649149.7)和附圖2所示的三極板(專利號CN200520118429.7)觸發(fā)開關(guān)由于其加工簡單、成本低、導(dǎo)通時間短、觸發(fā)電壓要求低、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的應(yīng)用。但由于觸發(fā)開關(guān)導(dǎo)通時產(chǎn)生的電流大(峰值電流IOOkA量級)，引起電極燒蝕嚴(yán)重，并導(dǎo)致開關(guān)性能變壞、壽命縮短。設(shè)計(jì)相對優(yōu)化的電極型面，可以使電極表面放電均勻，防止電弧集中在電極表面的某些地方，從而減小高重復(fù)頻率工作或傳輸大庫侖電荷時電極嚴(yán)重?zé)龘p，提高開關(guān)的觸發(fā)特性和使用壽命。
[0005]常用的觸發(fā)開關(guān)電極型面主要有球形電極、倒圓角平板電極、等電場面電極等。觸發(fā)開關(guān)電極型面的極間電場可以簡化為二維旋轉(zhuǎn)對稱電場來求解，通過有限元法模擬各種型面的高低壓電極間的電場強(qiáng)度分布情況?！陡唠妷杭夹g(shù)》期刊中的“場畸變火花開關(guān)電極優(yōu)化設(shè)計(jì)及其觸發(fā)特性”(Vol.25，N0.1，pp.71-74)等文獻(xiàn)研究表明:等電場面電極較其它各種型面電極具有較好的觸發(fā)特性和較長的使用壽命。所謂等電場面電極，是其型面設(shè)計(jì)為適當(dāng)?shù)男螤睿沟酶叩蛪弘姌O型面的中央部分電場均勻分布，且分布范圍最大；而在電極邊沿兩側(cè)的電場強(qiáng)度迅速減小，低于電極中央的電場強(qiáng)度。
[0006]前已有多種等電場面的電極型面構(gòu)型，如Rogowski電極和Borda電極。一般的Rogowski電極型面是由兩條曲線段和一條直線段銜接而成，由于這三段曲線組成的電極并不光滑，容易造成在曲線與直線銜接處發(fā)生電弧放電，且直線段長度的選取具有一定的隨意性。《激光與光電子學(xué)》期刊中的“新型Rogowski電極的設(shè)計(jì)及分析”(Vol.45, N0.10, pp.46-50)和《光學(xué)與光電技術(shù)》期刊中的“若干放電電極的改進(jìn)設(shè)計(jì)與分析”(Vol.5, N0.5, pp.35-39)等文章中基于均勻場理論改進(jìn)了 Rogowski電極,但該改進(jìn)電極的邊緣電場低，不放電，且邊緣尺寸占全電極面積比例較大，電極材料未得到充分的利用，故不是觸發(fā)開關(guān)的最優(yōu)電極型面。《高電壓技術(shù)》期刊中“環(huán)形開關(guān)電極優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)研究”(Vol.25, N0.1, pp.71-74) 一文中的Borda電極采用旋轉(zhuǎn)橢圓近似母線(如附圖3所示)，計(jì)算時但該電極型面在電極半徑R較小、高低壓電極間距d較大時，直線段I很小，電極的形狀近似球形電極，容易造成燒蝕，影響電極性能及實(shí)驗(yàn)壽命；且極間電場受電極間距的影響較大，因此電極型面設(shè)計(jì)加工之后，只有在某一特定的電極間距下才能保持等電場分布，當(dāng)實(shí)驗(yàn)電極間距變化時，需要對電極型面經(jīng)行二次優(yōu)化和二次加工，計(jì)算費(fèi)時，加工成本高。
[0007]《強(qiáng)激光與粒子束》期刊中“環(huán)形開關(guān)電極的自動優(yōu)化設(shè)計(jì)方法”一文(Vol.18，N0.2，pp.333-336)利用電荷模擬法對常用的環(huán)形電極電場分布進(jìn)行了模擬計(jì)算，用旋轉(zhuǎn)橢圓近似法優(yōu)化電極輪廓外形，用微粒群(PSO)算法對輪廓外形的幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化選擇，但還是必須反復(fù)按照“電場計(jì)算一形狀修正一電場計(jì)算一形狀修正一…”的過程進(jìn)行計(jì)算來求出最優(yōu)形狀。并且上述數(shù)值計(jì)算、優(yōu)化方法的計(jì)算量巨大，必須專業(yè)人士采用專業(yè)軟件方能完成。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]要解決的技術(shù)問題
[0009]針對現(xiàn)有的脈沖功率系統(tǒng)中雙極板和三極板觸發(fā)開關(guān)電極型面缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種性能優(yōu)異的具有旋轉(zhuǎn)電極型面，即黃金分割型面的觸發(fā)電極，大幅提高了觸發(fā)開關(guān)的工作性能和設(shè)計(jì)效率。
[0010]技術(shù)方案
[0011]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0012]所述一種具有黃金分割型面的觸發(fā)電極，其電極型面為由母線旋轉(zhuǎn)得到的對稱面，其特征在于:所述母線采用水平線段和橢圓弧段相切得到，其中母線直線段長度I =0.618R，母線橢圓弧段的長半軸= 0.382R，母線橢圓弧段的短半軸= 0.382AL, R為母線半徑。
[0013]有益效果
[0014]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0015]①本發(fā)明的黃金分割型面具有最小的電場變化率，電場強(qiáng)度的相對偏差ΔΕ/Emax ( 0.5%的區(qū)域范圍最大，電場均勻性能優(yōu)于Rogowski電極和傳統(tǒng)Borda電極,能有效延長電極型面的使用壽命。
[0016]②采用本發(fā)明的黃金分割型面構(gòu)成的放電電極比Rogowski電極和Borda電極獲得的直達(dá)波脈沖峰值壓力有較大的提高，表明本發(fā)明設(shè)計(jì)的放電電極等效阻抗和插入損耗小，能有效提聞放電效率。
[0017]③采用本發(fā)明的黃金分割型面構(gòu)成的放電電極比Rogowski電極和Borda電極獲得的直達(dá)波脈沖寬度窄，脈沖較尖銳；脈沖寬度方差和抖動也較小，表明由本發(fā)明獲得的脈沖寬度一致性 好，放電均勻，能有效提高的放電穩(wěn)定性。
[0018]④本發(fā)明直接提出采用黃金分割法得到的電極型面母線參數(shù)，其型面設(shè)計(jì)不再通過不斷修正電極表面的全曲率來進(jìn)行優(yōu)化，從而設(shè)計(jì)方法簡單，計(jì)算工作量小，易于實(shí)施。【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明涉及的雙極板觸發(fā)開關(guān)及其在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的連接方式。
[0020]圖中，電極1，2-高低壓電極，電極3-觸發(fā)電極，C-脈沖儲能電容，S-放電電極。
[0021]圖2是本發(fā)明涉及的三極板觸發(fā)開關(guān)及在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的連接方式。
[0022]圖中，電極1，2-高低壓電極，電極3-觸發(fā)電極，C-脈沖儲能電容，S-放電電極。
[0023]圖3是本發(fā)明的黃金分割型面的結(jié)構(gòu)及母線參數(shù)。
[0024]圖中，d-高低壓電極的間距，R-電極型面的母線半徑，1-母線的直線段長度，Al-母線的橢圓長半軸，Bl-母線的橢圓短半軸，即型面厚度。
[0025]圖4是本發(fā)明實(shí)施例涉及的脈沖功率實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
[0026]圖中，T1-調(diào)壓變壓器，T2-升壓變壓器，D-高壓整流器，R1-充電回路等效阻抗，C-脈沖儲能電容，G-本發(fā)明所涉及的觸發(fā)開關(guān)，S-放電電極，L-放電回路等效感抗，R2-放電回路等效感抗，F(xiàn)-聲壓傳感器。
[0027]圖5是本發(fā)明實(shí)施例涉及的黃金分割型面與其他電極型面的電場強(qiáng)度相對偏差比較。
[0028]圖6是本發(fā)明實(shí)施例涉及的黃金分割電極與Borda電極放電產(chǎn)生的直達(dá)波峰值壓力、方差和抖動比較。
[0029]圖7是本發(fā)明實(shí)施例涉及的黃金分割電極與Borda電極放電產(chǎn)生的直達(dá)波脈沖寬度、方差和抖動比較。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合具體實(shí)施例描述本發(fā)明:
[0031]如圖3所示，本實(shí)施例中的具有黃金分割型面的觸發(fā)電極，將三維的電場型面設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為二維，其電極型面為由母線旋轉(zhuǎn)得到的對稱面，母線用水平線段和橢圓弧段相切來逼近標(biāo)準(zhǔn)的等電場強(qiáng)度母線，母線參數(shù)的設(shè)計(jì)采用黃金分割法得到，具體為母線直線段長度I = 0.618R，母線橢圓弧段的長半軸\ = 0.382R，母線橢圓弧段的短半軸4 =
0.382\，R為母線半徑。利用上述設(shè)計(jì)公式很容易完成電極型面的設(shè)計(jì)問題，而且只需要設(shè)定電極型面的半徑R，型面母線參數(shù)即可確定，與高低壓電極的間距d無關(guān)。
[0032]將母線水平對稱旋轉(zhuǎn)就得到的具有等電場強(qiáng)度特性的電極型面，稱為黃金分割型面，由該型面構(gòu)成的放電電極則稱為黃金分割電極。以該方法設(shè)計(jì)的電極型面，當(dāng)給定觸發(fā)開關(guān)電極半徑的條件下，母線的直線段1、橢圓長半軸Al和橢圓短半軸等參數(shù)的典型實(shí)例數(shù)據(jù)如表1所示。工程上，一般根據(jù)觸發(fā)開關(guān)的通流能力要求來選擇觸發(fā)開關(guān)電極半徑的尺寸。
[0033]表1黃金分割法設(shè)計(jì)的電極型面母線參數(shù)(單位:_)
[0034]
【權(quán)利要求】
1.一種具有黃金分割型面的觸發(fā)電極，其電極型面為由母線旋轉(zhuǎn)得到的對稱面，其特征在于:所述母線采用水平線段和橢圓弧段相切得到，其中母線直線段長度I = 0.618R，母線橢圓弧段的長半軸K = 0.382R，母線橢圓弧段的短半軸= 0.382Al, R為母線半徑。
【文檔編號】H01H33/664GK103928843SQ201410136250
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月4日
【發(fā)明者】雷開卓, 黃建國, 黃海, 陳建峰, 史文濤, 何孟兵, 張蔚, 劉小龍, 樊志博 申請人:西北工業(yè)大學(xué)