КОММУТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО
EXCHANGE DEVICE

Изобретение относится к сильноточной импульсной электроэнергетике.
Из достигнутого уровня техники известно коммутационное устройство, содержащее вакуумированную камеру с боковым выводом, подвижной и неподвижный электроды, установленные соосно в вакуумированной камере, при этом рабочие участки неподвижного и подвижного электродов выполнены в виде коаксиально расположенных конусных поверхностей, в вывод вакуумированной камеры соединен с верхним концом бескаркасной катушки, охватывающей снаружи вакуумированную камеру, причем нижний конец катушки является плюсовым выводом коммутационного устройства, минусовой вывод которого выполнен в виде стержня, соединенного с подвижным электродом (см. авторское свидетельство SU - A - №196959, 1967).
Недостаток этого коммутационного устройства заключается в том, что оно не обеспечивает эффективной защиты электродов от эрозии, так как создаваемая катушкой напряженность магнитного поля в месте размыкания электродов недостаточна для обеспечения необходимой (с точки зрения отсутствия эрозии электродов) скорости перемещения плазменного столба дугового разряда).
Известно также коммутационное устройство, содержащее вакуумированную камеру с первым и вторым входными выводами, неподвижный и подвижной электроды, установленные соосно в вакуумированной камере, а также первую и вторую шины в виде размещенных в вакуумированной камере напротив друг друга и перпендикулярно оси, вдоль которой размещены неподвижный и подвижной электроды, удлиненных пластин, соединенных соответственно с первым и вторым входными выводами, при этом неподвижный электрод выполнен в виде контактного элемента, жестко и электрически соединенного со второй удлиненной пластиной, подвижной электрод посредством гибких токоподводов соединен с первой удлиненной пластиной и размещен с возможностью обеспечения при его осевом перемещении одинакового по периметру его контактного элемента гарантированного зазора между ним и стенкой сквозного отверстия, выполненного в первой шине, а снаружи вакуумированной камеры и по всей длине первой и второй шин размещен источник внешнего поперечного постоянного магнитного поля (см. авторское свидетельство SU - A - №196960, 1967). Это устройство взято в качестве прототипа как наиболее близкое к изобретению по совокупности существенных признаков.
3
Недостаток прототипа заключается в том, что размещение источника внешнего поперечного магнитного поля вне вакуумированной камеры приводит не только к существенному увеличению габаритов устройства, но и к значительным энергозатратам, связанным с необходимостью создания высокой напряженности (10 эрстед) магнитного поля во всем (достаточно большом) объеме между удлиненными пластинами.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по обеспечению уменьшения габаритов коммутационного устройства, снижения энергозатрат при одновременном увеличении номинала коммутируемого тока за счет создания в межэлектродном промежутке собственного поперечного магнитного поля, обеспечивающего перемещение плазменного столба дугового разряда между каждой парой контактных элементов подвижного и неподвижного электродов по замкнутой траектории.
Поставленная задача решена тем, что в коммутационном устройстве, содержащем размещенные в вакуумированной камере две шины, выполненные в виде расположенных параллельно и напротив друг друга одинаковых соответственно первой и второй удлиненных металлических пластин, электрически соединенных соответственно с первым и вторым входными выводами, а также подвижной и неподвижный электроды, расположенные вдоль вертикальной оси, перпендикулярной обоим удлиненным пластинам и лежащей в соответствующей удлиненным пластинам общей вертикальной продольной плоскости симметрии, при этом в первой удлиненной пластине выполнено соосное упомянутой выше вертикальной оси сквозное отверстие с размерами, обеспечивающими одинаковый зазор между стенками сквозного отверстия и подвижным электродом при его осевом перемещении, а подвижной и неподвижный электроды электрически соединены соответственно с первой и второй удлиненной пластиной, согласно изобретению неподвижный электрод выполнен в виде двух одинаковых контактных элементов, во второй удлиненной пластине выполнено соосное вертикальной оси сквозное отверстие, в котором с обеспечением электрической изоляции друг относительно друга и симметрично относительно продольной плоскости симметрии размещены и соединены с помощью кольцевого элемента из диэлектрического материала со второй удлиненной пластиной контактные элементы неподвижного электрода, подвижной электрод также выполнен в виде двух одинаковых контактных элементов, которые расположены с зазором друг относительно друга, симметрично относительно продольной плоскости симметрии и попарно напротив контактных элементов неподвижного электрода, для обеспечения возможности перемещения вдоль вертикальной оси подвижной электрод снабжен стержневым элементом, который выполнен из диэлектрического материала и снабжен двумя одинаковыми токопроводящими элементами, расположенными симметрично относительно как продольной плоскости симметрии, так и перпендикулярной ей и проходящей через вертикальную ось первой вертикальной плоскости, токопроводящие элементы размещены на нижнем участке стержневого элемента, жестко соединены с ним, при этом нижние концы токопроводящих элементов механически и электрически соединены с соответствующим каждому из них контактным элементом подвижного электрода, а верхние части токопроводящих элементов электрически соединены с первой удлиненной пластиной с помощью соответствующего каждому из них токоподвода, причем токоподвод между первым токопроводящим элементом и первой удлиненной пластиной включает последовательно соединенные между собой первый гибкий токоподвод и первый жесткий токоподвод, токоподвод между вторым токопроводящим элементом и первой удлиненной пластиной включает последовательно соединенные между собой второй гибкий токоподвод и второй жесткий токоподвод, первый и второй контактные элементы неподвижного электрода электрически соединены со второй удлиненной пластиной с помощью соответственно третьего и четвертого жестких токопроводов, образующие первую пару первый и четвертый жесткие токопроводы выполнены одинаковыми, образующие вторую пару второй и третий жесткие токопроводы выполнены одинаковыми и зеркально-симметричными по отношению к жестким токопроводам первой пары, каждый жесткий токопровод включает расположенный между первым и вторым вертикальными крайними участками горизонтальный средний участок в виде прямоугольного полувитка, концы которого однонаправленно загнуты под прямым углом в направлении к входным выводам, при этом отогнутый наружу конец полувитка сопряжен под прямым углом с первым крайним участком, а отогнутый внутрь конец полувитка сопряжен под прямым углом с вторым крайним участком, который выполнен в виде неравнобочной прямоугольной скобы, полка которой параллельна плоскости полувитка среднего участка и расположена между ортогональными к ней и параллельными между собой первым и вторым боковыми элементами, при этом длина сопряженного с отогнутым внутрь концом полувитка второго бокового элемента меньше длины первого бокового элемента на длину первого крайнего участка жесткого токопровода, первый и второй жесткие токопроводы расположены над первой удлиненной пластиной, симметрично относительно ее продольной плоскости симметрии и с одинаковым зазором между одноименными концами полувитков, а также первыми и вторыми крайними участками, полувитки первого и второго жестких токопроводов расположены в плоскости, параллельной первой удлиненной пластине и на расстоянии от нее, равном длине первых крайних участков, электрически соединенных с первой удлиненной пластиной, полувитки третьего и четвертого жестких токопроводов расположены в плоскости, параллельной второй удлиненной пластине и на том же расстоянии от нее, равном длине первых крайних участков, электрически соединенных с второй удлиненной пластиной, первые крайние участки всех жестких токопроводов расположены во второй вертикальной плоскости, первые боковые элементы вторых крайних участков всех жестких токопроводов расположены в третьей вертикальной плоскости, а вторые боковые элементы вторых крайних участков всех жестких токопроводов расположены в четвертой вертикальной плоскости, причем вторая, третья и четвертая вертикальные плоскости параллельны первой вертикальной плоскости, относительно которой симметрично расположены полувитки всех жестких токопроводов, верхние концы первых боковых элементов третьего и четвертого жестких токопроводов электрически и механически соединены соответственно с первым и вторым контактным элементом неподвижного электрода, на обращенных друг к другу сторонах полок вторых крайних участков первого и второго жестких токопроводов выполнены расположенные напротив друг друга выемки, образующие совместно соосное упомянутой выше вертикальной оси отверстие, в котором размещен с возможностью осевого перемещения и вплотную к соответствующим первым боковым элементам стержневой элемент, один конец первого гибкого токопровода закреплен на первом токопроводящем элементе, а его другой конец - на верхней поверхности полки первого жесткого токопровода, один конец второго гибкого токопровода закреплен на втором токопроводящем элементе, а его другой конец - на верхней поверхности полки второго жесткого токопровода, при этом оба гибких токопровода выполнены одинаковыми.
Основные преимущества предложенного коммутационного устройства перед прототипом заключаются в следующем. Выполнение как неподвижного, так и подвижного электродов в виде двух одинаковых контактных элементов, расположенных попарно напротив друг друга и соединенных через соответствующий каждому контактному элементу токоподвод с соответствующей удлиненной пластиной, позволило распределить коммутируемый ток между двумя одинаковыми параллельными ветвями, а следовательно, обеспечить достижение первого технического результата, заключающегося в увеличении номинала коммутируемого тока. Использование в токоподводе к каждому контактному элементу жестких токоподводов с определенным конструктивным выполнением среднего горизонтального участка, первого и второго крайних участков обеспечило создание в межэлектродном промежутке собственного поперечного магнитного поля, вызывающего перемещение плазменного столба дугового разряда между каждой парой контактных элементов по замкнутой траектории. Это обеспечивает достижение следующих технических результатов: уменьшение габаритов коммутационного устройства за счет отсутствия расположенных вне вакуумированной камеры каких-либо узлов, элементов; снижение энергозатрат за счет создания собственного, а не внешнего поперечного магнитного поля требуемой напряженности только в пределах межэлектродного промежутка; уменьшение эрозии контактных элементов вследствие перемещения плазменного столба дуговых разрядов по замкнутой траектории. Остальные преимущества предложенного коммутационного устройства будут отмечены ниже.
х
х
у
На фиг.1 изображено коммутационное устройство, вид спереди, частичный разрез; на фиг.2 - то же вид сверху; на фиг.3 - то же вид снизу; на фиг.4 - жесткие токопроводы, общий вид; на фиг.5 - распределение силовых линий магнитного поля в плоскости А-А сечения; на фиг.6 - то же в плоскости Б-Б сечения; на фиг.7 - распределение компонент  и  поперечного магнитного поля; на фиг.8 - неподвижный и подвижной электроды, увеличено; на фиг.9 - распределение компонент  и  поперечного магнитного поля вдоль оси Y; на фиг.10 - распределение силовых линий магнитного поля в плоскости В-В сечения; на фиг.11 - распределение компоненты  поперечного магнитного поля; на фиг.12 - распределение силовых линий магнитного поля в плоскости Г-Г сечения; на фиг.13 - распределение компоненты  поперечного магнитного поля; на фиг.14 - распределение направления компоненты Н поперечного магнитного поля в межэлектродном промежутке; на фиг.15 - распределение Н вдоль оси Y; на фиг.16 - распределение направления компоненты Н поперечного магнитного поля в межэлектродном промежутке; на фиг.17 - траектории перемещения опорных пятен дуговых разрядов под действием сил, обусловленных поперечным магнитным полем в межэлектродном промежутке.
Коммутационное устройство содержит (фиг.1-3) вакуумированную (герметичную) камеру 1 с первым 2 и вторым 3 входными выводами. В полости вакуумированной камеры 1 размещены расположенные вдоль вертикальной оси 4, во-первых, неподвижный электрод, выполненный в виде двух одинаковых контактных элементов 5.1 и 5.2, имеющих, предпочтительно, форму кругового сегмента, а во-вторых, с возможностью перемещения вдоль оси 4 подвижной электрод, выполненный, аналогично неподвижному электроду, в виде двух одинаковых контактных элементов 6.1 и 6.2, имеющих, предпочтительно, форму кругового сегмента. Контактные элементы 6.1 и 6.2 посредством стержневого элемента 7 соединены через соответствующий герметичный ввод вакуумированной камеры 1 с приводом (не показан), предпочтительно индукционно-динамическим (см. патент RU - C1 - №2207647, 2003). Кроме того, в вакуумированной камере 1 размещены электрически соединенные соответственно с первым 2 и вторым 3 входными выводами первая и вторая параллельные между собой шины, которые выполнены в виде соответственно первой 8 и второй 9 одинаковых удлиненных металлических пластин, расположенных перпендикулярно оси 4, лежащей в соответствующей удлиненным пластинам 8 и 9 общей вертикальной продольной плоскости 10 симметрии. В первой удлиненной пластине 8 выполнено соосное оси 4 сквозное отверстие 11, радиус которого на 0,1-0,3 мм превышает радиус окружности контактных элементов 6.1 и 6.2, которые расположены с зазором друг относительно друга и симметрично относительно продольной плоскости 10 симметрии. В случае выполнения контактных элементов 6.1 и 6.2 другой формы сквозное отверстие 11 должно иметь форму, соответствующую контактным элементам 6.1 и 6.2, а его размер выбирается из условия обеспечения вокруг контактных элементов 6.1 и 6.2 одинакового гарантированного зазора, равного 0,1-0,3 мм, между ними и стенкой сквозного отверстия 11 при осевом перемещении подвижного электрода.
Аналогично во второй удлиненной пластине 9 выполнено сквозное отверстие 12, соосное оси 4. Контактные элементы 5.1 и 5.2 неподвижного электрода размещены в отверстии 12 попарно напротив соответственно контактных элементов 6.1 и 6.2, с обеспечением электрической изоляции друг относительно друга и симметрично относительно продольной плоскости 10 симметрии. Контактные элементы 5.1 и 5.2 механически соединены со второй удлиненной пластиной 9 с помощью размещенного также в отверстии 12 кольцевого элемента 13 из диэлектрического материала, что обеспечивает электрическую изоляцию их от удлиненной пластины 9 (фиг.3).
Стержневой элемент 7 подвижного электрода выполнен из диэлектрического материала и снабжен двумя одинаковыми электрически изолированными друг от друга токопроводящими элементами 14 и 15, которые размещены на нижнем участке стержневого элемента 7, жестко соединены с ним и расположены симметрично относительно как продольной плоскости 10 симметрии, так и первой вертикальной плоскости 16, которая перпендикулярна продольной плоскости 10 симметрии и проходит через ось 4. Токопроводящие элементы 14 и 15 выполнены, предпочтительно, из профиля открытого сечения (кольцевого сегмента, П-образного и т.п.), при этом нижние концы токопроводящих элементов 14 и 15 механически и электрически соединены соответственно с контактным элементом 6.1 и контактным элементом 6.2 подвижного электрода.
Токопроводящие элементы 14 и 15 в своей верхней части соединены электрически с первой удлиненной пластиной 8 с помощью соответствующего каждому из них токоподвода, включающего последовательно соединенные между собой жесткий и гибкий токопровод. Имеющий по всей своей длине неизменные поперечные размеры жесткий токопровод 17 к токопроводящему элементу 14 и выполненный зеркально-симметричным по отношению к нему (иными словами, с теми же геометрическими параметрами) жесткий токопровод 18 к токопроводящему элементу 15 расположены над первой удлиненной пластиной 8 (фиг.1, 2, 4) и симметрично относительно ее продольной плоскости 10 симметрии. Каждый жесткий токопровод 17 и 18 имеет горизонтальный средний участок (фиг.2-4), расположенный между первым и вторым вертикальными крайними участками, предпочтительно выполненными за одно целое с ним. Средние участки жестких токопроводов 17 и 18 расположены в плоскости, параллельной первой удлиненной пластине 8, а каждый средний участок выполнен в виде прямоугольного полувитка 17.1 (18.1), концы 17.2 и 17.3 (18.2 и 18.3) которого однонаправленно загнуты под прямым углом и расположены параллельно продольной плоскости 10 симметрии удлиненных пластин 8 и 9 так, что отогнутые наружу полувитков 17.1 и 18.1 соответственно концы 17.2 и 18.2 и отогнутые внутрь полувитков 17.1 и 18.1 соответственно концы 17.3 и 18.3 попарно параллельны между собой и расположены попарно напротив друг друга с зазором - δ друг относительно друга, а сами полувитки 17.1 и 18.1 расположены симметрично относительно плоскости 16.
Отогнутый наружу конец 17.2 полувитка 17.1 обращен в сторону первого входного вывода 2 и соединен (электрически и механически) с первой удлиненной пластиной 8 посредством первого крайнего участка 17.4, который соответствует жесткому токопроводу 17 и расположен под прямым углом к концу 17.2 полувитка 17.1. Аналогично отогнутый наружу и обращенный в сторону первого входного вывода 2 конец 18.2 полувитка 18.1 соединен с первой удлиненной пластиной 8 посредством соответствующего жесткому токопроводу 18 и расположенного под прямым углом к концу 18.2 первого крайнего участка 18.4. Первые крайние участки 17.4 и 18.4 расположены во второй вертикальной плоскости, перпендикулярной первой удлиненной пластине 8 и параллельной плоскости 16.
Вторые крайние участки жестких токопроводов 17 и 18 выполнены в виде одинаковых неравнобочных прямоугольных (П-образных) скоб, полки 17.5 и 18.5 которых параллельны плоскости соответственно полувитков 17.1 и 18.1, при этом каждая полка 17.5 (18.5) расположена между ортогонально расположенными к ней и параллельными между собой первым 17.6 (18.6) и вторым 17.7 (18.7) боковыми элементами. Полки 17.5 и 18.5 соответственно вторых крайних участков жестких токопроводов 17 и 18 расположены в плоскости, параллельной первой удлиненной пластине 8 и на расстоянии от нее, равном длине первых боковых элементов 17.6 (18.6), которая больше длины сопряженных с отогнутым внутрь концом 17.3 (18.3) вторых боковых элементов 17.7 (18.7) на длину первых крайних участков 17.4 (18.4). Первые боковые элементы 17.6 и 18.6, а также вторые боковые элементы 17.7 и 18.7 расположены в соответствующих им третьей и четвертой вертикальных плоскостях, параллельных плоскости 16.
На обращенных друг к другу сторонах полок 17.5 и 18.5 выполнены расположенные напротив друг друга выемки 19 и 20, образующие совместно соосное оси 4 отверстие, в котором размещен с возможностью осевого перемещения стержневой элемент 7. Иными словами, образованное выемками 19 и 20 отверстие является, по существу, направляющей разрезанной втулкой для стержневого элемента 7 подвижного электрода, при этом стержневой элемент 7 расположен вплотную к поверхностям первых боковых элементов 17.6 и 18.6, которые обращены к соответствующим им вторым боковым элементам 17.7 и 18.7. Отогнутые внутрь концы 17.3 и 18.3 соответственно полувитков 17.1 и 18.1 сопряжены под прямым углом с соответствующим каждому из них вторым боковым элементом 17.7 и 18.7 соответственно вторых крайних участков жестких токопроводов 17 и 18.
Один конец гибкого токопровода 21 закреплен на токопроводящем элементе 14, а его другой конец - на верхней поверхности полки 17.5. Аналогично один конец гибкого токопровода 22 закреплен на токопроводящем элементе 15, а его другой конец - на верхней поверхности полки 18.5, при этом гибкие токопроводы 21 и 22 выполнены одинаковыми (фиг.2).
Контактные элементы 5.1 и 5.2 неподвижного электрода электрически соединены со второй удлиненной пластиной 9 посредством соответствующего каждому из них жесткого токопровода 23 и 24. Токопроводы 23 и 24 имеют форму и геометрические размеры такие же, как соответственно жесткие токопроводы 18 и 17, но расположены под второй удлиненной пластиной 9 и симметрично относительно продольной плоскости 10 симметрии. Таким образом, жесткий токопровод 23 так же, как и жесткий токопровод 18, включает: средний участок в виде прямоугольного полувитка 23.1, концы 23.2 и 23.3 которого однонаправленно загнуты под прямым углом в сторону второго входного вывода 3 и расположены параллельно продольной плоскости 10 симметрии; первый крайний участок 23.4, соединенный с одной стороны с второй удлиненной пластиной 9, а с другой стороны сопряженный под прямым углом с отогнутым наружу концом 23.2 полувитка 23.1; второй крайний участок в виде неравнобочной прямоугольной скобы с полкой 23.5, первым боковым элементом 23.6 и вторым боковым элементом 23.7, сопряженным под углом 90° с концом 23.3, который отогнут внутрь полувитка 23.1. Аналогично, жесткий токопровод 24 также, как и жесткий токопровод 17 включает: средний участок в виде прямоугольного полувитка 24.1, концы 24.2 и 24.3 которого однонаправленно загнуты под прямым углом в сторону второго входного вывода 3 и расположены параллельно продольной плоскости 10 симметрии; первый крайний участок 24.4, соединенный с одной стороны со второй удлиненной пластиной 9, а с другой стороны сопряженный под прямым углом с концом 24.2, отогнутым наружу полувитка 24.1; второй крайний участок в виде неравнобочной прямоугольной скобы с полкой 24.5, первым боковым элементом 24.6 и вторым боковым элементом 24.7, сопряженным под прямым углом с концом 24.3, отогнутым внутрь полувитка 24.1.
0
1
2
3
4
Кроме того, отогнутые наружу полувитков 23.1 и 24.1 концы 23.2 и 24.2 и отогнутые внутрь полувитков 23.1 и 24.1 концы 23.3 и 24.3 попарно параллельны между собой и расположены попарно напротив друг друга с зазором δ друг относительно друга, а сами полувитки 23.1 и 24.1 расположены симметрично относительно плоскости 16. Первые крайние участки 23.4 и 24.4, первые боковые элементы 23.6 и 24.6, а также вторые боковые элементы 23.7 и 24.7 расположены соответственно в тех же плоскостях, параллельных плоскости 16, что и соответственно первые крайние участки 17.4 и 18.4, первые боковые элементы 17.6 и 18.6, а также вторые боковые элементы 17.7 и 18.7. В свою очередь, средние участки жестких токопроводов 23 и 24 расположены в плоскости, параллельной второй удлиненной пластине 9, и на том же расстоянии от нее, что и средние участки жестких токопроводов 17 и 18 относительно первой удлиненной пластины 8. Что касается полок 23.5 и 24.5, то они расположены в плоскости, параллельной второй удлиненной пластине 9, и, предпочтительно, на том же расстоянии от нее, что и полки 17.5 и 18.5 относительно первой удлиненной пластины 8. Верхние концы первых боковых элементов 23.6 и 24.6 электрически и механически соединены соответственно с контактным элементом 5.1 и контактным элементом 5.2 неподвижного электрода. Жесткий токопровод 24 отличается от жесткого токопровода 17 только отсутствием у него выемки 19, а жесткий токопровод 23 отличается от жесткого токопровода 18 только отсутствием у него выемки 20. Таким образом, выполненные зеркально-симметричными относительно друг друга две пары жестких токопроводов 17 и 23, а также 18 и 24 расположены попарно симметрично относительно плоскости 25, параллельной обеим удлиненным пластинам 8 и 9, одинаково удаленной от них. С другой стороны выполненные зеркально-симметричными жесткие токопроводы 17 и 18 расположены симметрично относительно продольной плоскости 10 симметрии, а их первые крайние участки 17.4 и 18.4; концы 17.2, 18.2 и 17.3 и 18.3, а также полки 17.5, 18.5, первые боковые элементы 17.6, 18.6 и вторые боковые элементы 17.7, 18.7 расположены с зазором - δ друг относительно друга и симметрично относительно продольной плоскости 10 симметрии. Сказанное выше справедливо также и в отношении жестких токопроводов 23 и 24, выполненных также зеркально-симметричными. На чертежах используются также следующие обозначения: А-А и Б-Б - плоскости сечения, параллельные плоскости 16 и расположенные на одинаковом расстоянии от нее; В-В и Г-Г - плоскости сечения, параллельные продольной плоскости 10 симметрии и расположенные на одинаковом расстоянии от нее. Криволинейными линиями со стрелкой показаны силовые линии магнитного поля, прямыми линиями со стрелкой обозначены направления токов I, I, I, I и I. Линия пересечения плоскости 25 с плоскостью 16 обозначена осью х. Линия пересечения продольной плоскости 10 симметрии с плоскостью 25 обозначена осью Y, а линия пересечения продольной плоскости 10 симметрии с плоскостью 16 (ось 4) обозначена дополнительно буквой Z. Линия пересечения плоскости А-А сечения с плоскостью 25 обозначена позицией 26, а с продольной плоскостью 10 симметрии обозначена позицией 27. Линия пересечения плоскости Б-Б сечения с плоскостью 25 обозначена позицией 28, а с продольной плоскостью 10 симметрии обозначена позицией 29. Линия пересечения плоскости В-В сечения с плоскостью 25 обозначена позицией 30, а с плоскостью 16 - позицией 31. Линия пересечения плоскости Г-Г сечения с плоскостью 25 обозначена позицией 32, а с плоскостью 16 - позицией 33. Опорные пятна дуговых разрядов на контактном элементе 5.1 и контактном элементе 5.2 обозначены позицией 34 и 37, замкнутые траектории перемещения опорных пятен дуговых разрядов обозначены соответственно позициями 35 и 36.
-6
0
1
2
3
4
1
2
3
4
0
Работа коммутационного устройства осуществляется следующим образом. В исходном положении подвижной электрод находится в крайнем нижнем положении (фиг.1, а также фиг.8). Иными словами, контактные элементы 5.1 и 6.1, а также контактные элементы 5.2 и 6.2 находятся вплотную друг к другу. Давление в вакуумированной камере 1 находится на уровне (5-8)·10 Торр, а первый 2 и второй 3 входные выводы соединены с коммутируемым участком цепи постоянного тока. В результате коммутируемый ток I протекает от первого входного вывода 2 ко второму входному выводу 3 последовательно через первую удлиненную пластину 8, через две параллельно соединенные и имеющие одинаковое сопротивление электрические ветви и через вторую удлиненную пластину 9, соединенную с вторым входным выводом 3. При этом первая электрическая ветвь включает последовательно соединенные жесткий токопровод 17, гибкий токопровод 21, токопроводящий элемент 14, контактный элемент 6.1 подвижного электрода, контактный элемент 5.1 неподвижного электрода и жесткий токопровод 23. Вторая электрическая ветвь включает последовательно соединенные жесткий токопровод 18, гибкий токопровод 22, токопроводящий элемент 15, контактный элемент 6.2 подвижного электрода, контактный элемент 5.2 неподвижного электрода и жесткий токопровод 24. Здесь необходимо отметить, что поскольку жесткие токопроводы 17 и 18 выполнены зеркально-симметричными относительно друг друга, гибкие токопроводы 21 и 22 выполнены одинаковыми, токопроводящие элементы 14 и 15 выполнены одинаковыми, контактные элементы 5.1 и 5.2, а также контактные элементы 6.1 и 6.2 выполнены одинаковыми и, наконец, жесткие токопроводы 23 и 24 выполнены зеркально-симметричными относительно друг друга, то электрическое сопротивление обеих упомянутых выше электрических ветвей - одинаково. Следовательно, ток I (фиг.4), текущий по жесткому токопроводу 17, ток I, текущий по жесткому токопроводу 18, ток I, текущий по жесткому токопроводу 23, и ток I, текущий по жесткому токопроводу 24 удовлетворяют соотношению: I=I=I=I=I/2. Магнитные силы, действующие на стержневой элемент 7 подвижного электрода и дуговой разряд между каждой парой контактных элементов 5.1, 6.1 и 5.2, 6.2, обусловлены поперечной относительно оси 4 составляющей магнитного поля в межэлектродном промежутке. При использовании описанной выше конструкции жестких токопроводов 17, 18, 23 и 24 параметры поперечного магнитного поля в межэлектродном промежутке практически полностью (на 97-99%) обусловлены магнитными полями, создаваемыми:
1
- током I, протекающим по полувитку 17.1 и по полке 17.5 второго крайнего участка жесткого токопровода 17;
2
- током I, протекающим по полувитку 18.1 и по полке 18.5 второго крайнего участка жесткого токопровода 18;
3
- током I, протекающим по полувитку 23.1 и по полке 23.5 второго крайнего участка жесткого токопровода 23;
4
- током I, протекающим по полувитку 24.1 и по полке 24.5 второго крайнего участка жесткого токопровода 24.
х
у
х
у
х
у
Основные параметры Н и Н поперечного магнитного поля в межэлектродном промежутке могут быть определены из анализа распределения компонент Н и Н поперечного магнитного поля в плоскости 25, а именно: для Н вдоль линий 26 и 28 пересечения плоскостей А-А и Б-Б сечения с плоскостью 25, а для Н вдоль линий 30 и 32 пересечения плоскостей В-В и Г-Г сечения с плоскостью 25, при этом плоскости А-А и Б-Б сечения расположены на одинаковом расстоянии от плоскости 16, а плоскости В-В и Г-Г сечения расположены на одинаковом расстоянии от продольной плоскости 10 симметрии (фиг.2).
1
3
2
4
1
4
Как следует из фиг.5, магнитное поле (на чертежах силовые линии магнитного поля изображены в виде криволинейных линий со стрелками), создаваемое в плоскости А-А сечения токами I и I, протекающими по средним участкам соответственно полувитков 17.1 и 23.1, имеет максимальное значение в области, расположенной между упомянутыми выше одноименными участками полувитков 17.1 и 23.1. Аналогично, магнитное поле, создаваемое в плоскости А-А сечения токами I и I, протекающими по средним участкам соответственно полувитков 18.1 и 24.1, имеет то же направление и максимальное значение в области, расположенной между упомянутыми выше одноименными участками полувитков 18.1 и 24.1. Поскольку токи Iи I равны между собой, то распределение компоненты  поперечного магнитного поля вдоль линий 26 пересечения плоскости А-А сечения с плоскостью 25 имеет вид двугорбой четной функции относительно проходящей через ее минимум  (min) продольной плоскости 10 симметрии (фиг.7).
1
3
2
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
3
2
4
В отличие от вышесказанного магнитное поле в плоскости Б-Б сечения создается не только токами I и I, протекающими по средним участкам соответственно полувитков 17.1 и 23.1, токами I и I, протекающими по средним участкам соответственно полувитков 18.1 и 24.1, но и токами I и I, протекающими соответственно по полкам 17.5 и 18.5, а также токами I и I, протекающими соответственно по полкам 23.5 и 24.5 (фиг.6). Здесь следует отметить, что направление магнитного поля, создаваемого токами I и I, протекающими соответственно по полкам 17.5 и 18.5, а также токами I и I, протекающими соответственно по полкам 23.5 и 24.5, в области, расположенной между этими двумя парами полок (соответственно 17.5, 18.5 и 23.5, 24.5), имеет направление, которое противоположно направлению магнитного поля, создаваемого в этой же области токами I и I, протекающими по средним участкам соответственно полувитков 17.1 и 23.1, а также токами I и I, протекающими по средним участкам соответственно полувитков 18.1 и 24.1. Следовательно, хотя распределение компоненты  поперечного магнитного поля вдоль линии 28 пересечения плоскости Б-Б сечения с плоскостью 25 имеет также, как и в рассмотренном выше случае для  вид двугорбой четной функции относительно проходящей через ее минимум продольной плоскости 10 симметрии, однако величина и направление (знак) компоненты  в области ее минимума будет определяться не только расстоянием между средними участками соответственно полувитков 17.1, 18.1 и 23.1, 24.1, но и расстоянием между первой 17.5, 18.5 и второй 23.5, 24.5 парами полок соответственно вторых крайних участков жестких токопроводов 17, 18, 23 и 24.
Иными словами, предложенное выполнение жестких токопроводов 17, 18, 23 и 24 обеспечивает возможность создания распределения компоненты  поперечного магнитного поля вдоль линии 28 пересечения плоскости Б-Б сечения с плоскостью 25 со следующими параметрами. Во-первых, величина компоненты  поперечного магнитного поля в минимуме -  (min) (в точке пересечения упомянутой выше линии 28 с продольной плоскостью 10 симметрии) равна по величине компоненте
х
поперечного магнитного поля в минимуме -  (min), но противоположно ей направлена. Во-вторых, расстояние - L между точками, расположенными симметрично относительно продольной плоскости 10 симметрии и соответствующими нулевому значению  не менее чем в два раза больше размера образующих межэлектродный промежуток подвижного и неподвижного электродов в направлении оси х (фиг.7). Учитывая также то обстоятельство, что плоскости А-А и Б-Б сечения расположены на одинаковом расстоянии от плоскости 16 и никаких других ограничений на это расстояние не накладывается, поэтому в межэлектродном промежутке в направлении вдоль удлиненных пластин 8 и 9 имеет место переход от зависимости  к зависимости  Вследствие этого в межэлектродном промежутке компонента Н поперечного магнитного поля принимает нулевое значение в плоскости 16', параллельной плоскости 16 и расположенной от нее на расстоянии, которое не меньше расстояния между плоскостью 16 и первыми боковыми элементами 17.6, 18.6, 23.6 и 24.6 вторых крайних участков соответственно жестких токопроводов 17, 18, 23 и 24 (фиг.8 и 9).
1
2
Таким образом, в исходном состоянии стержневой элемент 7, а также жестко соединенные с ним токопроводящие элементы 14 и 15, по которым протекают соответственно токи I и I, находятся в поперечном магнитном поле  (min), которое направлено перпендикулярно плоскости чертежа (фиг.8) в сторону наблюдателя. Следовательно, на токопроводящие элементы 14 и 15, а также на жестко соединенный с ними стержневой элемент 7, будет действовать сила F, направленная в сторону входных выводов 2 и 3. Для обеспечения жесткости стержневого элемента 7 по отношению к поперечному изгибу без увеличения его массы (а следовательно, без увеличения инерционности системы разведения электродов) жесткие токопроводы 17 и 18 выполнены с первыми боковыми элементами 17.6 и 18.6, к которым вплотную расположен стержневой элемент 7. Таким образом, первые боковые элементы 17.6 и 18.6 выполняют функцию продольных опор для стержневого элемента 7 и могут быть выполнены с необходимой для опор жесткостью, не оказывая при этом какого-либо влияния на инерционность системы разведения электродов. В результате, существенно уменьшается длина консольно расположенного участка стержневого элемента 7 в исходном положении подвижного электрода, а следовательно, существенно снижаются требования к жесткости стержневого элемента 7 по отношению к поперечному изгибу.
у
1
3
1
3
0
Что касается компоненты Н поперечного магнитного поля, то, как следует из фиг.10, магнитное поле, создаваемое в плоскости В-В сечения токами I и I, протекающими по крайним элементам соответственно полувитков 17.1 и 23.1, имеет максимальное значение в областях, расположенных между упомянутыми выше одноименными участками (расположенными по обе стороны относительно средних участков) полувитков 17.1 и 23.1, при этом направление магнитного поля между одной парой расположенных рядом крайних участков полувитков 17.1 и 23.1 противоположно направлению магнитного поля между другой парой расположенных рядом крайних участков полувитков 17.1 и 23.1. Учитывая также, что I=I=I/2, поэтому распределение компоненты  поперечного магнитного поля вдоль линии 30 пересечения плоскости В-В сечения с плоскостью 25 имеет вид нечетной функции относительно линии 31 пересечения плоскости В-В сечения с плоскостью 16 (фиг.11).
2
4
1
4
0
С другой стороны, как следует из фиг.12, магнитное поле, создаваемое в плоскости Г-Г сечения токами I и I, протекающими по крайним элементам соответственно полувитков 18.1 и 24.1, имеет также максимальное значение в областях, расположенных между упомянутыми выше одноименными участками полувитков 18.1 и 24.1, при этом направление магнитного поля между одной парой расположенных рядом крайних участков полувитков 18.1 и 24.1 противоположно направлению магнитного поля между другой парой расположенных рядом крайних участков полувитков 18.1 и 24.1. Учитывая также, что I=I=I/2, поэтому распределение компоненты  поперечного магнитного поля вдоль линии 32 пересечения плоскости Г-Г сечения с плоскостью 25 имеет вид нечетной функции относительно линии 33 пересечения плоскости Г-Г сечения с плоскостью 16 (фиг.13).
у
у
1
2
х
х
у
у
у
Сравнение зависимостей  и  показывает, что они отличаются друг от друга только последовательностью изменения направления магнитного поля. Поскольку плоскости В-В и Г-Г сечения расположены на одинаковом расстоянии от продольной плоскости 10 симметрии и никаких других ограничений на это расстояние не накладывается, то компонента Н поперечного магнитного поля в межэлектродном промежутке равна нулю не только в плоскости 16, но и в продольной плоскости 10 симметрии при переходе от зависимости  к зависимости , при этом переход от зависимости  к зависимости  происходит на длине, соизмеримой с величиной зазора - δ. Таким образом, вблизи стержневого элемента 7 имеет место “магнитная яма” для компоненты Н поперечного магнитного поля. Иными словами, в исходном положении на стержневой элемент 7 действует сила, обусловленная только взаимодействием токов I и I, протекающих по токопроводящим элементам 14 и 15, с компонентой  поперечного магнитного поля в межэлектродном промежутке. В соответствии с вышесказанным в областях межэлектродного промежутка, расположенных по обе стороны плоскости 16', параллельной плоскости 16, и соответствующих контактным элементам 5.1 и 6.1, компоненты Н поперечного магнитного поля равны по величине, параллельны плоскости 16' и противоположно направлены (фиг.14, 15). Аналогичная картина распределения компонент Н поперечного магнитного поля имеет место в области межэлектродного промежутка, соответствующей контактным элементам 5.2 и 6.2 (фиг.14). Что касается компонент Н поперечного магнитного поля, то в областях межэлектродного промежутка, расположенных по обе стороны плоскости 16 и соответствующих контактным элементам 5.1 и 6.1, компоненты Н поперечного магнитного поля перпендикулярны плоскости 16 и направлены в противоположные стороны (фиг.16 и 11). В областях межэлектродного промежутка, расположенных по обе стороны плоскости 16 и соответствующих контактным элементам 5.2 и 6.2, компоненты Н поперечного магнитного поля также перпендикулярны к плоскости 16, но направлены встречно (фиг.16 и 13).
х
у
При подаче управляющего сигнала на привод (не показан) подвижного электрода происходит разведение электродов, а именно: первой пары контактных элементов 6.1 и 5.1 и одновременно второй пары контактных элементов 6.2 и 5.2. В результате разведения электродов между каждой парой контактных элементов (6.1, 5.1 и 6.2, 5.2) возникает соответствующий вакуумный дуговой разряд. При этом под действием сил, обусловленных компонентами Н и Н поперечного магнитного поля в межэлектродном промежутке, каждый плазменный столб дугового разряда (как плазменный проводник с током в поперечном магнитном поле) будет перемещаться по замкнутой траектории в объеме, ограниченном расположенными напротив друг друга соответствующей ему парой контактных элементов.
х
у
у
х
Действительно, пусть при возникновении между контактными элементами 5.1 и 6.1 дугового разряда его опорное пятно 34 на контактном элементе 5.1 находится в точке а (фиг.17). В этом случае на плазменный столб дугового разряда будут действовать две силы, направленные под прямым углом друг относительно друга, при этом обусловленная компонентой Н поперечного магнитного поля сила  направлена в направлении плоскости 16', а обусловленная компонентой Н поперечного магнитного поля сила  направлена от продольной плоскости 10 симметрии. В результате одновременного действия на плазменный столб дугового разряда сил  и  происходит перемещение его (а следовательно, и соответствующего ему опорного пятна 34 на контактном элементе 5.1) по криволинейному участку от точки а к точке b, поскольку плазменному столбу дугового разряда будет одновременно сообщаться ускорение как в направлении оси х, так и в направлении оси у. Однако набор скорости в направлении оси х быстро заканчивается, поскольку величина компоненты Н поперечного магнитного поля (в отличие от компоненты Н, см. фиг.15) быстро убывает в направлении к плоскости 16 (фиг.11). Таким образом, на участке между точками b и с перемещение плазменного столба дугового разряда в направлении оси х происходит практически за счет инерции (приобретенного на участке между точками а и b количества движения), а в направлении оси х - в результате действия силы
х
у
у
у
Далее, в результате изменения направления компоненты Н поперечного магнитного поля на противоположное (фиг.15) на плазменный столб дугового разряда будет действовать сила  направление которой противоположно направлению силы  Таким образом, на участке между точками с и е на плазменный столб дугового разряда будет действовать тормозящая сила  в результате чего компонента скорости плазменного столба дугового разряда в направлении оси у станет равной нулю в точке е. Что касается перемещения плазменного столба дугового разряда в направлении оси х (в направлении от продольной плоскости 10 симметрии), то на начальном участке между точками с и d перемещение плазменного столба дугового разряда будет происходить по существу за счет инерции, поскольку величина компоненты Н поперечного магнитного поля мала. Здесь необходимо отметить, что в области плоскости 16 компонента Н поперечного магнитного поля изменяет свое направление на противоположное, поэтому по мере увеличения компоненты Н поперечного магнитного поля на плазменный столб дугового разряда начнет действовать сила  направление которой противоположно направлению силы  В результате действия на плазменный столб дугового разряда тормозящей силы  компонента его скорости в направлении оси х станет равной нулю в точке d, а на участке между точками d и е плазменный столб дугового разряда под действием той же силы  приобретет ускорение в направлении оси х. На участке между точками е и f (аналогично тому, как было описано выше для участка между точками а и b) плазменному столбу дугового разряда будет одновременно сообщаться ускорение как в направлении оси х, так и в направлении оси у. На участке между точками f и g перемещение плазменного столба дугового разряда в направлении оси х (к продольной плоскости 10 симметрии) будет происходить за счет инерции (приобретенного на участке между точками d и f количества движения), а в направлении к оси х (плоскости 16) - в результате действия силы
На участках между точками g и h, а также точками h и а перемещение плазменного столба дугового разряда будет происходить аналогично тому, как описано выше соответственно для участка между точками с и d и участка между точками d и е. Следовательно, перемещение плазменного столба дугового разряда между контактными элементами 5.1 и 6.1 будет происходить по замкнутой траектории 35 и по часовой стрелке. Аналогично, перемещение плазменного столба дугового разряда между контактными элементами 5.2 и 6.2 будет также происходить по замкнутой траектории 36 (контактное пятно этого плазменного столба дугового разряда на контактном элементе 5.2 обозначено позицией 37), но против часовой стрелки.
Таким образом, изобретение обеспечивает, с одной стороны, уменьшение в два раза величины тока дугового разряда, а следовательно, позволяет уменьшить температуру опорных пятен плазменного столба каждого дугового разряда на соответствующих контактных элементах. С другой стороны, уменьшение температуры опорных пятен каждого плазменного столба дугового разряда обеспечивается за счет перемещения каждого плазменного столба дугового разряда по замкнутой траектории. Следствием вышесказанного является снижении эрозии контактных элементов без дополнительных энергозатрат.
х
Здесь нужно отметить также, что наличие отогнутых внутрь соответствующих полувиткам концов 17.3 и 18.3, 23.3 и 24.3 позволяет существенно увеличить компоненту Н поперечного магнитного поля и тем самым практически исключает возможность эвакуации плазменного столба дугового разряда из межэлектродного промежутка при внештатных ситуациях.
Предложенное коммутационное устройство может быть использовано в системах питания импульсных ускорителей электронных пучков, импульсных источников рентгеновского, лазерного и нейтронного излучений.