[發明專利]一種高耦合系數和儲能密度的電感及其設計方法與應用

有效

• 申請號: 201410213311.6
• 申請日: 2014-05-20
• 公開（公告）號: CN103996491A
• 公開（公告）日: 2014-08-20
• 發明（設計）人: 李臻;于歆杰;馬山剛
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01F17/04
• 分類號: H01F17/04;H01F41/00;G06F17/50
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

技術領域

本發明屬于電感設計技術領域，尤其涉及一種高耦合系數和儲能密度的電感及其設計方法與應用。

背景技術

電磁發射的基礎是脈沖電源，脈沖電源系統一般可以分為初級電源、中間儲能和脈沖形成系統、轉換系統三部分。由于初級電源功率密度較低，滿足不了電磁發射的要求，因此要引入中間儲能部分。對于中間儲能系統，常見的形式有電容儲能、電感儲能、機械儲能等。在理論上電容、電感、機械儲能的能量密度比為1:10:1000。

電容儲能型脈沖電源的主要缺點是儲能密度低，機械儲能考慮到其體積、重量、可靠性等因素的制約，難以移植到實戰系統中。電感儲能型脈沖電源由于其電感具有相對較高的儲能密度和易于冷卻等特點成為近期研究的熱點，電感作為電感儲能型脈沖電源的核心元件，如圖1中的L₁和L₂，其結構形式直接影響到系統的儲能密度。在IAT(Institute?for?Advanced?Technology)提出的電容輔助慢速能量轉換絞肉機型電感儲能脈沖電源(以下簡稱STRETCH?meat?grinder)電路中(如圖1所示)，該STRETCH?meat?grinder電路結構包括充電電源、主回路開關、具有高耦合系數的電感L₁、L₂，用于降低主回路開關承壓的晶閘管T₁、二極管D₂、電容C，負載回路的負載線圈及限制電流方向的二極管D₁。之前有的研究機構將Brooks線圈應用于系統電感基本單元。Brooks線圈雖然具有較高的耦合系數，但其本身是對于給定長度下所優化出的最大電感的參數設置，用這種設置的線圈組成的電感不一定具有最高的儲能密度。在目前公開發表的電感儲能型脈沖電源相關文獻中，未見將電感參數的設計及優化與系統的能量密度聯系起來的報導。

發明內容

本發明的目的在于提供一種高耦合系數和高儲能密度的電感，旨在解決現有Brooks線圈雖然具有較高的耦合系數，但是卻不一定具有最高儲能密度的問題。

本發明的另一目的在于提供了上述高耦合系數和高儲能密度的電感的設計方法，旨在通過電感參數的設計及優化與系統的能量密度聯系起來，使電感既具有較高的耦合系數，又具有最高儲能密度。

本發明的再一目的在于提供上述高耦合系數和儲能密度的電感的應用。

本發明是這樣實現的，一種高耦合系數和儲能密度的電感設計方法，包括以下步驟：

S1、基于STRETCH?meat?grinder電路結構，以空心平面螺旋線型線圈AFSSC做為電磁發射用的電感基本單元，進而構建出所述電路結構中的兩個電感L₁和L₂；

S2、分別給定兩個電感的電感值L₁和L₂及充放電電流I₁、I₂的情況下，編程優化單片AFSSC的內徑d、外徑D和匝數n三個參數；

S3、計算得到滿足給定電感值L₁和L₂的電感的最小體積、能量密度和L₁、L₂串聯后的電阻值。

優選地，所述S2更具體包括：

A、分別給定兩個電感L₁、L₂的電感值L₁、L₂及充放電電流I₁、I₂，給定電流密度J、耦合系數k、匝間距d_turns、相鄰兩片AFSSC間的距離d_sheets；給定待優化的AFSSC的內直徑d、外直徑D以及匝數n的取值范圍，對于每組d、D、n，計算對應的AFSSC的匝寬w、高度h；

B、利用A中的d、D、n、d_turns、d_sheets、h等參數計算單片AFSSC的電感L_single和兩片之間的互感，將多片AFSSC串聯成基本模塊1，AFSSC串聯的次數由L₁與L₂的比值的平方根決定；將多片AFSSC并聯成基本模塊2，AFSSC并聯的次數由充放電電流I₁、I₂的比值決定；

C、計算各組基本模塊1、基本模塊2的電感值，將電感值大于給定的L₁、L₂電感值的排除，將電感值不大于給定L₁、L₂電感值的各組選出；