一種高耦合系數(shù)和儲(chǔ)能密度的電感及其設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種高耦合系數(shù)和儲(chǔ)能密度的電感及其設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用，其中，電感設(shè)計(jì)方法為基于STRETCH?meat?grinder電路結(jié)構(gòu)，以空心平面螺旋線型線圈AFSSC(Air-core?Flat?Spirals?of?Strip?Coil)做為電磁發(fā)射用的電感基本單元，進(jìn)而構(gòu)建出所述電路結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)電感L1和L2。在分別給定兩個(gè)電感的電感值L1和L2及充放電電流I1、I2的情況下，通過編程優(yōu)化單片AFSSC的內(nèi)徑d、外徑D和匝數(shù)n三個(gè)參數(shù)，最后計(jì)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(lián)后的電阻值。通過該設(shè)計(jì)方法得到的電感具有高耦合系數(shù)和高儲(chǔ)能密度，并且該電感的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)不僅適用于STRETCH?meat?grinder電路，在電感儲(chǔ)能型脈沖電源的電感設(shè)計(jì)中都可以應(yīng)用。
【專利說明】一種高耦合系數(shù)和儲(chǔ)能密度的電感及其設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電感設(shè)計(jì)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種高耦合系數(shù)和儲(chǔ)能密度的電感及其設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]電磁發(fā)射的基礎(chǔ)是脈沖電源，脈沖電源系統(tǒng)一般可以分為初級(jí)電源、中間儲(chǔ)能和脈沖形成系統(tǒng)、轉(zhuǎn)換系統(tǒng)三部分。由于初級(jí)電源功率密度較低，滿足不了電磁發(fā)射的要求，因此要引入中間儲(chǔ)能部分。對(duì)于中間儲(chǔ)能系統(tǒng)，常見的形式有電容儲(chǔ)能、電感儲(chǔ)能、機(jī)械儲(chǔ)能等。在理論上電容、電感、機(jī)械儲(chǔ)能的能量密度比為1:10:1000。
[0003]電容儲(chǔ)能型脈沖電源的主要缺點(diǎn)是儲(chǔ)能密度低，機(jī)械儲(chǔ)能考慮到其體積、重量、可靠性等因素的制約，難以移植到實(shí)戰(zhàn)系統(tǒng)中。電感儲(chǔ)能型脈沖電源由于其電感具有相對(duì)較高的儲(chǔ)能密度和易于冷卻等特點(diǎn)成為近期研究的熱點(diǎn)，電感作為電感儲(chǔ)能型脈沖電源的核心元件，如圖1中的L1和L2,其結(jié)構(gòu)形式直接影響到系統(tǒng)的儲(chǔ)能密度。在IAT(Institutefor Advanced Technology)提出的電容輔助慢速能量轉(zhuǎn)換絞肉機(jī)型電感儲(chǔ)能脈沖電源(以下簡(jiǎn)稱STRETCHmeat grinder)電路中(如圖1所不)，該STRETCHmeat grinder電路結(jié)構(gòu)包括充電電源、主回路開關(guān)、具有高耦合系數(shù)的電感LpL2，用于降低主回路開關(guān)承壓的晶閘管T1、二極管D2、電容C，負(fù)載回路的負(fù)載線圈及限制電流方向的二極管Dp之前有的研究機(jī)構(gòu)將Brooks線圈應(yīng)用于系統(tǒng)電感基本單元。Brooks線圈雖然具有較高的耦合系數(shù)，但其本身是對(duì)于給定長(zhǎng)度下所優(yōu)化出的最大電感的參數(shù)設(shè)置，用這種設(shè)置的線圈組成的電感不一定具有最高的儲(chǔ)能密度。在目前公開發(fā)表的電感儲(chǔ)能型脈沖電源相關(guān)文獻(xiàn)中，未見將電感參數(shù)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化與系統(tǒng)的能量密度聯(lián)系起來的報(bào)導(dǎo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種高耦合系數(shù)和高儲(chǔ)能密度的電感，旨在解決現(xiàn)有Brooks線圈雖然具有較高的耦合系數(shù)，但是卻不一定具有最高儲(chǔ)能密度的問題。
[0005]本發(fā)明的另一目的在于提供了上述高耦合系數(shù)和高儲(chǔ)能密度的電感的設(shè)計(jì)方法，旨在通過電感參數(shù)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化與系統(tǒng)的能量密度聯(lián)系起來，使電感既具有較高的耦合系數(shù)，又具有最高儲(chǔ)能密度。
[0006]本發(fā)明的再一目的在于提供上述高耦合系數(shù)和儲(chǔ)能密度的電感的應(yīng)用。
[0007]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種高耦合系數(shù)和儲(chǔ)能密度的電感設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟:
[0008]S1、基于STRETCH meat grinder電路結(jié)構(gòu)，以空心平面螺旋線型線圈AFSSC做為電磁發(fā)射用的電感基本單元，進(jìn)而構(gòu)建出所述電路結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)電感L1和L2 ；
[0009]S2、分別給定兩個(gè)電感的電感值L1和L2及充放電電流Ip I2的情況下，編程優(yōu)化單片AFSSC的內(nèi)徑d、外徑D和匝數(shù)η三個(gè)參數(shù)；
[0010]S3、計(jì)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U、L2串聯(lián)后的電阻值。
[0011]優(yōu)選地，所述S2更具體包括:
[0012]A、分別給定兩個(gè)電感L1、L2的電感值U、L2及充放電電流Ip I2，給定電流密度J、率禹合系數(shù)k、阻間距d_turns、相鄰兩片AFSSC間的距離d_sheets ;給定待優(yōu)化的AFSSC的內(nèi)直徑d、外直徑D以及匝數(shù)η的取值范圍，對(duì)于每組d、D、n，計(jì)算對(duì)應(yīng)的AFSSC的匝寬W、高度h;
[0013]B、利用A中的d、D、n、d_turns、d_sheets、h等參數(shù)計(jì)算單片AFSSC的電感L_single和兩片之間的互感，將多片AFSSC串聯(lián)成基本模塊1，AFSSC串聯(lián)的次數(shù)由L1與L2的比值的平方根決定；將多片AFSSC并聯(lián)成基本模塊2，AFSSC并聯(lián)的次數(shù)由充放電電流I1、12的比值決定；
[0014]C、計(jì)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U、L2電感值的排除，將電感值不大于給定1^山電感值的各組選出；
[0015]D、對(duì)應(yīng)選出各組AFSSC分別通過在基本模塊I和基本模塊2上串聯(lián)I個(gè)或多個(gè)基本模塊I和基本模塊2，直到電感值分別達(dá)到給定的Lp L2 ;
[0016]E、根據(jù)給定取值范圍內(nèi)各組AFSSC的內(nèi)直徑d、外直徑D以及匝數(shù)η分別計(jì)算出對(duì)應(yīng)的體積，從中選出具有最小體積一組，并記錄該組AFSSC的內(nèi)直徑d、外直徑D以及匝數(shù)η。
[0017]優(yōu)選地，在步驟E中，所述AFSSC的體積計(jì)算方法包括以下具體步驟:
[0018]根據(jù)所述選出各組AFSSC的內(nèi)直徑d、外直徑D、匝數(shù)η以及匝間距d_turns，確定匝寬《，給定2-A中充電電流I的情況下，取一個(gè)電流密度J，計(jì)算出每匝線圈的截面積，進(jìn)而計(jì)算出AFSSC單層厚度h,通過單層厚度h和相鄰兩片AFSSC間的距離d_sheets計(jì)算出電感的高度h_total，根據(jù)該高度結(jié)合外直徑D計(jì)算電感的體積。
[0019]優(yōu)選地，在步驟S3中，所述電阻值的計(jì)算方法包括以下具體步驟:
[0020]A、計(jì)算螺旋線的總長(zhǎng)度，用(0，d/2)和(2ηπ，D/2)兩個(gè)點(diǎn)確定出螺旋線的極坐標(biāo)方程r = a Θ +b中的a和b，對(duì)極坐標(biāo)方程進(jìn)行積分求出螺旋線的長(zhǎng)度I ;
[0021]B、用電阻的計(jì)算公式
【權(quán)利要求】
1.一種高耦合系數(shù)和儲(chǔ)能密度的電感設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括以下步驟: 51、基于STRETCHmeat grinder電路結(jié)構(gòu)，以空心平面螺旋線型線圈AFSSC做為電磁發(fā)射用的電感基本單元，進(jìn)而構(gòu)建出所述電路結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)電感L1和L2 ； 52、分別給定兩個(gè)電感的電感值L1和L2及充放電電流IpI2的情況下，編程優(yōu)化單片AFSSC的內(nèi)徑d、外徑D和匝數(shù)η三個(gè)參數(shù)； 53、計(jì)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U、L2串聯(lián)后的電阻值。
2.如權(quán)利要求1所述的高耦合系數(shù)和儲(chǔ)能密度的電感設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述S2更具體包括: Α、分別給定兩個(gè)電感U、L2的電感值U、L2及充放電電流Ip I2，給定電流密度J、耦合系數(shù)k、匝間距d_turns、相鄰兩片AFSSC間的距離d_sheets ;給定待優(yōu)化的AFSSC的內(nèi)直徑d、外直徑D以及匝數(shù)η的取值范圍，對(duì)于每組d、D、n，計(jì)算對(duì)應(yīng)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(shù)計(jì)算單片AFSSC的電感L_single和兩片之間的互感，將多片AFSSC串聯(lián)成基本模塊1，AFSSC串聯(lián)的次數(shù)由L1與L2的比值的平方根決定；將多片AFSSC并聯(lián)成基本模塊2，AFSSC并聯(lián)的次數(shù)由充放電電流I1' I2的比值決定； C、計(jì)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U、L2電感值的排除，將電感值不大于給SLpL2電感值的各組選出； D、對(duì)應(yīng)選出各組AFSSC分別通過在基本模塊I和基本模塊2上串聯(lián)I個(gè)或多個(gè)基本模塊I和基本模塊2，直到電感值分別達(dá)到給定的Lp L2 ； E、根據(jù)給定取值范圍內(nèi)各組AFSSC的內(nèi)直徑d、外直徑D以及匝數(shù)η分別計(jì)算出對(duì)應(yīng)的體積，從中選出具有最小體積一組，并記錄該組AFSSC的內(nèi)直徑d、外直徑D以及匝數(shù)η。
3.如權(quán)利要求2所述的高耦合系數(shù)和儲(chǔ)能密度的電感設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在步驟E中，所述AFSSC的體積計(jì)算方法包括以下具體步驟: 根據(jù)所述選出各組AFSSC的內(nèi)直徑d、外直徑D、匝數(shù)η以及匝間距d_turnS，確定匝寬w，給定2-A中充電電流I的情況下，取一個(gè)電流密度J，計(jì)算出每匝線圈的截面積，進(jìn)而計(jì)算出AFSSC單層厚度h，通過單層厚度h和相鄰兩片AFSSC間的距離d_sheets計(jì)算出電感的高度h_total，根據(jù)該高度結(jié)合外直徑D計(jì)算電感的體積。
4.如權(quán)利要求1所述的高耦合系數(shù)和儲(chǔ)能密度的電感設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在步驟S3中，所述電阻值的計(jì)算方法包括以下具體步驟: A、計(jì)算螺旋線的總長(zhǎng)度，用(0，d/2)和(2ηπ，D/2)兩個(gè)點(diǎn)確定出螺旋線的極坐標(biāo)方程r = a Θ +b中的a和b，對(duì)極坐標(biāo)方程進(jìn)行積分求出螺旋線的長(zhǎng)度I ; B、用電阻的計(jì)算公式i?= pf|算出單個(gè)線圈的電阻R_single，其中S為導(dǎo)線橫截面積，P 1?為電阻率； C、計(jì)算整個(gè)電感中所用線圈的串并聯(lián)個(gè)數(shù)，進(jìn)而得到總電阻R_total。
5.如權(quán)利要求1所述的高耦合系數(shù)和儲(chǔ)能密度的電感設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在步驟S3中，所述能量密度的計(jì)算用函數(shù)定義為:
6.一種高耦合系數(shù)和儲(chǔ)能密度的電感，其特征在于，通過上述權(quán)利要求1~5任一項(xiàng)所述的方法優(yōu)化設(shè)計(jì)得到。
7.權(quán)利要求6所述的高耦合系數(shù)和儲(chǔ)能密度的電感的應(yīng)用，其特征在于，用于STRETCHmeat grinder電路或者任何電感儲(chǔ)能型脈沖電源的電感設(shè)計(jì)。
【文檔編號(hào)】H01F41/00GK103996491SQ201410213311
【公開日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年5月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月20日
【發(fā)明者】李臻, 于歆杰, 馬山剛 申請(qǐng)人:清華大學(xué)