[发明专利]一种高耦合系数和储能密度的电感及其设计方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于电感设计技术领域，尤其涉及一种高耦合系数和储能密度的电感及其设计方法与应用。

背景技术

电磁发射的基础是脉冲电源，脉冲电源系统一般可以分为初级电源、中间储能和脉冲形成系统、转换系统三部分。由于初级电源功率密度较低，满足不了电磁发射的要求，因此要引入中间储能部分。对于中间储能系统，常见的形式有电容储能、电感储能、机械储能等。在理论上电容、电感、机械储能的能量密度比为1:10:1000。

电容储能型脉冲电源的主要缺点是储能密度低，机械储能考虑到其体积、重量、可靠性等因素的制约，难以移植到实战系统中。电感储能型脉冲电源由于其电感具有相对较高的储能密度和易于冷却等特点成为近期研究的热点，电感作为电感储能型脉冲电源的核心元件，如图1中的L₁和L₂，其结构形式直接影响到系统的储能密度。在IAT(Institute for Advanced Technology)提出的电容辅助慢速能量转换绞肉机型电感储能脉冲电源(以下简称STRETCH meat grinder)电路中(如图1所示)，该STRETCH meat grinder电路结构包括充电电源、主回路开关、具有高耦合系数的电感L₁、L₂，用于降低主回路开关承压的晶闸管T₁、二极管D₂、电容C，负载回路的负载线圈及限制电流方向的二极管D₁。之前有的研究机构将Brooks线圈应用于系统电感基本单元。Brooks线圈虽然具有较高的耦合系数，但其本身是对于给定长度下所优化出的最大电感的参数设置，用这种设置的线圈组成的电感不一定具有最高的储能密度。在目前公开发表的电感储能型脉冲电源相关文献中，未见将电感参数的设计及优化与系统的能量密度联系起来的报导。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高耦合系数和高储能密度的电感，旨在解决现有Brooks线圈虽然具有较高的耦合系数，但是却不一定具有最高储能密度的问题。

本发明的另一目的在于提供了上述高耦合系数和高储能密度的电感的设计方法，旨在通过电感参数的设计及优化与系统的能量密度联系起来，使电感既具有较高的耦合系数，又具有最高储能密度。

本发明的再一目的在于提供上述高耦合系数和储能密度的电感的应用。

本发明是这样实现的，一种高耦合系数和储能密度的电感设计方法，包括以下步骤：

S1、基于STRETCH meat grinder电路结构，以空心平面螺旋线型线圈AFSSC做为电磁发射用的电感基本单元，进而构建出所述电路结构中的两个电感L₁和L₂；

S2、分别给定两个电感的电感值L₁和L₂及充放电电流I₁、I₂的情况下，编程优化单片AFSSC的内径d、外径D和匝数n三个参数；

S3、计算得到满足给定电感值L₁和L₂的电感的最小体积、能量密度和L₁、L₂串联后的电阻值。

优选地，所述S2更具体包括：

A、分别给定两个电感L₁、L₂的电感值L₁、L₂及充放电电流I₁、I₂，给定电流密度J、耦合系数k、匝间距d_turns、相邻两片AFSSC间的距离d_sheets；给定待优化的AFSSC的内直径d、外直径D以及匝数n的取值范围，对于每组d、D、n，计算对应的AFSSC的匝宽w、高度h；

B、利用A中的d、D、n、d_turns、d_sheets、h等参数计算单片AFSSC的电感L_single和两片之间的互感，将多片AFSSC串联成基本模块1，AFSSC串联的次数由L₁与L₂的比值的平方根决定；将多片AFSSC并联成基本模块2，AFSSC并联的次数由充放电电流I₁、I₂的比值决定；

C、计算各组基本模块1、基本模块2的电感值，将电感值大于给定的L₁、L₂电感值的排除，将电感值不大于给定L₁、L₂电感值的各组选出；