一种高耦合系数和储能密度的电感及其设计方法与应用的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种高耦合系数和储能密度的电感及其设计方法与应用，其中，电感设计方法为基于STRETCH?meat?grinder电路结构，以空心平面螺旋线型线圈AFSSC(Air-core?Flat?Spirals?of?Strip?Coil)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。在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，通过编程优化单片AFSSC的内径d、外径D和匝数n三个参数，最后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。通过该设计方法得到的电感具有高耦合系数和高储能密度，并且该电感的各项结构参数不仅适用于STRETCH?meat?grinder电路，在电感储能型脉冲电源的电感设计中都可以应用。
【专利说明】一种高耦合系数和储能密度的电感及其设计方法与应用
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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(Institutefor 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STRETCHmeat grinder)电路中(如图1所不)，该STRETCHmeat 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LpL2，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Dp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】
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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:
[0008]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 ；
[0009]S2、分别给定两个电感的电感值L1和L2及充放电电流Ip I2的情况下，编程优化单片AFSSC的内径d、外径D和匝数η三个参数；
[0010]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U、L2串联后的电阻值。
[0011]优选地，所述S2更具体包括:
[0012]A、分别给定两个电感L1、L2的电感值U、L2及充放电电流Ip I2，给定电流密度J、率禹合系数k、阻间距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η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;
[0013]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、12的比值决定；
[0014]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U、L2电感值的排除，将电感值不大于给定1^山电感值的各组选出；
[0015]D、对应选出各组AFSSC分别通过在基本模块I和基本模块2上串联I个或多个基本模块I和基本模块2，直到电感值分别达到给定的Lp L2 ;
[0016]E、根据给定取值范围内各组AFSSC的内直径d、外直径D以及匝数η分别计算出对应的体积，从中选出具有最小体积一组，并记录该组AFSSC的内直径d、外直径D以及匝数η。
[0017]优选地，在步骤E中，所述AFSSC的体积计算方法包括以下具体步骤:
[0018]根据所述选出各组AFSSC的内直径d、外直径D、匝数η以及匝间距d_turns，确定匝宽《，给定2-A中充电电流I的情况下，取一个电流密度J，计算出每匝线圈的截面积，进而计算出AFSSC单层厚度h,通过单层厚度h和相邻两片AFSSC间的距离d_sheets计算出电感的高度h_total，根据该高度结合外直径D计算电感的体积。
[0019]优选地，在步骤S3中，所述电阻值的计算方法包括以下具体步骤:
[0020]A、计算螺旋线的总长度，用(0，d/2)和(2ηπ，D/2)两个点确定出螺旋线的极坐标方程r = a Θ +b中的a和b，对极坐标方程进行积分求出螺旋线的长度I ;
[0021]B、用电阻的计算公式
【权利要求】
1.一种高耦合系数和储能密度的电感设计方法，其特征在于包括以下步骤: 51、基于STRETCHmeat 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 ； 52、分别给定两个电感的电感值L1和L2及充放电电流IpI2的情况下，编程优化单片AFSSC的内径d、外径D和匝数η三个参数； 53、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U、L2串联后的电阻值。
2.如权利要求1所述的高耦合系数和储能密度的电感设计方法，其特征在于，所述S2更具体包括: Α、分别给定两个电感U、L2的电感值U、L2及充放电电流Ip 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η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U、L2电感值的排除，将电感值不大于给SLpL2电感值的各组选出； D、对应选出各组AFSSC分别通过在基本模块I和基本模块2上串联I个或多个基本模块I和基本模块2，直到电感值分别达到给定的Lp L2 ； E、根据给定取值范围内各组AFSSC的内直径d、外直径D以及匝数η分别计算出对应的体积，从中选出具有最小体积一组，并记录该组AFSSC的内直径d、外直径D以及匝数η。
3.如权利要求2所述的高耦合系数和储能密度的电感设计方法，其特征在于，在步骤E中，所述AFSSC的体积计算方法包括以下具体步骤: 根据所述选出各组AFSSC的内直径d、外直径D、匝数η以及匝间距d_turnS，确定匝宽w，给定2-A中充电电流I的情况下，取一个电流密度J，计算出每匝线圈的截面积，进而计算出AFSSC单层厚度h，通过单层厚度h和相邻两片AFSSC间的距离d_sheets计算出电感的高度h_total，根据该高度结合外直径D计算电感的体积。
4.如权利要求1所述的高耦合系数和储能密度的电感设计方法，其特征在于，在步骤S3中，所述电阻值的计算方法包括以下具体步骤: A、计算螺旋线的总长度，用(0，d/2)和(2ηπ，D/2)两个点确定出螺旋线的极坐标方程r = a Θ +b中的a和b，对极坐标方程进行积分求出螺旋线的长度I ; B、用电阻的计算公式i?= pf|算出单个线圈的电阻R_single，其中S为导线横截面积，P 1?为电阻率； C、计算整个电感中所用线圈的串并联个数，进而得到总电阻R_total。
5.如权利要求1所述的高耦合系数和储能密度的电感设计方法，其特征在于，在步骤S3中，所述能量密度的计算用函数定义为:
6.一种高耦合系数和储能密度的电感，其特征在于，通过上述权利要求1~5任一项所述的方法优化设计得到。
7.权利要求6所述的高耦合系数和储能密度的电感的应用，其特征在于，用于STRETCHmeat grinder电路或者任何电感储能型脉冲电源的电感设计。
【文档编号】H01F41/00GK103996491SQ201410213311
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月20日 优先权日:2014年5月20日
【发明者】李臻, 于歆杰, 马山刚 申请人:清华大学