新型電感在高壓脈沖系統(tǒng)中的應(yīng)用

張國(guó)軍

（二重（德陽(yáng)）重型裝備股份有限公司，四川 德陽(yáng) 618000）

從20世紀(jì)30年代脈沖功率技術(shù)發(fā)展至今，現(xiàn)已成為一門技術(shù)領(lǐng)域中的獨(dú)立科學(xué)，發(fā)展為國(guó)防科研和高新技術(shù)研究的重要技術(shù)，并得到廣泛應(yīng)用。而高壓脈沖電源作為高壓脈沖系統(tǒng)的一部分，是在高壓直流電源的基礎(chǔ)上增加了開關(guān)電路，從而輸出脈沖幅度可調(diào)、脈沖寬度可調(diào)、脈沖頻率可調(diào)、脈沖輸出個(gè)數(shù)可設(shè)定的一種高壓電源。

高壓脈沖電源的技術(shù)參數(shù)除了脈沖寬度、重復(fù)頻率，在放電場(chǎng)合單次放電能量也是非常重要的參數(shù)。對(duì)于一些特殊場(chǎng)合，高壓脈沖電源的前后沿要求陡直，達(dá)到納秒級(jí)，就需要非常先進(jìn)的開關(guān)器件和控制有效的儲(chǔ)能電路，而高功率脈沖電源是利用電容或電感儲(chǔ)存初始能量，然后利用大功率開關(guān)快速釋放能量。在電源系統(tǒng)中，儲(chǔ)能設(shè)備的體積和重量約占整個(gè)電源裝置的80%，因此在特等的環(huán)境下，對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備的體積大小提出了更為嚴(yán)格的要求。

目前，多用電容器組作為中間儲(chǔ)能的脈沖電源，但是電容儲(chǔ)能的缺點(diǎn)是儲(chǔ)能密度相對(duì)較低、體積較大、不利于便攜、輕載及機(jī)動(dòng)運(yùn)輸，故由于龐大的體積和復(fù)雜的控制電路限制了其廣泛地應(yīng)用。在儲(chǔ)能電路中經(jīng)常會(huì)用到電感，相對(duì)電容儲(chǔ)能，電感的儲(chǔ)能密度高很多，兩者的儲(chǔ)能密度比為1:10，便于機(jī)動(dòng)、輕載、儲(chǔ)能密度高，進(jìn)而體積較小，因此，用電感作為中間儲(chǔ)能的脈沖電源在電磁發(fā)射中有一定的應(yīng)用前景。但是電感儲(chǔ)能型電磁脈沖電源對(duì)充電電源要求較高，且斷路開關(guān)時(shí)將產(chǎn)生高電壓，可能會(huì)超出半導(dǎo)體開關(guān)所能承受的范圍，但是其易于冷卻，且只需存儲(chǔ)一次工作的能量即可，體積較小，故在特定情況和特定場(chǎng)合下，電感儲(chǔ)能有不可替代的優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)前，在高壓、大電流脈沖系統(tǒng)應(yīng)用中，傳統(tǒng)的電感結(jié)構(gòu)形式均為圓柱形，大致方法為在圓柱體內(nèi)繞線圈，圓柱體的上下兩端為系統(tǒng)的接線端口，但是經(jīng)過多次工況使用，發(fā)現(xiàn)在特定工況的應(yīng)用中存在以下主要問題，其影響了整套系統(tǒng)的安全性、可靠性、穩(wěn)定性，同時(shí)，也直接增加了使用成本。

（1）外形尺寸過大，安裝在脈沖電源內(nèi)部時(shí)占用較大空間，在安裝、調(diào)試及平時(shí)維護(hù)時(shí)造成空間狹小，不易維護(hù)。

（2）在系統(tǒng)正常使用時(shí)，當(dāng)電流較大的情況下，系統(tǒng)所產(chǎn)生的電磁力，容易將圓柱形電感端部的電線接口板撕裂，從而導(dǎo)致圓柱形電感損壞，進(jìn)而導(dǎo)致整套系統(tǒng)無法有效、正常工作，并造成一定安全隱患。

為了便于所使用的儲(chǔ)能系統(tǒng)的小型化、安全性、可靠性、穩(wěn)定性，且為了方便其后續(xù)的車載化運(yùn)行，提高該系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性，現(xiàn)急需一種新型電感，它不但可以滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用要求，還可最大限度的降低空間占比，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 傳統(tǒng)電感結(jié)構(gòu)形式

傳統(tǒng)電感結(jié)構(gòu)形式為圓柱形，方式為圓柱體內(nèi)為按參數(shù)要求繞制一定規(guī)格的線圈，然后在圓柱體端部作為電線接口，并進(jìn)行封裝。該圓柱體電感的具體電感參數(shù)如下：

1.1 電感量36μH；

1.2 電阻值小于5mΩ；

1.3 工作脈寬2ms；

1.4 峰值電流可達(dá)到100KA以上；

1.5 空心無飽和，該使用的圓柱形電感具體外形尺寸為：直徑27.8 cm；高度31cm；整體重量約為35Kg。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電感在實(shí)際使用過程中存在以下主要的問題：

（1）體積過大，在脈沖電源系統(tǒng)中空間占比過大，不利于相關(guān)配套電氣設(shè)備的輕量化、小型化要求。

（2）電感還有一個(gè)典型的缺點(diǎn)，即在關(guān)斷大電感電流時(shí)，由于電流的突變和充電回路中的漏磁場(chǎng)能量，使得在關(guān)斷開關(guān)兩端產(chǎn)生很大的電壓，可能會(huì)超出半導(dǎo)體開關(guān)所能承受的范圍，從而使關(guān)斷開關(guān)和關(guān)斷電路是電感儲(chǔ)能型脈沖電源的關(guān)鍵技術(shù)，故在運(yùn)行時(shí)，電磁力作用在軸向上，電流過大時(shí)，產(chǎn)生的電磁力較大，造成端部電線接口板容易炸裂決，造成系統(tǒng)可靠性及安全性降低。具體見附圖1。

圖1

如圖1所示為某實(shí)用型號(hào)的圓柱形電感在大電流實(shí)驗(yàn)的情況下，出現(xiàn)端部電線接口板炸裂的情況。在所示圖中可見端部電纜接口板與立柱側(cè)壁采用焊接的方式安裝在一起，并通過增加鉚釘以加強(qiáng)強(qiáng)度，但最終在使用過程中還會(huì)出現(xiàn)炸裂情況的發(fā)生，因此在大電流條件下，容易造成電磁力過大，這就需要考慮一種強(qiáng)度更高的電感結(jié)構(gòu)以克服電磁力對(duì)該圓柱形電感的破壞。

2 新型電感結(jié)構(gòu)形式

新型的電感結(jié)構(gòu)具體包括底盤、繞制線圈、填充環(huán)氧樹脂、蓋板等機(jī)構(gòu)組成。其特點(diǎn)是采用電纜線圈盤式繞制，類似與日常生活所用的“盤式蚊香”結(jié)構(gòu)形式，并可通過調(diào)整繞制線圈的匝數(shù)來調(diào)節(jié)電感值，再通過調(diào)整底盤的壁厚來克服電磁力對(duì)電感結(jié)構(gòu)的影響。

如圖2所示：繞制線圈放置在環(huán)氧樹脂隔板上，成環(huán)形繞制，每層線圈之間保持安全的絕緣距離，縫隙采用高級(jí)進(jìn)口環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行灌裝，用于絕緣和加固，繞制線圈的一端與內(nèi)部電纜接線柱連接，使用高強(qiáng)度緊固螺釘壓接，使其作為電流的輸入端，而另一端外部電纜接線口則安裝在環(huán)氧樹脂隔板上，作為電流的輸出端，所有部件安裝在金屬底盤中，金屬底盤采用整體高性能鍛壓件，具有較高的力學(xué)強(qiáng)度。

圖2

2.1 盤式新型電感計(jì)算

參照電感值36μH設(shè)計(jì)。參數(shù)設(shè)計(jì)按照多層線圈電感量簡(jiǎn)化公式計(jì)算：

由公式：L=L0W2×D×10-3

L為電感，單位μH；

L0為修正系數(shù)，可由《多層線圈系數(shù)曲線》查得，見《業(yè)余無線電圖表》可查表，取6；

（備注：L0參數(shù)選取與t/D及l(fā)/D均有關(guān)系。t為電感繞線厚度；l為電感長(zhǎng)度，盤狀線取0；D為線圈外徑）。

W為線圈匝數(shù)；

D為線圈外徑，單位為cm；

當(dāng)D取36.5 cm時(shí)：

2.2 盤式新型電感試制

2.2.1 繞制準(zhǔn)備

（1）從以上電感計(jì)算公式可以看出，電感值大小與繞制線圈截面形狀及大小無關(guān)，由此，根據(jù)此原理，將繞制成的電感用軋帶固定在環(huán)氧板上。

（2）將環(huán)氧板制作成可以繞制10-14匝的通用模板。

（3）采用25 mm2（2X12.5 mm）電纜，長(zhǎng)度9米，并進(jìn)行繞制。

2.2.2 繞制電感

（1）為考慮調(diào)整方便，實(shí)際繞制工作從內(nèi)圈開始，則外圈大小實(shí)際可變，初期繞制以繞完9米線長(zhǎng)為準(zhǔn)。

（2）實(shí)際繞制后的參數(shù)如下：

匝數(shù)W為12.125 匝；

電感外徑D為37.6 cm；

電感內(nèi)徑D0為8.6 cm；

計(jì)算電感繞制厚度t=D-D0）/2

=

（37.6 -8.6 ）/2

=14.5 cm；

計(jì)算t/D=14.5 /37.6 =0.385 ；

根據(jù)多層線圈電感量公式計(jì)算：

L=L0×W2×D×10-3

=33.17 μH

3 新型電感的優(yōu)點(diǎn)

目前在高壓脈沖電源系統(tǒng)中，對(duì)設(shè)備的輕量化、小型化提出了更為嚴(yán)格的要求，本實(shí)用新型正是針對(duì)這點(diǎn)提出的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，該新型電感具備以下優(yōu)點(diǎn)：

體積空間較小，傳統(tǒng)立柱型電感，電感值為36μH時(shí)，其外形直徑27.8 cm，高度為31cm，體積為18800 cm3,占用空間較大，本實(shí)用新型盤式電感，通過計(jì)算電感值33.17 μH時(shí)，其線圈外徑37.6 cm，金屬底盤外形尺寸為43.6 cm，其使用的繞制線圈高度為1.25 cm，加上底盤、蓋板和環(huán)氧樹脂板，其高度為5cm,體積為9500 cm3，在節(jié)約空間方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

高壓脈沖電源系統(tǒng)中，使用均為千安以上的大電流，因此電流產(chǎn)生的電磁力對(duì)電感設(shè)備來說又是一項(xiàng)重要的考驗(yàn)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)端部接線板為焊接結(jié)構(gòu)，大電流產(chǎn)生的電磁力作用于電感軸向方向上，在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)多次發(fā)現(xiàn)焊縫被炸裂的情況，如圖1所示。本新型電感其電流所產(chǎn)生的電磁力作用在線圈的徑向方向上，安裝底盤使用的材料為鍛壓合金，具有良好力學(xué)強(qiáng)度；同時(shí)底盤的內(nèi)部為圓形，也符合受力結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可承受較大載荷，減少了電磁力對(duì)電感結(jié)構(gòu)的破壞。

4 結(jié)論

新型電感結(jié)構(gòu)具有體積小、承受載荷大的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，大大降低了維護(hù)的頻率和使用成本，必將在高壓脈沖領(lǐng)域得到廣泛的推廣和應(yīng)用。