高耦合度電感儲能型脈沖功率源仿真分析

張　超*,董健年,張　軍（南京理工大學(xué)　能源與動力工程學(xué)院,南京　210094）

?

高耦合度電感儲能型脈沖功率源仿真分析

張超*,董健年,張軍
（南京理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,南京210094）

摘 要：為了研究高耦合度電感儲能型脈沖功率源，本文首先仿真了STRETCH Meat grinder電路，通過得到的電流電壓波形分析了該電路的工作過程；然后再利用有限元方法來分析該拓?fù)渲旭詈想姼械拇艌鎏匦浴Ｍㄟ^建立耦合電感線圈的二維仿真模型得到了磁場能量分布云圖、磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖以及磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖和電磁力矢量圖，得出耦合電感的磁場分布規(guī)律以及電感的受力趨勢。為了進(jìn)一步直觀的研究耦合電感的受力，本文還仿真計算了在垂直方向上電感的受力情況。為高耦合度電感儲能型脈沖功率源優(yōu)化設(shè)計提供了一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：STRETCH Meat grinder；脈沖功率源；耦合電感；有限元分析；磁場

1　引言

在電磁發(fā)射技術(shù)中，為滿足作戰(zhàn)的需求，電源小型化顯得尤為重要[1]。相比較而言，電感儲能型脈沖功率源以其儲能密度高、傳輸功率大、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)[2]成為了研究的熱點(diǎn)。

對于電感儲能型脈沖功率源的研究，美國IAT通過對傳統(tǒng)的Meat grinder電路進(jìn)行改進(jìn)提出了STRETCH Meat grinder拓?fù)鋄3-4]，該拓?fù)湟腭詈想姼?，利用磁通壓縮的原理，通過互感實(shí)現(xiàn)電流倍增，大大提高了帶負(fù)載的能力[5]。STRETCH Meat grinder電路中為了提高能量的傳輸效率，耦合電感的優(yōu)化設(shè)計是關(guān)鍵，以前的研究主要集中在提高兩電感的耦合度上，如今耦合度已提高到0.9以上，在高耦合度情況下強(qiáng)磁場的影響將會凸顯出來，基于此本文在仿真分析拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的背景下以其高耦合度電感為模型，利用有限元方法分析了其磁場特性以及耦合電感線圈受力情況。

2　STRETCH Meat grinder拓?fù)浞抡娣治?/h2>

STRETCH Meat grinder仿真電路如圖1所示，初級電源的充電電壓為6kV,電感L1=1249μH,L2=321.5μH(耦合系數(shù)0.974),脈沖電容C1=105.2mF,放電電阻R2=100KΩ,等效負(fù)載中電感L3=1.4Μh,電阻R1=0.5mΩ；仿真電壓電流波形如圖2、圖3所示。

圖1　STRETCH Meat grinder仿真電路

圖2　STRETCH Meat grinder電壓仿真

圖3　STRETCH Meat grinder電流仿真波形

根據(jù)STRETCH Meat grinder電壓電流波形圖并結(jié)合開關(guān)器件的觸發(fā)時間引起的電路工作狀態(tài)的變換可將拓?fù)涞墓ぷ鬟^程劃分為五個階段。

第一階段：閉合開關(guān)Sop(IGCT，仿真過程中是用GTO替代)，讓初級電源Us給電感L1、L2充電，電流增加到滿足要求的值時關(guān)斷全控器件Sop，進(jìn)入第二個階段。（7.55ms以前）

第二階段：當(dāng)Sop關(guān)斷后，電感L1中的磁通都會迅速的減小，由于L1、L2間耦合連接磁鏈?zhǔn)睾?，所以L1中的電流和磁通就會快速增加，并通過二極管D1給負(fù)載供電；L1、L2不可能理想耦合，必然有漏磁通的存在，為防止擊穿主管，拓?fù)渲屑尤肓嗣}沖電容C，漏磁通產(chǎn)生的電流將對其充電。（7.55-7.7ms）

第三個階段：晶閘管GTO2沒有導(dǎo)通，電容上的電壓將保持不變，僅由電感L2給負(fù)載供電。(7.7-8.25ms)

第四階段：觸發(fā)晶閘管GTO2，C1釋放在第二階段儲存的L1的漏感能量給負(fù)載，此過程中可等效的看著是兩個電感同時給負(fù)載供電，負(fù)載電流將達(dá)到一個峰值直到電感L1中的電流再次降為0。(8.25-8.8ms)

第五階段：只有L2給負(fù)載供電，然后電容上的電壓保持負(fù)值不變。只要合理的控制觸發(fā)晶閘管GTO2的時序，是能夠很好的使先前儲存的電容中的能量得以利用的。(8.8ms以后)

從以上電路工作狀態(tài)可以看出，第二階段是關(guān)鍵，脈沖功率源的實(shí)質(zhì)就是將初級能源進(jìn)行壓縮儲存然后再以脈沖的形式傳給負(fù)載，在本拓?fù)渲写斯δ芫涂績神詈想姼型ㄟ^磁通壓縮的原理將能量傳給負(fù)載。在設(shè)計中讓L1是L2的幾十倍，這樣電感L2中的電流就會急劇上升，將兩電感大部分的能量都加到負(fù)載，傳遞到負(fù)載的能量大小就取決于兩電感的耦合程度，在分析計算中電感間的耦合程度可以用耦合系數(shù)K來表示。

從這個式子可以看出，要想提高耦合度，就得增大兩電感間的互感M，M的大小與兩線圈的形狀、匝數(shù)、磁介質(zhì)的種類及它們的相對位置有關(guān)[6]?？臻g兩個圓線圈可由r0，d0,α三個量來確定其位置關(guān)系，由此建立單匝線圈之間的互感計算模型如圖4所示。

得到線圈間的互感計算公式為[7]：

圖4　兩電感線圈互感計算模型

式中R、r為兩線圈的半徑，N1、N2為兩電感的匝數(shù)，r12為兩線圈上電流元間的矢徑，α為線圈1與y軸夾角，顯然，當(dāng)α為0時盡量縮小r12可以得到較大的互感，從而得到較高的耦合度，利用這種原理得到的高耦合電感。

3　耦合電感磁場有限元分析

3.1仿真模型的建立

本文的仿真結(jié)構(gòu)采用L1、L2交互相隔的方法來保證耦合系數(shù)，先對兩電感進(jìn)行小單元分組，然后各組之間依次間隔排列，最后再在各層之間填充環(huán)氧樹脂來保證絕緣。采用的材料為銅片，最小單元有兩類，一類厚度為4mm,一類厚度為8mm，其匝間間隙都為1.2mm,電感L1為1249uH，被分為7組，由13個第一類單元串聯(lián)組成，其中有6組是由兩個第一類單元疊加串聯(lián)而成；電感L2為321.5uH，分為6組，由6個第二類單元串聯(lián)而成，最終的耦合電感就由L1的7組電感與L2的6組電感交互相隔疊在一起構(gòu)成。在對稱坐標(biāo)系RZ平面下建立耦合電感的磁場分布仿真模型，如圖5所示。

圖5　耦合電感的仿真模型

圖5(a)中每個小矩形代表每匝線圈，每一排小矩形代表每一層線圈，相對較矮的矩形代表電感L1的部分，相對較高的代表L2的部分。大的矩形部分代表求解區(qū)域。仿真中的加載電流如圖3，從圖中可以看出，在0到7.55毫秒內(nèi)的電流為線性變化，而7.55毫秒以后為非線性變化，因此在加載耦合電感電流的時候，可以分為這兩個過程進(jìn)行加載。

3.2 仿真結(jié)果分析

通過以上的仿真，得到的結(jié)果如圖6、圖7、圖8、圖9所示。

圖6　磁場能量分布云圖 　

圖7　磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖

圖8　磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖　

圖9　電磁力矢量圖

從圖6可以看出耦合電感的能量主要分布在靠近電感的內(nèi)外側(cè)，能量的最大值在耦合電感內(nèi)部中心處，從電感端部的能量密度來看，磁場對外有漏磁存在；從圖7可以看出磁場的最大值為1.267T，最大磁場處在電感L2的內(nèi)側(cè)，在實(shí)際中L2中的電流是L1的幾十倍且電流是從L2的內(nèi)側(cè)流入的，說明仿真與實(shí)際相符。從圖8中的磁場方向可以大致判斷電感將受到一個徑向向外的電磁力，圖9剛好驗證了這一點(diǎn)，從電磁力矢量圖可以清晰的看出耦合電感將受到一個向外側(cè)中心擠壓的力，仿真數(shù)據(jù)顯示所受力最大處為149.695N，最大力主要出現(xiàn)在第二層和第十七層線圈處。

為了進(jìn)一步具體的研究線圈受力情況，在仿真的過程中也求解了每層線圈在垂直方向上受力的情況，如圖10所示，橫坐標(biāo)為每層線圈的編號，編號如圖5（b）所示，縱坐標(biāo)為每層線圈在縱軸方向所受的力。

圖10　每層線圈的受力

從圖中可以看出在1-9層線圈受力的方向為縱軸正方形，而11-19層線圈受力為縱軸的負(fù)方向，因此線圈將會有向中間收攏的趨勢，同時也可以從圖中看出中間層的線圈受力較小，上下層的線圈受力較大，其中第二層線圈受力最大，為49.47kN，所以在實(shí)際制作耦合電感的過程中必須對兩端加強(qiáng)固定。

4　結(jié)論

本文通過對電感儲能型脈沖功率源的仿真分析可以得出如下結(jié)論：

（1）從STRETCH Meat grinder仿真電壓電流波形可以看出電感L1的能量能夠通過耦合高效率的傳給電感L2繼而傳給負(fù)載，就算有漏磁的存在，由于脈沖電容的加入，迫使這部分能量再次傳遞到負(fù)載而被利用。

（2）耦合電感儲能密度較高，儲存的能量主要集中在耦合電感的內(nèi)外靠近電感處，且最大能量值出現(xiàn)在耦合電感的中心處。

（3）耦合電感中的磁場強(qiáng)度較大，最大值出現(xiàn)在電感L2的內(nèi)側(cè)。

（4）耦合電感在通電后將會受到一個向外部中心處擠壓的力；在構(gòu)成耦合電感的所有線圈層中在垂直方向上受力較大，電感線圈會有向中間收攏的趨勢。

參考文獻(xiàn)：

[1]李軍,嚴(yán)萍,袁偉群.電磁軌道跑發(fā)射技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].高電壓技術(shù)，2014,40(04):1052-1064.

Li Jun,Yan Ping,Yuan Weiqun.Electromagnetic gun technology and its development[J].High Voltage Engineering,2014,40(4):1052-1064(in Chinese)

[2]王瑩.高功率脈沖電源[M].北京:原子能出版社,1991.

[3]Lindner K，Long J，Girogi D，et a1．A Meat grinder circuit for energizing resistive and varying inductive loads(Em Guns)[J]．IEEE Transactions on Magnetics,1986，22(6)：1591-1596．

[4]Sitzman A，Surls D，Mallick J．Design，construction，and testing of an inductive pulsed—power supply for a small railgun[J]．IEEE Transactions on Magnetics，2007，43(1)：270-274．

[5]初祥祥,于歆杰,劉秀成.三種電感儲能型脈沖功率源電氣性能的比較[J].電工電能新技術(shù),2012,31(03):20-24.

[6]王素嬌.磁耦合線圈互感系數(shù)M的測量[J].鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2OO2,14(14):43-44.

[7]殷莉.仿真人體環(huán)境中RF MEMS電感耦合特性實(shí)驗研究[D].北京：北京交通大學(xué),2010.

*為通訊作者

作者簡介：張超（1989-），男，研究生，研究方向：高耦合度電感儲能型脈沖功率源的研究。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.044