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        高耦合度電感儲能型脈沖功率源仿真分析

        2016-04-21 13:16:09董健年南京理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院南京210094
        山東工業(yè)技術(shù) 2016年3期
        關(guān)鍵詞:有限元分析磁場

        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)

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        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?。通過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腭詈想姼校么磐▔嚎s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]。空間兩個圓線圈可由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):

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

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        [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.

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        [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

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