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        新型電感在高壓脈沖系統(tǒng)中的應(yīng)用

        2021-08-16 11:17:44張國(guó)軍
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2021年22期
        關(guān)鍵詞:電磁力電感線圈

        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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)時(shí)將產(chǎn)生高電壓,可能會(huì)超出半導(dǎo)體開(kāi)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(guò)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(wèn)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(guò)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(wú)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(wú)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(guò)程中存在以下主要的問(wèn)題:

        (1)體積過(guò)大,在脈沖電源系統(tǒng)中空間占比過(guò)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(kāi)關(guān)兩端產(chǎn)生很大的電壓,可能會(huì)超出半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)所能承受的范圍,從而使關(guān)斷開(kāi)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(guò)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(jiàn)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(jiàn)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(guò)增加鉚釘以加強(qiáng)強(qiáng)度,但最終在使用過(guò)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(guò)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(shù)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(guò)調(diào)整繞制線圈的匝數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)電感值,再通過(guò)調(diào)整底盤的壁厚來(lái)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(shù)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(shù)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(shù)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(jiàn)《業(yè)余無(wú)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(wú)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(kāi)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(guò)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(shù)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(lái)說(shuō)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。

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