新型電感在高壓脈沖系統中的應用

張國軍

（二重（德陽）重型裝備股份有限公司，四川 德陽 618000）

從20世紀30年代脈沖功率技術發展至今，現已成為一門技術領域中的獨立科學，發展為國防科研和高新技術研究的重要技術，并得到廣泛應用。而高壓脈沖電源作為高壓脈沖系統的一部分，是在高壓直流電源的基礎上增加了開關電路，從而輸出脈沖幅度可調、脈沖寬度可調、脈沖頻率可調、脈沖輸出個數可設定的一種高壓電源。

高壓脈沖電源的技術參數除了脈沖寬度、重復頻率，在放電場合單次放電能量也是非常重要的參數。對于一些特殊場合，高壓脈沖電源的前后沿要求陡直，達到納秒級，就需要非常先進的開關器件和控制有效的儲能電路，而高功率脈沖電源是利用電容或電感儲存初始能量，然后利用大功率開關快速釋放能量。在電源系統中，儲能設備的體積和重量約占整個電源裝置的80%，因此在特等的環境下，對儲能設備的體積大小提出了更為嚴格的要求。

目前，多用電容器組作為中間儲能的脈沖電源，但是電容儲能的缺點是儲能密度相對較低、體積較大、不利于便攜、輕載及機動運輸，故由于龐大的體積和復雜的控制電路限制了其廣泛地應用。在儲能電路中經常會用到電感，相對電容儲能，電感的儲能密度高很多，兩者的儲能密度比為1:10，便于機動、輕載、儲能密度高，進而體積較小，因此，用電感作為中間儲能的脈沖電源在電磁發射中有一定的應用前景。但是電感儲能型電磁脈沖電源對充電電源要求較高，且斷路開關時將產生高電壓，可能會超出半導體開關所能承受的范圍，但是其易于冷卻，且只需存儲一次工作的能量即可，體積較小，故在特定情況和特定場合下，電感儲能有不可替代的優勢。

當前，在高壓、大電流脈沖系統應用中，傳統的電感結構形式均為圓柱形，大致方法為在圓柱體內繞線圈，圓柱體的上下兩端為系統的接線端口，但是經過多次工況使用，發現在特定工況的應用中存在以下主要問題，其影響了整套系統的安全性、可靠性、穩定性，同時，也直接增加了使用成本。

（1）外形尺寸過大，安裝在脈沖電源內部時占用較大空間，在安裝、調試及平時維護時造成空間狹小，不易維護。

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

為了便于所使用的儲能系統的小型化、安全性、可靠性、穩定性，且為了方便其后續的車載化運行，提高該系統的機動性，現急需一種新型電感，它不但可以滿足儲能系統的使用要求，還可最大限度的降低空間占比，提高經濟效益。

1 傳統電感結構形式

傳統電感結構形式為圓柱形，方式為圓柱體內為按參數要求繞制一定規格的線圈，然后在圓柱體端部作為電線接口，并進行封裝。該圓柱體電感的具體電感參數如下：

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。

傳統結構電感在實際使用過程中存在以下主要的問題：

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

（2）電感還有一個典型的缺點，即在關斷大電感電流時，由于電流的突變和充電回路中的漏磁場能量，使得在關斷開關兩端產生很大的電壓，可能會超出半導體開關所能承受的范圍，從而使關斷開關和關斷電路是電感儲能型脈沖電源的關鍵技術，故在運行時，電磁力作用在軸向上，電流過大時，產生的電磁力較大，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所示為某實用型號的圓柱形電感在大電流實驗的情況下，出現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壁采用焊接的方式安裝在一起，并通過增加鉚釘以加強強度，但最終在使用過程中還會出現炸裂情況的發生，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度更高的電感結構以克服電磁力對該圓柱形電感的破壞。

2 新型電感結構形式

新型的電感結構具體包括底盤、繞制線圈、填充環氧樹脂、蓋板等機構組成。其特點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”結構形式，并可通過調整繞制線圈的匝數來調節電感值，再通過調整底盤的壁厚來克服電磁力對電感結構的影響。

如圖2所示：繞制線圈放置在環氧樹脂隔板上，成環形繞制，每層線圈之間保持安全的絕緣距離，縫隙采用高級進口環氧樹脂膠進行灌裝，用于絕緣和加固，繞制線圈的一端與內部電纜接線柱連接，使用高強度緊固螺釘壓接，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，具有較高的力學強度。

圖2

2.1 盤式新型電感計算

參照電感值36μH設計。參數設計按照多層線圈電感量簡化公式計算：

由公式：L=L0W2×D×10-3

L為電感，單位μH；

L0為修正系數，可由《多層線圈系數曲線》查得，見《業余無線電圖表》可查表，取6；

（備注：L0參數選取與t/D及l/D均有關系。t為電感繞線厚度；l為電感長度，盤狀線取0；D為線圈外徑）。

W為線圈匝數；

D為線圈外徑，單位為cm；

當D取36.5 cm時：

2.2 盤式新型電感試制

2.2.1 繞制準備

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

（2）將環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，長度9米，并進行繞制。

2.2.2 繞制電感

（1）為考慮調整方便，實際繞制工作從內圈開始，則外圈大小實際可變，初期繞制以繞完9米線長為準。

（2）實際繞制后的參數如下：

匝數W為12.125 匝；

電感外徑D為37.6 cm；

電感內徑D0為8.6 cm；

計算電感繞制厚度t=D-D0）/2

=

（37.6 -8.6 ）/2

=14.5 cm；

計算t/D=14.5 /37.6 =0.385 ；

根據多層線圈電感量公式計算：

L=L0×W2×D×10-3

=33.17 μH

3 新型電感的優點

目前在高壓脈沖電源系統中，對設備的輕量化、小型化提出了更為嚴格的要求，本實用新型正是針對這點提出的創新結構，該新型電感具備以下優點：

體積空間較小，傳統立柱型電感，電感值為36μH時，其外形直徑27.8 cm，高度為31cm，體積為18800 cm3,占用空間較大，本實用新型盤式電感，通過計算電感值33.17 μH時，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、蓋板和環氧樹脂板，其高度為5cm,體積為9500 cm3，在節約空間方面具有明顯優勢。

高壓脈沖電源系統中，使用均為千安以上的大電流，因此電流產生的電磁力對電感設備來說又是一項重要的考驗，傳統結構端部接線板為焊接結構，大電流產生的電磁力作用于電感軸向方向上，在實際應用中已經多次發現焊縫被炸裂的情況，如圖1所示。本新型電感其電流所產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，具有良好力學強度；同時底盤的內部為圓形，也符合受力結構的特點，可承受較大載荷，減少了電磁力對電感結構的破壞。

4 結論

新型電感結構具有體積小、承受載荷大的優點，在實際應用中，大大降低了維護的頻率和使用成本，必將在高壓脈沖領域得到廣泛的推廣和應用。