【摘 要】
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电感储能型脉冲功率电源具有储能密度高、充电速度快、工作电压低等优点,在机动应用场景中具有极大的潜力和优势。就国内外的研究成果来看,电感储能型电源仍存在许多亟需解决的问题,首先,目前设计的电感储能型电源的储能密度仍小于理论储能密度,相对于电容型电源的优势无法体现,此外,电感型电源应用于电磁发射时的能量转化效率也有待提高。针对上述两个问题,本文对电感储能型脉冲功率电源的核心器件——储能电感进行优化设计
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电感储能型脉冲功率电源具有储能密度高、充电速度快、工作电压低等优点,在机动应用场景中具有极大的潜力和优势。就国内外的研究成果来看,电感储能型电源仍存在许多亟需解决的问题,首先,目前设计的电感储能型电源的储能密度仍小于理论储能密度,相对于电容型电源的优势无法体现,此外,电感型电源应用于电磁发射时的能量转化效率也有待提高。针对上述两个问题,本文对电感储能型脉冲功率电源的核心器件——储能电感进行优化设计,以得到高能密、高效率的电感储能型电源为设计目标,研究的主要内容如下:（1）首先介绍了带耦合电感的XRAM电路的基本原理,根据基本原理对带耦合电感的XRAM电路进行了解耦分析,得出总电感量和充电电流相同时,耦合度对输出电流没有影响这一结论,并在PSpice软件中进行了仿真验证;基于上述结论,构建了简洁且易于扩展的耦合储能电感—电磁轨道炮联合仿真模型,并设计了两组耦合电感电气参数,工作电流分别为50k A、20k A,在轨道炮负载中,分别将189.6g的弹丸加速至1900m/s、350m/s,能量转化效率达到了26.8%和6.1%。（2）为优化设计高储能、小型化储能电感器,将储能电感设计为环形螺线圈式,电感器具有结构紧凑、耦合度高、漏磁通小的优点,解决了电感储能型电源通大电流时电磁干扰过大的问题,提高了电源模块的储能密度和实用性;分析了螺线圈截面形状、绕制导线的截面形状、绕线间距对储能密度的影响,得到体积储能密度和质量储能密度较大的储能电感器设计方案;建立了级数为20级,截面积为3×6mm和3×50mm两种矩形导线圆形截面的电感三维模型,对储能电感在充放电阶段的可靠性进行了分析和研究,在COMSOL Multiphysics中分析了两种电感模型在额定工作电流条件下的性能指标。各项指标显示两种电感分别可在20k A和50k A下稳定工作,单位体积储能密度分别为3.2 MJ/m~3和11.9MJ/m~3,其中3×50mm截面电感单位质量储能密度达到6.7k J/kg,与ISL设计的储能电感相比提高了6倍。（3）对电感器的结构参数、电气参数以及XRAM电路拓扑进行分析和优化,以提高XRAM电源的储能密度和性能,并对比分析了XRAM电源和电容型电源在轨道发射中的性能指标;根据优化后的电路拓扑和环形螺线圈式电感储能装置漏磁通较小、电磁兼容性能优越的特点,基于截面3×6mm环形螺线圈式储能电感建立了20级紧凑型XRAM电源模型,总电感量为1m H,体积为0.23m~3,充电电流为10k A时电源模块整体储能密度为0.22MJ/m~3,充电电流为20kA时,储能密度达到0.86MJ/m~3。
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