鄧永峰，印長豹，劉凱

（合肥博雷電氣有限公司，安徽合肥，230088）

抗爆阻尼電感器是脈沖功率的關(guān)鍵器件，在連續(xù)脈沖放電過程中，巨大能量和脈沖電流帶來的溫度分布和熱應(yīng)力的加到脈沖電感上時，極大地影響脈沖電感的效率與機械結(jié)構(gòu)。本文的目的是解決溫度分布與熱應(yīng)力對脈沖電感器的性能影響。首先通過采用有限元方法，理論計算溫度分布;其次，實驗研究了脈沖電感的溫度分布和受力發(fā)生位移。根據(jù)上述結(jié)果，給出了熱應(yīng)力的理論計算,本研究將有助于改進(jìn)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和脈沖電感性能。

1 基本原理分析

電感器是能夠把電能轉(zhuǎn)化為磁能而儲存起來的元件；具有一定的電感，它只能阻礙電流的變化。對于常規(guī)電感器，一般由骨架、磁芯或鐵芯、導(dǎo)體線圈等構(gòu)成，只要求達(dá)到其標(biāo)稱電感量，且要求在滿足使用條件下盡量減小其直流內(nèi)阻，降低電感器的損耗，提高其效率。

近年來，隨著科研領(lǐng)域的拓展，特別是針對脈沖電容器組式放電裝置、激光設(shè)備及電磁炮的不斷更新及新技術(shù)的不斷應(yīng)用，迫切需要大功率抗爆電感器。本抗爆電感器，指標(biāo)要求：電感量：18μH，電阻值：50mΩ，工作脈寬：500μs；正常情況下工作電流：25kA，故障情況下電流：150kA；電感器在故障情況不允許出現(xiàn)爆裂。在大電流、高能量的情況下，電感器不僅要承受大電流的振動沖擊力，而且還要承受高能量情況下的熱膨脹，這兩種惡劣條件，都會使電感損壞，甚至受沖擊而爆炸。因此電感器的在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，采取空心電感器的結(jié)構(gòu)方式，以適應(yīng)其大電流的工作范圍，解決了普通的亞鐵磁性材料電感器的飽和問題；在選用導(dǎo)體材料上，采用定制的銅鎳合金材料，用于保證所需電感量的同時，滿足電感器的直流電阻值要求。

為了減少強電磁對電感線圈和匝間絕緣的損壞，采用了玻璃纖維絲帶和環(huán)氧樹脂混合裹包方式真空脫泡處理方式。在脈沖放電過程中，大電流流過線圈，會轉(zhuǎn)換成熱能，導(dǎo)致導(dǎo)體的溫度迅速升高，而低導(dǎo)熱率的環(huán)氧樹脂阻礙了線圈的散熱，急劇的熱膨脹，這就可能會使線圈在脈沖放電下溫升過高導(dǎo)致絕緣的熱疲勞。所以電感的溫升和熱應(yīng)力是主要影響電感器性能的關(guān)鍵因素。

2 電感器的設(shè)計仿真

2.1 電感計算

線圈采用圓形螺旋式、單層空心電感結(jié)構(gòu)方式，導(dǎo)體選用截面Sm約為160mm2的，線圈的平均直徑D為Φ130mm，共21T，線圈排繞寬度為355mm，匝間間距為：2mm。根據(jù)空心電感的計算公式可得出電感量為：

電感器外形尺寸為：Φ210×400，外形圖如圖1所示。

圖1 電感器外形圖

2.2 電感熱計算

導(dǎo)體重量約為：10.7kg，比熱容

在故障情況下的溫升：

2.3 仿真結(jié)果

導(dǎo)體受力的計算是通過Waxwell軟件仿真，因為可以忽略集膚效應(yīng)的影響，所以采用了穩(wěn)態(tài)磁場解算解算器，其結(jié)果與實際情況的差別不大。

在正常工作和故障工作兩種運行模式下磁場位形是相同的，只是磁感應(yīng)強度不同。通過仿真得出結(jié)果如下：

正常運行時：電感最高磁感應(yīng)強度約1.4×104高斯；電感半圓徑向合力：5000kg；

故障情況下：最高磁感應(yīng)強度約9×104高斯；電感半圓徑向合力：134噸；

在線性系統(tǒng)中力與電流的平方成正比；磁場強度與電流一次方成正比。

強度分析：理論上，通流導(dǎo)體受到洛倫茲力F=J×B，螺旋管磁體磁場的軸向分量產(chǎn)生徑向力；徑向分量產(chǎn)生軸向力，不論電流方向如何徑向力總是向外膨脹的；軸向力總是向中間壓縮的，就整個磁體而言合力為零。對于瘦長螺旋管磁體磁場徑向分量很小，所以軸向力可以忽略。

磁體半圓上徑向合力：F=134×103kg

磁體斷面面積：76×21=36.96cm2

似乎斷面上的拉應(yīng)力沒有超過材料的屈服應(yīng)力，磁體是安全的。

下面給出分析結(jié)果，并對結(jié)果進(jìn)行簡單說明：通過仿真分析得出磁體受力后徑向向外膨脹，

經(jīng)公式推算最大應(yīng)力：

通過彈性形變計算出來的最大應(yīng)力與仿真結(jié)果直接給出的最大應(yīng)力基本上是一致的。不銹鋼的屈服應(yīng)力為200MPa ，即20kg/mm2，這樣看來磁體強度處在臨界狀態(tài)。

由公式推算最大應(yīng)力：

這樣，加強后磁體導(dǎo)體的最大應(yīng)力小于材料的屈服應(yīng)力，安全余量為20÷13.2=1.5倍。

3 試驗驗證

把待測電感連接至如圖2所示的回路中。

圖2 阻尼電感放電測試原理圖

將待測電感放入防爆工裝，連入回路中。高壓充電機通過油變和T型保護回路給儲能電容充電，到額定電壓之后，通過空氣開關(guān)將能量加在待測電感上，羅氏線圈采集放電電流波形。

回路C1～C10的電容器參數(shù)為DC25kV300μF，L1～L10為18μH電感，待測電感為故障情況下的電感，當(dāng)電容器電壓充到24kV時，進(jìn)行觸發(fā)放電，波形如圖3所示。由圖可見阻尼電感可承受155kA電流，試驗前后電感參數(shù)如表1所示。

圖3 阻尼電感充24kV放電波形

表1 試驗前后電感參數(shù)

由表1可見，電感器試驗前后參數(shù)基本無變化，外觀無損傷。

4 結(jié)論

高能抗爆阻尼電感器采用特制合金

材料及玻璃纖維帶涂膠裹包，再真空灌注，通過合理的設(shè)計、結(jié)構(gòu)布局和工藝保障，實現(xiàn)了最終技術(shù)指標(biāo)要求，并通過試驗平臺進(jìn)行真實的驗證，電感器未發(fā)生爆炸、損壞。借助于此成熟的技術(shù)和工藝，在后續(xù)工作中將優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，力爭產(chǎn)品的小型化和高功率密度，以適應(yīng)不同場合下需求下的應(yīng)用。