專利名稱：一種可承載大電流的電感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于一種電磁裝置領域，特別是涉及可承載大電流的電感器。
技術背景一般脈沖電源系統(tǒng)通常采用電容器儲能模塊，模塊中主放電開關采 用晶閘管串聯(lián)實現(xiàn)。雖然近幾年半導體技術不斷發(fā)展，晶閘管器件的耐 壓和功率水平都有了很大的提高，但它還是屬于比較脆弱的器件。如果 電流上升太快，則晶閘管在導通瞬間有很大電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)通過，造成局部過熱而使晶閘管損壞；如果通態(tài)電流過大，同樣會 造成晶閘管過熱損壞。目前大功率晶閘管成本仍相對較高，而且一旦主 放電開關過熱擊穿，將進一步危及儲能電容器和充電系統(tǒng)。因此電路中 必須串聯(lián)保護電感， 一是可以抑制電流上升率，特別是在晶閘管開通過 程中保護晶閘管，另外可以在發(fā)生出口短路事故時保護晶閘管和電源設 備。圖1為電源出口短路時的等效電路圖，二極管D和電感Rc構成續(xù)流 回路。 一旦發(fā)生短路故障，電容器C。將通過晶閘管開關T直接對保護電 感放電，保護電感L可以抑制電流，保護晶閘管和儲能電容器。保護電 感的電感值要選取適當，電感太大會影響負載電流波形，電感太小則起 不到保護作用。確保晶閘管安全的條件下，電流不超過40kA為宜。經(jīng)計 算，確定1MJ電容器電源模塊保護電感大小為1. 25mH。傳統(tǒng)電感器通常用導線繞成直線形或環(huán)形螺線管的形式，加鐵芯的 情況下很小的體積就能達到比較大的電感值，但是鐵芯容易飽和，因此 電感器不能承受很大的電流。直線型空心螺線管其磁力線閉合路線可以無限大，磁力線是發(fā)散的，會對外界產(chǎn)生較大的干擾。環(huán)形螺線管其磁 力線沿環(huán)路閉合，磁力線緊湊不發(fā)散。但如果要通以很大的電流，導線 也要相應的加粗，但是粗導線繞制加工環(huán)形螺線管會比較困難。在國內(nèi)，現(xiàn)有電感器的載流能力不是很大，不能承受數(shù)十千安的大 電流；在國外，德國德累斯頓脈沖強磁場實驗室的電源系統(tǒng)保護電感為 2mH,限制故障電流不超過37kA。其保護電感是由4個螺線管按矩形的四 個邊排布并串聯(lián)，每個螺線管用環(huán)氧加固。這樣的結構在一定程度上減 小了電磁干擾，但是采用環(huán)氧加固機械強度不夠，曾經(jīng)發(fā)生過爆炸。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種可承載大電流的電感器，能加載高達幾 十乃至上百千安的電流，其對外界的電磁干擾低，電感值可進行一定的 調(diào)節(jié)，等效電阻小，而且結構簡單堅固，加工方便。一種可承載大電流的電感器，包括至少一個線圈，線圈沿同一圓周 均勻分布并依次串聯(lián)；所述線圈包括比特型線圈和套在其外部的加固機 構，比特型線圈由交錯疊加的導體板和絕緣層構成，相鄰導體板串聯(lián)。作為本發(fā)明的改進，串聯(lián)的最后一個線圈引出電流返回導線沿所述 圓周饒回串聯(lián)的第一個線圈。作為本發(fā)明的另一改進，對于相鄰比特板，其中一比特板具有"Z" 形切口，另一比特板具有反"Z"形切口，兩比特板的切口位置對應，且 位于相鄰比特板間的絕緣層在切口對應位置處為空。本發(fā)明采用類似于托卡馬克裝置中的環(huán)向場比特型線圈結構，磁場 呈環(huán)形閉合，被封閉在線圈內(nèi)部，其對外界的干擾?。辉O置電流回線， 進一步減小了電磁干擾；采用了緊湊型的層間換流技術；使用鋼盒加固技術，提高了機械強度，解決了大電流帶來的巨大的電動力問題。本電 感器能加載高達幾十乃至上百千安的電流，其對外界的電磁干擾低，電 感值可進行一定的調(diào)節(jié)，等效電阻小，而且結構簡單堅固，加工方便。


圖1為脈沖電容器電源發(fā)生出口短路故障時的電路示意圖； 圖2為本發(fā)明實施例一結構示意圖，圖2 (a)為實施例一整體結構 示意圖，圖2 (b)為實施例一的比特型線圈結構示意圖； 圖3為比特型線圈的層間換流原理示意圖； 圖4為線圈以及加固機構的橫截面示意圖； 圖5為跑道形比特板形狀示意圖； 圖6為實施例二的結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本發(fā)明進一步說明。本發(fā)明將托卡馬克裝置中產(chǎn)生環(huán)向場的比特型線圈應用到電感器的 設計中。圖2為本發(fā)明實施例一結構示意圖，R、 e、 z分別代表柱坐標 系中的三個方向，B線指示磁力線方向，I代表電流。圖2 (a)為實施例 一整體結構示意圖，電感器由六個比特型線圈組成，六個線圈按同一圓 周均勻分布并串聯(lián)，線圈的磁場相互疊加，磁力線如圖2 (a)中的B線 呈環(huán)形閉合，形成圖中所示的環(huán)形磁場，由于磁力線被約束在了線圈內(nèi) 部，對外發(fā)散小，因此本發(fā)明對外界的電磁干擾很小。線圈按環(huán)形排列并通過串聯(lián)引線串聯(lián)，電流流過串聯(lián)引線和線圈后 形成了一個等效的電流環(huán)，電流環(huán)也會產(chǎn)生發(fā)散的磁場并對外界產(chǎn)生較 大的干擾，為了抵消該等效的電流環(huán)產(chǎn)生的磁場，設置了一條電流返回 線。如圖2 (a)中所示，電流從最后一個線圈中流出后又經(jīng)過返回線繞一周返回到電流流入端。返回線與串聯(lián)引線并排固定，兩個電流環(huán)路中 的電流方向完全相反，產(chǎn)生的磁場相反，因此返回線可以最大程度的抵 消等效電流環(huán)產(chǎn)生的磁場，進一步減小了電感器對外界的電磁干擾。圖2 (b)為比特型線圈結構示意圖，每個線圈由多層導體板疊壓而 成，稱導體板為比特板，相鄰比特板之間設置有絕緣層。比特板疊壓起來并串聯(lián)，使得電流在比特板間傳遞下去，形成螺旋形的電流通路。每層比特板相當于一個電流匝，N層比特板串聯(lián)形成N 匝電流。比特板層間換流原理如圖3所示，最上和最下一層為銅板即比 特板，中間一層為絕緣層，最上一層比特板的一條邊中間處做"Z"形切 口，形成兩個窄換流片，最下一層比特板與最上一層比特板"Z"形切 口對應處做反"Z"形切口，去掉換流片位置對應的絕緣層，使之與下一 層比特板的換流片形成電接觸，這樣就達到了層間串聯(lián)的目的。比特板可以采用矩形、D形或跑道形。矩形比特板受力后拐角處會 產(chǎn)生應力集中，致使拐角處應力大大超過了其他部分，因此采用改進的 跑道形比特板，如圖5所示。跑道形比特板中間部分為直線形，兩端為 圓弧形。跑道形線圈沒有大的拐角，應力會在彎曲部分均勻分布，減小 了局部最大應力，提高了材料的利用率，是一種優(yōu)化的選擇。比特板上可以加工一整圈的凹槽，將水冷管道嵌在比特板之間，水 在線圈中流動一圈并帶走熱量，以解決發(fā)熱過多情況下的散熱問題。巨大的電流會產(chǎn)生強大的電動力，銅線圈自身根本無法承受。為了 使線圈不變形損壞和保持整體結構穩(wěn)定性，必須采取一定的加固措施。 圖4為加固鋼盒的橫截面圖，其中l(wèi)為接線端子，2為夾板，3為鋼圈， 4為比特線圈。加固鋼盒包括鋼圈3和兩側夾板2，夾板2通過螺栓緊固 在鋼圈3兩側。線圈4嵌套在鋼圈3里面并緊密接觸，這樣整個鋼盒就 可以跟線圈一起受力，達到加固的目的。多個線圈按圓周均勻排列才能構成完整的電感器。由于線圈內(nèi)外兩邊所處位置的磁場強度不同，內(nèi)邊受到的電動力大于外邊，線圈整體會 受到等效的向心力；如果有線圈發(fā)生短路事故，線圈又會受到很大的切 向力。因此需要采取一定的支撐。線圈之間橫向可以采用桁架結構固定， 內(nèi)部可采用實心或空心鋼棱柱支撐。圖6為本發(fā)明實施例二結構示意圖，實施例二中的電感包括十二個 比特型線圈。采用不同個數(shù)的線圈都可以構成一個電感器，只要滿足線 圈按圓周均勻分布，電感器就可以工作。不同個數(shù)的線圈產(chǎn)生的電感值 不同，因而本電感器電感值可調(diào)。
權利要求
1、一種可承載大電流的電感器，其特征在于，包括至少一個線圈，線圈沿同一圓周均勻分布并依次串聯(lián)；所述線圈包括比特型線圈和套在其外部的加固機構，比特型線圈由交錯疊加的導體板和絕緣層構成，相鄰導體板串聯(lián)。
2、 根據(jù)權利要求l所述的一種可承載大電流的電感器，其特征在 于，串聯(lián)的最后一個線圈引出電流返回導線沿所述圓周饒回串聯(lián)的第一 個線圈。
3、 根據(jù)權利要求l所述的一種可承載大電流的電感器，其特征在 于，所述加固機構包括鋼圈和側夾板，鋼圈套在所述比特型線圈外部， 且位于兩側夾板之間。
4、 根據(jù)權利要求1或2所述的一種可承載大電流的電感器的設計 方法，其特征在于，對于相鄰比特板，其中一比特板具有"Z"形切口， 另一比特板具有反"Z"形切口，兩比特板的切口位置對應，且位于相鄰 比特板間的絕緣層在切口對應位置處為空。
5、根據(jù)權利要求1或2所述的一種可承載大電流的電感器的設計方 法，其特征在于，所述比特板層上增設水冷管道。
6、 根據(jù)權利要求1或2所述的一種可承載大電流的電感器的設計方 法，其特征在于，所述比特板中間部分為直線形，兩端為弧形。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可承載大電流的電感器，包括至少一個線圈，線圈沿同一圓周均勻分布并依次串聯(lián)；所述線圈包括比特型線圈和套在其外部的加固機構，比特型線圈由交錯疊加的導體板和絕緣層構成，相鄰導體板串聯(lián)。本發(fā)明能加載高達幾十乃至上百千安的電流，其對外界的電磁干擾低，電感值可進行一定的調(diào)節(jié)，等效電阻小，而且結構簡單堅固，加工方便，可應用于多種電源裝置中，還可以用于一些電氣設備和電力系統(tǒng)中，作為保護電感用于電路中可以對晶閘管開關等貴重設備以及電源和充電系統(tǒng)起到保護作用。
文檔編號H01F17/00GK101409145SQ20081004853
公開日2009年4月15日 申請日期2008年7月25日 優(yōu)先權日2008年7月25日
發(fā)明者呂以亮, 亮 李, 立 邱 申請人:華中科技大學