一种高储能密度电感的设计方法、系统、设备及介质与流程

1.本技术涉及储能密度电感技术领域，尤其涉及一种高储能密度电感的设计方法、系统、设备及介质。


背景技术：

2.储能电感是电感储能电源中的重要组成部分。通常的螺线型电感电阻损耗大，只能在非常有限的时间内储存能量，所以对于储能电感来说，优化其储能密度以及电阻损耗是非常重要的。
3.储能电感的电感量计算是电感设计的重要前提，目前设计电感时所采用的电感量计算方法包括解析公式法、矢量磁位法、磁场能量法等。上述方法存在的问题是，这些方法均基于电流均匀分布且线圈紧绕的假设，但储能电感通常工作与脉冲工况下，会产生趋肤效应以及临近效应，电流并非均匀分布，需要考虑频率对其的影响，另外，当电感单匝径向厚度较大时，由于内圈和外圈等效电阻不同，也会导致电流分布不均匀。另一方面，由于储能电感需通脉冲大电流，匝间需要留出一定的间隙以保证绝缘，基于线圈紧绕的假设计算电感也会带来一定的误差。电感储能型脉冲功率电源所用的储能电感形式众多，包括brooks线圈、d型环状线圈、力平衡线圈以及空心平面螺旋线圈等。但是仅针对单个电感进行的设计很难满足高储能密度的要求。


技术实现要素：

4.针对现有技术的上述不足，本技术提供一种高储能密度电感的设计方法、系统、设备及介质，以解决上述技术问题。
5.第一方面，本技术提供了一种高储能密度电感的设计方法，方法包括：获取电感线圈的尺寸信息和计算信息各自对应的取值范围；其中，尺寸信息至少包括：匝数、层数、线圈内径、单匝高度、单匝宽度、匝间距离、层间距离，计算信息至少包括：匝电压、通流密度和电阻；根据线圈电流的计算公式、线圈电阻的计算公式、线圈电感的计算公式和储能密度计算公式，进行取值范围内寻优，以确定满足取值范围的最大储能密度对应的具体尺寸信息。
6.进一步地，获取电感线圈的尺寸信息和计算信息各自对应的取值范围，具体包括：获取电阻取值范围为大于预设电阻阈值x；获取通流密度的取值范围包括：线圈电流除以单匝高度和单匝宽度乘积的值小于预设通流密度阈值；获取匝电压的取值范围为：匝电压最大值小于预设匝间介质的击穿电压。
7.进一步地，根据线圈电流的计算公式、线圈电阻的计算公式、线圈电感的计算公式和储能密度计算公式，进行取值范围内寻优，具体包括：获取当前取值范围对应的具体取值；根据公式1：，计算储能密度，其中，v为通过层数、线圈内径、单匝高度、单匝宽度、匝间距离、层间距离计算的线圈体积，i为通过通流密度j与单匝截面积s确定的电感电
流，i的计算公式为i=js，l为线圈电感；其中，线圈电感l的计算公式2为：，其中，u为线圈两端电压，f为脉冲电流等效频率；u的计算公式为：其中，u为线圈两端电压，f为脉冲电流等效频率；u的计算公式为：其中，l
ijij
表示将电感的每匝分割为m
×
n个小圆环后，编号为ij的匝中编号为ij的小圆环的自感，m
ijij-pqpq
表示两个小圆环的互感，u
ij
表示编号为ij的匝电压。
8.进一步地，进行取值范围内寻优，具体包括：通过遗传算法，在取值范围内进行寻优计算。
9.第二方面，本技术提供了一种高储能密度电感的设计系统，系统包括：获取模块，用于获取电感线圈的尺寸信息和计算信息各自对应的取值范围；其中，尺寸信息至少包括：匝数、层数、线圈内径、单匝高度、单匝宽度、匝间距离、层间距离，计算信息至少包括：匝电压、通流密度和电阻；寻优模块，用于根据线圈电流的计算公式、线圈电阻的计算公式、线圈电感的计算公式和储能密度计算公式，进行取值范围内寻优，以确定满足取值范围的最大储能密度对应的具体尺寸信息。
10.进一步地，获取模块包括获取单元，用于获取电阻取值范围为大于预设电阻阈值x；获取通流密度的取值范围包括：线圈电流除以单匝高度和单匝宽度乘积的值小于预设通流密度阈值；获取匝电压的取值范围为：匝电压最大值小于预设匝间介质的击穿电压。
11.进一步地，寻优模块包括计算单元，用于获取当前取值范围对应的具体取值；根据公式1：，计算储能密度，其中，v为通过层数、线圈内径、单匝高度、单匝宽度、匝间距离、层间距离计算的线圈体积，i为通过通流密度j与单匝截面积s确定的电感电流，i的计
算公式为i=js，l为线圈电感；其中，线圈电感l的计算公式2为：，其中，u为线圈两端电压，f为脉冲电流等效频率。其中，u的计算公式为：线圈两端电压，f为脉冲电流等效频率。其中，u的计算公式为：其中，l
ijij
表示将电感的每匝分割为m
×
n个小圆环后，编号为ij的匝中编号为ij的小圆环的自感，m
ijij-pqpq
表示两个小圆环的互感，u
ij
表示编号为ij的匝电压。
12.进一步地，寻优模块包括寻优单元，用于通过遗传算法，在取值范围内进行寻优计算。
13.第三方面，本技术提供了一种高储能密度电感的设计设备，设备包括：处理器；以及存储器，其上存储有可执行代码，当可执行代码被执行时，使得处理器执行如上述任一项的一种高储能密度电感的设计系统。
14.第四方面，本技术提供了一种非易失性计算机存储介质，其上存储有计算机指令，计算机指令在被执行时实现如上述任一项的一种高储能密度电感的设计系统。
15.本领域技术人员能够理解的是，本技术至少具有如下有益效果：本发明专利提供一种高储能密度电感的设计方法、系统、设备及介质，具体包括涉及储能电感的优化设计方法，解决了当前电感设计中存在的电感值计算不准确以及优化后电感储能密度不足问题。
附图说明
16.下面参照附图来描述本公开的部分实施例，附图中：图1是本技术实施例提供的一种高储能密度电感的设计方法流程图。
17.图2是本技术实施例提供的一种高储能密度电感的二维截面图。
18.图3是本技术实施例提供的一种高储能密度电感的计算示意图。
19.图4是本技术实施例提供的一种高储能密度电感的等效电路图。
20.图5是本技术实施例提供的一种高储能密度电感的设计系统内部结构示意图。
21.图6是本技术实施例提供的一种高储能密度电感的设计设备内部结构示意图。
具体实施方式
22.本领域技术人员应当理解的是，下文所描述的实施例仅仅是本公开的优选实施例，并不表示本公开仅能通过该优选实施例实现，该优选实施例仅仅是用于解释本公开的技术原理，并非用于限制本公开的保护范围。基于本公开提供的优选实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所获得的其它所有实施例，仍应落入到本公开的保护范围之内。
23.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
24.下面通过附图对本技术实施例提出的技术方案进行详细的说明。
25.本技术实施例提供了一种高储能密度电感的设计方法，如图1所示，本技术实施例提供的方法，主要包括以下步骤：步骤110、 获取电感线圈的尺寸信息和计算信息各自对应的取值范围。
26.需要说明的是，尺寸信息至少包括：匝数、层数、线圈内径、单匝高度、单匝宽度、匝间距离、层间距离，计算信息至少包括：匝电压、通流密度和电阻。这里具体范围由本领域技术人员根据实际情况确定。
27.其中，获取电感线圈的尺寸信息和计算信息各自对应的取值范围，具体包括：获取电阻取值范围为大于预设电阻阈值x；获取通流密度的取值范围包括：线圈电流除以单匝高度和单匝宽度乘积的值小于预设通流密度阈值；获取匝电压的取值范围为：匝电压最大值小于预设匝间介质的击穿电压。
28.步骤120、 根据线圈电流的计算公式、线圈电阻的计算公式、线圈电感的计算公式和储能密度计算公式，进行取值范围内寻优，以确定满足取值范围的最大储能密度对应的具体尺寸信息。
29.需要说明的是，根据线圈电流的计算公式、线圈电阻的计算公式、线圈电感的计算公式和储能密度计算公式，进行取值范围内寻优，具体包括：获取当前取值范围对应的具体取值；根据公式1：，计算储能密度，其中，v为通过层数、线圈内径、单匝高度、单匝宽度、匝间距离、层间距离计算的线圈体积，i为通过通流密度j与单匝截面积s确定的电感电流，i的计算公式为i=js，l为线圈电感；其中，线圈电感l的计算公式2为：
，其中，u为线圈两端电压，f为脉冲电流等效频率。其中，u的计算公式为：，其中，u为线圈两端电压，f为脉冲电流等效频率。其中，u的计算公式为：其中，l
ijij
表示将电感的每匝分割为m
×
n个小圆环后，编号为ij的匝中编号为ij的小圆环的自感，m
ijij-pqpq
表示两个小圆环的互感，u
ij
表示编号为ij的匝电压。
30.另外，进行取值范围内寻优，具体包括：通过遗传算法，在取值范围内进行寻优计算。
31.图2为本技术实施例提供的一种高储能密度电感的二维截面图。储能电感具有n匝、m层的轴对称结构，每匝线圈均为矩形截面。图中di为储能电感的内径，tc为单匝线圈宽度，lc为单匝线圈高度，ta为匝间距离，dz为层间距离。图中各匝的编号代表了它们所在的层数、匝数。
32.图3是本技术实施例提供的一种高储能密度电感的计算示意图。储能电感的电感量计算方法为，将每匝线圈分割为m行、n列具有正方形截面的小圆环，通过计算各个小圆环自身、小圆环之间的自感、互感和电阻，再通过它们之间的电气关系，即可求得储能电感整体的电感值、电阻值。其中，单个小圆环自身自感的计算公式为：，其中k(k)、e(k)表示模量为k的第一类和第二类椭圆积分，，，，r
ijij
为小圆环截面中心到圆心的半径，r
ijij0
是小圆环截面内侧到圆心的半径。单个小圆环电阻的计算公式为：其中σ为电导率，对于铜，σ= 5.998
×
107s/m，s
ijij
为圆环截面积。
33.圆环之间的互感计算公式为：，其中
，其中h为两圆环的垂直距离。
34.图4是本技术实施例提供的一种高储能密度电感的等效电路图。计算得到每个圆环的自感、电阻以及圆环之间的互感后，储能电感便可等效为如图4所示的频域电路模型，其中每条支路代表一个圆环，单匝内的圆环为并联关系，匝与匝之间是串联关系。u
ij
代表编号为ij的匝两端的电压，u为储能电感两端的电压。假设流过电感的电流为1a，根据电路图可以列出电路方程据此可求得，线圈电感l、电阻r的计算公式为：，其中f为脉冲电流等效频率。
35.除此之外，图5为本技术实施例提供的一种高储能密度电感的设计系统。如图5所示，本技术实施例提供的系统，主要包括：获取模块210，用于获取电感线圈的尺寸信息和计算信息各自对应的取值范围；其中，尺寸信息至少包括：匝数、层数、线圈内径、单匝高度、单匝宽度、匝间距离、层间距离，计算信息至少包括：匝电压、通流密度和电阻。
36.获取模块210包括获取单元211，用于获取电阻取值范围为大于预设电阻阈值x；获取通流密度的取值范围包括：线圈电流除以单匝高度和单匝宽度乘积的值小于预设通流密度阈值；获取匝电压的取值范围为：匝电压最大值小于预设匝间介质的击穿电压。
37.寻优模块220，用于根据线圈电流的计算公式、线圈电阻的计算公式、线圈电感的计算公式和储能密度计算公式，进行取值范围内寻优，以确定满足取值范围的最大储能密度对应的具体尺寸信息。
38.寻优模块220包括计算单元221，用于获取当前取值范围对应的具体取值；根据公式1：，计算储能密度，其中，v为通过层数、线圈内径、单匝高度、单匝宽度、匝间距离、层间距离计算的线圈体积，i为通过通流密度j与单匝截面积s确定的电感电流，i的计算
公式为i=js，l为线圈电感；其中，线圈电感l的计算公式2为：，其中，u为线圈两端电压，f为脉冲电流等效频率;其中，u的计算公式为：圈两端电压，f为脉冲电流等效频率;其中，u的计算公式为：其中，l
ijij
表示将电感的每匝分割为m
×
n个小圆环后，编号为ij的匝中编号为ij的小圆环的自感，m
ijij-pqpq
表示两个小圆环的互感，u
ij
表示编号为ij的匝电压。
39.寻优模块220包括寻优单元222，用于通过遗传算法，在取值范围内进行寻优计算。
40.此外，本技术实施例还提供了一种高储能密度电感的设计设备。如图6所示，该设备包括：处理器；以及存储器，其上存储有可执行代码，当可执行代码被执行时，使得处理器执行如上述实施例中的一种高储能密度电感的设计方法。
41.具体地，服务器端获取电感线圈的尺寸信息和计算信息各自对应的取值范围；其中，尺寸信息至少包括：匝数、层数、线圈内径、单匝高度、单匝宽度、匝间距离、层间距离，计算信息至少包括：匝电压、通流密度和电阻；根据线圈电流的计算公式、线圈电阻的计算公式、线圈电感的计算公式和储能密度计算公式，进行取值范围内寻优，以确定满足取值范围的最大储能密度对应的具体尺寸信息。
42.除此之外，本技术实施例还提供了一种非易失性计算机存储介质，其上存储有可执行指令，在该可执行指令被执行时，实现如上述的一种高储能密度电感的设计方法。
43.至此，已经结合前文的多个实施例描述了本公开的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本公开的保护范围并不仅限于这些具体实施例。在不偏离本公开技术原理的前提下，本领域技术人员可以对上述各个实施例中的技术方案进行拆分和组合，也可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，凡在本公开的技术构思和/或技术原理之内所做的任何更改、等同替换、改进等都将落入本公开的保护范围之内。

技术特征：
1.一种高储能密度电感的设计方法，其特征在于，所述方法包括：获取电感线圈的尺寸信息和计算信息各自对应的取值范围；其中，尺寸信息至少包括：匝数、层数、线圈内径、单匝高度、单匝宽度、匝间距离、层间距离，计算信息至少包括：匝电压、通流密度和电阻；根据线圈电流的计算公式、线圈电阻的计算公式、线圈电感的计算公式和储能密度计算公式，进行取值范围内寻优，以确定满足取值范围的最大储能密度对应的具体尺寸信息。2.根据权利要求1所述的高储能密度电感的设计方法，其特征在于，获取电感线圈的尺寸信息和计算信息各自对应的取值范围，具体包括：获取电阻取值范围为大于预设电阻阈值x；获取通流密度的取值范围包括：线圈电流除以单匝高度和单匝宽度乘积的值小于预设通流密度阈值；获取匝电压的取值范围为：匝电压最大值小于预设匝间介质的击穿电压。3.根据权利要求1所述的高储能密度电感的设计方法，其特征在于，根据线圈电流的计算公式、线圈电阻的计算公式、线圈电感的计算公式和储能密度计算公式，进行取值范围内寻优，具体包括：获取当前取值范围对应的具体取值；根据公式1：，计算储能密度，其中，v为通过层数、线圈内径、单匝高度、单匝宽度、匝间距离、层间距离计算的线圈体积，i为通过通流密度j与单匝截面积s确定的电感电流，i的计算公式为i=js，l为线圈电感；其中，线圈电感l的计算公式2为：，其中，u为线圈两端电压，f为脉冲电流等效频率。其中，u的计算公式为：
其中，l
ijij
表示将电感的每匝分割为m
×
n个小圆环后，编号为ij的匝中编号为ij的小圆环的自感，m
ijij-pqpq
表示两个小圆环的互感，u
ij
表示编号为ij的匝电压。4.根据权利要求1所述的高储能密度电感的设计方法，其特征在于，进行取值范围内寻优，具体包括：通过遗传算法，在取值范围内进行寻优计算。5.一种高储能密度电感的设计系统，其特征在于，所述系统包括：获取模块，用于获取电感线圈的尺寸信息和计算信息各自对应的取值范围；其中，尺寸信息至少包括：匝数、层数、线圈内径、单匝高度、单匝宽度、匝间距离、层间距离，计算信息至少包括：匝电压、通流密度和电阻；寻优模块，用于根据线圈电流的计算公式、线圈电阻的计算公式、线圈电感的计算公式和储能密度计算公式，进行取值范围内寻优，以确定满足取值范围的最大储能密度对应的具体尺寸信息。6.根据权利要求5所述的高储能密度电感的设计系统，其特征在于，获取模块包括获取单元，用于获取电阻取值范围为大于预设电阻阈值x；获取通流密度的取值范围包括：线圈电流除以单匝高度和单匝宽度乘积的值小于预设通流密度阈值；获取匝电压的取值范围为：匝电压最大值小于预设匝间介质的击穿电压。7.根据权利要求5所述的高储能密度电感的设计系统，其特征在于，寻优模块包括计算单元，用于获取当前取值范围对应的具体取值；根据公式1：，计算储能密度，其中，v为通过层数、线圈内径、单匝高度、单匝宽度、匝间距离、层间距离计算的线圈体积，i为通过通流密度j与单匝截面积s确定的电感电流，i的计算公式为i=js，l为线圈电感；其中，线圈电感l的计算公式2为：，其中，u为线圈两端电压，f为脉冲电流等效频率。其中，u的计算公式为：
其中，l
ijij
表示将电感的每匝分割为m
×
n个小圆环后，编号为ij的匝中编号为ij的小圆环的自感，m
ijij-pqpq
表示两个小圆环的互感，u
ij
表示编号为ij的匝电压。8.根据权利要求5所述的高储能密度电感的设计系统，其特征在于，寻优模块包括寻优单元，用于通过遗传算法，在取值范围内进行寻优计算。9.一种高储能密度电感的设计设备，其特征在于，所述设备包括：处理器；以及存储器，其上存储有可执行代码，当所述可执行代码被执行时，使得所述处理器执行如权利要求1-4任一项所述的一种高储能密度电感的设计系统。10.一种非易失性计算机存储介质，其特征在于，其上存储有计算机指令，所述计算机指令在被执行时实现如权利要求1-4任一项所述的一种高储能密度电感的设计系统。

技术总结
本申请公开了一种高储能密度电感的设计方法、系统、设备及介质，主要涉及储能密度电感技术领域，用以解决现有的设计很难满足高储能密度的要求。包括：获取电感线圈的尺寸信息和计算信息各自对应的取值范围；其中，尺寸信息至少包括：匝数、层数、线圈内径、单匝高度、单匝宽度、匝间距离、层间距离，计算信息至少包括：匝电压、通流密度和电阻；根据线圈电流的计算公式、线圈电阻的计算公式、线圈电感的计算公式和储能密度计算公式，进行取值范围内寻优，以确定满足取值范围的最大储能密度对应的具体尺寸信息。体尺寸信息。体尺寸信息。


技术研发人员：梁志 王昊 赵子玮 徐宪忠 姚广增 刁天一 张广毅 李刚 白湘玮 付荣荣
受保护的技术使用者：国网山东省电力公司聊城供电公司
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/28