（电工理论与新技术专业论文）永磁式被动补偿脉冲发电机研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a san e wt y p eo fp u l s e d p o w e rs u p p l y ，c o m p e n s a t e dp u l s e da l t e m a t o r ( c p a ) c o n c e n t r a t e sa l lt h ef u n c t i o n so fe n e r g ys t o r a g e ，e l e c t r o m e c h a n i c a lc o n v e r s i o na n d p o w e rc o n d i t i o n i n g i no n em a c h i n et h e s e i n t e g r a l i n ga d v a n t a g e sm a k ei t t h e p r o m i s i n g l yc o m p a c tp o w e rs u p p l ys y s t e ms u i t a b l ef o re l e c t r o t h e r m a lc h e m i c a lg u n ( e t c g ) n o w t h er e s e a r c h e so f a p p l i c a t i o no f c p aa r e d e v e l o p e d i nm a n yn a t i o n s ，a n d t h er e s e a r c hs c a l e t e c h n i c a ll e v e la r ei m p l o v e dg r e a t l y a i m i n ga ta p p l y i n ga st h ep u l s e dp o w e rs u p p l yo fe t cg ，ap e r m a n e n tm a g n e t ， t w o p h a s ep a s s i v ec p a ( p c p a ) i sd e s i g n e da n ds o m ek e yp r o b l e m sa r er e s o l v e d s i m u l t a n e i t ys o m ei n t e r n a la n de x t e r n a lf a c t o r sa f f e c t i n gt h ep u l s ec u r r e n ts h a p ea r e d i s c u s s e d ，a n ds o m em e t h o d st om o d i f yt h ep u l s es h a p ea r ep r e s e n t e d t h em a i n c o n t e n ta n dc o n t r i b u t i o no ft h i st h e s i sa r ej i s t e da sf o l l o w s ： 1 ) ag e n e r a lr e v i e wo n t h eo p e r a t i o np r i n c i p l e ，d e v e l o p m e n ta n dc u r r e n tr e s e a r c h s i t u a t i o no ft h ec o m p e n s a t o ri sp r e s e n t e d 2 ) i no r d e r t or e d u c et h ei n d u c t a n c ea n di m p r o v et h eo u t p u tp o w e ro f c p a ，s o m e k e yt e c h n o l o g i e s s u c ha s t w o p h a s e & f o u l p o l es t r u c t u r e a i r g a pw i n d i n g s a n d e n d t u r n ss h i e l da r e e m p l o y e d 3 ) a tt h ef i r s tt i m et h et h e r m a lc a p a c i t yo fc o n d u c t o ri su s e da sac r i t e r i o nt o c h e c kt h ee l e c t r o 1 0 a do fa r m a t u r e 4 ) d e p t ho f p e r m e a t i o n i su s e dt od e t e r m i n et h et h i c k n e s so f t h es h i e l d 5 ) a tt h ef i r s tt i m eap e r m a n e n te x c i t a t i o ns t r u c t u r ei su s e di nt h ed e s i g no f c p a 1 h ei m l e rm a g n e t i cf i e l do fc p ai ss i m u l a t e da n df u n d a m e n t a ld i m e n s i o no f p e r m a n e n t m a g n e tm a t e r i a li so p t i m i z e d 6 ) t h ec a l c u l a t i n ge x p r e s s i o no f t r a n s i e n ti n d u c t a n c eo fc p ai sd e d u c e dt h r o u g h t h ea p p l i c a t i o no fh a r m o n i o u sa n a l y s i sm e t h o dt om a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o ni nt h e i i 华中科技大学硕士学位论文 a i r g a p i n se x p r e s s i o n i s i m p o r t a n t t ot h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d e n g i n e e r i n g o p t i m i z ed e s i g no f c p a 7 ) s o m ei n t e r n a l a n de x t e r n a lf a c t o r s a f f e c t i n g t h e p u l s e c u r r e n t s h a p e a r e d i s c u s s e d ，a n dt h ec o n t r o lm e t h o d sf o rt h ep u l s ec u r r e n ts h a p ea r ea c q u i r e df o r mt h e s i m u l a t i o nr e s u l t s f u r t h e r m o r e ，t h em e t h o d so fm o d i f y i n gp u l s e dc u r r e n ts h a p ew h i c h c a ns a r i s f yt h el o a do fc o n v e n t i o n a le t c g a r e p u tf o r w a r dt h r o u g h s i m u l a t i o n a l lt h ew o r kt h i st h e s i sh a sd o n ec a no f f e rt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lg u i d e sf o r t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g na n d d i s c h a r g es y s t e me x p e r i m e n t o fc p a k e y w o r d s ：c o m p e n s a t e dp u l s e da l t e m a t o r ( c p a ) e l e c t r o m a g n e t i cd e s i g n c a l c u l a t i o no fi n d u c t a n c e e l e c t r o - t h e r m a lc h e m i c a lg u n ( e t c g ) s i m u l a t i o na n da d j u s t m e n to fc u r r e n tp u l s es h a p e 。t h i sw o r ki ss p o n s o r e db yn a t i o n a ld e f e n s et e c h n o l o g yr e s e a r c hp r o g r a m i l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名：琊钟 日期：z ，a 妒年r 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论史的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于不保密区 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：琊删 日期：p 岸f 月可日 撬以 指导教师繇别羌痞 日期：砷f 月7 日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 随着现代科学技术的发展，越来越多的先进技术被应用到国防领域中去，其 中，如何提高弹丸发射初速或者增加发射体的有效载荷质量，一直是众多科技_ = ： 作者关注的热门问题。常规火炮由于诸多因素的限制，发射速度一般不高于 2 k m s ，超过此极限速度十分困难。随着战略武器的刁i 断发展，传统火炮推进技术 难以满足未来战术需求，电热化学炮( e l e c t r o t h e r m a lc h e m i c a lg u n - - e t c g ) 概 念的提出适应了这一战略要求，而得到迅速发展。它利用输入电能在毛细管负载 中产生高速等离子体射流，控制和优化化学工质的燃烧过程，利用与化学工质作 f 日产生的高温高压气体推进发射体，不需要改造传统炮膛，调整电能输入即可获 得膛内压力平台，町实现低膛压高初速，从而提高了发射体的速度和射程，大幅 度提高了武器系统的战术性能。电热化学炮可应用于舰上反导、野战炮兵、反装 甲、坦克炮以及防空武器等，具有广泛的战术应用前景，因而受到各国军事部门 的高度重视。 脉冲电源是电热化学炮的重要部件，它的发展水平制约着电热化学炮的发展。 建立紧凑型、可提供重复脉冲的高功率脉冲电源是发展电热化学炮的关键技术之 一。只有很好地解决与电热化学炮相匹配的电源技术，才有可能使电热化学炮完 全满足实战需要，使电热化学炮这种新概念武器系统走向实战化。 电炮电源的储能装置主要有电容器组、电感器、旋转电机和蓄电池组，分别 属于静电场、磁场、惯性以及电化学储能。该四类储能及其脉冲电源的性能比较 知表1 1 所示。由这几种储能元件组成的电炮电源系统方案如图1 1 所示。 由表1 1 和图1 1 可以看出，电容器组不但体积大、储能密度低，而且需要充 电装置、大功率闭路开关以及消除残余能量的回路，因此运行效率受到限制；电 感器的储能密度比电容器高，但它同样需要大功率短路开关；电池f 搴储能密度很 华中科技大学硕士学位论文 高，但是由于受到化学反应速度的限制，其能量释放所需时间非常长，且功率密 度很低：单极发电机的端电压太低，不能满足电炮的要求。当作为电炮电源时， 需要中间储能电感器充当脉冲压缩环节。 表1 1 四种储能系统构成的脉冲电源性能比较 储能储能典型储能功率典型电短路储能 技术装置储能密度密度脉宽压电流时间 ( k j )( k j k 曲 ( k w k g ) ( m s )( k v )( k a )( s ) 电场电容器 1 5o 28 0 0 0o 卜o 51 05 01 0 0 0 常温电感 5 0 0 0】，33 2 41 53 1 5 0 00 4 5 磁场低温电感3 0 0 03 11 0 0 0l 1 0 051 0 0 01 2 超导电感 l o o2 25 0 l1 031 0 1 2 单极机 6 0 0 0& 57 01 0 0 5 0 0o 。l2 0 0 04 1 5 惯性c p a 2 0 0 0 0 0385 00 | 1 267 12 5 4 盘式电机9 0 0 01 71 7 5 0 221 9 3 0 0 化学蓄电池5 0 0 02 0 00 3 i 0 0 0o 0 10 51 0 8 医堕卜咂墅乎叶堑困匪叵卜咂圃蛩叶壁习匝亟卜佃 医堕卜怔圈叵卜圃 图i 1 电炮典型电源系统方案2 1 与上述储能元件相比，补偿脉冲发电机( c o m p e n s a t e d p u l s e da l t e r n a t o r c p a ) 克服了电容器和单极发电机的各自缺点，集储能、转换和调节于一体，大大减少 了从原动机到电炮负载的功率输出中间环节，具有“单元件”的综合优势。减少 了单极发电机电源系统所需的储能电感，大功率升压变匿器和开关，也减少了电 容器电源系统的充电电机、二极管、调波电感和开关，具有比功率、比储能、重 复频率高和高使用寿命等综合指标优势。在以c p a 为主体的电炮电源系统中， 起始功率和能量直接来自原动机。脉冲放电时，不需要中间环节，瞬时释放电能。 c p a 电流自然过零，对回路开关要求不高。可以通过电机设计，使脉冲宽度满足 特定负载电流波形要求，即弹丸出膛时，电流正好过零。因为没有磁能滞留在放 华中科技大学硕士学位论文 电回路，可以实现高效率运行。再者由于每发弹丸消耗的能量占整个转子储能的 很少部分，因而c p a 可以提供相当高的发射频率。由于原动机只需在相对窄的 速度范围内运行，原动机运行效率也相对较高。正是由于这些性能优势，c p a 在 电磁发射计划的推动下不断发展创新。 因此，从重量、体积、效率及发射频率等诸多方面考虑，c p a 是未来最有潜 力应用于电炮的小型化电源，是未来实战化电炮武器系统的首选脉冲电源l 3 1 。 在“十五”国防科技预研基金资助下，本文开展了对c p a 的研究工作。在深 入调研的基础上，熟练掌握c p a 的基本工作原理，并以电热化学炮作为c p a 的 应用目标，着手设计一台c p a 。在设计过程中，从c p a 基本结构的确定、无槽 绕组和端部绕组的电感计算、屏蔽筒厚度选择、转予结构的选择、放电电流波形 控制方案选择等方面对两相被动补偿c p a 进行较为全面和深刻的研究，验证c p a 作为电热化学炮脉冲电源的可行性，为电磁轨道炮脉冲电源积累工程经验，同时 紧密跟踪国外发展水平，提出我国补偿脉冲发电机的研究方向，为发展我国新概 念武器系统的新型电源奠定理论和技术基础。 1 2 补偿脉冲发电机的工作原理 1 9 7 8 年由美国t e x a s 大学机电中心w e l d o n w f 等人发明，1 9 8 0 年获得专利【4 1 ， 同年研制出第一台样机，验证了补偿结构能显著减小电感，提高脉冲输出功率的 设计思想【5 j 。 c p a 与常规电机最主要的区别在于利用了补偿( 屏蔽) 原理。即通过补偿压缩 电枢绕组产生的磁通，达到减小电枢绕组电感的目的。为实现最大补偿效果，补 偿元件应当尽可能靠近电枢绕组。当电机对负载放电时，补偿元件产生补偿电流 抵消电枢反应磁场，使电枢电流磁通压缩，极大地降低了电枢绕组暂态电感，从 而输出强功率脉冲。 c p a 脉冲放电时，在补偿元件感应反向涡流( 电流) 。为了降低电感，补偿元 件和导体厚度之间的距离应当尽量减小。因为c p a 是多极电机，补偿方式可以有 3 华中科技大学硕士学位论文 多种形式，补偿程度依赖于电枢绕组和补偿元件的相对空间位置和大小，也可做 到电感随转子位置周期变化，如图1 2 所示，电感变化的不同方式是实现不同脉 冲波形和提高脉冲功率的晟主要方法。根据补偿方式的不同，c p a 分为三种类型 即被动式、选择被动式和主动式，它们可以分别得到不同的脉冲波形，图1 3 是 三种c p a 典型的脉冲电流波形。 ：鬈；! 他 。 空蛾电压。 # 予位置- 一 圈12 三种c p a 电感随转子位置变化和空载电压波形 图1 3 脉冲电流波形随转子位置变化 1 2 1 被动补偿脉冲发电机( p a s s i v ec o m p e n s a t e da l t e r n a t o r - p c p a ) 被动补偿脉冲发电机采用导电屏蔽筒固套于转子表面，当电枢绕组放电时， 屏蔽筒感应涡流以阻止磁通透入转子，磁通被压缩在气隙中，磁阻变大，从而使 电枢绕组暂态电感减小( 如图14 所示) 。由于在整个电机气隙内都得到均匀补偿， 因而电感为常值，输出电压近似正弦脉冲。 4 华中科技大学硕士学位论文 朴翩 图1 ，4 被动补偿脉冲发电机原理示意图 1 2 2 选择被动补偿脉冲发电机( s e l e c t i v e l y p a s s i v e c o m p e n s a t e da l t e r n a t o r s p c p a ) 选择被动补偿脉冲发电机的补偿绕组在选定区域短接或利用非均匀补偿筒， 通过感应作用，抵消磁通，减小电枢绕组电感。当补偿绕组和电枢绕组轴线重合 时( 如图1 5 a 和1 5 e 所示) ，磁通耦合最强，s p c p a 内感最小；当补偿绕组和电枢 绕组轴线正交时( 如图1 4 b 所示) ，磁通没有耦合，此时s p c p a 内感最大，显然， 这种补偿方式的电感变化频率是空载电压频率的两倍。s p c p a 以牺牲峰值功率为 代价，可以获得平顶脉冲电流波形。 图1 5 选择被动补偿脉冲发电机原理示意图 1 2 3 主动补偿脉冲发电机( a c t i v ec o m p e n s a t e da l t e r n a t o r a c p a l 主动补偿脉冲发电机中补偿绕组与电枢绕组通过电刷、滑环相串联，补偿绕 组随转子旋转，当电枢绕组电流与补偿绕组电流磁通同向对，互感最大，输出电 流最小( 如图1 6 a 所示) ；当电枢绕组与补偿绕组正交时，两者没有耦合，其内电 感为两绕组自感之和( 如图1 6 b 所示) ；当电枢绕组电流与补偿绕组电流磁通反向 华中科技大学硕士学位论文 时，互感最小，近似等于两绕组漏电感之和，输出电流最大( 如图1 6 c 所示) 。随 着转子位置不断变化，电感变化周期与空载电压周期相同，可以获得尖顶的脉冲 波形。 图1 6 主动补偿脉冲发电机原理示意 三种补偿方式可以满足不同的负载波形要求，电磁轨道炮需要平顶的脉冲波 形，使弹丸在轨道中得到均匀加速，达到最大出膛速度，激光氙灯负载需要尖顶 脉冲波形激发光源。而被动补偿电机可以满足电热化学炮负载波形要求。 综上所述，c p a 具有明显的综合优势： ( 1 ) 直接与初始功率源耦合，集惯性储能、机电能量转化及脉冲成形于一体， 系统构造简单，具有较高的储能密度和功率密度。 ( 2 ) 脉冲成形易与负载匹配，c p a 脉宽范围从数十微秒到数十毫秒，且脉 宽易于调节。 ( 3 ) c p a 可提供连发脉冲，适合连续发射武器系统。 ( 4 ) 电流脉冲自然过零，具有“自开关”特性，不需要复杂开关技术。 1 3 补偿脉冲发电机的国内外研究现状 正是由于c p a 具有其它脉冲电源无可比拟的优越性，作为新型强脉冲功率技 术在激光核聚变、激光技术、定向能武器、低频声源、电磁发射技术等领域有着 广泛的应用前景，并首先在电磁发射系统和脉冲激光技术中得到应用，因而受到 6 华中科技大学硕士学位论文 各国研究结构和国防部门的极大重视并大力投资，得以迅速发展。目前，世界范 围内主要的研究机构，包括美国t e x a s 大学机电中心、l a w r e n c el i v e r m o r e 实验 室、英国c u l h a m 实验室、l o u g h b o r o u g h 工业大学、全俄实验物理科学研究中心、 俄罗斯科学院电工研究中心、华中科技大学以及中国科学院等离子体物理研究所。 其中，以美国的投资最大，研究水平最高。自1 9 7 8 年以来，c e m - u t 研制了一 系列的c p a 工程样机，包括快速发射电磁炮用c p a ( r a p i d f i r ec p a ) 6 1 、小口 径发射用c p a ( s m a l l c a l i b e rc p a ) 甜、加农炮口径电磁炮用c p a ( c c e m g ) i 挪等。 1 9 9 0 年，c e m u t 承担c c e m g 研制计翊，这台c p a 采用了空心转子、选择被 动补偿方式、自励式结构，在系统设计过程中进行了优化，使储能密度有了较大 的提高。1 9 9 6 年开始驱动e m r g 实验【9 】，转速8 2 6 4 r m m 时，电机输出电压峰值 2 8 3 5 k v ，电流峰值6 6 0 k a 脉宽2 7 8 m s ，1 5 5 克弹丸的出膛速度达到了1 9 k m s 。 目前有关实验工作还在进行中。表1 2 列出了美国研制的用于驱动电磁轨道炮的 c p a 的参数口1 。 表1 2 美国己研制的用于电磁炮的各种型号用途的c p a l 快速c p at a s k c小型c p ac c e m g c 发射能量( k j ) 1 6 09 0 0 06 42 8 0 l 速度( m s )2 0 0 0 4 0 0 02 5 0 02 0 0 01 9 0 0 i 电压( k v ) 283 62 8 i 峰值电流( k a )9 4 43 5 0 05 6 06 6 0 i 储能( m j ) 3 92 s o1 3 54 0 l 峰值功率( m w ) 1 2 0 02 7 0 0 01 5 0 02 5 0 0 c p a 重量( 蚝) 0 0 01 2 5 0 01 0 0 02 0 4 6 l 能量密度( k j k g ) 3 42 01 3 51 9 5 i 功率密度( k w 戌g ) 1 0 92 1 6 01 5 8 01 2 2 1 9 补偿方式被动选择被动被动选择被动 j 完成肘间 】9 8 31 9 9 0】9 8 91 9 9 6 从九十年代中期开始，c e m u t 承担“美国陆军电武器计划”中的第6 2 项关 于脉冲电源研究的“关键技术计划”，其目标为研制下一代高功率、高储能密度 c p a 。按照美军计划，由颥一代c p a 驱动的电炮系统将于2 0 1 5 年装备“未来主 战坦克”， 华中科技大学硕士学位论文 其他国家的科学工作者在c p a 脉冲功率技术领域也做了大量的研究工作，主 要进行模型机研制和理论模型研究，并取得了一些成果。 我国对补偿脉冲发电机的研究起步较晚。中科院电工所对c p a 作为脉冲成 形网络的初级电源进行了研究，制造了一台小型c p a 实验样机，对容性负载特性 进行了研究 1 0 】。我校自8 0 年代末开始c p a 的研究工作 1 1 】，跟踪探索国际c p a 的研究方向，研制了主动补偿发电机、被动补偿发电机以及两相被动补偿发电机 等各种试验模型机，自中科院等离子物理所调进了一台2 5 m w 无槽式被动补偿发 电机，并进行了一系列的相关试验，取得了一些成果。自“九五”以来，国防科工 委将c p a 作为电热化学炮小型化电源列为课题进行研究，我校一直承担着c p a 的研究工作。 电磁发射计划不仅在军事上而且在空间发射领域都具有诱人的应用前景，自 8 0 年代以来一直是各国研究机构的重要研究课题，9 0 年代以来，电热化学炮作为 新的课题，加入新概念电炮武器行列，c p a 成为电炮武器电源小型化共同课题。 迄今为止，i e e e 共组织十四届脉冲功率会议和十一届电磁发射会议，c p a 研究一直是会议的重要议题，从中也可看出c p a 的研究不断深入。1 9 9 7 年美 国陆军计划将脉冲功率电源列为基础研究四个子项目中的第一项，在应用研究 中又将“发展并验证一种有效的高能量密度和高功率密度的旋转电机( c p a ) ”作 为首项旧列为“集中项目( f o c u s e d t e c h n o l o g yp r o g r a m ) ”，其目标是“提供一 种既能驱动电磁炮又能驱动电热炮的脉冲电源”。 1 4 补偿脉冲发电机的应用前景 c p a 作为一种新型脉冲功率电源，一经产生便受到人们广泛关注，在国防、 科研和工业领域都显示出广泛的应用前景。 华中科技大学硕士学位论文 1 4 1 电磁轨道炮发射脉冲电源 由于电磁轨道炮突破传统推进技术速度极限，在国防领域最有可能成为极大 杀伤力的新一代电炮武器，因而受到各国国防部门的高度重视。c p a 是电磁轨道 发射关键技术之一，从美国有关科研机构的研究进程来看，c p a 是电磁轨道炮无 可替代的大功率脉冲电源，c p a 的研究与电磁轨道炮的研究同步进行，其研究规 模和研究水平不断提高。 1 4 2 驱动激光脉冲电源 小型化、高功率固体激光器不仅在军事领域有重要用途，而且在工业上也有 重要的应用前景。在军事上可以干扰对方导航系统，破坏对方操作人员的视觉和 装备的光电传感装置。 1 , 4 3 电热化学首选脉冲电源 电热化学炮可以提高弹丸的速度和射程，大幅度的提高了武器系统的战术性 能。电热化学炮可应用于舰上反导、野战炮兵、反装甲、坦克炮以及防空武器等， 具有广泛的战术应用前景。 e t c g 能否走向实战化，电源系统小型化是其中关键技术之一。各国都十分 重视电源小型化的研究。美国学者多次证论c p a 是电热化学炮首选电源方案。 1 9 9 7 年美国德州大学高等技术研究所i a nr ，m c n a b 全面比较了几个可以得到的 电源系统【3 】，得到的结论是：过去十几年内美国国防部门支持研究的c p a 被认为 是最适合武器应用的电源系统，这是由于c p a 具有较高储能密度以及较高的输出 电压，因而比其它电源系统更适合战术应用。 我国在c p a 的研究方面已有十多年的历史，已成功地将c p a 应用于驱动电 磁轨道炮连发试验。“九五”期间国防科工委己将c p a 作为电热化学炮小型化电 源列为课题进行研究，正是在这一背景下，我们开展了将c p a 作为e t c g 小型 化电源的方案和设计研究。 9 华中科技大学硕士学位论文 1 4 4 其它应用前景 由于c p a 的综合优势，在驱动惯性约束激光核聚变氤灯负载、野外地质勘测 脉冲信号源、脉冲焊接、脉冲成形等方面都可能得到应用，当然，作为项新兴 脉冲电源技术，未来还可能开拓出许多未知的应用领域。 1 , 5 本论文的研究内容和章节安排 本课题属于脉冲电源小型化课题，本文研究内容紧扣这一课题任务。开展了 将c p a 应用于电热化学炮作为其脉冲电源的研究，加深对c p a 性能的了解，在 深入了解c p a 工作原理的基础上，着手设计一台出符合特定负载要求的c p a ， 用于毛细管负载试验，为电磁轨道炮脉冲电源积累工程经验。解决在电机电磁设 计过程中遇到的一系列难题，如屏蔽筒厚度的计算、电枢绕组电密的选取、电枢 绕组内电感的分析计算、转子永磁结构的设计等。同时针对电热化学炮对脉冲电 源的功率和波形的要求，从多方面考虑调节c p a 的电流输出脉冲波形，以提供满 足负载要求的波形和功率，验证c p a 作为电热化学炮脉冲电源的可行性。 本文具体章节安排如下： 补偿脉冲发电机的研究现状和研究意义 第一章阐述了本课题的目的和意义，介绍了补偿脉冲发电机的基本概念、工 作原理，简单回顾了国内外研究现状，指出了其广阔的应用前景尤其是作为e t c g 的脉冲电源的前景，说明了本论文的主要研究内容。 电机定予以及气隙部分设计 第二章根据c p a 具体技术指标，确定了其结构形式以及主要尺寸，就设计中 采用的关键技术进行了说明。合理选取电磁负荷，并用热容量的方法来进行校核。 利用“透入深度”的方法计算屏蔽筒厚度。并利用前人所推导的屏蔽筒瞬态电磁 场模型来进行厚度的校核。 电机转子部分设计 第三章通过分析比较电励磁和永磁励磁的优缺点，率先提出永磁励磁方式。 华中科技大学硕士学位论文 确定了转子励磁结构，利用q u i c k f i e l d 仿真软件，对c p a 内部磁场进行了仿真。 对磁钢的尺寸和电机气隙磁场分布进行了优化设计。 电枢绕组等效电感的计算 第四章在忽略电枢导体空阃厚度和补偿筒涡流的情况下，从电磁场基本理论 出发，利用谐波分析的方法，得到c p a 电枢反应气隙磁场分布以及无槽绕组铁心 部分等效电感的计算表达式，进而求出电枢绕组等效电感表达式。 电机放电脉冲波形调节 第五章应用毛细管负载的电阻特性曲线，通过分析影响c p a 放电电流脉冲波 形的内、外部的因素，尤其是电枢电阻、电感咀及各相晶闸管触发角对电流波形 的影响。并且利用p s p i c e 仿真软件进行电流波形仿真，参照毛细管负载的典型负 载波形，通过调节晶闸管触发角、串入电感等调波方式，提出了适合e t c g 负载 波形要求的波形调节方法，并进行了验证计算，证明了结果的可行性。 全文总结 第六章对整个论文的研究工作进行了总结，指出了有待进一步开展的工作。 华中科技大学硕士学位论文 2 补偿电机定子及气隙部分设计 2 1 电机设计任务概述 根据脉冲电源小型化课题的研究内容和目标，设计制作一台峰值功率为 6 0 7 5 w m 的两相被动补偿脉冲发电机，分析和解决在c p a 设计伟4 造方面的难题， 进行电压电流波形调节试验以及毛细管负载试验，探索将c p a 应用于战术武器要 求的优化设计技术途径，验证c p a 作为电热化学炮电源的可行性，为下一步制造 出具有实战水平的c p a 打下理论和工程基础。 2 1 1 电机基本结构与主要技术指标 由第一章有关论述得知，被动补偿脉冲发电机( p a s s i v ec o m p e n s a t e da l t e m a t o r p c p a ) 输出电流波形近似于正弦波脉冲，可以满足电热化学炮负载波形要求。因 此，本文确定所设计的c p a 为一台两相四极结构、旋转磁场式永磁被动补偿脉冲 发电机，定子绕组采用两相无槽同心式绕组，直接粘结在定予内表面，转子上套 一个铝制补偿屏蔽筒，转子为径向永磁励磁结构，磁钢为瓦片形。其基本结构示 意图如图2 1 所示。 图2 1 两相p c p a 基本结构示意图 华中科技大学硕士学位论文 表2 1 列出了c p a 的基本设计参数。 表2 1 两相p c p a 基本参数 相数 2 极数 4 额定开路电压( k v )2 0 额定峰值电流( k a ) 3 5 转速( r r a i n ) 7 2 0 0 惯性储能( m j ) 4 0 2 1 2 设计过程中采用的关键技术 在电机设计过程中，充分吸收前人的工作经验，并根据本课题实际情况，采 用了一些关键技术。如为了降低电枢内电感，采用了无槽绕组的方案，直接将电 枢绕组粘结在定子内表面。此外还对端部绕组进行了屏蔽，进一步降低了电机内 电感，从而增大了输出电流。同时摒弃了常规的电励磁方式，采用永磁励磁结构。 电机设计中采用的一些关键技术主要包括： ( 1 ) 两相、四极结构 通常，e t c g 要求电源提供的电流脉宽在3 m s - - 4 m s 之间1 3 1 ，且电流分段上升， 单相c p a 结构很难满足这种波形以及脉宽要求。而多相c p a 则可以通过控制每 相合闸角，将几个短电流脉冲合成一个符合负载要求的电流脉冲，从丽大大增强 了c p a 的外部电流脉冲调节的黪力。因此，所设计的电机采用两相正交绕组结构。 两相电枢绕组在呈正交分布，绕组之间没有电磁耦合，减小了电枢绕组内电感， 提高了输出电流。此外由于两相独立输出，控制波形和脉宽相对更具灵活性。从 提高储能密度和功率密度方面考虑，应当尽可能提高电机转速，为了提高脉宽， 极对数应该尽量少。然而，两级电机在运行时存在电磁和机械方面的问题，放电 时绕组以及转子横向受力不均，易引起偏振和应力集中现象。而对四极电机而言， 绕组以及转子横向受力沿圆周分布基本均匀，因此考虑采用四极电机结构。电枢 绕组采用两相四极结构，可以增加脉冲电流波形调节的灵活性，能满足e t c g 对 电源的要求。 ( 2 ) 无槽绕组 无槽绕组是将绕组直接粘贴在平滑的定子或者转子表面上，也称为气隙绕组。 华中科技大学硕士学位论文 无槽绕组不仅可以显著削弱常规绕组所产生的槽漏抗和消除齿顶漏抗，而且使自 身与补偿元件磁耦合更加紧密。采用无槽绕组的主要优点是削弱了电机槽漏感， 因而减小了总的内电感。这是因为：常规绕组嵌放在槽中，与补偿绕组的距离较 大，不利于电感相互的耦合与补偿，且存在槽漏抗和齿顶漏抗，因而电感较大； 另外，电枢绕组置于铁磁材料的槽中，相当于处在铁磁屏蔽环境中，电枢绕组电 感必然增大。无槽绕组主要缺点是导体的支撑和固定比较困难。电机放电时，电 枢绕组要承受很大的放电力矩，因此对无槽绕组的固定非常重要。一般采用的技 术是，先用玻璃丝带将无槽绕组扎在一起，然后用环氧浇铸在一起，再用高强度 粘接剂粘接在定子内侧，固定后还要进行放电实验，进行机械强度的校核。 ( 3 ) 端部屏蔽 常规电机电枢绕组漏电感包括槽漏电感和端部漏电感。对c p a 而言，由于其 总是运行于瞬变状态，相当于常规电机空载突然短路。为了提高脉冲功率输出， 除了要对铁芯部分的绕组采取屏蔽、无槽等降低电感的措施以外，还要对端部电 感采取屏蔽措施。如果不采取降低绕组端部漏电感措施，其电感量会超过绕组铁 芯部分电感。端部漏电感对于c p a 功率输出是无效部分，雨c p a 的核心问题是 提高脉冲的输出功率，因此降低端部电感的意义重大。 为了降低端部漏电感，必须对其采取屏蔽措施。在每极电枢绕组端部用导电 材料做成屏蔽盒罩住，在接近电机铁芯引出部位，也同样用屏蔽盒连接起来以构 成短路环，当绕组匝数较多时，可以采用分组或者重叠处理方式 3 j 【h 】。当c p a 对 负载放电时，屏蔽盒中感应出涡流，电流方向与端部绕组电流相反，磁场均被压 缩在屏蔽盒里，从而可以大大降低绕组电感。 ( 4 ) 永磁励磁结构 综观国内外已报道的设计制造出的c p a ，一般采用普通直流电励磁方式，励 磁绕组嵌予转子槽中，由直流励磁机通过电刷和滑环向励磁绕组供电。这种励磁 方式不但需要另外加直流励磁电源，而且由于c p a 转速相当高，励磁损耗和电刷 滑环间的摩擦、接触损耗很大，因此电机运行效率不高。为了电源小型化的需要， 本文采用永磁励磁方式，省去了励磁机，节省了电机的用铜量，减少了电气铜耗。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 不需要电刷和滑环等接触装置，这不但减少了机械和电气损耗，而且实现了无刷 或者无接触式的电机结构，使得电机运行可靠，且显著降低了电机体积，提高了 电机的比功率。 2 2 补偿电机主要尺寸的确定 在进行电机设计时候，必须确定许多尺寸，其中主要尺寸是电枢铁心的直径 d i 和长度，。常规电机的主要尺寸在很大程度上和电机的电磁负荷爿和吸有关。 由于c p a 是一种特殊的脉冲电机，它工作在瞬时状态，短时脉冲功率很大，但是 散热时间长，热负荷裕量很大，电磁负荷可以达到很高的数值，因此不能按照常 规电机设计方法来确定其主要尺寸，而可以通过惯性储能的角度来初步确定其主 要尺寸，然后再进行电磁分析核算，以达到电机的优化设计。 在忽略转子轴孔的情况下，可以把转子当作一个实心圆柱体，其转动惯量表 达式【”1 为： j = 去懈2 ( 2 1 ) 式中：m 一圆柱体质量：r 一圆柱体半径 惯性储能表达式为： =ij国2=一1三脚2x(2厅旦)2=而md212n22 226 0 ( 2 2 )、 1 4 4 0 0 、 式中，d 一圆柱体直径；n 一转速( r m i n ) 代入数据，可得到：d 4 7 = o 0 1 8 4 参照我围高转速汽轮发电机转子主要尺寸比 = 二 式中，定子极距。：娑， z 口 选定旯= 2 2 ，代入数据，可得：d = o 4 1 ：f = o 7 考虑电机小型化需要以及实际加工工艺水平，选择电机定子内径d = o 4 5 m ， 华中科技大学硕士学位论文 电机计算长度，= o 7 m 。 在电机设计中一般取定子外径d i 作为标准直径。因此，在求得定子内径d 后 要根据d , d 的适当比值确定电机外径d l 。d l d 的参考僮见表2 2 【1 6 1 。 表2 2 d 1 i d 的参考值 极数 4 68 d , 。 1 4 21 3 7 1 3 0 参照表2 2 所示的四极电机的d , f o 的参考值，同时为了充分利用硅钢片 减少冲模等工艺装备的规格与数量，加强通用性，选取定子铁心外径为1 2 * 机座 的标准外径，即d l = 6 5 0 m m 。 2 3 电磁负荷的选择 2 3 1 电磁负荷对电机性能的影响 电机的电负荷a 是指电枢绕组电流密度，磁负荷b 是指气隙磁密的最大值。 电磁负荷的选取和很多因素有关，不但影响电机有效材料的耗用量，而且对电机 的参数、起动和运行性能、可靠性等都有重要的影响。 ( 1 ) 电负荷a 较高时 电机的尺寸和体积将较小，可毗节省钢材，符合小型化的要求。 b 一定时，由于铁芯质量减少，铁耗随之减少。 绕组用铜量将增加。这是由于电机的尺寸减小了，在麒不变的情况下，每 极磁通将变小，为了产生一定的感应电势，势必要增加绕组匝数。 增大了电枢表面的铜耗，使绕组温升增高。 改变了电机参数与运行特性。会导致电机最大转矩、起动转矩降低。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 磁负荷毋较高时 电机的尺寸和体积较小，节约钢材。 电枢的基本铁耗增大，效率降低。由于铁的比损耗与磁密的平方成正比， 因此随着屏的增加，比损耗增加的速度大于电枢铁心质量减少的速度，而电枢的 基本铁耗就取决于其铁心质量和比损耗的乘积，因此b 提高后，将导致电枢铁耗 增加，效率降低，温升增大。 气隙磁位降和磁路的饱和程度将增加。吃提高后，一方面直接增大了气隙 磁位降的数值，另一方面，由于铁心饱和程度增大。这样，对于同步电机而言， 会因励磁磁势的增大而引起磁钢用量的增大，效率降低。 改变了电气参数与电机特性，随着b 的增大。绕组电抗的标么值将减小， 从而影响电机的起动特性和运行特性。 2 3 2 电磁负荷的确定 结合国内外c p a 的研究经验，以及电机转子磁锅的励磁能力，暂取磁负荷 岛= o ，7 5 t 。 由于c p a 工作在短路状态，短路电流非常大，因此它的电负荷的选择不同于 普通的交流发电机，这里可以用导体短时发热状态下导体的热容量来选取和校核 电负荷彳。 当导体通过短路电流时，由于通过时间非常短，导体向外界传送的能量非常 少，可以忽略，因此，全部能量都储存在导体内，使导体温度升高，这种热量不 向发热体以外发散的过程称为绝热过程。绝热过程导体的温度升高的计算方法f l 如下： 设有一圆柱型导体，长为f ，截面积为s 。从r _ 0 开始，流过短路电流j 。产生 的损耗功率为p 。导体在通电前温度为吼，通电后温度为目。由于短路时导体温 1 7 华中科技大学硕士学位论文 度迅速增高，因而应考虑电阻系数p 随温度的变化，故损耗功率p 不是一个常 数这时导体的能量平衡方程式为 p d t = c ，d o = c g d o( 2 ，3 ) 式中：c ，一导体的热容量( j k ) 热容量c f 的意义是导体温度每升高1 k 所需要的能量。 e = c g ，( 2 4 ) 式中，c 为导体材料的比热；g 为导体的质量。 对圆柱导体，有： _ p = p 童 ( 2 5 ) g = y s ( 2 6 ) 式中：p 一导体电阻率( q m ) ：y 一导体的密度( 始小3 ) 而p = p o ( i + g o ) 。 ( 2 7 ) 式中：傅一电阻温度系数：0 为导体温度( 。c ) ；风为o 。c 时的电阻率 在f = o 至f = k 的时间范围内，设温度由0 = o o 至扫= o k ，e 自1 t 1 ( 2 3 ) ( 2 7 ) 可得 最= 扣+ a o ) e x p ( 警) _ 1 】1 ( 2 8 ) 最= 二 ( 1 + ( 警) 一】 ( ) 口oc y 导体的热稳定性以j k 来表征。由式( 2 8 ) 可以求得用来表达给定截面s 的载 流部分在允许发热温度皖下的热稳定公式： 毋。=生m(而l+ao。p ) oal 十口 因此，在给定屯、o k 的情况下，导体截面积s 可由下式确定： 1 8 华中科技大学硕士学位论文 s = 铜的些计算参数如表2 3 所示 表2 3 铜的一些参数 f 2 1 0 1 i密度y ( k g l m 3 )