（电工理论与新技术专业论文）全补偿脉冲发电机及其系统高功率小型化电炮脉冲电源.pdf

华中理5 - - 大学博士学位论文 电流脉冲自成形特点，较好地满足了电热化学炮对电源输出电流电压的技术要求。 最后进行了以补偿脉冲 理论模型和分级供电电源方 本论文较全面地对以辛 实验，验证了 系统进行了研 究，为未来补偿脉冲发电机为电热化学炮提供小型化脉冲电源的设计并迭到实战 化，提供了理论和实验依据。 、 关键词：全补偿脉冲发电机瞬态电感端部漏电感电磁屏蔽波形调节 励磁电热化学炮毛细管放电 本论文研究工作得到国防科技预研项目支持。 1 l 华中理工大学博士学位论文 a b s t r a c t + ac o m p e n s a t e dp u l s e d a l t e r n a t o r ( c p a ) c o n c e n t r a t e sa l l t h ef u n c t i o n so fe n e r g y s 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 dp o w e rc o n d i t i o n i n gi no n em a c h i n e t h e s ei n t e g r a t i n ga d v a n t a g e s m a k ei t p o s s i b l et op r o v i d et h ea p p r o p r i a t ep u l s e dp o w e rs y s t e mf o rt h en e wc o n c e p te l e c t r i cg u n s c r u c i a lt ot h es u c c e s so fe l e c t r i ca r m a m e n t si st h ed e v e l o p m e n to f c o m p a c tp o w e rs y s t e mc a p a b l eo f d e l i v e r i n gp o w e rt ot h ea h p a m e n ts y s t e mi ut h ea p p r o p r i a t ea m o u n tt h r o u g ha t a i l o r e dp u l s e ，a f t e r t r a d e o f f st h es i z e ，w e i g h ta n de f f i c i e n c y , t h ec p ai sb e l i e v e dt h ep r o m i s i n o yc o m p a c tp o w e r s u p p l y s 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 ) s i n c eac p aw a si n v e n t e di n1 9 7 8 ，al o to fi m p r o v e m e n t sh a v eb e e nm a d e ，b u ti th a ss t i l l r e m a i n e dm a n yp r o b l e m st ob es o l v e da n di si np r o g r e s sa san e wt y p eo fp u l s e dp o w e r t e c h n o l o g y e s p e c i a l l y ，a i mt ot h es p e c i a ll o a ds u c h 船眦gb r i n g su pas e r i e so fn e w t e c h n i c a lp r o b e m s w h i c h u r g e n t l yn e e ds t u d ya n ds o l v e t a k i n gc h a r g et h er e s e a r c hp r o j e c to nd o w n s i z i n ge t cp o w e rs y s t e m s p o n s o r e db yn a t i o nd e f e n s ep r e r e s e a r c hp r o g r a m ，t h ea u t h o rd i ds o m er e s e a r c hw o r k so nc p au s e d f o re t c gp o w e r s y s t e m 鲴f o l l o w s ht h e o r yt h ec a l c u l 撕n 譬e x p r e s s i o no ft 1 1 ec p at r a n s i e n ti n d u e t a n e ew a sd e d u c e dt h r o u g ht h e a 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 埘b u t i o n si nt h ea i r - g a p t h i sr e s u l ti s i m p o r t a n tt ot h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de n g i n e e r i n gd e s i g no f c p a a n dp r o v i d e sau s e f u lt 0 0 1f o rt h e o p t i m i z a i i o na n dp r e f e r e n c e s 。t h ea u t h o ri n d i c a t e s t h a ti ti si m p e r a t i v et or e d u c et h el e a k a g ei n d u c t a n c e o fe n d t u r n so i 1t h eb a s i so fc o m p e n s a t e dw i n d i n g si nt h ep a r to fc o r e ，b e o a u s et h el e a k a g ei n d u c t a n c e o f e n d - t u r n s i sad o m i n a n t f a c t o r t o i m p e d e t h eo u t p u to fc u r r e n to f c p a 确ea u t h o rg a v ea 把c h n i c a l m e a s u r et ol o w e rt h el e a k a g ei n d u c t a n c e b a s e do nt h i st e e h n i q u e ，an e wc o n c e p t a l l - c o m p e n s a t e d p u l s e da i t e m a t o r ( a c p a ) ，w a sp u tf o r w a r d b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h er e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i co fc a p i l l a r yp l a s m aa r ci nc p a t h ep o w e r s y s t e ms c h e m ef o re t c gw a sd e m o n s t r a t e da n dt h ee l e c t r o m a g n e t i cp a r a m e t e r sw e r ed e s i g n e d ， m e a n w h i l et h eg r a d e dp o w e r t e c h n i q u ew a sp r e s e n t e dw i t ht h ec a p a c i t o ra n dc p a w i t h t h eb u i l d i n go f r , v o - p h a s eo f c p am o d e l ，t h ee 1 gs y s t e mw a ss i m u l a t e da n d t h em a i ne f f e c t so ue n e 噼o u t p u tw a s i n d i c a t e d a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fd o w n s i z i n go fe t c gp o w e rs y s t e m ，as e l f - e x c i t a t i o no f m a g n e o e f i e l dw a ss e tf o r n la n ds i m u l a t e d t om e e tt h er e q u i r e m e n t so f p u l s es h a p eo f t h ee t c gl c a d t h em e t h o d sf o rp u l s e s h a p ec o n d i t i o n i n g w a s b r o u g h tf o r w a r d ，t h e yi m p l e m e n t e d t h eh i g h - v o l t a g ea n d l a r g ec u r r e n tp r o f i l eo u t p u t i nt h ee n do ft 1 1 ep a p e r , t h ea u t h o rd i s c u s s e dt h ee x p e r i m e a t so nt h ef h gs i m u l a t i v es y s t e m b a s e do nc p a w h i e hw a su s e dt ot e s tt h em o d e la n dt h et e c h n i c a ls e h e m e 1 1 l ec o m p a r e sb e t w e e nt h e e x p e r i m e n t sw i t h t h em o d e l ss h o w e dt h a tt h e yf i t t e dw e l l t h i sd i s s e r t a t i o nm a k i n gr e s e a r c ho ne t c gs y s t e mp o w e r e db yc 队p r o v i d e st h et h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lg u i d e sf o rt h ed e s i g na n df a b r i c a t i o ns c h e m e o f t h e e o g i n e a r i n gc p a i nt h ef u t u r e k e y w o r d sa l l - c o m p e n s a t e d p u l s e da l t e r o a t u r ( a c p a ) t r a n s i e n ti n d u c t a n c e e n d - t a m sl e a k a g ei n d u c t a n c e e l e c t r o m a g n e t i cs h i e l dp u l s es h a p e sc o n d i t i o n i n g e l e c t r o t h e r m a lc h e m i c a lg u n s ( e t c g ) c a p i l l a r yd i s c h a r g 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 h p r o g r a m i i i 华中理工大学博士学位论文 第1 章补偿脉冲发电机的发展及其应用前景 1 1 补偿脉冲发电机一一种新型脉冲功率电源技术 1 1 1 脉冲功率技术的发展 脉冲功率技术作为一门新兴的交叉性科学技术，近3 0 年来随着核物理、加速器、 等离子体物理、激光等许多科学技术研究地不断深入，以及现代化国防和空间战略 计划的需要而迅速发展起来，并日益成为有广泛应用前景的关键性技术领域之一， 受到其它许多相关学科，特别是高技术领域的重视。自1 9 7 8 年召开第一届脉冲功 率国际会议以来，脉冲功率技术水平不断提高，目前最高功率水平已超过1 0 “w 。 脉冲功率技术是在极短的时间内( m s n s ) ，释放强大的能量给负载，功率水平在 1 0 6 w 以上。通常由初始能源通过能量( 空间和时间) 压缩以及转换的方法，使能量密 度得到极大提高，传递给负载。因此，脉冲功率技术的研究主要集中在提高电源的 储能密度、功率密度、能量转换效率、重复频率和寿命等技术指标上。 脉冲功率一般以能量、电压、电流、脉宽以及脉冲重复率等特征参数来表示。 根据不同的应用要求，形成脉冲功率的手段和方法亦不相同。脉冲波形可控性、重 复性和系统构造简单是脉冲功率的基本要求，对于军事应用领域，高储能和高功率 密度，也就是脉冲功率的小型化是最为突出的技术要求。迄今为止，人们已经发展 了四种储能方式，其中包括：静电( 电容) 、磁场( 电感) 、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如表1 1 所示。 囊1 1 四种储能系统构成的脉冲电源性能比较 储能储能典型储能量密度功率密度典型脉电压电源阻短路电储能 技术装置 能( k j ) ( k j k g )( k w k g ) 宽( m s ) ( k v ) 抗( q ) 流( k a )时间( s ) 电场电容器 1 5o 28 0 0 0o 1 棚51 00 2 1 25 01 0 0 0 常温电感 5 0 0 0l33 2 41 - 530 ，0 0 2l s 0 004 5 磁场 低温电落 3 0 0 03 11 0 0 01 - 1 0 050 0 0 51 0 0 0 12 超导电感 1 0 0225 0 l1 00 o31 0 1 2 单极机 6 0 0 0857 0l 咻5 0 00 11 旷2 0 0 04 1 5 c p a2 0 0 0 0 0385 00 l r 2600 8 47 12 5 4 惯性 盘式电机 9 0 0 01 71 7 5 02 21 21 93 0 0 化学蓄电池 5 0 0 02 0 0031 0 0 00 0 100 2051 0 8 华中理工大学博士学位论文 可以看出，补偿脉冲发电机具有比功率、比储能、重复频率高和高使用寿命等综合 指标优势。当然盘式交流电机也有较大的潜在优势粥，必须克服其高内阻抗的弱点， 才能具有与补偿脉冲发电机的竞争性。 补偿脉冲发电机作为一种新型脉冲功率电源，克服了电容器和单极发电机的各 自缺点，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， 大功率升压变压器和开关，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。在补偿脉冲发电机电源系统中，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。电容器和单极发电机放电之后，还有相 当一部分残余能量通过电阻消耗，导致比较低的运行效率。 补偿脉冲发电机电流自然过零，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，因而补偿脉冲发电机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。 总之，从重量、体积、效率、发射频率等诸多方面考虑，补偿脉冲发电机是未 来最有潜力应用于电炮的小型化电源技术，实验也己证实了补偿脉冲发电机的上述 优势。图1 1 列出了几种电炮电源方案，可以看出补偿电机作为单元件，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。正是由于 这些性能优势，补偿脉冲发电机( 缩写c p a 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 ) 在 电磁发射计划的推动下不断发展倒新。 巨巨巨) 叵) 叵姐 臣尘怔蛩竺冷匡爿! 竺1 i 透平机 爿补偿电机( 储能、转换、调节) = 剖电炮l 图1 1 补偿脉冲发电机和其它惯性储能元件作为电炮电源方案对比p 】 2 华中理工大学博士学位论文 1 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 f w e l d o n 等人发明，1 9 8 0 年获得专利， 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”l 。 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。 鼍 制 馋 脚 出 脚 擗 州 鳝 聊 、【选择被动补偿 ! 念；! 么桃 转享位主。 如图1 2 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 3 华中理工大学博士学位论文 补偿电机脉冲放电时，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。因为补偿电机是多极电机，补偿方式可 以有多种形式，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 作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最主要方法。因此根据c p a 补偿方式的不同，补偿脉冲 发电机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 是三种补偿电机典型的脉冲电流波形。 被动补傣脉冲发电机 被动式补偿脉冲发电机口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 ) 采用导电屏蔽 筒固套于转子表面，当电枢绕组放电时，由于屏蔽筒感应涡流，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1 4 所示) 。由 于在整个电机气隙内都得到均匀补偿，因而电感为一常值，输出电压近似一正弦脉 冲。 孙黼 图1 4 被动补偿脉冲发电机原理示意图 选择；波动补缕脉冲发电机 选择被动补偿脉冲发电机( s e l e c t i v e l yp 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 s p c p a ) 与被动补偿相比可称为局部补偿，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，抵销磁通，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 c 所示) ，两者磁通耦合最强，s p c p a 内感最小；当补偿绕组和电枢绕 组轴线正交时f 如图1 5 b 所示) ，两者磁通没有耦合，此时s p c p a 内感撮小，显然， 这种补偿方式每3 6 0 度电角度补偿两次，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。 4 华中理工大学博士学位论文 髟绕 8 b c 图1 5 选择被动补偿脉冲发电机原理示意图 主动扑缕脉冲发电机 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 r e m a t o r a c p a ) 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 流磁通同向时，互感最大，输出电流最小( 如图1 6 a ) ：当电枢绕组与补偿绕组正交 时，两者没有耦合，其内电感为两绕组电感之和( 如图1 6 b ) ；当电枢绕组电流与补 偿绕组电流磁通反向时，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 e ) 。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，这种补偿方 式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图 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，激光氤灯负载需要尖顶脉 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。 另外还发展了与补偿电机原理相似的旋转磁通压缩电机，不同之处是它的磁场 通过自励产生，不需要励磁绕组，所以通常仍然将它归于补偿脉冲发电机之列。 5 华中理工大学博士学位论文 综上所述，补偿电机具有明显的综合优势在于： ( 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 ) 脉冲成形容易与负载匹配，c p a 脉宽范围从数十微秒到数十毫秒，同时脉宽易 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 2 补偿脉冲发电机发展历史和国内外研究现状 正是由于补偿脉冲发电机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、华中理工大学以及中国科学院等离子体物理研究所。其中， 表1 2 英国已研制的用于电磁炮各种型号用途的c p a 快速c p at a s k c小型c p ac c e m g 发射能量0 d ) 1 6 09 0 0 06 42 8 0 速度( m s ) 2 0 0 0 4 0 0 02 5 0 02 0 0 01 9 0 0 电压f k v ) 28 03 62 8 峰值电流( k a ) 9 4 43 5 0 05 6 06 6 0 储能( m j ) 3 82 5 01 3 54 0 峰值功率( m 奶 i 2 0 02 7 0 0 0】5 0 02 5 0 0 c p a 重量 1 1 0 0 01 2 5 0 01 0 0 02 0 4 6 能量密度( k j k g ) 3 ，42 01 3 51 9 5 功率密度( k w k 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 完成时间1 9 8 31 9 9 0 1 9 8 91 9 9 6 6 华中理工大学博士学位论文 以美国的投资最大，研究水平最高。一方面是由于美国学者首创了该型电机并取得 专利；更重要的方面是来自美国国防军事需求。他们预见以补偿脉冲发电机为代表 的高功率小型化脉冲电源在未来的国防和空间计划中的重要性，投入了大量人力和 经费。表i 2 列出了美国研制的用于驱动电磁轨道炮的c p a 的参数嘲。 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，补偿脉冲发电机成为电炮武器电源小型化共同 课题。 朴凄脉冲发电枫模型机研 1 9 7 8 年，美国t e x a s 大学机电中一i i , ( c e m u t ) 主持设计了第一台补偿脉冲 发电机，并于次年获准专利。开始研究的主要目的是为了寻找一种脉冲电源装置可 以在l m s 内输出1 1 0 m j 的能量以驱动脉冲灯。 是针对美国l a w r e n c e 国家实验室( l l n l ) 的惯性约束的激光聚变装置的脉冲灯为负载 的。脉冲灯需要高功率、短周期、可连发的 强电脉冲。起始时是由电容器作脉冲电源， 由于电容器不能提供负载要求的重复脉冲， 为此c e m - u t 设计了一台主动式补偿电机1 6 1 ， 如图1 7 所示，该原型桃采用立式转枢结构， 转子采用铁芯叠片，定子采用整块磁极，单 相，四极，最高转速5 4 0 0 r r a i n ，空载电压6 k v , 转子储能3 4m j ，电感变化率为7 ：1 。为了能 世界上第一台投入运行的工程样机 图1 7c e m - - u t 设计的第一台c p a 样机 有足够的强度与刚度，采用4 3 4 0 号高强度钢作转轴，该机计划为并联脉冲氙灯提 供频率为1 8 0 h z 的电流脉冲，在最成功的一次运行中，转速达到了4 8 0 0 r m i n ，发 出了峰值电流为3 0 k a ，脉宽为1 3 m s 电流波形，每脉冲输出能量为1 4 0 1 0 ，在该样 机的研制过程中，主动补偿作用得到证实，通过谐波数值分析方法计算了电感的变 化，并由实验得到了验证【 l 。作为第一台原型机，该机也存在着不少缺点，由于定 子采用了极块结构，定子极面涡流限制了电机的最大电感，使电感变化率不大，从 而影响了磁通压缩的效果；同时该机的电枢绝缘采用环氧树脂预浸玻璃丝带，这种 7 华中理工大学博士学位论文 结构虽然有足够的机械强度和绝缘性能，但在绝缘层中留有许多间隙，由于这些间 隙的存在，导体发生相对运动，磨破了绝缘，因恧导致实验中电枢绕组短路i s 。 为了提高绝缘性能并获得高的压缩b b ，c e m 。u t 又设计了一台小型四极的主动 式磁通压缩电机1 9 1 ( a c t i v er o t a t i n gf l u xc o m p r e s s o r a r f c ) ，除了定子采用叠片 以外，与第一台原型机机构上差别在于a r f c 没有励磁绕组，不产生开路电压。当 转子处于最大电感位置肘，与电枢绕组相连的电窖器提供起始电流。当转子旋转到 处于最小电感位置时，电枢绕组和补偿绕组之问磁通压缩率最大，输出最大电流脉 冲。这台电机电感变化率为4 6 ：1 ，纯电阻负载时，峰值电流增益为8 ，在这台电机 中，应用了真空压力预浸的环氧树脂玻璃纤维丝带，获得了比以往预浸技术更好的 绝缘和支撑结构。 快速发射电磁炮用朴俸电机( r a p i d - f i r ec p a ) 进入八十年代，由于美国“星球大战”计划的需要，电磁发射技术作为一项重 要计划被提出，补偿电机为这种特定的目标开始设计。1 9 8 3 年t e x a s 大学完成了快 速发射电磁炮用补偿脉冲发电机( r a p j d - f i r ec p a ) 的概念设计1 1 0 l 。该电机采用铁 磁材料，旋转磁场式被动补偿结构，转子采用整块磁极。采用被动补偿而不是主动 补偿，是因为被动补偿所输出电流波形更适于电磁发射系统，同时也是因为被动补 偿方式在结构上更简单，制造方便。在该电机补偿圆筒的设计中，采用了高导电率、 高强度的铝合金材料7 0 3 5 t 7 4 ，补偿圆筒热套在转子上，并留有1 ，0 4 2m m 的径向 间隙。除了采用间隙配合外，并注入了环氧树脂以便承受4 1 m n m 放电力矩。端 部固定方面，采用端部包6 1 8 镍铁合金，以提高端部固定性能。在实验中，转速达 到3 0 0 0 f f m i n ，发出电压1 2 0 0 v ，电流5 6 0 k a 的脉冲，在长3 m 的电磁炮轨道中将重 6 。6 9 的固体弹丸加速至1 8 6 8 m s 。在多发发射实验中，将2 颗子弹以6 0 h z 的频率( 脉 冲放电频率) 连续发射出去。该样机的研制和实验成功，证明了能用单台补偿电机 将机械能转换为适于直接驱动电磁炮的高功率电流脉冲。 用于电磁炮武器系统计划c 的补偿电机( e m g w s t a s kc c o m p u l s a t o r ) 一系列c p a 的基础研究，显示了电磁发射技术在将来武器系统具有潜在的优 势。为证明其在反装甲中的优势，以击穿装甲为目的的电磁炮武器系统计划c ( e m g w st a s kc ) 开始实施【l ”。该计划中的c p a 于1 9 8 8 年春开始制造，为两极、 自励、旋转电枢式空芯转子结构、选择被动补偿方式，采用选择被动补偿方式的原 8 华中理5 - - 大学博士学位论文 因在于其电流波形为平顶波，更适于弹丸在炮膛内平稳加速。这台电机设计用来为 炮管氏8 m 的电磁炮提供每脉冲3 0 m j 的能量，转子采用玻璃钢环氧树脂粘合而成， 并用石墨圈箍紧，这些石墨带是电机中受力最大的部件，且必须采用叠片结构以防 止涡流损耗。励磁绕组采用液氮冷却。该电机峰值电压8 k v ，峰值电流3 m a ，峰值 输出功率达到2 7 g w ，代表了当前世界上单台旋转电机所能发出的最高瞬时功率。 该电机总重量为1 2 5 0 0 k g ，峰值功率密度为2 1 6 0 k w k g 。 小口径发射用c p a ( s m a l l c a l i b e rc p ! a ) 和9 m j 射程炮用c p a 为了适应小口径电磁炮发射的场合，c e m u t 大学提出了小型c p a 研究项目 m 】。该机采用空芯转子旋转励磁结构、四极、被动补偿方式。相对于c 计划而言， 该项目对功率密度的要求降低了，因而设计更为灵活。这种c p a 在反轻装甲和无装 甲车辆方面具有很大的潜力。由于小型化考虑，励磁不采用液氮而采用室温空气冷 却，减少附属设各。四极结构比两极结构有利于减小涡流，从而可以采用金属轴。 该机能量密度比c 计划中的c p a 有较大提高，达到了1 2 k j k g 。该机于1 9 8 9 年夏完 成，1 9 9 1 年上半年进行了负载试验研究。在转速1 6 2 0 0 r m i n 时，开路电压8 0 0 v , 峰 值电流达到1 3 2 k a 。 与此同时，c e m - - u t 研制了一台c p a ，用于驱动大口径9 m j 射程炮脉冲电源， 该炮口径9 0 m m 、长7 m ，c p a 设计指标是开路电压5 8 k v ，2 0 g w 峰值功率，以3 豺分钟射频提供3 2 m a 电流脉冲，发射3 发4 9 弹丸，出膛动能9 m j ，出膛速度达 到2 5 4 k m s 。 这两台c p a 均采用空芯转子结构，转子采用高强度纤维加强型环氧复合材料， 使得转子储能密度可以提高9 倍，但同时带来转子励磁电流增大问题，为此他们设 计了副电枢绕组专门提供励磁充电。 加农炮口径电磁炮( c c e m l ) 1 日c p a 1 9 9 0 年开始，c e m - - u t 承担加农炮口径电磁炮用c p a 研制计划，目的是证明 未来电磁炮武器系统装备水陆两栖战车的可能性i “l 。这台c p a 采用空芯转子、选择 被动补偿、自励式结构，在系统设计过程中进行了优化，使储能密度比9 m jc p a 有 所提高，1 9 9 6 年开始驱动e m r g 实验，转速8 2 6 4 r m i n 时，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 9 弹丸出膛速度达1 9 k m s 。目前有关实验工作还 在进行。 9 华中理工大学博士学位论文 其它国家c p a 研究工作 英国科学工作者在c p a 脉冲功率技术领域也作了大量的研究工作，主要进行模 型机研制和理论模型研究。八十年代中期，英国c u l h a m 实验室将三相电动机改造 成主动补偿脉冲发电机，进行了阻性和容性负载实验瞰i 。八十年代末期，c u l h a m 实 验室又改装了一台选择被动补偿脉冲发电祝，并进行了电阻负载实验l m 。他们的重 点放在脉冲功率技术在武器系统中的应用即电磁发射技术上。c u l h a m 实验室的 p u t l e y 等学者运用集中参数等效电路模型方法，对主动补偿式脉冲发电机驱动电磁轨 道炮系统进行了数值仿真计算，分析t # h 偿角对电流脉冲和弹丸出膛速度的影响， 并对炮膛长度选择进行了研究，同时比较了主动及被动补偿脉冲发电机驱动系统， 阐述了被动补偿结构在电磁发射中的优点：弹丸在炮膛中均匀加速，减小了炮膛受 力，虽然由于加速时间的延长需增加炮身长度，但是无需残余电流泄放系统，因而 不会使系统总重量增加。 19 9 3 年，俄罗斯电工研究所的u m b o b r o v 等人对用于t o k a m a k o 装置的带飞 轮元件同步电机励磁调节的作用进行了研究【l ”提出调节励磁以补偿电动力，从而 抑制输出电流脉冲时引起的转速下降。他们认为，带飞轮元件的脉冲功率系统的励 磁调节作用不同于常规同步电机中的励磁调节作用，它对电机传送脉冲功率给负载 有着直接的影响。在实际应用中，他们采用的是一台模拟自动电压调节器。他们所 做的工作，对于如何认识c p a 的励磁调节作用有较大的启发作用。莫斯科航空研究 所防御实验室研制了一台用于电磁发射系统的单相铁芯被动补偿式c p a ，该机的被 动补偿采用涡流补偿篱来实现，它的作用，一方蟊是压缩磁场+ 另方面是保护绕 组使其能够承受很大的放电转矩。该所学者v v a s s i o u k e v l t c h 在其发表的论文中阐 述了自己的工作，并介绍了自己制作的用于该铁芯c p a 的数值仿真程序8 】。 我国开展补偿脉冲发电机研究工作的主要机构有中国科学院等离子体物理研究 所、中国科学院电工所和华中理工大学。有中国科学院等离子体物理所自1 9 7 9 年 率先开始c p a 研究，共研制了六台各种类型的c p a 模型样机。1 9 9 0 年研制成功 2 5 m w 无槽式被动补偿电机。开路电压2 4 0 v ，峰值电流8 0 k a ，用于驱动中1 0 x 6 0 0 m m 的圉瞠连发电磁轨道炮，以射频4 发秒，将1 0 9 弹丸加速到出膛速度2 o l i n s 。以 潘垣院士领导的c p a 课题组，提出了具有创新意义的串激式补偿脉冲发电机新概念 ”】，两台补偿发电机同轴，采用起始自励方式，小机为大机励磁，当大机处于最大 1 0 华中理工大学博士学位论文 磁通压缩状态时输出脉冲电流，整个电机电流峰值增益可以达到1 0 0 0 倍以上，同 时频率可调，这对于提供小型化的脉冲电源具有重要意义。1 9 9 4 年，串激式补偿脉 冲发电机进行了驱动激光氙灯实验。 华中理工大学自9 0 年代初开始c p a 研究【2 0 】，跟踪探索国际c p a 研究方向，研 制了主动补偿、被动补偿电机模型机各一台，进行了理论分析和实验验证。 1 3c p a 研究发展过程中所采用的关键性新技术 元槽绕组( 或气隙绕组) 无槽绕组是将绕组直接粘贴在平滑的定子或转子表面上，亦称为气隙绕组。采 用无槽绕组与常规电机绕组相比较有两个优点：削弱了漏电感因而减少了总电感； 改善了磁场波形因而提高了感应电势 6 1 。这是因为：常规绕组嵌放在槽中( 通常较 深) ，与补偿绕组( 或非磁性筒) 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 当于处于铁磁屏蔽环境中，电枢绕组电感必然增大。由于开槽的影响，相当于增大 了气隙，从而减小了气隙磁密和感应电势。无槽绕组的主要缺点是电机放电时，产 生的切向电动力全部由绕组承担，绕组在这种粘贴而不是嵌放状况下机械强度问题 需要引起特别的注意。 空芯电机j 2 1 1 空芯转子作为电机中的储能元件和结构受力元件通常采用非铁磁复合材料如环 氧玻璃纤维或陶瓷，复合材料的导磁性与空气近似，但它具有较高的强度密度比 和较高的弹性模量，因而可以使电机运行在极高的速度下，提高了电机的储能密度 和功率密度。定子采用空芯结构，可以减小电枢绕组电感，对提高输出功率有利。 空心电机概念的引入，是对电机这门古老学科的发展和突破。同时也带来一些技术 和理论问题需要解决。使用空芯转子技术的缺点是建立励磁磁场较困难，所需的励 磁安匝很大，为减小励磁绕组的发热，需要采用低温冷却或超导体作磁场线圈。为 适应电机转子高速运行需研制超高速轴承，转子粘结材料和绝缘材料以及结构破坏 时需提供特殊的防护措施。 华中理工大学博士学位论文 补偿屏蔽筒( 或补偿绕组) 屏蔽筒的使用早在超导电机的研究时，就已经得到应用，目的是将交变的电枢 电流磁场和恒定超导励磁磁场隔离瞄1 。对于补偿脉冲发电机而言，补偿屏蔽筒的使 用具有更加特殊的意义。首先补偿屏蔽简极大地降低了补偿电机内电感，这是由于 脉冲放电时，补偿屏蔽筒感应涡流，使电枢磁场压缩在气隙中。这一点对被动补偿 发电机具有非常重要的意义，是补偿脉冲发电机最主要特色。可以看作是非完全屏 蔽筒补偿方式。脉冲波形输出与屏蔽筒( 补偿绕组) 结构有关，不同的补偿屏蔽筒结 构，可以产生不同的脉冲波形，可以说补偿屏蔽筒是电机内部一种有效的调波方式。 主动补偿可以输出尖峰脉冲波形，选择被动补偿可以实现平台脉冲波形，完全屏蔽 筒输出波形为近似正弦波。其次补偿屏蔽筒降低了脉冲放电时产生的过电压。补偿 脉冲发电机脉冲放电相当于常规电机出口短路工况，当两相或三相电机不对称短路 时，绕组产生过电压，由于补偿屏蔽筒相当于阻尼绕组，对过电压具有有效的抑制 作用。另外象超导电机一样，补偿屏蔽简屏蔽了电枢绕组放电时产生的瞬态磁场对 励磁绕组的影响。补偿屏蔽筒不利的一面是增加了励磁绕组安匝数。 由于补偿屏蔽筒涉及电磁瞬态过程，其理论分析很复杂，但同时也是有相当意 义的。s b p r a t a p 在这方面作了系统的研究工作f 2 3 】【2 4 】【2 ”，包括脉冲放电时补偿屏蔽 筒中电磁场瞬态过程，补偿屏蔽筒厚度选择，补偿屏蔽简对励磁磁场的影响，以及 主动和选择被动补偿中屏蔽筒的多种结构。 多种电机拓扑结构和运行模式 电机的励磁方式，补偿类型及旋转部件的不同选择，构成补偿电机的多种结构， 每一种结构都有其优缺点。电机的基本部件包括：励磁绕组、电枢绕组、补偿绕组 或屏蔽筒、定子、转子、轴承及电刷。励磁绕组与补偿绕组或屏蔽筒必须相对静止。 补偿电机结构和运行模式经历了一个发展过程。早期的空芯电机电枢绕组在转 子上，通过大电流脉冲，而励磁绕组放在更重的定子上，通过的励磁电流相对要小。 由于电枢绕组在转子上，有大电流通过电刷，带来电刷体积和面积增大，以及放电 受力问题。以致后来电机仍然采用旋转磁场绕组结构，而放弃旋转电枢结构，静止 的电枢绕组易于支撑，可以承受较大的放电转矩从而提高电机的容量，而不用担心 离心力对它的影响，也不用担心因导体的相对运动和疲劳引起的匝间绝缘的破坏以 及机械故障。 1 2 华中理工大学博士学位论文 外转子结构空芯转枢式补偿电机，在相同功率、外尺寸和转速下，其储能密度 更大，且由于电枢绕组安装在外转子内壁，转子高速旋转时，受离心力作用，绕组 固定更牢。但由于外转子难以支撑起来与原动机系统耦合，还存在事故情况下转子 外部防护问题。因而这种结构难以实现。 在电机运行模式方面，经历了单相单脉冲到多相多脉冲的变化。补偿电机研究 初期，电机结构为单相2 极式，尽管2 极结构电机电流脉冲最宽，但定、转子圆周 电磁力分布不均匀，限制了电机转速。而且脉冲宽度与电机极数和转速之间存在约 束关系，不利于电机优化设计，使功率密度下降。1 9 9 3 年以来，c e m - - u t 的p r a t a p 、 m u r t h y 等学者提出了多相补偿脉冲发电机用于电磁轨道炮系统的设想，并进行了论 证【2 6 儿2 ”。结果表明，多相结构补偿电机可以获得较高的加速率，电源系统功率密度 有了较大提高。现在补偿电机均采用多相结构，每相依次放电，同时合成多脉冲成 为负载要求的完整波形，这种运行模式解耦了脉冲宽度对电机转速的直接依赖，有 利于电机能量密度、功率密度的优化设计。多相电机结构的提出大大拓宽了补偿电 机的应用范围，使得补偿电机脉冲波形外部调节成为可能。具备了脉冲成形网络相 似的调波特性。 正是由于采用了这些新技术，补偿电机的技术得到不断发展。总的来说，这些 技术都是着眼于尽可能地减小电机体积、重量，提高电机储能密度和功率密度，同 时解决电机制造和工艺的可能与现实性。随着新材料、新工艺、新技术的不断提出 和实现，补偿电机技术日臻成熟。有关学者论证认为【2 8 】，目前补偿电机还不存在技 术上的严重障碍，因而发展的潜力还很大。补偿电机是一种有前途的，并具有广泛 应用前景的高功率小型化脉冲电源。 迄今为止，i e e e 共组织十二届脉冲功率会议和九届电磁发射会议，补偿电机研 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口”，在应用研究中又 将。发展并验证一种有效的高能量密度和南功率密度的麓转电机( c p a ) ”作为首项， 列为“集中项目( f