補償脈沖發(fā)電機集慣性儲能、機電能量轉(zhuǎn)換和脈沖成形的綜合技術(shù)

本文介紹了由于補償脈沖發(fā)電機集慣性儲能、機電能量轉(zhuǎn)換和脈沖成形的綜合技術(shù)優(yōu)勢，研制了一臺額定轉(zhuǎn)速為12 000 r/min的20 MJ補償脈沖發(fā)電機，并研究了其中關(guān)鍵材料包括屏蔽筒和轉(zhuǎn)軸等的選擇。在理論計算和仿真分析的基礎(chǔ)上設(shè)計了電機勵磁回路以及電樞繞組，提出了一種新的補償繞組結(jié)構(gòu)即定子上安放兩套電樞繞組，在電機放電時，脈沖電流將會提高，繞組的溫度會降低，磁場密度會增強。

0引言

補償脈沖發(fā)電機（CPA）是一種特殊的同步發(fā)電機，利用磁通壓縮的原理，減小電樞電感，當電機工作的時候，會產(chǎn)生很大的脈沖電流.它是目前公認的相對又實用價值的電磁炮電源，采用飛輪以機械形式儲存能量，克服了電容器和單機發(fā)電機的各自缺點，集儲能、轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)于一體的脈沖電源，大大減少了從原動機到電磁炮負載的功率輸出中間環(huán)節(jié)，具有單元件的綜合優(yōu)勢。根據(jù)脈沖電源研究內(nèi)容，設(shè)計制造儲能20 MJ以上的補償脈沖發(fā)電機樣機，通過對電機內(nèi)部磁場的分析和負載實驗，解決在補償脈沖發(fā)電機制造方面的困難，對電機適用于電磁炮進行可行性分析，為下一步制造出具有實戰(zhàn)水平的CPA打下理論和工程基礎(chǔ)。

1基本參數(shù)

以電機體積和重量為優(yōu)化目標，本文設(shè)計制造一臺空心、自勵模式、轉(zhuǎn)場式結(jié)構(gòu)、峰值功率為300 MW以上、儲能20 MJ和轉(zhuǎn)換效率15%的兩相四極的空心選擇被動補償脈沖發(fā)電機樣機。電機的主要參數(shù)見表1.

2基本結(jié)構(gòu)

補償脈沖交流發(fā)電機，是一種特殊的同步發(fā)電機，通過對目前補償式脈沖發(fā)電機的優(yōu)缺點研究[4]，確定該電機的結(jié)構(gòu)為：兩相四極、空心、被動補償、自勵模式、轉(zhuǎn)場式結(jié)構(gòu)。

電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括定子、轉(zhuǎn)子、電刷、滑環(huán)、軸承、端蓋、電力電子裝置和機殼[5].轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子軛、勵磁繞組、碳纖維繃帶、鋁補償筒組成。主軸上固定鈦合金轉(zhuǎn)子軛通過過盈連接，轉(zhuǎn)子勵磁繞組粘結(jié)在轉(zhuǎn)子軛外表面，繞組外部用碳纖維環(huán)氧樹脂綁扎綁帶固定，綁帶外面為鋁補償筒；定子由主電樞繞組、玻璃纖維繃帶、次電樞繞組、定子軛、機殼組成。定子軛固定在機殼內(nèi)壁上，內(nèi)壁上粘結(jié)有定子無槽次電樞繞組（用于勵磁），次電樞繞組和主電樞繞組（用于放電）之間為碳纖維環(huán)氧樹脂綁扎繃帶，定子無槽電樞繞組的端部用屏蔽盒罩住，轉(zhuǎn)子通過端蓋軸承的支撐固定于定子內(nèi)，主軸的一端連接原動機，主軸的另一端固定有滑環(huán)和電刷。

3轉(zhuǎn)子設(shè)計

轉(zhuǎn)子基本尺寸采用空心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機，轉(zhuǎn)子飛輪的最佳內(nèi)外半徑比為0.45時[6]，轉(zhuǎn)子的儲能量為實心轉(zhuǎn)子儲能量的95%以上，可以節(jié)約轉(zhuǎn)子材料和減輕轉(zhuǎn)子重量。

該電機旋轉(zhuǎn)在很高的速度，一般的鐵磁材料無法滿足其力學效應，一般采用復合材料或鈦來制作。鈦（Ti）是一種銀色的過渡金屬，屬于無磁性金屬，在很大的磁場中也不會被磁化，它還有耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良特性[7].

鈦合金強度高，且電阻率低，在高溫和低溫狀態(tài)下都能保持高強度。與復合材料相比，采用鈦轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以提高儲能密度，減少轉(zhuǎn)子的體積，且工藝相對來說簡單一些。因此，在本設(shè)計中，轉(zhuǎn)子是采用鈦材料。

3.1轉(zhuǎn)子軛的選擇

轉(zhuǎn)子軛由鈦合金構(gòu)成。鈦合金材料性能[8]如下：拉伸強度：1 000.0 MPa；拉伸模量：116.7 GPa；比強度：

221.2 MPa（g/cm3）；比模量：25.8 GPa（g/cm3）；密度：

4.52 g/cm3.電機旋轉(zhuǎn)速度為12 000 r/min時，轉(zhuǎn)子外徑為0.088 m，轉(zhuǎn)子內(nèi)徑為0.039 6 m，轉(zhuǎn)子長為0.326 m，機械角速度為1 256.6 rad/s.

3.2轉(zhuǎn)軸材料的選擇

轉(zhuǎn)軸材料型號為25Cr2Ni4MoV.主要力學性能[9]指標（切向取樣）如下：屈服強度為730~830 MPa；抗拉強度為σb≥1 000 MPa；伸長率為δb≥14%.

3.3繃帶的選擇

綁帶為碳纖維與環(huán)氧樹脂復合的材料，其性能[10]如下：拉伸強度：1 471.0 MPa；拉伸模量：137.3 GPa；比強度：1 014.0 MPa（g/cm3）；比模量：94.7 GPa（g/cm3）；密度：1.45 g/cm3.

3.4屏蔽筒材料的選擇

補償筒材料的選擇對于電機的設(shè)計是個很重要的環(huán)節(jié)，它必須導電性能好且非導磁[11].當點擊工作放電時，由于補償筒阻止磁場的穿過，電樞反應磁場被壓縮在定子和轉(zhuǎn)子的氣隙中，這樣電樞繞組的電感就會大大減小，補償電機的瞬時工作功率就會大大提高。

基于補償筒材料的限制，必須導電性能良好且不能導磁，銅和鋁滿足以上要求，但是，當電機正常工作時，電機的轉(zhuǎn)速非常高，有很大的離心力，所以，從機械性能和安全考慮，選擇鋁。

對于補償脈沖發(fā)電機，補償筒的厚度尺寸對電機的性能影響很大，如果補償筒太薄，電機放電時補償筒不能很好的補償電樞反應磁通，電機內(nèi)電樞繞組的內(nèi)電感不滿足要求，放電峰值電流不能滿足。如果補償筒太厚，就會增大電樞繞組和勵磁繞組之間的距離，減小了兩者之間的耦合，為達到同樣的功率，電機需要增加勵磁功率才能達到要求。

補償筒的厚度直接影響電機內(nèi)部磁場和電感的穩(wěn)定，當它的厚度大于8 mm時，電樞繞組的電感就基本穩(wěn)定，不會因為補償筒的薄厚而變化，也就是說電機內(nèi)磁場的分布趨于穩(wěn)定。因此，為了盡可能減小電機的間隙，本次設(shè)計補償筒的厚度為8 mm.因屏蔽筒工作在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，須選擇高強度的硬質(zhì)合金鋁。本次設(shè)計的轉(zhuǎn)子模型三維圖如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子模型

4定子設(shè)計

定子采用無槽繞組，內(nèi)部為圓形空腔，定子軛用復合材料構(gòu)成，電樞線圈固定在定子內(nèi)表面、通過定子外部的端接部分連接。

（1）定子內(nèi)直徑為0.097 m，定子外直徑（電機外徑）為0.138 m，定子軛徑向厚度為0.014 m，主電樞繞組厚度和定子繃帶厚度都為0.005 m，次電樞繞組厚度為0.017 m.

（2）電樞繞組導線采用矩形銅導線，采用兩根導線并聯(lián)方式；

（3）繞組端部用兩個鋁環(huán)緊固，同時用綁扎帶固定繞組伸出鐵心的部分。

5電樞繞組的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于電機放電時，脈沖功率很大，導致繞組的溫度很高，所以為了降低繞組的溫升，必須降低電樞繞組的等效電阻，因此，補償脈沖發(fā)電機的電樞繞組應該設(shè)計成導體截面積比較大且匝數(shù)比較少。但是，由于電機的尺寸、功率以及轉(zhuǎn)速一定的前提下，電樞繞組的匝數(shù)比較少又限制了輸出較大的脈沖功率，延長了電機達到自激終點的時間，降低了自激的效率。

為了解決這個問題，學者在設(shè)計脈沖發(fā)電機時采用雙電樞繞組，一繞組用于勵磁，另外一繞組用于電機放電時用。這種補償脈沖發(fā)電機都是采用靜場式結(jié)構(gòu)，即兩套電樞繞組都安裝在電機的轉(zhuǎn)子上，而且由于電機的轉(zhuǎn)速很高，產(chǎn)生的離心力很大，加之電機的結(jié)構(gòu)是無槽的，固定基本都是用繃帶固定的，當電機工作時產(chǎn)生的離心力會給繃帶造成很大的壓力，所以考慮到這個因素，轉(zhuǎn)子上放兩套電樞繞組增加了設(shè)計制造難度。

基于上述的缺點，本次設(shè)計采用轉(zhuǎn)場式，把主次電樞繞組放到定子上，這樣電機就只要一套電刷滑環(huán)換向系統(tǒng)，解決了設(shè)計和制造難度，又解決了電機放電時自激時間與放電溫升的矛盾，轉(zhuǎn)場式的結(jié)構(gòu)，對電刷和滑環(huán)的要求也有所降低，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也相應提高。而且由于轉(zhuǎn)子就只有勵磁繞組，電機工作時轉(zhuǎn)子內(nèi)部的磁場分布變化不變，轉(zhuǎn)子的整體性能有了很大的提高。

定子的三維模型如圖2所示，主次電樞繞組都放在定子內(nèi)表面貼著，主電樞繞組的作用是提供放電電流在向電磁炮發(fā)射時，是由扁銅線制成，這樣可以減小定轉(zhuǎn)子之間的間隙，電樞繞組和勵磁繞組的耦合就會增加，扁銅線的截面積大，匝數(shù)少，所以電機的電感和電阻也就低，滿足了補償電機的要求。次電樞繞組的作用是和勵磁繞組共同組成回路，產(chǎn)生放電時的磁場，是由普通的圓銅線制成，匝數(shù)多，電機工作時和勵磁繞組共同作用，縮短了勵磁時間，提高了發(fā)射效率。定子參數(shù)見表2.

圖2 定子三維圖

主電樞繞組安裝在定子最內(nèi)側(cè)，用環(huán)氧樹脂綁帶和高強度粘接劑固定勵磁繞組和補償繞組，主電樞繞組這樣布置，可以更好地和轉(zhuǎn)子上的勵磁繞組耦合，使得效率進一步提高。減小補償脈沖發(fā)電機的質(zhì)量，對于補償脈沖發(fā)電機的設(shè)計也很重要，這樣可以提高電機的能量密度和功率密度，所以定子軛用高強度的玻璃纖維環(huán)氧樹脂制成，減小了電機的質(zhì)量，同時，提高了電機的穩(wěn)定性。