20 MJ补偿脉冲发电机的应用设计

0引言

补偿脉冲发电机（CPA）是一种特殊的同步发电机[1]，利用磁通压缩的原理，减小电枢电感，当电机工作的时候，会产生很大的脉冲电流[2].它是目前公认的相对又实用价值的电磁炮电源[3]，采用飞轮以机械形式储存能量，克服了电容器和单机发电机的各自缺点，集储能、转换和调节于一体的脉冲电源，大大减少了从原动机到电磁炮负载的功率输出中间环节，具有单元件的综合优势。根据脉冲电源研究内容，设计制造储能20 MJ以上的补偿脉冲发电机样机，通过对电机内部磁场的分析和负载实验，解决在补偿脉冲发电机制造方面的困难，对电机适用于电磁炮进行可行性分析，为下一步制造出具有实战水平的CPA打下理论和工程基础。

1基本参数

以电机体积和重量为优化目标，本文设计制造一台空心、自励模式、转场式结构、峰值功率为300 MW以上、储能20 MJ和转换效率15%的两相四极的空心选择被动补偿脉冲发电机样机。电机的主要参数见表1.



2基本结构

补偿脉冲交流发电机，是一种特殊的同步发电机，通过对目前补偿式脉冲发电机的优缺点研究[4]，确定该电机的结构为：两相四极、空心、被动补偿、自励模式、转场式结构。

电机系统结构包括定子、转子、电刷、滑环、轴承、端盖、电力电子装置和机壳[5].转子由转轴、转子轭、励磁绕组、碳纤维绷带、铝补偿筒组成。主轴上固定钛合金转子轭通过过盈连接，转子励磁绕组粘结在转子轭外表面，绕组外部用碳纤维环氧树脂绑扎绑带固定，绑带外面为铝补偿筒；定子由主电枢绕组、玻璃纤维绷带、次电枢绕组、定子轭、机壳组成。定子轭固定在机壳内壁上，内壁上粘结有定子无槽次电枢绕组（用于励磁），次电枢绕组和主电枢绕组（用于放电）之间为碳纤维环氧树脂绑扎绷带，定子无槽电枢绕组的端部用屏蔽盒罩住，转子通过端盖轴承的支撑固定于定子内，主轴的一端连接原动机，主轴的另一端固定有滑环和电刷。

3转子设计

转子基本尺寸采用空心转子结构的电机，转子飞轮的最佳内外半径比为0.45时[6]，转子的储能量为实心转子储能量的95%以上，可以节约转子材料和减轻转子重量。

该电机旋转在很高的速度，一般的铁磁材料无法满足其力学效应，一般采用复合材料或钛来制作。钛（Ti）是一种银色的过渡金属，属于无磁性金属，在很大的磁场中也不会被磁化，它还有耐高温、耐腐蚀等优良特性[7].

钛合金强度高，且电阻率低，在高温和低温状态下都能保持高强度。与复合材料相比，采用钛转子结构可以提高储能密度，减少转子的体积，且工艺相对来说简单一些。因此，在本设计中，转子是采用钛材料。

3.1转子轭的选择

转子轭由钛合金构成。钛合金材料性能[8]如下：拉伸强度：1 000.0 MPa；拉伸模量：116.7 GPa；比强度：

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

4.52 g/cm3.电机旋转速度为12 000 r/min时，转子外径为0.088 m，转子内径为0.039 6 m，转子长为0.326 m，机械角速度为1 256.6 rad/s.

3.2转轴材料的选择

转轴材料型号为25Cr2Ni4MoV.主要力学性能[9]指标（切向取样）如下：屈服强度为730~830 MPa；抗拉强度为σb≥1 000 MPa；伸长率为δb≥14%.

3.3绷带的选择

绑带为碳纤维与环氧树脂复合的材料，其性能[10]如下：拉伸强度：1 471.0 MPa；拉伸模量：137.3 GPa；比强度：1 014.0 MPa（g/cm3）；比模量：94.7 GPa（g/cm3）；密度：1.45 g/cm3.

3.4屏蔽筒材料的选择

补偿筒材料的选择对于电机的设计是个很重要的环节，它必须导电性能好且非导磁[11].当点击工作放电时，由于补偿筒阻止磁场的穿过，电枢反应磁场被压缩在定子和转子的气隙中，这样电枢绕组的电感就会大大减小，补偿电机的瞬时工作功率就会大大提高。

基于补偿筒材料的限制，必须导电性能良好且不能导磁，铜和铝满足以上要求，但是，当电机正常工作时，电机的转速非常高，有很大的离心力，所以，从机械性能和安全考虑，选择铝。

对于补偿脉冲发电机，补偿筒的厚度尺寸对电机的性能影响很大，如果补偿筒太薄，电机放电时补偿筒不能很好的补偿电枢反应磁通，电机内电枢绕组的内电感不满足要求，放电峰值电流不能满足。如果补偿筒太厚，就会增大电枢绕组和励磁绕组之间的距离，减小了两者之间的耦合，为达到同样的功率，电机需要增加励磁功率才能达到要求。

补偿筒的厚度直接影响电机内部磁场和电感的稳定，当它的厚度大于8 mm时，电枢绕组的电感就基本稳定，不会因为补偿筒的薄厚而变化，也就是说电机内磁场的分布趋于稳定。因此，为了尽可能减小电机的间隙，本次设计补偿筒的厚度为8 mm.因屏蔽筒工作在高速旋转状态，须选择高强度的硬质合金铝。本次设计的转子模型三维图如图1所示。


图1 转子模型

4定子设计

定子采用无槽绕组，内部为圆形空腔，定子轭用复合材料构成，电枢线圈固定在定子内表面、通过定子外部的端接部分连接。

（1）定子内直径为0.097 m，定子外直径（电机外径）为0.138 m，定子轭径向厚度为0.014 m，主电枢绕组厚度和定子绷带厚度都为0.005 m，次电枢绕组厚度为0.017 m.

（2）电枢绕组导线采用矩形铜导线，采用两根导线并联方式；

（3）绕组端部用两个铝环紧固，同时用绑扎带固定绕组伸出铁心的部分。

5电枢绕组的结构优化

由于电机放电时，脉冲功率很大，导致绕组的温度很高，所以为了降低绕组的温升，必须降低电枢绕组的等效电阻，因此，补偿脉冲发电机的电枢绕组应该设计成导体截面积比较大且匝数比较少。但是，由于电机的尺寸、功率以及转速一定的前提下，电枢绕组的匝数比较少又限制了输出较大的脉冲功率，延长了电机达到自激终点的时间，降低了自激的效率。

为了解决这个问题，学者在设计脉冲发电机时采用双电枢绕组，一绕组用于励磁，另外一绕组用于电机放电时用。这种补偿脉冲发电机都是采用静场式结构，即两套电枢绕组都安装在电机的转子上，而且由于电机的转速很高，产生的离心力很大，加之电机的结构是无槽的，固定基本都是用绷带固定的，当电机工作时产生的离心力会给绷带造成很大的压力，所以考虑到这个因素，转子上放两套电枢绕组增加了设计制造难度。

基于上述的缺点，本次设计采用转场式，把主次电枢绕组放到定子上，这样电机就只要一套电刷滑环换向系统，解决了设计和制造难度，又解决了电机放电时自激时间与放电温升的矛盾，转场式的结构，对电刷和滑环的要求也有所降低，系统的稳定性也相应提高。而且由于转子就只有励磁绕组，电机工作时转子内部的磁场分布变化不变，转子的整体性能有了很大的提高。

定子的三维模型如图2所示，主次电枢绕组都放在定子内表面贴着，主电枢绕组的作用是提供放电电流在向电磁炮发射时，是由扁铜线制成，这样可以减小定转子之间的间隙，电枢绕组和励磁绕组的耦合就会增加，扁铜线的截面积大，匝数少，所以电机的电感和电阻也就低，满足了补偿电机的要求。次电枢绕组的作用是和励磁绕组共同组成回路，产生放电时的磁场，是由普通的圆铜线制成，匝数多，电机工作时和励磁绕组共同作用，缩短了励磁时间，提高了发射效率。定子参数见表2.


图2 定子三维图

主电枢绕组安装在定子最内侧，用环氧树脂绑带和高强度粘接剂固定励磁绕组和补偿绕组，主电枢绕组这样布置，可以更好地和转子上的励磁绕组耦合，使得效率进一步提高。减小补偿脉冲发电机的质量，对于补偿脉冲发电机的设计也很重要，这样可以提高电机的能量密度和功率密度，所以定子轭用高强度的玻璃纤维环氧树脂制成，减小了电机的质量，同时，提高了电机的稳定性。[page]

 

6仿真计算

Ansys软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。为了准确地计算出电机在工作时绕组输出的功率，通过Ansys分析建立好的三维有限元模型，来直观地了解空芯电机内部的磁场。通过对电机空载时磁场的仿真分析，准确的计算电机在空载时，在额定励磁电流时的输出功率，最大磁场密度和电机放电时的其他参数，电机的基本机构参数和电磁参数是否满足设计要求，实体模型如图3所示：


图3 CPA径向截面图

从图4中可以看出，补偿脉冲发电机中间截面的磁力线分布情况，从图5中看出，磁通密度峰值分布情况。可以看到，电机中的磁力线分布到电机的外部，这是因为电机是空芯电机，该电机内部没有导磁材料，它不像传统的有导磁材料的电机，给磁场提供一个磁路，所以计算补偿脉冲发电机就不能像计算传统电机内部磁场的方法，这里就必须运用Ansys软件来分析脉冲发电机内部的磁场。

当电机工作对负载放电时，主电枢绕组有瞬时电流通过，电机内部的磁通也就瞬时变化，与此同时，电机补偿筒内也就会感应出等值反向的磁通（涡流），电枢绕组产生的磁通被压缩在气隙中，主电枢绕组的瞬态电感就会降低，同时气隙中的磁场密度也增加，瞬时反电势也随之增加，结果是电机对负载的输出功率增加。


图4 空载磁力线分布


图5 空载磁场密度分布

电机磁感线的分布和磁场密度分布分别如图6和图7所示。从图可以看到，电机放电时，电机内部的磁力线分布是不规则的，这是由于电机在工作时，电机内部的电枢磁场，补偿筒内感应的磁场，和励磁绕组产生的磁场三者相互作用在一起，共同作用的效果是不断变化的。

还可以观察到，磁通大多数被压缩在狭小的气隙中，气隙的磁场密度开始变大，空载时，磁场密度峰值为0.25 T，在电机放电时，气隙磁场密度峰值为1 T，提高了4倍。


图6 放电时刻磁力线分布

通过多电机三维模型的分析，准确地计算电机空载和放电时内部磁场的分布情况，为以后空芯补偿脉冲发电机的温度场和应力场的分析打好基础。


图7 放电时磁场密度的分布

7结语

通过以上方面的研究分析，还远远不能满足实战的需要，还要对电机的其他方面进行研究，包括力学、热学和电磁学等多个方面。脉冲补偿发电机的设计关键也是难点就是对电机内部磁场的分析以及电感的计算，在之后的工作中，继续优化设计。