補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)集慣性?xún)?chǔ)能、機(jī)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(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)集慣性?xún)?chǔ)能、機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和脈沖成形的綜合技術(shù)優(yōu)勢(shì)，研制了一臺(tái)額定轉(zhuǎn)速為12 000 r/min的20 MJ補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)，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(jì)算和仿真分析的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了電機(jī)勵(lì)磁回路以及電樞繞組，提出了一種新的補(bǔ)償繞組結(jié)構(gòu)即定子上安放兩套電樞繞組，在電機(jī)放電時(shí)，脈沖電流將會(huì)提高，繞組的溫度會(huì)降低，磁場(chǎng)密度會(huì)增強(qiáng)。

0引言

補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)（CPA）是一種特殊的同步發(fā)電機(jī)，利用磁通壓縮的原理，減小電樞電感，當(dāng)電機(jī)工作的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生很大的脈沖電流.它是目前公認(rèn)的相對(duì)又實(shí)用價(jià)值的電磁炮電源，采用飛輪以機(jī)械形式儲(chǔ)存能量，克服了電容器和單機(jī)發(fā)電機(jī)的各自缺點(diǎn)，集儲(chǔ)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(dòng)機(jī)到電磁炮負(fù)載的功率輸出中間環(huán)節(jié)，具有單元件的綜合優(yōu)勢(shì)。根據(jù)脈沖電源研究?jī)?nèi)容，設(shè)計(jì)制造儲(chǔ)能20 MJ以上的補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)樣機(jī)，通過(guò)對(duì)電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的分析和負(fù)載實(shí)驗(yàn)，解決在補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)制造方面的困難，對(duì)電機(jī)適用于電磁炮進(jìn)行可行性分析，為下一步制造出具有實(shí)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(jī)體積和重量為優(yōu)化目標(biāo)，本文設(shè)計(jì)制造一臺(tái)空心、自勵(lì)模式、轉(zhuǎn)場(chǎng)式結(jié)構(gòu)、峰值功率為300 MW以上、儲(chǔ)能20 MJ和轉(zhuǎn)換效率15%的兩相四極的空心選擇被動(dòng)補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)樣機(jī)。電機(jī)的主要參數(shù)見(jiàn)表1.

2基本結(jié)構(gòu)

補(bǔ)償脈沖交流發(fā)電機(jī)，是一種特殊的同步發(fā)電機(jī)，通過(guò)對(duì)目前補(bǔ)償式脈沖發(fā)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)研究[4]，確定該電機(jī)的結(jié)構(gòu)為：兩相四極、空心、被動(dòng)補(bǔ)償、自勵(lì)模式、轉(zhuǎn)場(chǎng)式結(jié)構(gòu)。

電機(jī)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(jī)殼[5].轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子軛、勵(lì)磁繞組、碳纖維繃帶、鋁補(bǔ)償筒組成。主軸上固定鈦合金轉(zhuǎn)子軛通過(guò)過(guò)盈連接，轉(zhuǎn)子勵(lì)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(shù)脂綁扎綁帶固定，綁帶外面為鋁補(bǔ)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(jī)殼組成。定子軛固定在機(jī)殼內(nèi)壁上，內(nèi)壁上粘結(jié)有定子無(wú)槽次電樞繞組（用于勵(lì)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(shù)脂綁扎繃帶，定子無(wú)槽電樞繞組的端部用屏蔽盒罩住，轉(zhuǎn)子通過(guò)端蓋軸承的支撐固定于定子內(nèi)，主軸的一端連接原動(dòng)機(jī)，主軸的另一端固定有滑環(huán)和電刷。

3轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子基本尺寸采用空心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)，轉(zhuǎn)子飛輪的最佳內(nèi)外半徑比為0.45時(shí)[6]，轉(zhuǎn)子的儲(chǔ)能量為實(shí)心轉(zhuǎn)子儲(chǔ)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(jī)旋轉(zhuǎn)在很高的速度，一般的鐵磁材料無(wú)法滿(mǎn)足其力學(xué)效應(yīng)，一般采用復(fù)合材料或鈦來(lái)制作。鈦（Ti）是一種銀色的過(guò)渡金屬，屬于無(wú)磁性金屬，在很大的磁場(chǎng)中也不會(huì)被磁化，它還有耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良特性[7].

鈦合金強(qiáng)度高，且電阻率低，在高溫和低溫狀態(tài)下都能保持高強(qiáng)度。與復(fù)合材料相比，采用鈦轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以提高儲(chǔ)能密度，減少轉(zhuǎn)子的體積，且工藝相對(duì)來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單一些。因此，在本設(shè)計(jì)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(qiáng)度：1 000.0 MPa；拉伸模量：116.7 GPa；比強(qiáng)度：

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

4.52 g/cm3.電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度為12 000 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)子外徑為0.088 m，轉(zhuǎn)子內(nèi)徑為0.039 6 m，轉(zhuǎn)子長(zhǎng)為0.326 m，機(jī)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(hào)為25Cr2Ni4MoV.主要力學(xué)性能[9]指標(biāo)（切向取樣）如下：屈服強(qiáng)度為730~830 MPa；抗拉強(qiáng)度為σb≥1 000 MPa；伸長(zhǎng)率為δb≥14%.

3.3繃帶的選擇

綁帶為碳纖維與環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合的材料，其性能[10]如下：拉伸強(qiáng)度：1 471.0 MPa；拉伸模量：137.3 GPa；比強(qiáng)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(bǔ)償筒材料的選擇對(duì)于電機(jī)的設(shè)計(jì)是個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，它必須導(dǎo)電性能好且非導(dǎo)磁[11].當(dāng)點(diǎn)擊工作放電時(shí)，由于補(bǔ)償筒阻止磁場(chǎng)的穿過(guò)，電樞反應(yīng)磁場(chǎng)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(huì)大大減小，補(bǔ)償電機(jī)的瞬時(shí)工作功率就會(huì)大大提高。

基于補(bǔ)償筒材料的限制，必須導(dǎo)電性能良好且不能導(dǎo)磁，銅和鋁滿(mǎn)足以上要求，但是，當(dāng)電機(jī)正常工作時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速非常高，有很大的離心力，所以，從機(jī)械性能和安全考慮，選擇鋁。

對(duì)于補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)，補(bǔ)償筒的厚度尺寸對(duì)電機(jī)的性能影響很大，如果補(bǔ)償筒太薄，電機(jī)放電時(shí)補(bǔ)償筒不能很好的補(bǔ)償電樞反應(yīng)磁通，電機(jī)內(nèi)電樞繞組的內(nèi)電感不滿(mǎn)足要求，放電峰值電流不能滿(mǎn)足。如果補(bǔ)償筒太厚，就會(huì)增大電樞繞組和勵(lì)磁繞組之間的距離，減小了兩者之間的耦合，為達(dá)到同樣的功率，電機(jī)需要增加勵(lì)磁功率才能達(dá)到要求。

補(bǔ)償筒的厚度直接影響電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)和電感的穩(wěn)定，當(dāng)它的厚度大于8 mm時(shí)，電樞繞組的電感就基本穩(wěn)定，不會(huì)因?yàn)檠a(bǔ)償筒的薄厚而變化，也就是說(shuō)電機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)的分布趨于穩(wěn)定。因此，為了盡可能減小電機(jī)的間隙，本次設(shè)計(jì)補(bǔ)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(qiáng)度的硬質(zhì)合金鋁。本次設(shè)計(jì)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(jì)

定子采用無(wú)槽繞組，內(nèi)部為圓形空腔，定子軛用復(fù)合材料構(gòu)成，電樞線圈固定在定子內(nèi)表面、通過(guò)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(jī)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(dǎo)線采用矩形銅導(dǎo)線，采用兩根導(dǎo)線并聯(lián)方式；

（3）繞組端部用兩個(gè)鋁環(huán)緊固，同時(shí)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(jī)放電時(shí)，脈沖功率很大，導(dǎo)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(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)的電樞繞組應(yīng)該設(shè)計(jì)成導(dǎo)體截面積比較大且匝數(shù)比較少。但是，由于電機(jī)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(zhǎng)了電機(jī)達(dá)到自激終點(diǎn)的時(shí)間，降低了自激的效率。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，學(xué)者在設(shè)計(jì)脈沖發(fā)電機(jī)時(shí)采用雙電樞繞組，一繞組用于勵(lì)磁，另外一繞組用于電機(jī)放電時(shí)用。這種補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)都是采用靜場(chǎng)式結(jié)構(gòu)，即兩套電樞繞組都安裝在電機(jī)的轉(zhuǎn)子上，而且由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速很高，產(chǎn)生的離心力很大，加之電機(jī)的結(jié)構(gòu)是無(wú)槽的，固定基本都是用繃帶固定的，當(dāng)電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的離心力會(huì)給繃帶造成很大的壓力，所以考慮到這個(gè)因素，轉(zhuǎn)子上放兩套電樞繞組增加了設(shè)計(jì)制造難度。

基于上述的缺點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)采用轉(zhuǎn)場(chǎng)式，把主次電樞繞組放到定子上，這樣電機(jī)就只要一套電刷滑環(huán)換向系統(tǒng)，解決了設(shè)計(jì)和制造難度，又解決了電機(jī)放電時(shí)自激時(shí)間與放電溫升的矛盾，轉(zhuǎn)場(chǎng)式的結(jié)構(gòu)，對(duì)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(yīng)提高。而且由于轉(zhuǎn)子就只有勵(lì)磁繞組，電機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)子內(nèi)部的磁場(chǎng)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(shí)，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(lì)磁繞組的耦合就會(huì)增加，扁銅線的截面積大，匝數(shù)少，所以電機(jī)的電感和電阻也就低，滿(mǎn)足了補(bǔ)償電機(jī)的要求。次電樞繞組的作用是和勵(lì)磁繞組共同組成回路，產(chǎn)生放電時(shí)的磁場(chǎng)，是由普通的圓銅線制成，匝數(shù)多，電機(jī)工作時(shí)和勵(lì)磁繞組共同作用，縮短了勵(lì)磁時(shí)間，提高了發(fā)射效率。定子參數(shù)見(jiàn)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(shù)脂綁帶和高強(qiáng)度粘接劑固定勵(lì)磁繞組和補(bǔ)償繞組，主電樞繞組這樣布置，可以更好地和轉(zhuǎn)子上的勵(lì)磁繞組耦合，使得效率進(jìn)一步提高。減小補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)的質(zhì)量，對(duì)于補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)也很重要，這樣可以提高電機(jī)的能量密度和功率密度，所以定子軛用高強(qiáng)度的玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂制成，減小了電機(jī)的質(zhì)量，同時(shí)，提高了電機(jī)的穩(wěn)定性。