20 MJ補償脈沖發(fā)電機的應用設計

補償脈沖發(fā)電機(CPA)是一種特殊的同步發(fā)電機[1],利用磁通壓縮的原理，減小電樞電感，當電機工作的時候，會產生很大的脈沖電流[2].它是目前公認的相對又實用價值的電磁炮電源[3],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、轉換和調節(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。根據脈沖電源研究內容，設計制造儲能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。

1 基本參數

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

2 基本結構

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],確定該電機的結構為：兩相四極、空心、被動補償、自勵模式、轉場式結構。

電機系統(tǒng)結構包括定子、轉子、電刷、滑環(huán)、軸承、端蓋、電力電子裝置和機殼[5].轉子由轉軸、轉子軛、勵磁繞組、碳纖維繃帶、鋁補償筒組成。主軸上固定鈦合金轉子軛通過過盈連接，轉子勵磁繞組粘結在轉子軛外表面，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壁上，內壁上粘結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，轉子通過端蓋軸承的支撐固定于定子內，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 轉子設計

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

該電機旋轉在很高的速度，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，采用鈦轉子結構可以提高儲能密度，減少轉子的體積，且工藝相對來說簡單一些。因此，在本設計中，轉子是采用鈦材料。

3.1 轉子軛的選擇

轉子軛由鈦合金構成。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.電機旋轉速度為12 000 r/min時，轉子外徑為0.088 m,轉子內徑為0.039 6 m,轉子長為0.326 m,機械角速度為1 256.6 rad/s.

3.2 轉軸材料的選擇

轉軸材料型號為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，電機內電樞繞組的內電感不滿足要求，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，本次設計補償筒的厚度為8 mm.因屏蔽筒工作在高速旋轉狀態(tài)，須選擇高強度的硬質合金鋁。本次設計的轉子模型三維圖如圖1所示。

4 定子設計

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

(1)定子內直徑為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 電樞繞組的結構優(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計成導體截面積比較大且匝數比較少。但是，由于電機的尺寸、功率以及轉速一定的前提下，電樞繞組的匝數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構，即兩套電樞繞組都安裝在電機的轉子上，而且由于電機的轉速很高，產生的離心力很大，加之電機的結構是無槽的，固定基本都是用繃帶固定的，當電機工作時產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，轉子上放兩套電樞繞組增加了設計制造難度。

基于上述的缺點，本次設計采用轉場式，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，轉場式的結構，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。而且由于轉子就只有勵磁繞組，電機工作時轉子內部的磁場分布變化不變，轉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，產生放電時的磁場，是由普通的圓銅線制成，匝數多，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。定子參數見表2.

主電樞繞組安裝在定子最內側，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)電機的質量，對于補償脈沖發(fā)電機的設計也很重要，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，減小了電機的質量，同時，提高了電機的穩(wěn)定性。

6 仿真計算

Ansys軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。為了準確地計算出電機在工作時繞組輸出的功率，通過Ansys分析建立好的三維有限元模型，來直觀地了解空芯電機內部的磁場。通過對電機空載時磁場的仿真分析，準確的計算電機在空載時，在額定勵磁電流時的輸出功率，最大磁場密度和電機放電時的其他參數，電機的基本機構參數和電磁參數是否滿足設計要求，實體模型如圖3所示：

從圖4中可以看出，補償脈沖發(fā)電機中間截面的磁力線分布情況，從圖5 中看出，磁通密度峰值分布情況。可以看到，電機中的磁力線分布到電機的外部，這是因為電機是空芯電機，該電機內部沒有導磁材料，它不像傳統(tǒng)的有導磁材料的電機，給磁場提供一個磁路，所以計算補償脈沖發(fā)電機就不能像計算傳統(tǒng)電機內部磁場的方法，這里就必須運用Ansys軟件來分析脈沖發(fā)電機內部的磁場。

當電機工作對負載放電時，主電樞繞組有瞬時電流通過，電機內部的磁通也就瞬時變化，與此同時，電機補償筒內也就會感應出等值反向的磁通(渦流)，電樞繞組產生的磁通被壓縮在氣隙中，主電樞繞組的瞬態(tài)電感就會降低，同時氣隙中的磁場密度也增加，瞬時反電勢也隨