20 MJ補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)的應(yīng)用設(shè)計

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)[1],利用磁通壓縮的原理，減小電樞電感，當(dāng)電機(jī)工作的時候，會產(chǎn)生很大的脈沖電流[2].它是目前公認(rèn)的相對又實用價值的電磁炮電源[3],采用飛輪以機(jī)械形式儲存能量，克服了電容器和單機(jī)發(fā)電機(jī)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(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。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(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)樣機(jī)，通過對電機(jī)內(nèi)部磁場的分析和負(fù)載實驗，解決在補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)制造方面的困難，對電機(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(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)樣機(jī)。電機(jī)的主要參數(shù)見表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)，通過對目前補(bǔ)償式脈沖發(fā)電機(jī)的優(yōu)缺點研究[4],確定該電機(jī)的結(jié)構(gòu)為：兩相四極、空心、被動補(bǔ)償、自勵模式、轉(zhuǎn)場式結(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(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(jī)，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(jī)，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(jī)旋轉(zhuǎn)在很高的速度，一般的鐵磁材料無法滿足其力學(xué)效應(yīng)，一般采用復(fù)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(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(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，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(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;伸長率為δb ≥14%.

3.3 繃帶的選擇

綁帶為碳纖維與環(huán)氧樹脂復(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)償筒材料的選擇對于電機(jī)的設(shè)計是個很重要的環(huán)節(jié)，它必須導(dǎo)電性能好且非導(dǎo)磁[11].當(dāng)點擊工作放電時，由于補(bǔ)償筒阻止磁場的穿過，電樞反應(yīng)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(bǔ)償電機(jī)的瞬時工作功率就會大大提高。

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，銅和鋁滿足以上要求，但是，當(dāng)電機(jī)正常工作時，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。

對于補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)，補(bǔ)償筒的厚度尺寸對電機(jī)的性能影響很大，如果補(bǔ)償筒太薄，電機(jī)放電時補(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)電感不滿足要求，放電峰值電流不能滿足。如果補(bǔ)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(dá)到同樣的功率，電機(jī)需要增加勵磁功率才能達(dá)到要求。

補(bǔ)償筒的厚度直接影響電機(jī)內(nèi)部磁場和電感的穩(wěn)定，當(dāng)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(bǔ)償筒的薄厚而變化，也就是說電機(jī)內(nèi)磁場的分布趨于穩(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)計的轉(zhuǎn)子模型三維圖如圖1所示。

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(fù)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(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(jī)放電時，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，延長了電機(jī)達(dá)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(xué)者在設(shè)計脈沖發(fā)電機(jī)時采用雙電樞繞組，一繞組用于勵磁，另外一繞組用于電機(jī)放電時用。這種補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)都是采用靜場式結(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)是無槽的，固定基本都是用繃帶固定的，當(dāng)電機(jī)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(jī)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(jī)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(yīng)提高。而且由于轉(zhuǎn)子就只有勵磁繞組，電機(jī)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(jī)的電感和電阻也就低，滿足了補(bǔ)償電機(jī)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(jī)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.

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(qiáng)度粘接劑固定勵磁繞組和補(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，對于補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)的設(shè)計也很重要，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)氧樹脂制成，減小了電機(jī)的質(zhì)量，同時，提高了電機(jī)的穩(wěn)定性。[!--empirenews.page--]

6 仿真計算

Ansys軟件是融結(jié)構(gòu)、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(zhǔn)確地計算出電機(jī)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(jī)內(nèi)部的磁場。通過對電機(jī)空載時磁場的仿真分析，準(zhǔn)確的計算電機(jī)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(jī)放電時的其他參數(shù)，電機(jī)的基本機(jī)構(gòu)參數(shù)和電磁參數(shù)是否滿足設(shè)計要求，實體模型如圖3所示：

從圖4中可以看出，補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)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(jī)中的磁力線分布到電機(jī)的外部，這是因為電機(jī)是空芯電機(jī)，該電機(jī)內(nèi)部沒有導(dǎo)磁材料，它不像傳統(tǒng)的有導(dǎo)磁材料的電機(jī)，給磁場提供一個磁路，所以計算補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)就不能像計算傳統(tǒng)電機(jī)內(nèi)部磁場的方法，這里就必須運(yùn)用Ansys軟件來分析脈沖發(fā)電機(jī)內(nèi)部的磁場。

當(dāng)電機(jī)工作對負(fù)載放電時，主電樞繞組有瞬時電流通過，電機(jī)內(nèi)部的磁通也就瞬時變化，與此同時，電機(jī)補(bǔ)償筒內(nèi)也就會感應(yīng)出等值反向的磁通(渦流)，電樞繞組產(chǎn)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，瞬時反電勢也隨之增加，結(jié)果是電機(jī)對負(fù)載的輸出功率增加。

電機(jī)磁感線的分布和磁場密度分布分別如圖6 和圖7所示。從圖可以看到，電機(jī)放電時，電機(jī)內(nèi)部的磁力線分布是不規(guī)則的，這是由于電機(jī)在工作時，電機(jī)內(nèi)部的電樞磁場，補(bǔ)償筒內(nèi)感應(yīng)的磁場，和勵磁繞組產(chǎn)生的磁場三者相互作用在一起，共同作用的效果是不斷變化的。

還可以觀察到，磁通大多數(shù)被壓縮在狹小的氣隙中，氣隙的磁場密度開始變大，空載時，磁場密度峰值為0.25 T,在電機(jī)放電時，氣隙磁場密度峰值為1 T,提高了4倍。

通過多電機(jī)三維模型的分析，準(zhǔn)確地計算電機(jī)空載和放電時內(nèi)部磁場的分布情況，為以后空芯補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)的溫度場和應(yīng)力場的分析打好基礎(chǔ)。

7 結(jié)語

通過以上方面的研究分析，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實戰(zhàn)的需要，還要對電機(jī)的其他方面進(jìn)行研究，包括力學(xué)、熱學(xué)和電磁學(xué)等多個方面。脈沖補(bǔ)償發(fā)電機(jī)的設(shè)計關(guān)鍵也是難點就是對電機(jī)內(nèi)部磁場的分析以及電感的計算，在之后的工作中，繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計。