專利名稱：一種雙軸補償空芯脈沖發(fā)電機及其脈沖成型系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種脈沖發(fā)電機及其脈沖成型方法，屬于電機領域。
背景技術：
高功率脈沖電源是電磁發(fā)射系統(tǒng)中的重要部件，它為電磁炮提供發(fā)射所需的能量和脈沖功率。1978年美國德克薩斯大學機電研究中心W. F. Weldon等人發(fā)明了補償脈沖發(fā)電機，并于 1980 年獲得美國專利，見 Weldon et al. Compensated Pulsed Alternator,U. S. Patent4200831 Apr. 29，198 0。這種電機利用置于電樞與勵磁線圈之間的補償繞組或補償筒，在放電時對電樞繞組進行補償，有效的降低了電機的內電感，從而能夠瞬時輸出極大的電流脈沖，被視為理想的脈沖功率電源。小型化與高效化是電磁軌道炮等新型電磁發(fā)射裝置的發(fā)展方向，這就要求脈沖電源在具有更高能量密度和功率密度的同吋，還能夠提供理想的電流波形。采用空芯結構，即用高強度密度比的新型復合材料替代傳統(tǒng)的鐵芯，能夠有效地降低電機質量提高轉速，從而獲得更高的能量密度和功率密度；采用選擇被動補償方式，能夠在特定的位置上對電樞繞組提供補償，獲得近似梯形的理想平頂電流脈沖，有效地降低了弾丸峰值/平均值的加速度比率，提高發(fā)射效率。然而，現(xiàn)有的選擇被動補償脈沖發(fā)電機，為了輸出平頂?shù)碾娏髅}沖，其補償繞組與勵磁繞組并不是正交排布的，自激時補償繞組內也會感應電流，阻礙勵磁磁通進入電樞，嚴重的影響了自激效率。這種矛盾的存在，使得需要對現(xiàn)有的選擇被動補償脈沖發(fā)電機進行優(yōu)化，使它既能產生理想的脈沖電流波形，又不影響自激效率。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有選擇被動補償空芯脈沖發(fā)電機輸出軌道炮所需的理想脈沖電流波形與自激效率相矛盾的問題，提出一種雙軸補償空芯脈沖發(fā)電機及其脈沖成型方法。ー種雙軸補償空芯脈沖發(fā)電機，它包括空芯轉子和空芯定子，所述空芯轉子包括勵磁繞組和交軸補償繞組，交軸補償繞組具有四個線圈，每個線圈都是自行短路連接的，交軸補償繞組與勵磁繞組中的相鄰兩個線圈的軸線為在空間上的機械角度相差45°，所述相鄰兩個線圈的電角度相差90°的正交排布。所述電機采用四極結構，所述的空芯定子由電樞繞組、空芯定子軛和機殼組成，空芯定子內部為圓筒形空腔，該圓筒形空腔內設置有空芯轉子；所述空芯定子軛的外側壁固定于機殼的內壁上；所述電樞繞組固定在空芯定子軛的內壁上；所述空芯轉子是由內向外依次為空芯轉子軛、勵磁繞組、勵磁繞組繃帶、交軸補償繞組以及補償繞組繃帯。一種雙軸補償空芯脈沖發(fā)電機的脈沖成型系統(tǒng)，它包括主放電晶閘管、負載、整流器、續(xù)流ニ極管、啟勵電容和啟勵晶閘管；定子電樞繞組通過主放電晶閘管與負載形成放電回路；所述定子電樞繞組輸出的電壓經整流器整流后，通過電刷滑環(huán)與轉子勵磁繞組相連，形成自激回路；啟勵電容和啟勵晶閘管通過電刷滑環(huán)與轉子勵磁繞組形成閉合的啟勵回路；整流器采用單相橋式全控整流結構。ー種雙軸補償空芯脈沖發(fā)電機脈沖成型系統(tǒng)的脈沖成型方法，實現(xiàn)脈沖成型方法的步驟如下步驟ー采用原動機拖動轉子主軸旋轉，使轉子達到額定轉速后，通過控制離合器 將原動機與轉子主軸脫開，所述轉子靠慣性繼續(xù)旋轉；步驟ニ 控制啟勵晶閘管閉合，使啟勵回路閉合，啟勵電容向轉子勵磁繞組提供種子電流，定子電樞繞組獲得感應電勢，該感應電勢通過整流器整流后，再輸給勵磁繞組，使勵磁繞組中產生勵磁電流，形成正反饋的自激過程；步驟三監(jiān)測勵磁繞組中的電流，當勵磁電流達到額定值時，控制整流器停止整流，勵磁電流經續(xù)流ニ極管續(xù)流；根據(jù)負載需求，設定主放電晶閘管的觸發(fā)角，控制主放電晶閘管閉合，電樞繞組向負載放電；轉子上短接的交軸補償繞組和續(xù)流的勵磁繞組感應電流，分別提供交軸與直軸補償，輸出所需的脈沖電流波形。本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明電機的補償繞組與勵磁繞組正交排布，分別在交軸與直軸提供選擇補償，比現(xiàn)有的選擇被動補償結構增加了一個可以調節(jié)和優(yōu)化的自由度，更容易獲得理想的脈沖電流波形，提高電磁發(fā)射裝置的效率。同時，這種結構解耦了補償繞組與勵磁繞組之間的磁路耦合，解決了空芯電機自激效率與脈沖成型之間的矛盾，提高了電機的能量密度和功率密度，實現(xiàn)了脈沖電源的小型化。


圖I為ー種雙軸補償空芯脈沖發(fā)電機的結構不意圖；圖2為圖I的A-A剖視圖；圖3為ー種雙軸補償空芯脈沖發(fā)電機的脈沖成型系統(tǒng)結構示意具體實施例方式具體實施方式
一.下面結合圖2說明本實施方式，ー種雙軸補償空芯脈沖發(fā)電機，它包括空芯轉子和空芯定子，所述空芯轉子包括勵磁繞組3和交軸補償繞組2，其特征在于交軸補償繞組2具有四個線圈，每個線圈都是自行短路連接的，交軸補償繞組2與勵磁繞組3中的相鄰兩個線圈的軸線為在空間上的機械角度相差45°，所述相鄰兩個線圈的電角度相差90°的正交排布。所述電機為四極對稱結構，在每ー極下，勵磁繞組3的軸線21與交軸補償繞組2的軸線22在空間上機械角度相差45度，電角度相差90度，使得交軸補償繞組2與勵磁繞組3之間沒有磁場的耦合，因而在自激過程中交軸補償繞組2不會感應電流，較現(xiàn)有的選擇被動補償結構提高了自激效率。放電時，短接的交軸補償繞組2感應電流，在每個周期的指定位置與定子電樞繞組I的磁場耦合，提供交軸補償，降低電樞繞組I的等效電感，從而調節(jié)負載電流波形。
具體實施方式
ニ .下面結合圖I和圖2說明本實施方式，本實施方式為對實施方式ー的進ー步說明，ー種雙軸補償空芯脈沖發(fā)電機，所述電機采用四極結構，所述的空芯定子由電樞繞組I、空芯定子軛9和機殼5組成，空芯定子內部為圓筒形空腔，該圓筒形空腔內設置有空芯轉子所述空芯定子軛9的外側壁固定于機殼5的內壁上；所述電樞繞組I固定在空芯定子軛9的內壁上；所述空芯轉子是由內向外依次為空芯轉子軛12、勵磁繞組3、勵磁繞組繃帶11、交軸補償繞組2以及補償繞組繃帶10。本實施方式所述電機是ー種具有特殊結構的選擇被動補償式空芯脈沖發(fā)電機，這種電機采用旋轉勵磁結構，勵磁電流通過電刷14和滑環(huán)13裝置引入轉子勵磁繞組3，產生主極磁場；轉子上另ー套交軸補償繞組2自行短路，放電時在特定的位置對電樞繞組I提供選擇補償；電樞繞組I在定子上，切割旋轉磁力線感應電壓，向負載輸出；電機米用全空芯結構，電機內不含鐵磁性材料，主要支撐部件空芯定子軛9、空芯轉子軛12均由復合材料或鈦合金制成；三套繞組均采用無槽結構，在模具內借助環(huán)氧樹脂一次成型，并通過高強度環(huán)氧樹脂粘結在相應的支撐部件上。本實施方式所述電機應用于電磁發(fā)射領域，可作為電磁軌道炮的脈沖功率電源；它能產生較為理想的平頂脈沖電流，并且不影響自激效率，具有整機效率高，能量密度和功率密度大等優(yōu)勢。
具體實施方式
三.下面結合圖I和圖2說明本實施方式，本實施方式為對實施方式ニ的進ー步說明，所述電樞繞組I具有四個線圈，該四個線圈采用并聯(lián)接法。所述電機設計轉速及氣隙磁密較高，因此輸出電壓容易滿足負載需求，為了降低所述電機的內電感，輸出更大的電流脈沖，本實施方式電樞繞組I采用并聯(lián)接法具體實施方式
四.下面結合圖I和圖2說明本實施方式，本實施方式為對實施方式ニ的進ー步說明，所述電樞繞組I為單相繞組，且采用無槽同心式結構，由多股利茲線并聯(lián)繞制而成。為了滿足熱負荷，電樞繞組I的繞組截面積一般較大，采用同心式結構更容易繞制與成型。繞組采用利茲線繞制，取代了現(xiàn)有的銅排或扁銅線，能夠有效的減弱放電時電樞繞組I的趨膚效應，降低電機的內電阻。
具體實施方式
五.下面結合圖I和圖2說明本實施方式，本實施方式為對實施方式ニ的進ー步說明，所述空芯定子軛9由復合材料纏繞而成，其內表面通過環(huán)氧樹脂粘結電樞繞組I，外表面通過環(huán)氧樹脂粘結于所述機殼5的內壁上。圓筒形的空芯定子軛9由玻璃纖維環(huán)氧樹脂在模具上纏繞而成，由于復合材料無法承受傳統(tǒng)熱套エ藝的高溫，因此空芯定子軛9與機殼5之間通過高強度環(huán)氧樹脂粘結固定；為了抑制放電時產生的切向應カ對繞組的影響，電樞繞組I的四個線圈必須緊密排布，并通過高強度的環(huán)氧樹脂粘結在空芯定子軛9的內表面；具體實施方式
六.下面結合圖I和圖2說明本實施方式，本實施方式為對實施方式ニ的進ー步說明，所述空芯轉子軛12由不導磁的復合材料構成。空芯轉子軛12主要起支撐和儲能的作用，為了滿足電機高能量密度和功率密度的需求，空芯轉子軛12采用高強度密度比的玻璃纖維環(huán)氧樹脂纏繞而成，也可以采用整體鍛造的鈦合金。
具體實施方式
七.下面結合圖I和圖2說明本實施方式，本實施方式為對實施方式ニ的進ー步說明，所述勵磁繞組3通過勵磁繞組繃帶11固定在空芯轉子軛12表面；所述交軸補償繞組2通過補償繞組繃帶10固定；所述勵磁繞組繃帶11及補償繞組繃帶10由復合材料環(huán)氧樹脂纏繞固化而成。電機的高速旋轉會產生較大的離心力，轉子上的交軸補償繞組2與勵磁繞組3僅通過環(huán)氧樹脂的粘結作用不能得到可靠的固定，因此在勵磁繞組3外表面設置ー層勵磁繞組繃帶11，在交軸補償繞組2外表面設置ー層補償繞組繃帶10 ;勵磁繞組繃帶11還為交軸補償繞組2提供支撐面，較補償繞組繃帶10略厚；轉子上的兩層繃帶可由玻璃纖維環(huán)氧樹脂纏繞而成，并與繞組粘結エ藝一次成型；由于 補償繞組繃帶10在轉子的最外緣，將承受相對較大的離心力，因此也可采用更高強度的碳纖維環(huán)氧樹脂纏繞，從而最大限度的提高電機轉速，增大電機的能量密度和功率密度。
具體實施方式
八.下面結合圖I、圖2和圖3說明本實施方式,一種雙軸補償空芯脈沖發(fā)電機的脈沖成型系統(tǒng)，它包括主放電晶閘管15、負載16、整流器17、續(xù)流ニ極管18、啟勵電容19和啟勵晶閘管20 ；定子電樞繞組I通過主放電晶閘管15與負載16形成放電回路；所述定子電樞繞組I輸出的電壓經整流器17整流后，通過電刷14滑環(huán)13與轉子勵磁繞組3相連，形成自激回路；啟勵電容19和啟勵晶閘管20通過電刷14滑環(huán)13與轉子勵磁繞組3形成閉合的啟勵回路；整流器17采用單相橋式全控整流結構。
具體實施方式
九.下面結合圖I和圖2說明本實施方式，一種雙軸補償空芯脈沖發(fā)電機脈沖成型系統(tǒng)的脈沖成型方法，實現(xiàn)脈沖成型方法的步驟如下步驟ー采用原動機拖動轉子主軸7旋轉，使轉子達到額定轉速后，通過控制離合器8將原動機與轉子主軸7脫開，所述轉子靠慣性繼續(xù)旋轉；步驟ニ 控制啟勵晶閘管20閉合，使啟勵回路閉合，啟勵電容19向轉子勵磁繞組3提供種子電流，定子電樞繞組I獲得感應電勢，該感應電勢通過整流器17整流后，再輸給勵磁繞組3，使勵磁繞組3中產生勵磁電流，形成正反饋的自激過程；步驟三監(jiān)測勵磁繞組3中的電流，當勵磁電流達到額定值時，控制整流器17停止整流，勵磁電流經續(xù)流ニ極管18續(xù)流；根據(jù)負載16需求，設定主放電晶閘管15的觸發(fā)角，控制主放電晶閘管15閉合，電樞繞組I向負載放電；轉子上短接的交軸補償繞組2和續(xù)流的勵磁繞組3感應電流，分別提供交軸與直軸補償，輸出所需的脈沖電流波形。本實施方式所述脈沖成型方法的邏輯控制過程由ー套集成的系統(tǒng)控制，這個控制系統(tǒng)可以采用PLC或者單片機實現(xiàn)，通過電壓、電流、速度傳感器對電機的實時數(shù)據(jù)進行采集，井根據(jù)相應的數(shù)據(jù)進行自激及放電過程的控制。本實施方式與現(xiàn)有選擇被動補償脈沖發(fā)電機的不同之處在于，將選擇被動補償分解為交軸補償與直軸補償短接的交軸補償繞組2放置在交軸上，在電機正半周電壓放電時感應電流，為電樞繞組I提供交軸補償，使得電樞繞組I的等效電感成正弦規(guī)律變化，且電感變化頻率是電機頻率的2倍，產生具有快速上升和下降沿但中點電流低的馬鞍形脈沖電流；與之相反，放電時勵磁繞組3處于續(xù)流短路狀態(tài)，為電樞繞組I提供直軸補償，產生上升和下降沿較慢但中點電流高的尖頂脈沖電流。如果兩個補償作用完全相同，所述電機將輸出正弦電流波形，因此本實施方式設置交軸補償繞組2更靠近電樞繞組1，而勵磁繞組3相對較遠，從而削弱直軸補償作用，使電機輸出負載軌道炮理想的近似梯形的平頂脈沖電流。本發(fā)明不局限于上述實施方式，還可以是上述各實施方式中所述技術特征的合理
組合。、權利要求
1.ー種雙軸補償空芯脈沖發(fā)電機，它包括空芯轉子和空芯定子，所述空芯轉子包括勵磁繞組(3)和交軸補償繞組(2)，其特征在于交軸補償繞組(2)具有四個線圈，每個線圈都是自行短路連接的，交軸補償繞組(2)與勵磁繞組(3)中的相鄰兩個線圈的軸線為在空間上的機械角度相差45°，所述相鄰兩個線圈的電角度相差90°的正交排布。
2.根據(jù)權利要求I所述的ー種雙軸補償空芯脈沖發(fā)電機，其特征在于所述電機采用四極結構，所述的空芯定子由電樞繞組(I)、空芯定子軛(9)和機殼(5)組成，空芯定子內部為圓筒形空腔，該圓筒形空腔內設置有空芯轉子； 所述空芯定子軛(9)的外側壁固定于機殼(5)的內壁上；所述電樞繞組(I)固定在空芯定子軛(9)的內壁上； 所述空芯轉子是由內向外依次為空芯轉子軛(12)、勵磁繞組(3)、勵磁繞組繃帶(11)、交軸補償繞組(2)以及補償繞組繃帶(10)。
3.根據(jù)權利要求2所述的ー種雙軸補償空芯脈沖發(fā)電機，其特征在于所述電樞繞組(I)具有四個線圈，該四個線圈采用并聯(lián)接法。
4.根據(jù)權利要求2所述的ー種雙軸補償空芯脈沖發(fā)電機，其特征在于所述電樞繞組(I)為單相繞組，且采用無槽同心式結構，由多股利茲線并聯(lián)繞制而成。
5.根據(jù)權利要求2所述的ー種雙軸補償空芯脈沖發(fā)電機，其特征在于所述空芯定子軛(9)由復合材料纏繞而成，其內表面通過環(huán)氧樹脂粘結電樞繞組(I),外表面通過環(huán)氧樹脂粘結于所述機殼(5)的內壁上。
6.根據(jù)權利要求2所述的ー種雙軸補償空芯脈沖發(fā)電機，其特征在于所述空芯轉子軛(12)由不導磁的復合材料構成。
7.根據(jù)權利要求2所述的ー種雙軸補償空芯脈沖發(fā)電機，其特征在于所述勵磁繞組(3)通過勵磁繞組繃帶(11)固定在空芯轉子軛(12)表面；所述交軸補償繞組(2)通過補償繞組繃帶(10)固定；所述勵磁繞組繃帶(11)及補償繞組繃帶(10)由復合材料環(huán)氧樹脂纏繞固化而成。
8.基于權利要求2所述的ー種雙軸補償空芯脈沖發(fā)電機的脈沖成型系統(tǒng)，其特征在干它包括主放電晶閘管(15)、負載(16)、整流器(17)、續(xù)流ニ極管(18)、啟勵電容(19)和啟勵晶閘管(20)； 定子電樞繞組(I)通過主放電晶閘管(15)與負載(16)形成放電回路；所述定子電樞繞組(I)輸出的電壓經整流器(17)整流后，通過電刷(14)滑環(huán)(13)與轉子勵磁繞組(3)相連，形成自激回路；啟勵電容(19)和啟勵晶閘管(20)通過電刷(14)滑環(huán)(13)與轉子勵磁繞組(3)形成閉合的啟勵回路； 整流器(17)采用單相橋式全控整流結構。
9.基于權利要求8所述的ー種雙軸補償空芯脈沖發(fā)電機脈沖成型系統(tǒng)的脈沖成型方法，其特征在于，實現(xiàn)脈沖成型方法的步驟如下 步驟ー采用原動機拖動轉子主軸(7)旋轉，使轉子達到額定轉速后，通過控制離合器(8)將原動機與轉子主軸(7)脫開，所述轉子靠慣性繼續(xù)旋轉； 步驟ニ 控制啟勵晶閘管(20)閉合，使啟勵回路閉合，啟勵電容(19)向轉子勵磁繞組(3)提供種子電流，定子電樞繞組(I)獲得感應電勢，該感應電勢通過整流器(17)整流后，再輸給勵磁繞組(3)，使勵磁繞組(3)中產生勵磁電流，形成正反饋的自激過程；步驟三監(jiān)測勵磁繞組(3)中的電流，當勵磁電流達到額定值時，控制整流器(17)停止整流，勵磁電流經續(xù)流ニ極管(18)續(xù)流；根據(jù)負載(16)需求，設定主放電晶閘管(15)的觸發(fā)角，控制主放電晶閘管(15)閉合，電樞繞組(I)向負載放電；轉子上短接的交軸補償繞組(2)和續(xù)流的勵磁繞組(3)感應電流，分別提供交軸與直軸補 償，輸出所需的脈沖電流波形。
全文摘要
一種雙軸補償空芯脈沖發(fā)電機及其脈沖成型系統(tǒng)和方法，涉及一種脈沖發(fā)電機及其脈沖成型方法，屬于電機領域。目的是針對現(xiàn)有選擇被動補償空芯脈沖發(fā)電機輸出軌道炮所需的理想脈沖電流波形與自激效率相矛盾的問題。一種雙軸補償空芯脈沖發(fā)電機，補償繞組與勵磁繞組正交排布，分別提供交軸與直軸補償，其脈沖成型系統(tǒng)包括主放電晶閘管、整流器、續(xù)流二極管、啟勵電容和啟勵晶閘管。其脈沖成型方法為原動機拖動轉子至額定轉速后與發(fā)電機脫開，勵磁電流通過正反饋的自激過程達到額定值后，閉合主放電晶閘管，電樞繞組向負載放電，轉子上短接的交軸補償繞組和續(xù)流的勵磁繞組感應電流提供補償，輸出所需的脈沖電流波形。實現(xiàn)發(fā)電機脈沖電源的小型化。
文檔編號H02K39/00GK102638153SQ20121014396
公開日2012年8月15日 申請日期2012年5月10日 優(yōu)先權日2012年5月10日
發(fā)明者吳紹朋, 崔淑梅, 王少飛, 趙偉鐸 申請人:哈爾濱工業(yè)大學