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《哈尔滨工业大学》 2011年
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空芯补偿脉冲发电机的设计方法与关键技术研究

吴绍朋  
【摘要】:补偿脉冲发电机(Compensated Pulsed Alternator, CPA, Compulsator)作为一种惯性储能高功率脉冲电源,是借助电磁感应和磁通补偿原理,向负载提供大电流脉冲的旋转发电机。与其它储能形式的脉冲功率源相比,采用高强度密度比复合材料制成的空芯补偿脉冲发电机(Air-core CPA)具有能量密度和功率密度高的综合优势,在电磁炮、电热化学炮、定向能炮等新概念武器的驱动电源中具有重要的应用,备受军方的关注。 前期的空芯CPA的研究主要是以工程样机研制为主线,对其工作机理以及设计理论的细致分析还很不完善,一些核心关键技术我们还不掌握。为了研制下一代更紧凑、更轻巧的脉冲功率源,需要对空芯CPA的关键技术和基础理论进行系统细致地研究。本文主要就空芯CPA电磁与结构的设计和分析方法以及相应的关键技术展开研究,提出新型的拓扑结构方案,进行理论和实验研究,探索空芯CPA的电磁与结构设计规律。 本文从电磁理论角度阐述了空芯CPA的补偿工作机理和电枢反应磁通的分布特点,以使得空芯CPA的电磁理论分析概念清楚,直接简单。提出了一种CPA等效电路模型,分析了影响CPA放电电流的因素,给出了空芯CPA成功建立自激需满足的条件,为空芯CPA的电磁设计提供参考。 CPA电枢绕组的瞬态电感对电机的性能影响很大,直接决定着输出电流是否满足要求,是CPA设计成功与否的关键因素。CPA电枢绕组的瞬态电感同绕组的形状、尺寸、周围介质的导磁率、饱和情况、补偿筒内的涡流、端部情况以及放电频率等有关系,因此要想精确计算电枢绕组的瞬态电感,十分困难。根据空芯CPA放电时电枢绕组周围的电磁环境,本文给出了考虑电枢绕组截面电流分布不均匀(集肤效应和邻近效应)和补偿筒屏蔽影响的空芯CPA电枢绕组瞬态电感的计算公式。该公式可用于分析电枢绕组尺寸参数对电感的影响,实现绕组的优化设计。 空芯CPA内部无铁磁材料限定的磁路,径向和端部漏磁较大,工作时内部电磁场分布复杂,利用传统电机的磁路分析方法已经无法准确地计算其电磁参数。因此,为准确地计算空芯CPA的电磁参数,本文建立了空芯CPA的三维有限元模型,进行了空载和放电时电磁场以及补偿筒内涡流场的仿真,分析了CPA的自激工作过程,仿真计算了放电电流,分析了空芯电机设计参数对输出性能的影响。 空芯CPA脉冲放电时,绕组和补偿筒会承受极大的瞬时电磁力,直接威胁着CPA的安全。因此,必须对CPA所受电磁应力进行分析,指导绕组和补偿筒机械强度设计,进而进行安全评估和优化设计。根据空芯CPA的结构特点和复合材料件强度的正交各向异性特性,本文提出了补偿筒和复合材料转子轭的强度定义,给出了铝补偿筒和碳纤维绷带之间的环氧树脂粘结层安全厚度的选取原则,给出了具有综合优势的不同复合材料组成的多轮缘空芯转子的结构方案和内外轮缘材料的选择原则,指导空芯转子的结构设计和优化设计。 为了提高放电时脉冲电流的幅值和降低绕组温升,需要降低电枢绕组的电阻,因而CPA的电枢绕组通常设计成匝数少,导体截面积大。而在电机尺寸、励磁功率、转速一定的情况下,电枢绕组较少的匝数又限制了其获得更大的反电势,延长了达到自激终点的时间,降低了自激效率。为了解决这个矛盾,本文提出了定子双电枢绕组空芯被动补偿(DSW-PCPA)的拓扑结构,一套绕组用于励磁,另外一套绕组用于放电。针对两套绕组的不同工作工况,分别设计绕组的参数,解决了电机自激励磁效率和脉冲电流峰值之间的限制关系,实现了电机工作过程的优化设计。同时采用转场式结构,将两套电枢绕组放在定子侧,CPA仅需要一套中功率的电刷滑环换向系统用于闭合自激回路,还可以降低两套绕组的旋转匹配问题,提高电机的寿命和可靠性,提升空芯CPA的整体性能。 最后,本文研制了DSW-PCPA空芯模型样机,研究了空芯CPA的特殊制造和装配工艺,包括无槽绕组的成型工艺,定子和转子的一体成型技术。进行了DSW-PCPA空芯模型样机的空载和放电实验,实验结果同仿真结果的一致,验证了电磁设计的准确性和结构设计的可靠性,为大型工程模型样机的设计、制造和实验奠定了基础。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TM31

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【引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
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【参考文献】
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