CN101145725B - 自激全空芯被动补偿脉冲发电机 - Google Patents
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Abstract
自激全空芯被动补偿脉冲发电机，它涉及机电能量变换装置，本发明解决了现有小型脉冲电源，功率和能量密度低，没市电不能自激起励的问题。本发明的碳纤维环氧树脂转子轭固定主轴上，碳纤维环氧树脂转子轭外表面粘结转子励磁绕组，碳纤维绑扎绷带绑扎固定于转子励磁绕组外部，铝补偿筒套于碳纤维绑扎绷带外表面；复合定子轭固定机壳内壁上，复合定子轭的内壁上粘结有定子无槽电枢绕组，回字形的屏蔽盒套固于定子无槽电枢绕组的端部；所述定子无槽电枢绕组的内表面与铝补偿筒的外表面之间有气隙；转子通过两个轴承固定于定子内部；主轴的一端连接原动机；主轴的另一端固定有滑环和电刷。本发明有储能和功率密度高、体积小、可自激起励的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种机电能量变换装置。
背景技术
作高功率脉冲电源用的旋转机械，目前主要有单极发电机、同步发电机和补偿脉冲发电机。
单极发电机的主要缺点是电压过低，而同步发电机虽能产生较高电压，但需要增大激磁磁场、或提高转速、或增加电枢绕组匝数N。前两因素受所用材料的物理性能限制，而增加N将使绕组线圈电感随N2增加，这将导致同步发电机电压上升时间过长，放电电流上升时间过长。
1978年由美国得克萨斯大学机电研究中心W.F.Weldon等人发明的补偿脉冲发电机克服了上述的诸多缺点，1980年获得美国专利，见WeldonW.F.et.al.Compensated pulsed Alternator，U.S.patent4200831April，29，1980。补偿脉冲发电机是高速旋转惯性储能电机。作为一种新型脉冲能源，补偿脉冲发电机基于电磁感应和磁通压缩两个原理工作，集惯性存储、机电能量转换和脉冲成形于一体，具有“单元件”的综合优势。补偿脉冲发电机具有比功率高、比储能高、重复频率高和高使用寿命等综合指标优势。
但现有的补偿脉冲发电机已不能满足一些设备的要求，如野战用机动战车装备的电磁炮、电热炮所需的驱动功率源。达不到它们所需要的小型化、电源质量、功率密度和能量密度的要求，以及没有市电的情况下能够自激起励功能的要求。
发明内容
本发明为了解决现有小型化的重复脉冲电源，功率密度和能量密度低，在没有市电的情况下不能够自激起励的问题，而提出了一种自激全空芯被动补偿脉冲发电机。
本发明由转子、定子、滑环10、电刷11和轴承12组成；转子由铝补偿筒5、碳纤维绑扎绷带6、转子励磁绕组7、碳纤维环氧树脂转子轭8和主轴1组成，主轴1上固定有碳纤维环氧树脂转子轭8，碳纤维环氧树脂转子轭8外表面粘结有转子励磁绕组7，转子励磁绕组7外部绑扎固定有碳纤维绑扎绷带6，铝补偿筒5套于碳纤维绑扎绷带6外表面；定子由机壳2、复合定子轭3、定子无槽电枢绕组4和屏蔽盒9组成，复合定子轭3固定在机壳2内壁上，复合定子轭3的内壁为光滑结构，复合定子轭3的内壁上粘结有定子无槽电枢绕组4，回字形的屏蔽盒9套固于定子无槽电枢绕组4的端部，所述定子无槽电枢绕组4的内表面与铝补偿筒5的外表面之间有气隙δ；转子通过两个轴承12固定于定子内部；主轴1的一端连接原动机，主轴1的另一端固定有滑环10和电刷11，它还包括第一功率变换器13、第二功率变换器14、启动电容Cs15、开关设备16和控制组件17；定子无槽电枢绕组4的两个电枢端分别连接第一功率变换器13的两个输入端、第二功率变换器14的两个输入端和控制组件17的两个输入端；第一功率变换器13的两个输出端分别连接负载RL的两个供电端；启动电容Cs15的一端连接开关设备16的一端，启动电容Cs15的另一端和开关设备16的另一端分别连接电刷11的两端，第二功率变换器14的两个输出端也分别连接电刷11的两端；控制组件17的三个控制端分别连接第一功率变换器13、第二功率变换器14和开关设备16的受控端。
本发明的定子电枢绕组和转子励磁绕组均采用无槽绕组，定子电枢绕组端部采用“回”字形屏蔽盒屏蔽。转子励磁绕组的支撑结构采用不导磁的复合材料碳纤维环氧树脂制成，取代传统铁芯补偿脉冲发电机所使用的铁磁材料，这样可以大大降低转子的质量和电机整体的质量，提高转子的转速，增加转子惯性储能，从而提高了补偿脉冲发电机的储能密度和功率密度。同时励磁绕组的固定也是利用碳纤维材料绷带绑扎。定子轭采用复合材料，同样降低了电机的质量，并且取消了传统铁芯电机的饱和效应和对绕组电感起增加作用的铁磁屏蔽效应，起到了增加功率密度和能量密度，降低电枢绕组内电感的目的。空芯带来的励磁增大的问题可以通过脉冲自激的励磁方式解决。碳纤维环氧树脂复合材料的比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、抗高速冲击、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能，非常适合于补偿脉冲发电机瞬时大扭矩、大冲击的工况。
本发明应用于军用武器方面，用于要求机动性高的战车上配备的小型电磁炮的驱动电源，并能代替能量密度低的电容器储能；它具有结构紧凑、体积小、能量密度和功率密度大等优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；图2是图1的A-A剖面图；图3是定子无槽电枢绕组4每极每相绕组的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式由转子、定子、滑环10、电刷11和轴承12组成；转子由铝补偿筒5、碳纤维绑扎绷带6、转子励磁绕组7、碳纤维环氧树脂转子轭8和主轴1组成，主轴1上固定有碳纤维环氧树脂转子轭8，碳纤维环氧树脂转子轭8外表面粘结有转子励磁绕组7，转子励磁绕组7外部绑扎固定有碳纤维绑扎绷带6，铝补偿筒5套于碳纤维绑扎绷带6外表面；定子由机壳2、复合定子轭3、定子无槽电枢绕组4和屏蔽盒9组成，复合定子轭3固定在机壳2内壁上，复合定子轭3的内壁为光滑结构，复合定子轭3的内壁上粘结有定子无槽电枢绕组4，回字形的屏蔽盒9套固于定子无槽电枢绕组4的端部，用以屏蔽放电时定子无槽电枢绕组4产生的端部漏磁场，降低脉冲发电机放电时电枢绕组4的超瞬态电感，提高放电电流；所述定子无槽电枢绕组4的内表面与铝补偿筒5的外表面之间有气隙δ；转子通过两个轴承12固定于定子内部；主轴1的一端连接原动机，作为机械输入端口；主轴1的另一端固定有滑环10和电刷11，作为自激励磁电能输入端口；定子无槽电枢绕组4的输出端提供转子励磁绕组7的自激励磁电能和提供负载电能。
具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于还包括第一功率变换器13、第二功率变换器14、启动电容Cs15、开关设备16和控制组件17；定子无槽电枢绕组4的两个电枢端分别连接第一功率变换器13的两个输入端、第二功率变换器14的两个输入端和控制组件17的两个输入端；第一功率变换器13的两个输出端分别连接负载RL的两个供电端；启动电容Cs15的一端连接开关设备16的一端，启动电容Cs15的另一端和开关设备16的另一端分别连接电刷11的两端，第二功率变换器14的两个输出端也分别连接电刷11的两端；控制组件17的三个控制端分别连接第一功率变换器13、第二功率变换器14和开关设备16的受控端。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。控制组件17采用单片机，型号为PIC16F879A；开关设备16采用空气开关。
具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于定子无槽电枢绕组4的内表面与铝补偿筒5的外表面之间有0.8mm～1.2mm的气隙。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于定子无槽电枢绕组4的内表面与铝补偿筒5的外表面之间有1mm的气隙。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于定子无槽电枢绕组4的每极每相绕组由单层铜板沿外边缘形状由外向内切割成连续的条状结构，定子无槽电枢绕组4的每极每相绕组的端部焊接引出线，使绕组的电感和电阻小，而且工艺简单，其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同点在于定子无槽电枢绕组4采用单相或多相无槽同心式绕组；其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同点在于碳纤维环氧树脂转子轭8和复合定子轭3采用不导磁的碳纤维环氧树脂构成，碳纤维环氧树脂转子轭8和复合定子轭3是碳布绕成，并用环氧浇注。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
当上述自激全空芯被动补偿脉冲发电机应用在电磁发射领域中时，所述的机械输入端口直接与原动机轴相连，通过第二功率变换器14给电机输入电能产生自激，通过第一功率变换器13输出脉冲电能，实现了机械能向电能的转变。
自激全空芯被动补偿脉冲发电机的定子无槽电枢绕组4脉冲放电时，利用铝补偿筒5、定子无槽电枢绕组4以及端部屏蔽盒9的磁通压缩效应，极大降低定子无槽电枢绕组4自身内电感，并利用电磁感应在定子无槽电枢绕组4内感应的高压输出幅值极大的电流脉冲。铝补偿筒5的阻尼作用对充电时间有一定影响，但由于充电过程时间较阻尼时间常数大，而且充电电流为不断上升的直流，因此这种影响作用不大。自激全空芯被动补偿脉冲发电机不需大电流换流开关便能自动换向和产生重复脉冲，放电时相当于一台转子具有极强阻尼的同步发电机。采用的复合定子轭3、定子无槽电枢绕组4、铝补偿筒5以及端部屏蔽盒9都是为了降低自身放电时的超瞬态电感以提高脉冲电流的幅值和上升时间。
对于铁芯电机，由于铁磁材料的饱和，无须外界控制，自激可以达到自稳定状态。而对于空芯电机，不存在材料的饱和现象，自激的终点必须由外界通过第二功率换向器控制。由于补偿脉冲发电机的自激时间短，可以在没有饱和的情况采用，而不至于电枢电压、励磁电流无限增大，以致烧毁电机。
工作时首先利用原动机，通过机械输入端口，拖动自激全空芯被动补偿脉冲发电机转子拖动至接近额定转速，同时电机自激起励可靠建立电枢绕组电压。自励式励磁状态，励磁电压直接取自定子无槽电枢绕组4，起励时先用一台充好电的启动电容Cs15对转子励磁绕组7放电，提供“种子”电流，通过控制组件17控制开关设备16使启动电容Cs15向转子励磁绕组7建立起励励磁磁通，然后切断启动电容Cs15与电路的连接，自激全空芯被动补偿脉冲发电机转子旋转，定子无槽电枢绕组4内感应电压，利用第二功率变换器14、滑环10、电刷11与转子励磁绕组7之间的正反馈产生自激，使励磁电流不断增大，控制组件17检测励磁电流，当励磁电流接近设定值时调解第二功率变换器14的控制角，使得即使随着转速增加电枢电压随之增加，但第二功率变换器14输出的转子励磁电压却保持不变，励磁电流保持设定值不再上升，处于平衡状态，在原动机拖动下转速很快达到设定值时，即可通过第一功率变换器13向负载RL脉冲励磁方式放电。
当电机升速到额定运行状态时，可采用脉冲励磁方式。由于自起励过程已建立了定子无槽电枢绕组4的端电压，利用其端电压对启动电容Cs15再充电，到下次放电开始之前。开始又一次自起励过程，通过触发开关设备16，使启动电容Cs15对转子励磁绕组7放电，不过由于这时电机已经工作在额定状态，自起励过程很快完成，当电枢电压达到额定值时，即可触发主回路第一功率变换器13对负载RL再一次进行放电。也就是随着放电的进行，转子的惯性储能转变为脉冲电能，原动机转速下降。当电机对负载RL放电结束时，控制组件17控制第二功率变换器14，使第二功率变换器14处于逆变状态，发电机作电动运行，电能转换为转子动能，加速之后，原动机拖动自激全空芯被动补偿脉冲发电机转子继续升速至额定转速，为下一次放电作准备的过程。
实际用于一个脉冲的励磁系统工作时间只需0.2s以下，因此这种设计方法使励磁电流在励磁绕组中没有多余的驻留时间，既减少了励磁绕组温升，又提高了系统效率。
第一功率变换器13和第二功率变换器14以及所有的开关设备16的时序控制均利用控制组件17严格控制。在放电间隙，控制组件17所有指令初始化，以备下一次放电时调用。
以上是考虑到战术武器轻型化，可移动要求，减小系统的重量意义重大。电机励磁系统作为电机的一个重要部分，励磁绕组希望在常温下及能运行，不需要附加冷却设备，励磁电流也不希望采用它励式，因为它励式明显增加系统的体积和重量。
Claims (6)
1.自激全空芯被动补偿脉冲发电机，它包括转子、定子、滑环(10)、电刷(11)和轴承(12)；转子由铝补偿筒(5)、碳纤维绑扎绷带(6)、转子励磁绕组(7)、碳纤维环氧树脂转子轭(8)和主轴(1)组成，主轴(1)上固定有碳纤维环氧树脂转子轭(8)，碳纤维环氧树脂转子轭(8)外表面粘结有转子励磁绕组(7)，转子励磁绕组(7)外部绑扎固定有碳纤维绑扎绷带(6)，铝补偿筒(5)套于碳纤维绑扎绷带(6)外表面；定子由机壳(2)、复合定子轭(3)、定子无槽电枢绕组(4)和屏蔽盒(9)组成，复合定子轭(3)固定在机壳(2)内壁上，复合定子轭(3)的内壁为光滑结构，复合定子轭(3)的内壁上粘结有定子无槽电枢绕组(4)，回字形的屏蔽盒(9)套固于定子无槽电枢绕组(4)的端部；所述定子无槽电枢绕组(4)的内表面与铝补偿筒(5)的外表面之间有气隙(δ)；转子通过两个轴承(12)固定于定子内部；主轴(1)的一端连接原动机；主轴(1)的另一端固定有滑环(10)和电刷(11)，其特征是：它还包括第一功率变换器(13)、第二功率变换器(14)、启动电容Cs(15)、开关设备(16)和控制组件(17)；定子无槽电枢绕组(4)的两个电枢端分别连接第一功率变换器(13)的两个输入端、第二功率变换器(14)的两个输入端和控制组件(17)的两个输入端；第一功率变换器(13)的两个输出端分别连接负载(RL)的两个供电端；启动电容Cs(15)的一端连接开关设备(16)的一端，启动电容Cs(15)的另一端和开关设备(16)的另一端分别连接电刷(11)的两端，第二功率变换器(14)的两个输出端也分别连接电刷(11)的两端；控制组件(17)的三个控制端分别连接第一功率变换器(13)、第二功率变换器(14)和开关设备(16)的受控端。
2.根据权利要求1所述的自激全空芯被动补偿脉冲发电机，其特征在于定子无槽电枢绕组(4)的内表面与铝补偿筒(5)的外表面之间有0.8mm～1.2mm的气隙。
3.根据权利要求1所述的自激全空芯被动补偿脉冲发电机，其特征在于定子无槽电枢绕组(4)的内表面与铝补偿筒(5)的外表面之间有1mm的气隙。
4.根据权利要求1所述的自激全空芯被动补偿脉冲发电机，其特征在于定子无槽电枢绕组(4)的每极每相绕组由单层铜板沿外边缘形状由外向内切割成连续的条状结构，定子无槽电枢绕组(4)的每极每相绕组的端部焊接引出线。
5.根据权利要求1所述的自激全空芯被动补偿脉冲发电机，其特征在于定子无槽电枢绕组(4)采用单相或多相无槽同心式绕组。
6.根据权利要求1所述的自激全空芯被动补偿脉冲发电机，其特征在于碳纤维环氧树脂转子轭(8)和复合定子轭(3)采用不导磁的碳纤维环氧树脂构成。
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