CN102638152A - 两相空芯补偿脉冲发电机及其实现脉冲放电的方法 - Google Patents

Abstract

两相空芯补偿脉冲发电机及其实现脉冲放电的方法，涉及一种空芯补偿脉冲发电机及其实现脉冲放电的方法，为了解决现有空芯补偿脉冲发电机转速受到输出电流脉宽制约的问题。它的定子电枢绕组采用两相结构，两相绕组电角度正交排布，每相输出电流相对独立，通过各自的整流器并联叠加后向负载输出脉冲电流，脉冲宽度不再受限于电机的半周期；放电时，励磁绕组感应电流对电枢绕组进行补偿，降低电机的内电感，提高脉冲电流的幅值；通过对触发角的控制，消除负载电流的自由分量，输出理想的梯形波脉冲电流。它用于输出脉冲电流。

Description

两相空芯补偿脉冲发电机及其实现脉冲放电的方法

技术领域

本发明涉及一种空芯补偿脉冲发电机及其实现脉冲放电的方法，特别涉及一种两相空芯补偿脉冲发电机及其实现脉冲放电的方法。

背景技术

补偿脉冲发电机是一种特殊的同步发电机，它利用磁通压缩原理对电枢绕组进行补偿，降低电枢绕组的等效电感，能够瞬时输出极大的脉冲电流，集惯性储能、机电能量转换和脉冲成型于一体，具有整机效率高，能量密度和功率密度大等综合优势，是电磁发射装置理想的脉冲功率电源。

新一代的补偿脉冲发电机，广泛采用空芯结构，用高强度密度比的复合材料替代传统的铁芯，提高了电机的储能密度和功率密度。然而，现有的空芯补偿脉冲发电机一般采用单相结构，利用输出电压的正半周对负载放电，存在的问题是电机转速受到输出电流脉宽的制约，如果负载所需脉宽较长，电机的转速就必须下降，则电机的储能又难以达到所需指标。这种矛盾的存在，使得需要对现有的空芯补偿脉冲发电机进行优化，使其能够解耦电机转速与输出电流脉宽之间的关系，发挥复合材料的优势，提高电机的储能密度和功率密度。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有空芯补偿脉冲发电机转速受到输出电流脉宽制约的问题，提出了一种两相空芯补偿脉冲发电机及其实现脉冲放电的方法。

本发明的一种两相空芯补偿脉冲发电机，它包括定子、转子、离合器、滑环和电刷；

所述定子包括机壳、端盖、空芯定子轭、A相电枢绕组和B相电枢绕组；空芯定子轭固定在机壳内壁上，A相电枢绕组和B相电枢绕组固定在空芯定子轭内壁上，两个端盖分别固定机壳的两端；

所述转子包括主轴、空芯转子轭、励磁绕组和转子绷带；转子设置在机壳内，且与定子同心，空芯转子轭套接在主轴外表面，空芯转子轭的外表面粘有励磁绕组，励磁绕组外表面缠绕有转子绷带，转子绷带与A相电枢绕组和B相电枢绕组之间为均匀的气隙，励磁绕组的末端通过滑环与电刷连接，所述滑环固定在主轴的一端，所述主轴的另一端作为动力输入端与离合器连接。

两相空芯补偿脉冲发电机实现脉冲放电的方法，它是基于整流电路和控制电路实现的，所述整流电路包括两组放电整流器、两组自激整流器、续流二极管、启励电容和启励半导体开关；

所述放电整流器是由4个半导体开关组成的全桥整流电路，

所述自激整流器与放电整流器的结构相同；

A相电枢绕组的两端同时与一组放电整流器的交流输入端和一组自激整流器的交流输入端连接，B相电枢绕组的两端同时与另一组放电整流器的交流输入端和另一组自激整流器的交流输入端连接；

两组放电整流器的直流输出端并联后连接负载，两组自激整流器的直流输出端与续流二极管和转子的励磁绕组并联连接，其中续流二极管的阴极同时与自激整流器的直流输出端的正极连接，直流输出端的阳极连接启励半导体开关的阴极，启励半导体开关的阳极与启励电容的一端连接，启励电容的另一端与续流二极管的阳极连接；

所述两相空芯补偿脉冲发电机实现脉冲放电的方法，包括如下步骤：

步骤一：采用原动机通过离合器拖动转子的主轴旋转，使所述发电机被拖动到额定转速后，通过控制离合器使原动机与转子的主轴脱开；

步骤二：控制电路控制整流电路中的启励半导体开关处于导通状态，控制电路向两组自激整流器输出门极控制信号使励磁绕组产生励磁电流，形成正反馈的自激过程；

步骤三：控制电路监测励磁绕组的电流、A相电枢绕组的端电压和B相电枢绕组的端电压，当所述电流和端电压达到额定值时，控制电路停止向两组自激整流器输出门极控制信号，使得两组自激整流器停止，励磁绕组经续流二极管续流短路，设定放电整流器的触发角为α，0°≤α≤180°，开始向两组放电整流器输出门极控制信号使A相电枢绕组和B相电枢绕组向负载放电；

步骤四：控制电路监测A相电枢绕组和B相电枢绕组的放电电流脉宽，当电流脉宽达到设定值，控制电路停止向两组放电整流器输出门极控制信号，A相电枢绕组和B相电枢绕组的电流过零后放电过程结束。

本发明的优点在于：本发明电机采用两相结构，分别经整流后并联对负载放电，通过放电整流器控制触发角消除负载电流的自由分量，使两相电流叠加后形成较为理想的梯形脉冲电流，放电持续时间不再受限于电机的半周期，解耦了电机转速与输出电流脉宽之间的制约矛盾，提高了电机的能量密度和功率密度，实现了脉冲电源的小型化。

附图说明

图1为本发明的所述的两相空芯补偿脉冲发电机的轴向剖视图。

图2为图1的A-A剖面图。

图3为本发明所述两相空芯补偿脉冲发电机实现脉冲放电方法中的整流电路结构示意图。

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，本发明的两相空芯补偿脉冲发电机，它包括定子、转子、离合器8、滑环12和电刷13；

所述定子包括机壳5、端盖4、空芯定子轭9、A相电枢绕组1和B相电枢绕组2；空芯定子轭9固定在机壳5内壁上，A相电枢绕组1和B相电枢绕组2固定在空芯定子轭9内壁上，两个端盖4分别固定机壳5的两端；

所述转子包括主轴7、空芯转子轭11、励磁绕组3和转子绷带10；转子设置在机壳5内，且与定子同心，空芯转子轭11套接在主轴7外表面，空芯转子轭11的外表面粘有励磁绕组3，励磁绕组3外表面缠绕有转子绷带10，转子绷带10与A相电枢绕组1和B相电枢绕组2之间为均匀的气隙，励磁绕组3的末端通过滑环12与电刷13连接，所述滑环12固定在主轴7的一端，所述主轴7的另一端作为动力输入端与离合器8连接。

本实施方式所述电机采用旋转励磁式，励磁电流通过电刷13、滑环12引入转子励磁绕组3，由于励磁电流远小于电枢电流，因此相比于旋转电枢式，这种结构降低了电刷13与滑环12的制造与选型难度；所述电机采用四极结构，较之两极结构电机内部应力分布更加均匀，电机内各受力部件更容易固定；所述电机采用两相结构，通过对两相电流的脉冲调制与成型，解耦电机转速与脉冲宽度，从而提高电机的转速；所述电机为全空芯电机，电机内不含铁磁性材料，主要支撑部件空芯定子轭9、空芯转子轭11均由复合材料制成，使电机磁路不受饱和限制，同时降低了电机的质量，提高了电机的能量密度和功率密度。

本实施方式所述电机应用于电磁发射领域，可作为电磁轨道炮的脉冲功率电源；它解耦了电机转速与输出电流脉宽之间的制约关系，使电机的转速得到显著的提高，有效的利用了复合材料比强度高的特性，具有整机效率高，能量密度和功率密度大等优势。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的两相空芯补偿脉冲发电机的进一步限定，所述A相电枢绕组1和B相电枢绕组2沿圆周交错排布，A相电枢绕组1和B相电枢绕组电角度相差90°。

所述电机的两相电枢绕组电角度正交排布，不存在磁场耦合，因此在放电时两相绕组不会相互感应电流，每相输出电流相对独立，更有利于脉冲成型，从而实现输出轨道炮所需的理想梯形波脉冲电流。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的两相空芯补偿脉冲发电机的进一步限定，所述A相电枢绕组1和B相电枢绕组2采用无槽同心式绕组，组成绕组的线圈是由多股利兹线并绕而成，多个线圈之间并联连接组成绕组。

A相电枢绕组1和B相电枢绕组2采用利兹线并绕，能够有效地减弱放电时的趋肤效应，减小电机的内电阻，提高电机的效率；电枢绕组线圈借助模具和环氧树脂成型，环氧树脂起定型和加固的作用；对于无槽结构的绕组，采用同心式更容易绕制与排布。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的两相空芯补偿脉冲发电机的进一步限定，所述空芯定子轭9和空芯转子轭11由玻璃纤维环氧树脂缠绕而成。

圆筒形的空芯定子轭9和空芯转子轭11由玻璃纤维环氧树脂在模具上缠绕而成，由于复合材料无法承受传统热套工艺的高温，因此空芯定子轭9与机壳5和两相电枢绕组之间，以及空芯转子轭11与主轴7和励磁绕组3之间均通过高强度的环氧树脂粘结。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的两相空芯补偿脉冲发电机的进一步限定，所述转子绷带10由碳纤维环氧树脂缠绕固化而成。

空芯结构的最大优势是电机的储能密度大，这主要是因为空芯机复合材料比铁芯机硅钢片的强度大，使得空芯机具有更高的转子线速度。在转子的最外缘缠绕一层碳纤维环氧树脂绷带，能够有效的克服高速旋转产生的离心力，对转子各部件进行可靠的固定。

具体实施方式六：结合图3说明本实施方式，本实施方式是基于具体实施方式一所述的两相空芯补偿脉冲发电机实现脉冲放电的方法，它是基于整流电路和控制电路实现的，所述整流电路包括两组放电整流器14、两组自激整流器15、续流二极管17、启励电容18和启励半导体开关19；

所述放电整流器14是由4个半导体开关组成的全桥整流电路，

所述自激整流器15与放电整流器14的结构相同；

A相电枢绕组1的两端同时与一组放电整流器14的交流输入端和一组自激整流器15的交流输入端连接，B相电枢绕组2的两端同时与另一组放电整流器14的交流输入端和另一组自激整流器15的交流输入端连接；

两组放电整流器14的直流输出端并联后连接负载，两组自激整流器15的直流输出端与续流二极管17和转子的励磁绕组3并联连接，其中续流二极管17的阴极同时与自激整流器15的直流输出端的正极连接，直流输出端的阳极连接启励半导体开关19的阴极，启励半导体开关19的阳极与启励电容18的一端连接，启励电容18的另一端与续流二极管17的阳极连接；

所述两相空芯补偿脉冲发电机实现脉冲放电的方法，包括如下步骤：

步骤一：采用原动机通过离合器8拖动转子的主轴7旋转，使所述发电机被拖动到额定转速后，通过控制离合器8使原动机与转子的主轴7脱开；

步骤二：控制电路控制整流电路中的启励半导体开关19处于导通状态，控制电路向两组自激整流器15输出门极控制信号使励磁绕组3产生励磁电流，形成正反馈的自激过程；

步骤三：控制电路监测励磁绕组3的电流、A相电枢绕组1的端电压和B相电枢绕组2的端电压，当所述电流和端电压达到额定值时，控制电路停止向两组自激整流器15输出门极控制信号，使得两组自激整流器15停止，励磁绕组3经续流二极管17续流短路，设定放电整流器14的触发角为α，0°≤α≤180°，开始向两组放电整流器14输出门极控制信号使A相电枢绕组1和B相电枢绕组2向负载放电；

步骤四：控制电路监测A相电枢绕组1和B相电枢绕组2的放电电流脉宽，当电流脉宽达到设定值，控制电路停止向两组放电整流器14输出门极控制信号，A相电枢绕组1和B相电枢绕组2的电流过零后放电过程结束。

工作时，利用原动机拖动电机主轴7至额定转速后，控制系统给离合器8控制信号将原动机与转子主轴7脱开，电机转子依靠惯性继续旋转。控制系统输出信号闭合启励半导体开关19，启励电容18通过电刷13和滑环12向转子励磁绕组3提供种子电流，产生初始主极磁场，两相电枢绕组切割磁力线感应电压，分别通过各自的自激整流器15并联至电刷13的输入端，向转子励磁绕组3提供直流励磁电流。设计电机时，应对电枢绕组与励磁绕组进行合理的匹配，从而实现正反馈的自激过程。

利用电压电流互感器采集电枢绕组电压和励磁绕组电流，达到额定值时，控制系统停止向自激整流器15输出门极控制信号，整流桥停止，励磁电流经续流二极管17续流，同时，开启两组放电整流器14，向负载放电。根据电路中正弦电压激励的零状态响应理论，负载电流将由正弦的强制分量和渐趋于零的自由分量组成，脉冲发电机一般为了使输出电流波形更平整，希望负载电流只有强制分量成分，因此需要对放电整流器14的触发角进行控制。由于电枢绕组的电抗一般远大于电阻，电路主要成感性，根据电路理论，两相电枢绕组的触发角均设为90°能够有效的抑制自由分量，使每相输出相对独立的正弦电流波形，更容易进行脉冲调制形成较为理想的波形。放电时，由二极管续流短路的励磁绕组3与电枢绕组耦合感应电流，为电枢绕组提供补偿，降低电枢绕组的等效电感，从而输出幅值更大的脉冲电流。

达到所需的电流脉宽后，控制系统停止给放电整流器14门极控制信号，两相电枢绕组电流过零后放电过程结束，进入能量回收过程，控制系统控制自激整流器15使其工作在逆变状态，电机此时电动运行，电机转速升高，励磁绕组储存的电能转化为电机的动能，为下一次放电做准备。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式六所述的两相空芯补偿脉冲发电机实现脉冲放电的方法的进一步限定，所述放电整流器14的触发角α等于90°。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式六所述的两相空芯补偿脉冲发电机实现脉冲放电的方法的进一步限定，其特征在于，所述的控制电路由PLC或单片机实现。

具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式六所述的两相空芯补偿脉冲发电机实现脉冲放电的方法的进一步限定，所述控制电路监测励磁绕组3的电流，是通过电流传感器实现的。

具体实施方式十：本实施方式是对具体实施方式六所述的两相空芯补偿脉冲发电机实现脉冲放电的方法的进一步限定，所述控制电路监测A相电枢绕组1的端电压和B相电枢绕组2的端电压，是通过电压传感器实现的。

通过电压、电流、速度传感器对电机的实时数据进行采集，并根据相应的数据和时序对各开关管进行控制，实现对电机启励、自激、放电以及能量回收过程的控制。

Claims (10)

1.一种两相空芯补偿脉冲发电机，其特征在于，它包括定子、转子、离合器(8)、滑环(12)和电刷(13)；

所述定子包括机壳(5)、端盖(4)、空芯定子轭(9)、A相电枢绕组(1)和B相电枢绕组(2)；空芯定子轭(9)固定在机壳(5)内壁上，A相电枢绕组(1)和B相电枢绕组(2)固定在空芯定子轭(9)内壁上，两个端盖(4)分别固定机壳(5)的两端；

所述转子包括主轴(7)、空芯转子轭(11)、励磁绕组(3)和转子绷带(10)；转子设置在机壳(5)内，且与定子同心，空芯转子轭(11)套接在主轴(7)外表面，空芯转子轭(11)的外表面粘有励磁绕组(3)，励磁绕组(3)外表面缠绕有转子绷带(10)，转子绷带(10)与A相电枢绕组(1)和B相电枢绕组(2)之间为均匀的气隙，励磁绕组(3)的末端通过滑环(12)与电刷(13)连接，所述滑环(12)固定在主轴(7)的一端，所述主轴(7)的另一端作为动力输入端与离合器(8)连接。

2.根据权利要求1所述的两相空芯补偿脉冲发电机，其特征在于，所述A相电枢绕组(1)和B相电枢绕组(2)沿圆周交错排布，A相电枢绕组(1)和B相电枢绕组(2)的电角度相差90°。

3.根据权利要求1所述的两相空芯补偿脉冲发电机，其特征在于，所述A相电枢绕组(1)和B相电枢绕组(2)采用无槽同心式绕组，组成绕组的线圈是由多股利兹线并绕而成，多个线圈之间并联连接组成绕组。

4.根据权利要求1所述的两相空芯补偿脉冲发电机，其特征在于，所述空芯定子轭(9)和空芯转子轭(11)由玻璃纤维环氧树脂缠绕而成。

5.根据权利要求1所述的两相空芯补偿脉冲发电机，其特征在于，所述转子绷带(10)由碳纤维环氧树脂缠绕固化而成。

6.基于权利要求1所述的两相空芯补偿脉冲发电机实现脉冲放电的方法，其特征在于，它是基于整流电路和控制电路实现的，所述整流电路包括两组放电整流器(14)、两组自激整流器(15)、续流二极管(17)、启励电容(18)和启励半导体开关(19)；

所述放电整流器(14)是由4个半导体开关组成的全桥整流电路，

所述自激整流器(15)与放电整流器(14)的结构相同；

A相电枢绕组(1)的两端同时与一组放电整流器(14)的交流输入端和一组自激整流器(15)的交流输入端连接，B相电枢绕组(2)的两端同时与另一组放电整流器(14)的交流输入端和另一组自激整流器(15)的交流输入端连接；

两组放电整流器(14)的直流输出端并联后连接负载，两组自激整流器(15)的直流输出端与续流二极管(17)和转子的励磁绕组(3)并联连接，其中续流二极管(17)的阴极同时与自激整流器(15)的直流输出端的正极连接，直流输出端的阳极连接启励半导体开关(19)的阴极，启励半导体开关(19)的阳极与启励电容(18)的一端连接，启励电容(18)的另一端与续流二极管(17)的阳极连接；

所述两相空芯补偿脉冲发电机实现脉冲放电的方法，包括如下步骤：

步骤一：采用原动机通过离合器(8)拖动转子的主轴(7)旋转，使所述发电机被拖动到额定转速后，通过控制离合器(8)使原动机与转子的主轴(7)脱开；

步骤二：控制电路控制整流电路中的启励半导体开关(19)处于导通状态，控制电路向两组自激整流器(15)输出门极控制信号使励磁绕组(3)产生励磁电流，形成正反馈的自激过程；

步骤三：控制电路监测励磁绕组(3)的电流、A相电枢绕组(1)的端电压和B相电枢绕组(2)的端电压，当所述电流和端电压达到额定值时，控制电路停止向两组自激整流器(15)输出门极控制信号，使得两组自激整流器(15)停止，励磁绕组(3)经续流二极管(17)续流短路，设定放电整流器(14)的触发角为α，0°≤α≤180°，开始向两组放电整流器(14)输出门极控制信号使A相电枢绕组(1)和B相电枢绕组(2)向负载放电；

步骤四：控制电路监测A相电枢绕组(1)和B相电枢绕组(2)的放电电流脉宽，当电流脉宽达到设定值，控制电路停止向两组放电整流器(14)输出门极控制信号，A相电枢绕组(1)和B相电枢绕组(2)的电流过零后放电过程结束。

7.根据权利要求6所述两相空芯补偿脉冲发电机实现脉冲放电的方法，其特征在于，放电整流器(14)的触发角α等于90°。

8.根据权利要求6所述的两相空芯补偿脉冲发电机实现脉冲放电的方法，其特征在于，所述的控制电路由PLC或单片机实现。

9.根据权利要求6所述两相空芯补偿脉冲发电机实现脉冲放电的方法，其特征在于，所述控制电路监测励磁绕组(3)的电流，是通过电流传感器实现的。

10.根据权利要求6所述两相空芯补偿脉冲发电机实现脉冲放电的方法，其特征在于，所述控制电路监测A相电枢绕组(1)的端电压和B相电枢绕组(2)的端电压，是通过电压传感器实现的。

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