CN102638153B - 一种双轴补偿空芯脉冲发电机及其脉冲成型系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种双轴补偿空芯脉冲发电机及其脉冲成型系统和方法，涉及一种脉冲发电机及其脉冲成型方法，属于电机领域。目的是针对现有选择被动补偿空芯脉冲发电机输出轨道炮所需的理想脉冲电流波形与自激效率相矛盾的问题。一种双轴补偿空芯脉冲发电机，补偿绕组与励磁绕组正交排布，分别提供交轴与直轴补偿，其脉冲成型系统包括主放电晶闸管、整流器、续流二极管、启励电容和启励晶闸管。其脉冲成型方法为：原动机拖动转子至额定转速后与发电机脱开，励磁电流通过正反馈的自激过程达到额定值后，闭合主放电晶闸管，电枢绕组向负载放电，转子上短接的交轴补偿绕组和续流的励磁绕组感应电流提供补偿，输出所需的脉冲电流波形。实现发电机脉冲电源的小型化。
Description
技术领域
本发明涉及一种脉冲发电机及其脉冲成型方法，属于电机领域。
背景技术
高功率脉冲电源是电磁发射系统中的重要部件，它为电磁炮提供发射所需的能量和脉冲功率。1978年美国德克萨斯大学机电研究中心W.F.Weldon等人发明了补偿脉冲发电机，并于1980年获得美国专利，见Weldon et al.Compensated Pulsed Alternator，U.S.Patent4200831Apr.29,1980。这种电机利用置于电枢与励磁线圈之间的补偿绕组或补偿筒，在放电时对电枢绕组进行补偿，有效的降低了电机的内电感，从而能够瞬时输出极大的电流脉冲，被视为理想的脉冲功率电源。
小型化与高效化是电磁轨道炮等新型电磁发射装置的发展方向，这就要求脉冲电源在具有更高能量密度和功率密度的同时，还能够提供理想的电流波形。采用空芯结构，即用高强度密度比的新型复合材料替代传统的铁芯，能够有效地降低电机质量提高转速，从而获得更高的能量密度和功率密度；采用选择被动补偿方式，能够在特定的位置上对电枢绕组提供补偿，获得近似梯形的理想平顶电流脉冲，有效地降低了弹丸峰值/平均值的加速度比率，提高发射效率。然而，现有的选择被动补偿脉冲发电机，为了输出平顶的电流脉冲，其补偿绕组与励磁绕组并不是正交排布的，自激时补偿绕组内也会感应电流，阻碍励磁磁通进入电枢，严重的影响了自激效率。这种矛盾的存在，使得需要对现有的选择被动补偿脉冲发电机进行优化，使它既能产生理想的脉冲电流波形，又不影响自激效率。
发明内容
本发明的目的是针对现有选择被动补偿空芯脉冲发电机输出轨道炮所需的理想脉冲电流波形与自激效率相矛盾的问题，提出一种双轴补偿空芯脉冲发电机及其脉冲成型方法。一种双轴补偿空芯脉冲发电机，它包括空芯转子和空芯定子，所述空芯转子包括励磁绕组和交轴补偿绕组，交轴补偿绕组具有四个线圈，每个线圈都是自行短路连接的，交轴补偿绕组与励磁绕组中的相邻两个线圈的轴线为在空间上的机械角度相差45°，所述相邻两个线圈的电角度相差90°的正交排布。所述电机采用四极结构，所述的空芯定子由电枢绕组、空芯定子轭和机壳组成，空芯定子内部为圆筒形空腔，该圆筒形空腔内设置有空芯转子；
所述空芯定子轭的外侧壁固定于机壳的内壁上；所述电枢绕组固定在空芯定子轭的内壁上；
所述空芯转子是由内向外依次为空芯转子轭、励磁绕组、励磁绕组绷带、交轴补偿绕组以及补偿绕组绷带。
一种双轴补偿空芯脉冲发电机的脉冲成型系统，它包括主放电晶闸管、负载、整流器、续流二极管、启励电容和启励晶闸管；
定子电枢绕组通过主放电晶闸管与负载形成放电回路；所述定子电枢绕组输出的电压经整流器整流后，通过电刷滑环与转子励磁绕组相连，形成自激回路；启励电容和启励晶闸管通过电刷滑环与转子励磁绕组形成闭合的启励回路；
整流器采用单相桥式全控整流结构。
一种双轴补偿空芯脉冲发电机脉冲成型系统的脉冲成型方法，实现脉冲成型方法的步骤如下：
步骤一：采用原动机拖动转子主轴旋转，使转子达到额定转速后，通过控制离合器将原动机与转子主轴脱开，所述转子靠惯性继续旋转；
步骤二：控制启励晶闸管闭合，使启励回路闭合，启励电容向转子励磁绕组提供种子电流，定子电枢绕组获得感应电势，该感应电势通过整流器整流后，再输给励磁绕组，使励磁绕组中产生励磁电流，形成正反馈的自激过程；
步骤三：监测励磁绕组中的电流，当励磁电流达到额定值时，控制整流器停止整流，励磁电流经续流二极管续流；根据负载需求，设定主放电晶闸管的触发角，控制主放电晶闸管闭合，电枢绕组向负载放电；转子上短接的交轴补偿绕组和续流的励磁绕组感应电流，分别提供交轴与直轴补偿，输出所需的脉冲电流波形。
本发明的优点是：本发明电机的补偿绕组与励磁绕组正交排布，分别在交轴与直轴提供选择补偿，比现有的选择被动补偿结构增加了一个可以调节和优化的自由度，更容易获得理想的脉冲电流波形，提高电磁发射装置的效率。同时，这种结构解耦了补偿绕组与励磁绕组之间的磁路耦合，解决了空芯电机自激效率与脉冲成型之间的矛盾，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为一种双轴补偿空芯脉冲发电机的结构示意图；
图2为图1的A-A剖视图；
图3为一种双轴补偿空芯脉冲发电机的脉冲成型系统结构示意图；
具体实施方式
具体实施方式一.下面结合图2说明本实施方式，一种双轴补偿空芯脉冲发电机，它包括空芯转子和空芯定子，所述空芯转子包括励磁绕组3和交轴补偿绕组2，其特征在于：交轴补偿绕组2具有四个线圈，每个线圈都是自行短路连接的，交轴补偿绕组2与励磁绕组3中的相邻两个线圈的轴线为在空间上的机械角度相差45°，所述相邻两个线圈的电角度相差90°的正交排布。
所述电机为四极对称结构，在每一极下，励磁绕组3的轴线21与交轴补偿绕组2的轴线22在空间上机械角度相差45度，电角度相差90度，使得交轴补偿绕组2与励磁绕组3之间没有磁场的耦合，因而在自激过程中交轴补偿绕组2不会感应电流，较现有的选择被动补偿结构提高了自激效率。
放电时，短接的交轴补偿绕组2感应电流，在每个周期的指定位置与定子电枢绕组1的磁场耦合，提供交轴补偿，降低电枢绕组1的等效电感，从而调节负载电流波形。
具体实施方式二.下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，一种双轴补偿空芯脉冲发电机，所述电机采用四极结构，所述的空芯定子由电枢绕组1、空芯定子轭9和机壳5组成，空芯定子内部为圆筒形空腔，该圆筒形空腔内设置有空芯转子；
所述空芯定子轭9的外侧壁固定于机壳5的内壁上；所述电枢绕组1固定在空芯定子轭9的内壁上；
所述空芯转子是由内向外依次为空芯转子轭12、励磁绕组3、励磁绕组绷带11、交轴补偿绕组2以及补偿绕组绷带10。
本实施方式所述电机是一种具有特殊结构的选择被动补偿式空芯脉冲发电机，这种电机采用旋转励磁结构，励磁电流通过电刷14和滑环13装置引入转子励磁绕组3，产生主极磁场；转子上另一套交轴补偿绕组2自行短路，放电时在特定的位置对电枢绕组1提供选择补偿；电枢绕组1在定子上，切割旋转磁力线感应电压，向负载输出；电机采用全空芯结构，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12均由复合材料或钛合金制成；三套绕组均采用无槽结构，在模具内借助环氧树脂一次成型，并通过高强度环氧树脂粘结在相应的支撑部件上。
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；它能产生较为理想的平顶脉冲电流，并且不影响自激效率，具有整机效率高，能量密度和功率密度大等优势。
具体实施方式三.下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式二的进一步说明，所述电枢绕组1具有四个线圈，该四个线圈采用并联接法。
所述电机设计转速及气隙磁密较高，因此输出电压容易满足负载需求，为了降低所述电机的内电感，输出更大的电流脉冲，本实施方式电枢绕组1采用并联接法
具体实施方式四.下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式二的进一步说明，所述电枢绕组1为单相绕组，且采用无槽同心式结构，由多股利兹线并联绕制而成。
为了满足热负荷，电枢绕组1的绕组截面积一般较大，采用同心式结构更容易绕制与成型。绕组采用利兹线绕制，取代了现有的铜排或扁铜线，能够有效的减弱放电时电枢绕组1的趋肤效应，降低电机的内电阻。
具体实施方式五.下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式二的进一步说明，所述空芯定子轭9由复合材料缠绕而成，其内表面通过环氧树脂粘结电枢绕组1，外表面通过环氧树脂粘结于所述机壳5的内壁上。
圆筒形的空芯定子轭9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之间通过高强度环氧树脂粘结固定；为了抑制放电时产生的切向应力对绕组的影响，电枢绕组1的四个线圈必须紧密排布，并通过高强度的环氧树脂粘结在空芯定子轭9的内表面；
具体实施方式六.下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式二的进一步说明，所述空芯转子轭12由不导磁的复合材料构成。
空芯转子轭12主要起支撑和储能的作用，为了满足电机高能量密度和功率密度的需求，空芯转子轭12采用高强度密度比的玻璃纤维环氧树脂缠绕而成，也可以采用整体锻造的钛合金。
具体实施方式七.下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式二的进一步说明，所述励磁绕组3通过励磁绕组绷带11固定在空芯转子轭12表面；所述交轴补偿绕组2通过补偿绕组绷带10固定；所述励磁绕组绷带11及补偿绕组绷带10由复合材料环氧树脂缠绕固化而成。
电机的高速旋转会产生较大的离心力，转子上的交轴补偿绕组2与励磁绕组3仅通过环氧树脂的粘结作用不能得到可靠的固定，因此在励磁绕组3外表面设置一层励磁绕组绷带11，在交轴补偿绕组2外表面设置一层补偿绕组绷带10；励磁绕组绷带11还为交轴补偿绕组2提供支撑面，较补偿绕组绷带10略厚；转子上的两层绷带可由玻璃纤维环氧树脂缠绕而成，并与绕组粘结工艺一次成型；由于补偿绕组绷带10在转子的最外缘，将承受相对较大的离心力，因此也可采用更高强度的碳纤维环氧树脂缠绕，从而最大限度的提高电机转速，增大电机的能量密度和功率密度。
具体实施方式八.下面结合图1、图2和图3说明本实施方式，一种双轴补偿空芯脉冲发电机的脉冲成型系统，它包括主放电晶闸管15、负载16、整流器17、续流二极管18、启励电容19和启励晶闸管20；
定子电枢绕组1通过主放电晶闸管15与负载16形成放电回路；所述定子电枢绕组1输出的电压经整流器17整流后，通过电刷14滑环13与转子励磁绕组3相连，形成自激回路；启励电容19和启励晶闸管20通过电刷14滑环13与转子励磁绕组3形成闭合的启励回路；
整流器17采用单相桥式全控整流结构。
具体实施方式九.下面结合图1和图2说明本实施方式，一种双轴补偿空芯脉冲发电机脉冲成型系统的脉冲成型方法，实现脉冲成型方法的步骤如下：
步骤一：采用原动机拖动转子主轴7旋转，使转子达到额定转速后，通过控制离合器8将原动机与转子主轴7脱开，所述转子靠惯性继续旋转；
步骤二：控制启励晶闸管20闭合，使启励回路闭合，启励电容19向转子励磁绕组3提供种子电流，定子电枢绕组1获得感应电势，该感应电势通过整流器17整流后，再输给励磁绕组3，使励磁绕组3中产生励磁电流，形成正反馈的自激过程；
步骤三：监测励磁绕组3中的电流，当励磁电流达到额定值时，控制整流器17停止整流，励磁电流经续流二极管18续流；根据负载16需求，设定主放电晶闸管15的触发角，控制主放电晶闸管15闭合，电枢绕组1向负载放电；转子上短接的交轴补偿绕组2和续流的励磁绕组3感应电流，分别提供交轴与直轴补偿，输出所需的脉冲电流波形。
本实施方式所述脉冲成型方法的逻辑控制过程由一套集成的系统控制，这个控制系统可以采用PLC或者单片机实现，通过电压、电流、速度传感器对电机的实时数据进行采集，并根据相应的数据进行自激及放电过程的控制。
本实施方式与现有选择被动补偿脉冲发电机的不同之处在于，将选择被动补偿分解为交轴补偿与直轴补偿：短接的交轴补偿绕组2放置在交轴上，在电机正半周电压放电时感应电流，为电枢绕组1提供交轴补偿，使得电枢绕组1的等效电感成正弦规律变化，且电感变化频率是电机频率的2倍，产生具有快速上升和下降沿但中点电流低的马鞍形脉冲电流；与之相反，放电时励磁绕组3处于续流短路状态，为电枢绕组1提供直轴补偿，产生上升和下降沿较慢但中点电流高的尖顶脉冲电流。如果两个补偿作用完全相同，所述电机将输出正弦电流波形，因此本实施方式设置交轴补偿绕组2更靠近电枢绕组1，而励磁绕组3相对较远，从而削弱直轴补偿作用，使电机输出负载轨道炮理想的近似梯形的平顶脉冲电流。
本发明不局限于上述实施方式，还可以是上述各实施方式中所述技术特征的合理组合。
Claims (8)
1.一种双轴补偿空芯脉冲发电机，该电机的补偿绕组与励磁绕组正交排布，分别在交轴与直轴提供选择补偿，它包括空芯转子和空芯定子，所述空芯转子包括励磁绕组（3）和交轴补偿绕组（2），其特征在于：交轴补偿绕组（2）具有四个线圈，每个线圈都是自行短路连接的，交轴补偿绕组（2）与励磁绕组（3）中的相邻两个线圈的轴线为在空间上的机械角度相差45°，所述相邻两个线圈的电角度相差90°的正交排布；
所述电机采用四极结构，所述的空芯定子由电枢绕组（1）、空芯定子轭（9）和机壳（5）组成，空芯定子内部为圆筒形空腔，该圆筒形空腔内设置有空芯转子；
所述空芯定子轭（9）的外侧壁固定于机壳（5）的内壁上；所述电枢绕组（1）固定在空芯定子轭（9）的内壁上；
所述空芯转子是由内向外依次为空芯转子轭（12）、励磁绕组（3）、励磁绕组绷带（11）、交轴补偿绕组（2）以及补偿绕组绷带（10）。
2.根据权利要求1所述的一种双轴补偿空芯脉冲发电机，其特征在于：所述电枢绕组（1）具有四个线圈，该四个线圈采用并联接法。
3.根据权利要求1所述的一种双轴补偿空芯脉冲发电机，其特征在于：所述电枢绕组（1）为单相绕组，且采用无槽同心式结构，由多股利兹线并联绕制而成。
4.根据权利要求1所述的一种双轴补偿空芯脉冲发电机，其特征在于：所述空芯定子轭（9）由复合材料缠绕而成，其内表面通过环氧树脂粘结电枢绕组（1），外表面通过环氧树脂粘结于所述机壳（5）的内壁上。
5.根据权利要求1所述的一种双轴补偿空芯脉冲发电机，其特征在于：所述空芯转子轭（12）由不导磁的复合材料构成。
6.根据权利要求1所述的一种双轴补偿空芯脉冲发电机，其特征在于：所述励磁绕组（3）通过励磁绕组绷带（11）固定在空芯转子轭（12）表面；所述交轴补偿绕组（2）通过补偿绕组绷带（10）固定；所述励磁绕组绷带（11）及补偿绕组绷带（10）由复合材料环氧树脂缠绕固化而成。
7.基于权利要求1所述的一种双轴补偿空芯脉冲发电机的脉冲成型系统，其特征在于：它包括主放电晶闸管（15）、负载（16）、整流器（17）、续流二极管（18）、启励电容（19）和启励晶闸管（20）；
定子电枢绕组（1）通过主放电晶闸管（15）与负载（16）形成放电回路；所述定子电枢绕组（1）输出的电压经整流器（17）整流后，通过电刷（14）滑环（13）与转子励磁绕组（3）相连，形成自激回路；启励电容（19）和启励晶闸管（20）通过电刷（14）滑环（13）与转子励磁绕组（3）形成闭合的启励回路；
整流器（17）采用单相桥式全控整流结构。
8.基于权利要求7所述的一种双轴补偿空芯脉冲发电机脉冲成型系统的脉冲成型方法，其特征在于，实现脉冲成型方法的步骤如下：
步骤一：采用原动机拖动转子主轴（7）旋转，使转子达到额定转速后，通过控制离合器（8）将原动机与转子主轴（7）脱开，所述转子靠惯性继续旋转；
步骤二：控制启励晶闸管（20）闭合，使启励回路闭合，启励电容（19）向转子励磁绕组（3）提供种子电流，定子电枢绕组（1）获得感应电势，该感应电势通过整流器（17）整流后，再输给励磁绕组（3），使励磁绕组（3）中产生励磁电流，形成正反馈的自激过程；
步骤三：监测励磁绕组（3）中的电流，当励磁电流达到额定值时，控制整流器（17）停止整流，励磁电流经续流二极管（18）续流；根据负载（16）需求，设定主放电晶闸管（15）的触发角，控制主放电晶闸管（15）闭合，电枢绕组（1）向负载放电；转子上短接的交轴补偿绕组（2）和续流的励磁绕组（3）感应电流，分别提供交轴与直轴补偿，输出所需的脉冲电流波形。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20131113 |