CN1607714A - 一种磁通压缩脉冲直线发电机 - Google Patents

Abstract

一种磁通压缩脉冲直线发电机，属于脉冲功率技术领域。它利用推进剂燃烧产生的燃气推动驱动活塞，进而带动电枢在电感线圈中作直线运动进行磁通压缩，产生脉冲大电流。本发明的特点是将驱动段和压缩段分离，解决了推进剂燃烧气体对压缩段的污染问题，解决了压缩段和驱动段设计要求的不一致性，结构紧凑、设计简单、可重复使用，电流放大率和能量放大率高，是一种理想的高功率脉冲源。可应用于需要脉冲大电流的场合。

Description

一种磁通压缩脉冲直线发电机

技术领域

磁通压缩脉冲直线发电机，属于脉冲功率技术领域。

背景技术

磁通压缩发电机是利用磁流体力学中磁场冻结效应原理压缩磁通产生高功率脉冲电流的装置。

1942年，阿尔法报道了磁流体力学中磁场冻结效应，即通过运动的理想(导电流体)的任意闭合回路中的磁通是守恒的。这一结论同样适用于导电性能良好的固态导体。

电流在一个单匝闭合回路中产生的磁通量Φ可以表示为Φ＝LI，其中L为回路的电感，I为回路的电流，根据磁约束方程，在理想状态下(constant)如果外力做功将电感减小则电流增加，磁通压缩发电机就是利用这个原理将电流放大，将其他形式的能量转换为电能。

利用电能来加速载荷装置是发射技术的一个发展趋势，在高压物理学实验技术、航空技术、运输和热核聚变技术等方面有着重要的应用前景。其中的关键是脉冲电源技术，它要求脉冲电源不但具有高储能密度，还需要有高机动性和易于重复使用。尽管近年来国内外在电磁发射研究方面取得了不少可喜的成绩，但在高功率脉冲源方面依然存在不少技术问题，限制了电磁发射技术走向成熟和应用。

1981年R.A.Marshall博士提出利用推进剂的燃烧推动电枢沿轨道直线运动而压缩磁通产生脉冲电流的逆轨道炮磁通压缩发电机[文献1：R.A.Marshall，Rail gun energy stores and system，Proceeding of 3^rd IEEEInternational Pulsed Power Conference，June 1981]。图1为磁通压缩发电机原理结构示意图，它主要包括推进剂，一个可以沿发电通导内壁滑动的电枢，绝缘隔离，建立磁通的线圈，排气孔，建立种子电流的电容器组和开关，以及中心导电杆。驱动段、电枢和导电杆均由良导体构成，首先给电容器组充电，闭合开关，驱动段，电枢，中心导电杆和电感线圈形成回路并流过电流Io，这个种子电流在电感线圈产生一个磁场，此时可以用Φ₀＝L₀I₀来计算电感线圈内的磁通量，而电感线圈的电感量可以近似的表示为 $L={\mathrm{\μ}}_0{N}^2\frac{S}{l},$ 其中N为线圈匝数，S为截面积，l为长度，也就是说线圈的电感量与线圈匝数的平方成正比。当推进剂燃烧推动电枢至电感线圈时，电枢短路电感线圈，电感量减小，实现电流的放大。

随后的近20年，美国高技术研究所对这个电源的设想进行了多次计算分析和改进[文献2：R.A.Marshall，The resuable inverse railgunmagnetic flux compression generator to suit the earth-tospace-rail-launch，IEEE Trans.on Mag.vol.20，March 1984；文献3：R.A.Marshal，IRFC Generators：Design Considerations，3rd European EMLSymposium，London 1991；文献4：R.A.Marshal，The Distributed EnergyStore Railgun，Its Effience，and Its Store Implications，IEEE Trans.on Mag.No.1，Janunary 1997]，认为轨道式磁通压缩直线发电机是电磁发射的理想电源。但是，这种发电机电感梯度小，磁通压缩比不大，限制了电流放大倍数。

1993年乌克兰的G.G.Kapustjanenko等人提出一种线圈式磁通压缩脉冲直线电机[文献5：G.G.Kapustjanenko，S.S.Pignasty andS.N.Shevjakin，The Linear Electromechanical generator as PowerSource for Rail Electromagnetic Launchers，9^th Pulsed PowerConference，1993]，他利用电枢压缩电感线圈内的磁通而产生脉冲大电流。

1996年美国Kaman电磁公司也给出了以柴油气体为推进剂的线圈式磁通压缩直线电机的原理性构想[文献6 Peter Mongeau，Combustion DrivenPulsed Linear Generators for Electric Gun Applications，IEEE Trans.onMag.Vol.33 No.1，Janunary 1997]，它的工作原理与图1基本相似，所不同的是在线圈后端连接了一个变压器结构，用于输出功率与负载的匹配。

在美国陆军试验研究室和德克萨斯大学高技术研究所的支持下，Ed.Goldman博士领导系统技术与分析研究小组等三个单位联合研制了一种供电热化学炮使用的往复式磁通压缩发生器。[文献7：Edward B.Goldmanet al，Development of a Flux Compression Power Unit for MillsecondETC Pulsed Power Applications，IEEE Trans.onMag.Vol.35，No.1，Janunary 1999]。图2是Goldman磁通压缩发电机结构示意图，主要由驱动段和压缩段组成，通过法兰直接连接，并且内径相等。其工作过程如下：特制电枢被120mm口径的M256火炮加速到一定的初速后，进入由不锈钢制成的等螺距的电感线圈内，在电枢与电感线圈接触之前，由种子激磁电源(高压储能电容器组)对回路充电，在回路中建立初始种子电流。文献[7]对原理模型进行了理论仿真，仿真结果表明：该装置能产生电热炮需要的脉冲电流，并且电枢能在回路中剩余磁能的作用下，以3.5m/s的速度返回起始位置。同时，Ed.Goldman等人利用研制的上述磁通压缩发电机进行了实验研究，结果并不理想，分析的主要原因可能是驱动段和压缩段直接连接造成的，存在着高速运行的电枢与线圈通道的配合问题及推进剂对线圈通道的污染问题等。

由于实际的系统回路存在电阻，计算表明，要想实现电流的放大必须有较大的电感梯度，即 $\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{dt}}\≥R,$ 其中R为回路电阻。想要满足这个临界条件应该尽可能降低回路电阻所带来的能量损耗，同时应该提高电感的变化率。从上面的分析知道， $L={\mathrm{\μ}}_0{N}^2\frac{S}{l}={\mathrm{\μ}}_0{n}^2\mathrm{Sl},$ 其中n为单位长度线圈匝数，则 $\frac{\mathrm{dL}}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\μ}}_0{n}^{2}S\frac{\mathrm{dl}}{\mathrm{dt}}={\mathrm{\μ}}_0{n}^2\mathrm{Sv},$ 其中v是电枢速度。从理论上来讲，在结构尺寸一定的情况下，提高电枢的速度是非常有效的途径，然而实际工程设计中遇到的问题是电枢速度受到驱动方式的限制，而且高速的电枢与线圈的配合非常困难。

上述问题的存在，影响了活塞式磁通压缩发电机这一技术从概念到应用的转化。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提出一种新型磁通压缩直线发电机，它的特点是解决了推进剂对发电通道的污染和影响，电感梯度大，电流放大倍数大，技术上易于实现。

本发明的基本结构包括3个部分，驱动段，加速段和压缩段。驱动段与压缩段分离，在驱动段与压缩段之间装有加速段，驱动段、加速段和压缩段三部分采用法兰连接。驱动段由推进剂，驱动活塞，连接杆，排气孔，绝缘层，缓冲弹簧构成，驱动活塞和连接杆刚性连接，与驱动段外筒紧配合。排气孔位于驱动段的尾部，用于泄放压力，缓冲弹簧位于驱动段的底部，用于缓冲高速运动的活塞系统。电枢位于加速段内，与驱动活塞刚性连接，压缩段由电感线圈和复合绝缘材料构成，其内径与加速段相同，电枢可在加速段和压缩段内滑动。

本发明的工作过程如下：驱动活塞处于起始位置。工作时点燃推进剂，推进剂燃烧产生高温高压燃气使得驱动段内压力急剧上升，推动驱动活塞向前作加速运动，带动与活塞刚性连接的电枢在加速段中加速，此时闭合开关，电容器组通过压缩段的线圈、负载、中心导电杆、电枢和加速段金属外壁形成回路，流过初始电流I0，在压缩段的电感线圈内形成磁通Φ，电枢在达到一定速度后进入压缩段与有初始电流的电感线圈接触，此时电容器组被断开，电感线圈、中心导电杆、负载形成回路，随着电枢的运动短路电感进行磁通压缩，实现电流的放大。工作过程中，驱动活塞、电枢系统在受到燃烧气体推力的同时，电枢还受到安培力，驱动活塞经缓冲弹簧带动活塞、电枢系统减速后停止。

本发明的特点是：

1.驱动段与压缩段分离，通过加速段相连接。这种设计可以通过增加压缩段直径，提高线圈电感量，使得压缩过程得到较大的电感梯度、电感变化率和电流放大倍数；

2.避免了推进剂和燃烧气体对压缩段的侵蚀，同时解决了驱动段和压缩段结构强度难以匹配的技术难题，在驱动段的设计中主要考虑燃烧特性和机械强度，而在压缩段的设计中主要考虑电流特性和电接触问题。

3.解决了现有技术使压缩段工作一次后即被损坏或被污染的缺点，可重复使用。

附图说明

图1为磁通压缩发电机原理结构图，图中：1推进剂，2电枢，3绝缘材料，4电感线圈，5复合绝缘材料，6排气孔，7电容器组，8开关，9中心导电杆，10驱动段；

图2为现有技术Goldman磁通压缩发电机结构图，图中：1推进剂，2电枢，4电感线圈，9中心导电杆，11支撑件，12线圈支撑，13端盖，14外筒；

图3为本发明具体实施例结构示意图，图中：1推进剂，2电枢，3绝缘材料，4电感线圈，5复合绝缘材料，6排气孔，7电容器组，8开关，9中心导电杆，15驱动活塞，16连接杆，17绝缘层，18负载，19支撑架，20缓冲弹簧；

图4为本发明的压缩段示意图，图中：4电感线圈，21法兰，22绝缘支撑，23中心导电杆支撑；

图5为本发明的电枢结构示意图，图中：9中心导电杆，16连接杆，24弹簧，25接触滑块，26电枢体。

下面结合附图及具体实施例详细说明本发明的内容。

参见附图3：本发明的驱动段采用金属材料，例如不锈钢筒制成，与加速段采用法兰连接。驱动段由推进剂1，驱动活塞15，连接杆16，排气孔6，绝缘层17，缓冲弹簧20构成。驱动活塞15在驱动段内，和位于加速段内的电枢2之间采用连接杆16刚性连接，与驱动段外筒紧配合。连接杆16采用金属材料，例如不锈钢制成。排气孔在驱动段的尾部，用于泄放压力，缓冲弹簧在驱动段的底部，用于缓冲高速运动的活塞系统。加速段由金属材料，例如紫铜制成。压缩段由金属材料例如铜和绝缘材料例如玻璃布加工而成的电感线圈4构成，内径与加速段内径相同，加速段与右边的压缩段采用法兰连接。开关8，电容器组7用来提供初始电流。支撑架19用来支撑发电机系统，保证驱动段、加速段、压缩段三者的中心在同一水平轴线上。

本发明的工作过程如下：在驱动段中点燃推进剂1，推进剂1燃烧产生高温高压燃气使得驱动段内压力急剧上升，推动驱动活塞15向前作加速运动，带动与驱动活塞15刚性连接的电枢2在加速段中加速，电枢2的运动除了受到推进剂1燃烧所提供的推力外，还受到压缩后端空气所产生的阻力和电流在磁场中运动所产生的各种阻力，在电枢2进入压缩段与电感线圈4接触之前，用外部小功率直流电源给由电感线圈4、负载18和中心导电杆9组成的串联电路提供种子电流I₀，在回路中建立种子磁通。电枢2进入压缩段与电感线圈4接触后，驱动活塞15在燃气的推动下继续向前运动，电枢2与电感线圈4保持连续电接触，电枢2后边的线圈匝被甩出电流回路，随着电枢2的向前运动，回路中的电感不断减小。理想情况下，由于磁通在良导体内守恒，即电感与电流的乘积保持不变，电感减小，电流必然增大，负载18上将得到放大的电流。驱动活塞15经缓冲弹簧20减速后停止。在此过程中，电枢历经加速、减速和静止三种运动状态。

图4为本发明的压缩段示意图。参见附图4，电感线圈4采用铜柱型材料，在中轴线打定位通孔并安装两端法兰。电感线圈4由金属材料整体车制而成，其制作方法是：在车制出外螺纹的铜圆柱体外缠绕10-20mm厚环氧布，并在螺纹间密实填充环氧布，然后在圆柱体中心轴打通孔，车内直径至螺纹处，构成螺管形电感线圈，其匝间有环氧布绝缘支撑。根据通流能力和绝缘要求外车螺纹，安装电流引出线。由于电感线圈不仅要承受大电流，还要承受大的匝间电压，因此要保证电感线圈的截面积。

图5为本发明的电枢结构示意图。参见附图5，电枢体26采用金属材料，例如铝制成，接触滑块25采用金属材料，例如铜制成，沿电枢体26轴向均匀分布6个或8个孔，用来安装弹簧24和接触滑块25，弹簧24和接触滑块25采用焊接方式连接，接触滑块25构成滑环，保证电枢2在运动过程中与电感线圈4的良好电接触。

具体实施方式：

本发明具体实施方式的驱动段由不锈钢筒构成，内径82毫米，根据具体速度要求设计内径可以在80mm至500mm之间，驱动活塞、电枢、连接杆和中心导电杆系统重7kg，加速段由紫铜构成，长1m，内径根据输出要求在100mm至1000mm变化，电枢进入压缩段初速度300m/s，线圈长600mm，内径160mm，线圈导线截面12mm²，绝缘厚度3mm，电感匝数100，电感量 $L={\mathrm{\μ}}_0{N}^2\frac{S}{l}=420\mathrm{\μH},$ 压缩后的回路残余电感为2uH，回路采用电导率较大的良导体可以将回路电阻控制在60mΩ以内。

活塞和电枢之间的连接杆为不锈钢材料制成。本发明可应用于需要脉冲大电流的场合。

Claims (3)

1、一种磁通压缩脉冲直线发电机，包括驱动段和压缩段，其特征在于驱动段与压缩段分离，在驱动段与压缩段之间装有加速段，驱动段、加速段和压缩段三部分采用法兰连接；加速段和压缩段的内径相等，电枢[2]与驱动活塞[15]刚性连接，加速段和中心导电杆[9]由金属材料制成。

2、如权利要求1所述的磁通压缩脉冲直线发电机，其特征在于所说的压缩段是由法兰[21]，绝缘支撑[22]，电感线圈[4]和中心导电杆支撑[23]组成；电感线圈[4]由金属材料整体车制而成，其制作方法是：在车制出外螺纹的铜圆柱体外缠绕10-20mm厚环氧布，并在螺纹间密实填充环氧布，然后在圆柱体中心轴打通孔，内直径车至螺纹处，构成螺管形电感线圈，其匝间有环氧布绝缘支撑。

3、如权利要求1所述的磁通压缩脉冲直线发电机，其特征在于所说的电枢是由电枢体[26]，弹簧[24]，接触滑块[25]组成，弹簧[24]和接触滑块[25]采用焊接方式连接，由接触滑块[25]构成滑环，保证电枢[2]在运动过程中与电感线圈[4]实现良好电接触。

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