专利名称：一种混合型脉冲电源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种脉冲电源，特别涉及燃烧驱动磁流体磁通压缩混合型脉冲电源。
背景技术：
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。
产生高功率脉冲电能的方法有多种，主要有电容器或电感器、脉冲形成网络、开关等组成的强流相对论电子束发生器；爆炸磁流体发电机；爆炸磁通压缩发生器等。
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1R.A.Marshall，Rail gun energy stores and system，Proceeding of 3rdIEEEInternational Pulsed Power Conference，June 1981]。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2R.A.Marshall，The resuable inverse railgun magnetic flux compressiongenerator to suit the earth-to space-rail-launch，IEEE Trans.onMag.vol.20，March 1984；文献3R.A.Marshal，IRFC GeneratorsDesignConsiderations，3rd European EML Symposium，London 1991；文献4R.A.Marshal，The Distributed Energy Store Railgun，Its Effience，and ItsStore 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5G.G.Kapustjanenko，S.S.Pignasty andS.N.Shevjakin，The Linear Electromechanical generator as Power Sourcefor Rail Electromagnetic Launchers，9thPulsed Power Conference，1993]，他利用电枢压缩电感线圈内的磁通而产生脉冲大电流。
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7EdwardB.Goldman et al，Development of a Flux Compression Power Unit forMillsecond ETC Pulsed Power Applications，IEEE Trans.onMag.Vol.35，No.1，Janunary 1999]。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，分析的主要原因有高速运行的电枢与线圈通道的配合问题，有推进剂对线圈通道的污染问题等。
以电容器储能的系统，其能量重量(或体积)比很低，不适合弹/机/车载的脉冲电能系统，而且存在长时间储能时安全可靠性及机动性问题；以电感器储能的系统，需要断路开关，而断路开关尚未达到实用化；爆炸磁流体发电机在输出中等功率时虽有很大优越性，但在输出很大功率和能量时，其能量重量(或体积)比迅速降低，主要是磁体重量大大增加，同时其能量转换效率远不如爆炸磁通压缩发生器高；爆炸磁通压缩发生器也因需要电容器储能提供初始种子电流而使其能量重量(或体积)比大为降低。采用金属管的爆炸磁通压缩发生器只能单次使用，采用活塞作为电枢的磁通压缩发生器，电枢高速运行时与驱动段和压缩段结构强度难以匹配，并且难以保证良好电接触。
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燃烧驱动磁流体磁通压缩混合型脉冲电源，它的特点是利用燃烧驱动磁流体发电机的输出作为磁通压缩发生器的种子电流，以高电导等离子体取代爆炸磁通压缩发生器中的金属管或电枢，解决了推进剂对发电通道的污染和影响，不存在火药爆炸产生的碳粒等污染物，不会使系统结构产生破坏性形变。可重复使用，技术上易于实现。
本发明的基本结构包括4个部分沿水平方向依次顺序排列的高压段，低压段，发电段和压缩段。高压段、低压段、发电段和压缩段各部分之间用法兰连接。高压段由进气孔，高压管筒，火花塞，隔膜和隔膜压圈构成，由进气孔将氢氧氦混合气体充入高压管筒内，作为推进剂，火花塞设置在高压管筒靠近隔膜的一端；低压段由进气口、低压管筒、抽气孔、低压端隔膜、低压隔膜压圈和低压段法兰构成，由抽气孔将低压段抽真空，然后由进气口通入一定量的氩气至低压管筒内作为工质气体；高压段与低压段之间用法兰连结，隔膜和隔膜压圈置于两法兰之间，与高压段法兰和低压段法兰接触的两面有密封圈进行密封；发电段主要由铁心，线圈，电极和电极绝缘筒，电流输出引线构成，线圈绕在开有气隙的铁心上，电极和电极绝缘筒位于气隙的中心，并且电极与气隙两端的铁心互相垂直，发电段与低压段之间用法兰连结，低压端隔膜和低压隔膜压圈置于两法兰之间，与低压段法兰和发电段法兰接触的两面有密封圈进行密封；压缩段主要由电感线圈，电感线圈绝缘筒，电流输入引线和负载输出引线构成，电流输入引线设置在电感线圈靠近发电段的一端，负载输出引线设置在电感线圈靠近负载的一端，负载为一感性负载或变压器。
本发明的高压段、低压段和发电段为燃烧驱动磁流体发电机，压缩段为磁通压缩发生器。燃烧驱动磁流体发电机在发电段产生的电流为输入压缩段磁通压缩发生器电感线圈的种子电流；磁通压缩发生器的电枢为高速通过压缩段的燃烧驱动磁流体发电机在高压段和低压段产生的高电导等离子体工质。种子电流输入压缩段磁通压缩发生器的电感线圈，高电导等离子体工质作为磁通压缩发生器的电枢高速通过压缩段。
具体工作过程如下工作时先分别在高压段和低压段通入一定量的氢氧氦混合气体和氩气，氦气作为稀释用气体。通入高压段内的氢氧氦混合气体作为推进剂，初压为5-10个大气压。低压段抽真空，通入低压段内的氩气作为工质气体，初压小于0.01个大气压。点燃推进剂，推进剂在高压段内燃烧产生高温高压气体，当气体压力达到一定值后，隔膜破裂，产生强激波。当气体压力达到90个大气压时，厚度为1毫米的隔膜破裂。为了产生高强度激波，高压段和低压段气体的初始压力比必须大于10000。该激波通过内装氩气的低压段后可产生4万度高温高导电率并高速运动的氩气等离子体，激波的速度可达7200m/s，波后的氩气等离子体流速达5400m/s，等离子体的电导率大于5000S/m，电阻小于2毫欧，相当于运动导体。该等离子体进入发电段，切割由线圈电源给线圈通电后在铁心气隙中产生的磁场，产生感应电动势，其脉冲宽度决定于气流流速和发电通道长度，幅值是E＝uB0h，此时磁流体发电机的负载电路由感应电动势、等离子体电阻、电感线圈和负载组成，该回路中的电流通过电极输出到压缩段的电感线圈和负载，作为磁通压缩发生器的初始种子电流，同时高速运动的高电导等离子体又作为磁通压缩发生器的电枢，高速运动通过压缩段，不断短路电感线圈，当等离子体运动到电感线圈的右端时，电感线圈脱离回路，回路中只有负载电感。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，L*I为一常数，电感减小，电流必然增大，从而实现电流的放大。
本发明的特点是1.激波压缩形成的高速、高电导等离子体既作为发电段的输入以提供初始种子电流，又作为压缩段的输入，使回路中的电感不断减小，实现电流放大。
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。
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。
4.可长期储存，安全可靠。
5.可以随时启动。
图1为本发明具体实施例结构示意图，图中I高压段，II低压段，III发电段，IV压缩段，1推进剂，2高压管筒，3火花塞，4隔膜，5低压管筒，6发电段法兰，7铁心，8线圈，9电极绝缘筒，10电极，11电感线圈绝缘筒，12电感线圈，13电流输入引线，14负载输出引线，15支架，16负载，18进气口，19线圈电源，20进气孔，21高压段法兰，22低压段法兰，23压缩段法兰，24隔膜压圈，25抽气孔，26低压端隔膜，27低压隔膜压圈。
图2为本发明的发电段结构示意图，图2a中10电极，6发电段法兰，9电极绝缘筒，8线圈，7铁心，图2b中17电流输出引线。
图3为本发明的压缩段结构示意图，图中11电感线圈绝缘筒，23压缩段法兰，12电感线圈，13电流输入引线，14负载输出引线。
具体实施例方式
下面结合附图及具体实施例详细说明本发明的内容。
如图1所示本发明包括高压段I，低压段II，发电段III和压缩段IV，沿水平方向依次顺序排列。高压段I、低压段II、发电段III和压缩段IV四部分之间用法兰连接。高压段I采用金属材料，例如不锈钢管制成，与低压段II用法兰连接。高压段I由进气孔20，高压管筒2，火花塞3，法兰21，隔膜4和隔膜压圈24构成，高压管筒2的左端有进气孔20，可通入一定的氢氧氦混合气体作为推进剂1，火花塞设置在高压管筒右端靠近隔膜处。隔膜4的制作材料为铝。低压段II采用金属材料，例如不锈钢管制成，低压段II由进气口18、低压管筒5、低压段法兰22、抽气孔25，低压端隔膜26，低压隔膜压圈27构成。发电段III由发电段法兰6，铁心7，线圈8，电极绝缘筒9，电极10，电流输出引线17构成，电极10采用金属材料例如紫铜制成，线圈8绕在开有气隙的铁心7上，电极10和电极绝缘筒9位于气隙的中心，并且电极10与气隙两端的铁心7互相垂直，从电极10上向外引出电流输出引线17，然后通过两根外接引线连接到压缩段IV的电流输入引线13。压缩段IV由压缩段法兰23，电感线圈12，电感线圈绝缘筒11，电流输入引线13和负载输出引线14组成，电感线圈12由金属材料例如铜加工制成，电感线圈12由两块半圆紫铜板相对放置组成，两块板之间有绝缘，其内径与发电段III内径相同，外用环氧玻璃布缠绕固化构成电感线圈绝缘筒11，与电感线圈12成为一体，保证强度。法兰23安装在电感线圈12两端。电感线圈绝缘筒11由绝缘材料例如环氧玻璃布缠绕固化并加工制成，电流输入引线13设置在电感线圈12靠近发电段III的一端，负载输出引线设置在电感线圈12靠近负载的一端。发电段III与压缩段IV采用法兰连接。支撑架15用来支撑电源系统，保证高压段I、低压段II、发电段III和压缩段IV四者的中心在同一水平轴线上。
高压段I、低压段II和发电段III为燃烧驱动磁流体发电机，压缩段IV为磁通压缩发生器。燃烧驱动磁流体发电机在发电段III产生的电流为输入压缩段IV磁通压缩发生器电感线圈的种子电流；磁通压缩发生器的电枢为高速通过压缩段IV的燃烧驱动磁流体发电机在高压段I低压段II产生的高电导等离子体工质。
本发明的工作过程如下在高压段I中点燃由氢氧氦混合气体组成的推进剂1，推进剂1燃烧产生高温高压燃气使得高压段IV内压力急剧上升，上升到一定压力，隔膜破裂，产生高强度激波，通过以氩气为工质气体的低压段后，形成高温高速、高电导氩气等离子体，高速运动的高电导氩气等离子体通过发电段III后产生脉冲电流，脉冲电流通过前后两个电极10输出，为压缩段内的电感线圈及负载提供初始种子电流I0。前后两个电极10和两根电流输出引线17，通过两根外接引线，至上下两根电流输入引线13，经过电感线圈12，再通过上下两根负载输出引线14与负载16连接构成回路。种子电流I0在回路中建立种子磁通。高速运动的高电导等离子体进入压缩段IV与电感线圈12接触后，等离子体、电感线圈和负载形成导电回路，等离子体不断向前运动，则导电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16上将得到放大的电流。
图2为本发明的发电通道结构示意图。如附图2所示，电极10由两块四分之一圆铜板组成，与电极绝缘筒9固定在一起，从前后两电极10上分别引出两根电流输出引线17，铁心7中间开气隙，线圈8分成两组对称排布在气隙两侧的铁心上。每组分4个分线圈，2个分线圈串联，然后4路并联。
图3为本发明的压缩段结构示意图。如图3所示，电感线圈12由两块半园紫铜板相对放置组成，两块板之间有绝缘，外用环氧玻璃布缠绕固化构成电感线圈绝缘筒11，与电感线圈12成为一体，保证强度。法兰23安装在电感线圈12两端。上下两根电流输入引线13与发电段的两根电流输出引线17连接，上下两根负载输出引线14与负载16连接。电感线圈绝缘筒[11]由绝缘材料制成。
本发明具体实施方式
的高压段由不锈钢筒构成，内径80毫米，壁厚15毫米，低压段由不锈钢筒构成，内径80毫米，壁厚10毫米，发电段内径30毫米，壁厚15毫米，电极长150毫，压缩段内径30毫米，绝缘厚度10毫米，电感量6微亨，电阻1.8毫欧。当高压段初压为10个大气压、低压段氩气初压为1毫米汞柱时，激波的速度可达7200m/s，波后的氩气流速达5400m/s，波后压力保持在0.8个大气压，等离子体的电导率大于5000S/m，电阻小于2毫欧。此时，高压段的燃烧压力接近90个大气压。给线圈供电的电源功率约6kW。
本发明可应用于需要脉冲大电流的场所。
权利要求
1.一种混合型脉冲电源，包括高压段[I]，低压段[II]，发电段[III]和压缩段[IV]，其特征在于高压段[I]、低压段[II]、发电段[III]和压缩段[IV]四段同轴、沿水平方向依次顺序排列放置，段与段之间采用法兰连接；高压段[I]和低压段[II]内径相等，发电段[III]和压缩段[IV]的内径相等；高压段[I]、低压段[II]和发电段[III]为燃烧驱动磁流体发电机；压缩段[IV]为磁通压缩发生器；燃烧驱动磁流体发电机在发电段[III]产生的电流为输入压缩段[IV]磁通压缩发生器电感线圈的种子电流；磁通压缩发生器的电枢为高速通过压缩段[IV]的燃烧驱动磁流体发电机在高压段[I]和低压段[II]产生的高电导等离子体工质。
2.如权利要求1所述的混合型脉冲电源，其特征在于所说的高压段[I]由进气孔[20]，高压管筒[2]，火花塞[3]，法兰[21]，隔膜[4]和隔膜压圈[24]构成，高压段[I]内充入推进剂；低压段[II]由进气口[18]、低压管筒[5]、抽气孔[25]、低压端隔膜[26]、低压隔膜压圈[27]和低压段法兰[22]构成，低压段[II]内充氩气；高压段[I]与低压段[II]之间用法兰连接；隔膜[4]和隔膜压圈[24]置于两法兰之间；火花塞[3]设置在高压管筒[2]靠近隔膜[4]的一端；发电段[III]主要由铁心[7]，线圈[8]，电极[10]，电极绝缘筒[9]和电流输出引线[17]构成，铁心[7]中间开气隙，电极[10]和电极绝缘筒[9]位于气隙的中心，并且电极[10]与气隙两端的铁心互相垂直；电极[10]由两块四分之一圆铜板组成，与电极绝缘筒[9]固定在一起，线圈[8]分成两组对称排布在气隙两侧的铁心上，每组分四个分线圈，两个分线圈串联，然后四路并联。
3.如权利要求1所述的混合型脉冲电源，其特征在于所说的压缩段[IV]磁通压缩发生器由压缩段法兰[23]，电感线圈[12]，电感线圈绝缘筒[11]，电流输入引线[13]和负载输出引线[14]组成，电感线圈[12]由两块互相绝缘的半圆紫铜板相对放置而成，其内径与发电段内径相同，外用环氧玻璃布缠绕固化使之成为一体，法兰[23]安装在电感线圈[12]两端，电流输入引线[13]与发电段[III]的电流输出引线[17]连接，负载输出引线[14]与负载[16]连接；电感线圈绝缘筒[11]由绝缘材料制成。
4.如权利要求1或2所述的混合型脉冲电源，其特征在于所说的燃烧驱动磁流体发电机的高压段[I]内充入的推进剂为氢氧氦混合气体。
全文摘要
一种燃烧驱动磁流体磁通压缩混合型脉冲电源。包括高压段[I]，低压段[II]，发电段[III]和压缩段[IV]，高压段[I]、低压段[II]和发电段[III]为燃烧驱动磁流体发电机，压缩段[IV]为磁通压缩发生器。燃烧驱动磁流体发电机在发电段[III]产生的电流为输入压缩段[IV]磁通压缩发生器电感线圈的种子电流；磁通压缩发生器的电枢为高速通过压缩段的燃烧驱动磁流体发电机在高压段[I]和低压段[II]产生的高电导等离子体工质。种子电流输入压缩段[IV]磁通压缩发生器的电感线圈[12]，高电导等离子体工质作为磁通压缩发生器的电枢高速通过压缩段[IV]。本发明结构紧凑、设计简单、可重复使用、长期储存和随时启动。
文档编号H02N3/00GK1783690SQ20041000992
公开日2006年6月7日 申请日期2004年12月2日 优先权日2004年12月2日
发明者严萍, 孙鹞鸿, 童建忠, 张适昌 申请人:中国科学院电工研究所