专利名称：定子双电枢绕组空芯脉冲发电机及其实现脉冲放电的方法
技术领域：
本发明涉及一种定子双电枢绕组空芯脉冲发电机及其实现脉冲放电的方法，属于强脉冲功率源工程技术领域。
背景技术：
作高功率脉冲电源用的旋转电机目前主要有单极发电机、同步发电机和补偿 脉冲发电机。1978年，美国得克萨斯大学机电研究中心的W. F. Weldon等人发明了补偿 脉冲发电机，这种电机克服了单极发电机电压过低，同步发电机电感相对较大等诸多缺 点，并于 1980 年获得美国专利，JaL Weldonff. F. et. al. CompensatedpulsedAlternator, U. S. patent4200831April,29,1980。补偿脉冲发电机是一种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功率密度高、储能密度高、重复频 率高和使用寿命高等综合指标优势。为了满足紧凑型脉冲功率武器的需求，需要设计研发 具有更高功率密度和能量密度的脉冲源。按照电机中有无铁磁材料，补偿脉冲发电机分为 铁芯机和空芯机。空芯机采用比强度比模量高的纤维树脂复合材料代替铁芯机中的传统铁 磁材料。由于纤维树脂复合材料不导磁，消除了磁屏蔽，从而降低了绕组的电感，没有饱和 效应，电机的磁密可以远大于铁芯机磁密，并降低电机的质量和提高了转速，从而空芯样机 获得了比铁芯样机更高的功率密度和能量密度。由于空芯机中没有导磁的铁磁材料，因此磁通路径的磁阻非常大，这就需要很大 的磁动势来建立励磁磁场，即需要很大的励磁电流，常规的它励方式难以在有限条件下获 得极大的励磁电流，因此通常采用自励的方式。现有空芯式发电机，为了提高放电电流的幅 值，会尽量减少电枢绕组的内阻和内感，因此采用的电枢绕组通常匝数较少，并且导线截面 积较大。而在一定的转速和励磁磁场下，反电势和匝数成正比，为了提高自激效率，缩短励 磁时间，又需要提高放电电枢绕组的匝数。这种矛盾的存在，使得需要设计一种电机，使它 的电枢绕组既不影响放电电流峰值，又可以提高自激效率。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有空芯式补偿脉冲发电机电枢绕组匝数的选择使放 电电流的幅值与自激效率相矛盾的问题，提供一种定子双电枢绕组空芯脉冲发电机及其实 现脉冲放电的方法。本发明所述电机为旋转电机，它由机壳、前端盖、后端盖、空芯转子、空芯定子、电 刷和滑环组成，所述空芯转子和空芯定子的轴线重合，
所述空芯转子包括转子主轴、环形转子玻璃纤维环氧树脂轭、无槽励磁绕组、碳纤维环 氧树脂绷带和铝补偿筒；
所述空芯定子包括环形定子玻璃纤维环氧树脂轭、次电枢绕组、玻璃纤维环氧树脂绷带和主电枢绕组，次电枢绕组和主电枢绕组均为单相无槽绕组；
所述环形定子玻璃纤维环氧树脂轭、次电枢绕组、玻璃纤维环氧树脂绷带和主电枢绕组从外向内顺次固定套接，所述环形定子玻璃纤维环氧树脂轭的外表面固定于所述机壳的 内壁上；
前端盖和后端盖分别固定在机壳的两端，转子主轴设置于机壳的内部，并且转子主轴的两端分别穿出于前端盖和后端盖，转子主轴的外表面上从内向外顺次固定套接环形转子 玻璃纤维环氧树脂轭、无槽励磁绕组、碳纤维环氧树脂绷带和铝补偿筒；无槽励磁绕组的两 个接线端通过导线与设置于转子主轴上的滑环和电刷连接； 所述主电枢绕组的内表面与铝补偿筒的外表面之间为气隙。一种采用定子双电枢绕组空芯脉冲发电机实现脉冲放电的方法，它基于下述系统 实现，所述系统包括第一功率变换器、第二功率变换器和启动电容Cs，其中第一功率变换器 有两个输入端和两个输出端，所述第一功率变换器的每个输入端连接主电枢绕组的一个接 线端，所述第一功率变换器的两个输出端为脉冲放电输出端，用于连接用电负载；第二功率 变换器有两个输入端和两个输出端，所述第二功率变换器的每个输入端连接次电枢绕组的 一个接线端，第二功率变换器的两个输出端连接电刷，用来为无槽励磁绕组提供自激励磁； 启动电容Cs通过一个可控开关与电刷并联，用于对无槽励磁绕组自激起励；
所述实现脉冲放电的方法包括以下步骤
步骤一采用原动机拖动转子主轴，使所述电机被拖动至额定转速； 步骤二 控制可控开关闭合使启动电容Cs与所述电机的电刷并联，所述启动电容Cs向 无槽励磁绕组提供种子电流，次电枢绕组内感生出反电势，启动电容Cs放电完毕后，控制 可控开关断开，切断其与无槽励磁绕组的连接；次电枢绕组的感生电势输出给第二功率变 换器变换后，再输出给无槽励磁绕组，使无槽励磁绕组中产生励磁电流；
步骤三监测主电枢绕组的感生电势，当主电枢绕组的电压达到空载额定值，维持无槽 励磁绕组内的自激电流10-90毫秒，在自激电流的维持时间内将所述原动机与转子主轴脱 开，然后通过第一功率变换器向负载放电；
步骤四一次脉冲放电完成，重复步骤一至三，实现连续脉冲放电。本发明的优点是
本发明实现了小型化的重复脉冲电源，满足了例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等机动性脉冲功率源的要求，它的重量低，并且功率密度和能量密 度足够大，在常规条件下能够实现自激起励并满足一定的效率要求。本发明通过空芯转子 上双电枢绕组结构的设置，采用主电枢绕组进行脉冲放电，采用次电枢绕组产生更高的反 电势来实现自激，在不影响放电电流幅值的情况下，提高了自激效率，实现了电机的优化设 计。本发明是一种机电能量变换装置，为内转子结构，它将空芯转子的惯性储能转变 为脉冲电能供负载使用。空芯转子采用密度低、比强度和比模量高的环形转子玻璃纤维环 氧树脂轭，大大降低了电机的质量，提高了空芯转子的转速，增大了空芯转子的惯性储能， 提高了储能密度和功率密度。具有自激效率高、储能密度高、功率密度高、结构紧凑、体积 小、易做成移动式、控制简单、可直接与负载耦合等优点。
图1为本发明装置的立体结构示意图；图2为图1的轴向剖视图；图3为本发明方 法的流程图。
具体实施例方式具体实施方式
一下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述电机为旋 转电机，它由机壳1、前端盖2、后端盖3、空芯转子、空芯定子、电刷6和滑环7组成，所述空 芯转子和空芯定子的轴线重合，
所述空芯转子包括转子主轴41、环形转子玻璃纤维环氧树脂轭42、无槽励磁绕组43、 碳纤维环氧树脂绷带44和铝补偿筒45 ；
所述空芯定子包括环形定子玻璃纤维环氧树脂轭51、次电枢绕组52、玻璃纤维环氧树 脂绷带53和主电枢绕组54，次电枢绕组52和主电枢绕组54均为单相无槽绕组；
所述环形定子玻璃纤维环氧树脂轭51、次电枢绕组52、玻璃纤维环氧树脂绷带53和主 电枢绕组54从外向内顺次固定套接，所述环形定子玻璃纤维环氧树脂轭51的外表面固定 于所述机壳1的内壁上；
前端盖2和后端盖3分别固定在机壳1的两端，转子主轴41设置于机壳1的内部，并 且转子主轴41的两端分别穿出于前端盖2和后端盖3，转子主轴41的外表面上从内向外顺 次固定套接环形转子玻璃纤维环氧树脂轭42、无槽励磁绕组43、碳纤维环氧树脂绷带44和 铝补偿筒45 ；无槽励磁绕组43的两个接线端通过导线与设置于转子主轴41上的滑环7和 电刷6连接；
所述主电枢绕组54的内表面与铝补偿筒45的外表面之间为气隙。本实施方式所述电机是一种具有特殊结构的转场式空芯被动补偿脉冲发电机，它 的空芯定子上设置了两套电枢绕组，两套定子电枢绕组及转子励磁绕组均采用无槽绕组。 空芯转子的无槽励磁绕组43的成形工艺为在模具内借助于环氧树脂一次成形，它的支撑 结构采用的环形转子玻璃纤维环氧树脂轭42不导磁不导电，取代了传统铁芯补偿脉冲发 电机所使用的铁磁材料，以及部分空芯机设计中采用碳纤维环氧树脂做成转子轭的情况， 碳纤维环氧树脂导电，会增加系统的绝缘风险。环形转子玻璃纤维环氧树脂轭42的绝缘性 能好，它降低了无槽励磁绕组43的绝缘等级，同时大大降低了电机的制造成本。由于电机高速旋转会产生较大的离心力，在无槽励磁绕组43的外表面设置一薄 层碳纤维环氧树脂绷带44，可充分的利用碳纤维环氧树脂的高强度和高刚度的特性，由此 可进一步提高空芯转子的转速。空芯转子转速的提高，能够增加空芯转子的惯性储能和放 电能力，同时可以提高补偿脉冲发电机的能量密度和功率密度。空芯定子的环形定子玻璃纤维环氧树脂轭51与机壳1内壁可以通过高强环氧树 脂进行固定，环形定子玻璃纤维环氧树脂轭51、次电枢绕组52、玻璃纤维环氧树脂绷带53 和主电枢绕组54可以采用环氧树脂浇注成一个整体，再将环形转子玻璃纤维环氧树脂轭 42通过高强度环氧树脂固定在转子主轴41上。空芯定子的主电枢绕组54外部缠绕玻璃纤 维环氧树脂绷带53，能够加强对主电枢绕组54的定形，在玻璃纤维环氧树脂绷带53的外表 面粘结次电枢绕组52，由此形成了空芯双电枢绕组的定子结构。 本实施方式所述电机应用于军用武器方面，用作要求机动性高的战车上配备的小型电磁炮的驱动电源，能够代替能量密度低的电容器储能；它在常规条件下能够实现自激，具有自激效率高、电机整体效率高、能量密度和功率密度大等优点。
具体实施方式
二 本实施方式与实施方式一的不同之处在于所述无槽励磁绕组 43与碳纤维环氧树脂绷带44之间通过环氧树脂层粘结固定，碳纤维环氧树脂绷带44与铝 补偿筒45之间通过环氧树脂层粘结固定。其它组成及连接关系与实施方式一相同。碳纤维环氧树脂绷带44无法承受传统热套工艺的高温，在铝补偿筒45和碳纤维 环氧树脂绷带44之间浇注一定厚度的环氧树脂层，能够保证空芯转子在高速时，铝补偿筒 45和碳纤维环氧树脂绷带44之间不松脱，环氧树脂层的安全厚度可以通过理论计算得出； 无槽励磁绕组43与碳纤维环氧树脂绷带44之间采用环氧树脂浇注粘结，可用来增强绝缘。
具体实施方式
三下面结合图2说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不 同之处在于所述空芯转子还包括两个配重环46，所述铝补偿筒45内环表面的两端分别固 定一个配重环46。其它组成及连接关系与实施方式一相同。配重环46的设置，在空芯转子高速旋转时，一方面用来调节空芯转子的动平衡， 另一方面使铝补偿筒45与环形转子玻璃纤维环氧树脂轭42松脱的危险性降低。为进一步 加强效果，还可以在配重环46上设置配置块。
具体实施方式
四本实施方式与实施方式一的不同之处在于所述主电枢绕组54 的内表面与铝补偿筒45的外表面之间的气隙厚度为1mm。其它组成及连接关系与实施方式 一相同。气隙过大，使磁路的长度增加，会使电机的励磁效率降低；气隙过小又容易出现扫 镗，即由于电机振动，实际安装的偏心等因素，导致空芯转子旋转时，与空芯定子相刮蹭。在 实际设计中要根据经验公式进行设计。
具体实施方式
五本实施方式与实施方式一的不同之处在于所述主电枢绕组54 采用截面为长方形的扁铜线绕制。其它组成及连接关系与实施方式一相同。主电枢绕组54由截面积为长方形的扁铜线经模具多次成形加工而成，它用于向 负载进行放电。为了达到尺寸要求和机械强度要求，主电枢绕组54首先要在芯模上进行一 次平面成形，然后在最终模具内进行二次弧面成形，在二次弧面成形的同时要浇注环氧树 月旨，以保证卸模后主电枢绕组54不变形。采用截面积为长方形的扁铜线来加工主电枢绕组 54，利用了扁铜线截面积大，易成形的特点。
具体实施方式
六本实施方式与实施方式一的不同之处在于所述次电枢绕组52 采用截面为圆形的漆包线绕制。其它组成及连接关系与实施方式一相同。次电枢绕组52的成形需在模具内借助于环氧树脂一次成形，环氧树脂起到定形 加固的作用。由于次电枢绕组52内部没有特殊的成形要求，因此采用通用的圆形漆包线制作。
具体实施方式
七本实施方式与实施方式一、二、三、四、五或六的不同之处在于所 述次电枢绕组52和主电枢绕组54的空间机械角度相差45°。其它组成及连接关系与实施 方式一、二、三、四、五或六相同。由于电机为两对极，当次电枢绕组52和主电枢绕组54的空间机械角度相差45°， 电角度就会相差90°，这样可以去除主电枢绕组54和次电枢绕组52之间的耦合，削弱自激 电流变化对放电过程的影响。
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。
具体实施方式
八下面结合图3说明本实施方式，本实施方式为采用实施方式一至七所述的电机实现脉冲放电的方法，它基于下述系统实现，所述系统包括第一功率变换 器8、第二功率变换器9和启动电容Cs，其中第一功率变换器8有两个输入端和两个输出 端，所述第一功率变换器8的每个输入端连接主电枢绕组54的一个接线端，所述第一功率 变换器8的两个输出端为脉冲放电输出端，用于连接用电负载；第二功率变换器9有两个 输入端和两个输出端，所述第二功率变换器9的每个输入端连接次电枢绕组52的一个接线 端，第二功率变换器9的两个输出端连接电刷6，用来为无槽励磁绕组43提供自激励磁；启 动电容Cs通过一个可控开关与电刷6并联，用于对无槽励磁绕组43自激起励；
所述实现脉冲放电的方法包括以下步骤
步骤一采用原动机拖动转子主轴41，使所述电机被拖动至额定转速； 步骤二 控制可控开关闭合使启动电容Cs与所述电机的电刷6并联，所述启动电容Cs 向无槽励磁绕组43提供种子电流，次电枢绕组52内感生出反电势，启动电容Cs放电完毕 后，控制可控开关断开，切断其与无槽励磁绕组43的连接；次电枢绕组52的感生电势输出 给第二功率变换器9变换后，再输出给无槽励磁绕组43，使无槽励磁绕组43中产生励磁电 流；
步骤三监测主电枢绕组54的感生电势，当主电枢绕组54的电压达到空载额定值，维 持无槽励磁绕组43内的自激电流10-90毫秒，在自激电流的维持时间内将所述原动机与转 子主轴41脱开，然后通过第一功率变换器8向负载放电；
步骤四一次脉冲放电完成，重复步骤一至三，实现连续脉冲放电。本实施方式所述的放电方法，首先利用原动机使电机空芯转子旋转，然后通过空 芯定子上的次电枢绕组52给无槽励磁绕组43提供自激励磁电流，进而实现脉冲电能的产 生和输出，实现了机械能向电能的转变。本实施方式中所述的放电方法可以采用单片机系统实现，即采用单片机实现电 流、反电势等参数的采集，以及根据采集到的参数实现本实施方式所述的逻辑控制过程。本实施方式的放电方法中，步骤二中，是采用充好电的启动电容Cs向无槽励磁绕 组43提供种子电流，随着空芯转子的旋转，这个很小的种子电流会在次电枢绕组52内感生 出反电势，此时，切除启动电容Cs，次电枢绕组52内感生出的反电势通过第二功率变换器9 进行功率变换之后，继续为无槽励磁绕组43提供电流，形成正反馈，使无槽励磁绕组43产 生自激，并且使无槽励磁绕组43中的励磁电流不断增大，不断增大的励磁电流会在次电枢 绕组52内感生出更大的反电势，从而产生更大的励磁电流，形成自激过程，励磁电流以指 数形式快速增加。同时主电枢绕组54的感应电势随之增加。随着放电的进行，空芯转子的 惯性储能转变为脉冲电能，电动机的转速下降。在放电间隙，原动机拖动本发明电机转子升 速至额定转速，为下一次放电作准备。
权利要求
一种定子双电枢绕组空芯脉冲发电机，所述电机为旋转电机，它由机壳(1)、前端盖(2)、后端盖(3)、空芯转子、空芯定子、电刷(6)和滑环(7)组成，所述空芯转子和空芯定子的轴线重合，其特征在于所述空芯转子包括转子主轴(41)、环形转子玻璃纤维环氧树脂轭(42)、无槽励磁绕组(43)、碳纤维环氧树脂绷带(44)和铝补偿筒(45)；所述空芯定子包括环形定子玻璃纤维环氧树脂轭(51)、次电枢绕组(52)、玻璃纤维环氧树脂绷带(53)和主电枢绕组(54)，次电枢绕组(52)和主电枢绕组(54)均为单相无槽绕组；所述环形定子玻璃纤维环氧树脂轭(51)、次电枢绕组(52)、玻璃纤维环氧树脂绷带(53)和主电枢绕组(54)从外向内顺次固定套接，所述环形定子玻璃纤维环氧树脂轭(51)的外表面固定于所述机壳(1)的内壁上；前端盖(2)和后端盖(3)分别固定在机壳(1)的两端，转子主轴(41)设置于机壳(1)的内部，并且转子主轴(41)的两端分别穿出于前端盖(2)和后端盖(3)，转子主轴(41)的外表面上从内向外顺次固定套接环形转子玻璃纤维环氧树脂轭(42)、无槽励磁绕组(43)、碳纤维环氧树脂绷带(44)和铝补偿筒(45)；无槽励磁绕组(43)的两个接线端通过导线与设置于转子主轴(41)上的滑环(7)和电刷(6)连接；所述主电枢绕组(54)的内表面与铝补偿筒(45)的外表面之间为气隙。
2.根据权利要求1所述的定子双电枢绕组空芯脉冲发电机，其特征在于所述无槽励 磁绕组(43)与碳纤维环氧树脂绷带(44)之间通过环氧树脂层粘结固定，碳纤维环氧树脂 绷带(44)与铝补偿筒(45)之间通过环氧树脂层粘结固定。
3.根据权利要求1所述的定子双电枢绕组空芯脉冲发电机，其特征在于所述空芯转 子还包括两个配重环(46 )，所述铝补偿筒(45 )内环表面的两端分别固定一个配重环(46 )。
4.根据权利要求1所述的定子双电枢绕组空芯脉冲发电机，其特征在于所述主电枢 绕组(54)的内表面与铝补偿筒(45)的外表面之间的气隙厚度为1mm。
5.根据权利要求1所述的定子双电枢绕组空芯脉冲发电机，其特征在于所述主电枢 绕组(54)采用截面为长方形的扁铜线绕制。
6.根据权利要求1所述的定子双电枢绕组空芯脉冲发电机，其特征在于所述次电枢 绕组(52 )采用截面为圆形的漆包线绕制。
7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的定子双电枢绕组空芯脉冲发电机，其特征在于 所述次电枢绕组(52)和主电枢绕组(54)的空间机械角度相差45°。
8.一种采用定子双电枢绕组空芯脉冲发电机实现脉冲放电的方法，其特征在于它基 于下述系统实现，所述系统包括第一功率变换器(8)、第二功率变换器(9)和启动电容Cs， 其中第一功率变换器(8)有两个输入端和两个输出端，所述第一功率变换器(8)的每个输 入端连接主电枢绕组(54)的一个接线端，所述第一功率变换器(8)的两个输出端为脉冲放 电输出端，用于连接用电负载；第二功率变换器(9)有两个输入端和两个输出端，所述第二 功率变换器(9)的每个输入端连接次电枢绕组(52)的一个接线端，第二功率变换器(9)的 两个输出端连接电刷(6)，用来为无槽励磁绕组(43)提供自激励磁；启动电容Cs通过一个 可控开关与电刷(6)并联，用于对无槽励磁绕组(43)自激起励；所述实现脉冲放电的方法包括以下步骤步骤一采用原动机拖动转子主轴(41)，使所述电机被拖动至额定转速； 步骤二 控制可控开关闭合使启动电容Cs与所述电机的电刷(6)并联，所述启动电容 Cs向无槽励磁绕组(43)提供种子电流，次电枢绕组(52)内感生出反电势，启动电容Cs放 电完毕后，控制可控开关断开，切断其与无槽励磁绕组(43)的连接；次电枢绕组(52)的感 生电势输出给第二功率变换器(9)变换后，再输出给无槽励磁绕组(43)，使无槽励磁绕组 (43)中产生励磁电流；步骤三监测主电枢绕组(54)的感生电势，当主电枢绕组(54)的电压达到空载额定值，维持无槽励磁绕组(43)内的自激电流10-90毫秒，在自激电流的维持时间内将所述原 动机与转子主轴(41)脱开，然后通过第一功率变换器(8)向负载放电； 步骤四一次脉冲放电完成，重复步骤一至三，实现连续脉冲放电。
全文摘要
定子双电枢绕组空芯脉冲发电机及其实现脉冲放电的方法，属于强脉冲功率源工程技术领域，它解决了现有空芯式补偿脉冲发电机电枢绕组匝数的选择使放电电流的幅值与自激效率相矛盾的问题。本发明电机在空芯定子上设置了主电枢绕组和次电枢绕组，形成了双电枢绕组的空芯定子结构，主电枢绕组用于向负载放电，次电枢绕组用于产生更高的反电势给无槽励磁绕组来实现自激励磁；实现脉冲放电的方法为利用原动机使电机空芯转子旋转，并由启动电容Cs向无槽励磁绕组提供种子电流，再由空芯定子上次电枢绕组的感生电势给无槽励磁绕组提供自激励磁电流，主电枢绕组的感生电势再向负载放电，实现脉冲电能的产生和输出。本发明作为特定负载的强脉冲电源。
文档编号H02K1/22GK101814818SQ201010156860
公开日2010年8月25日 申请日期2010年4月27日 优先权日2010年4月27日
发明者吴绍朋, 宋立伟, 崔淑梅 申请人:哈尔滨工业大学