王苗 楊春華 徐瑾翔 胡陳陳

摘 要：脈沖功率電源的特點(diǎn)是密度高、功率密度大、體積小。在現(xiàn)有的幾種儲(chǔ)能技術(shù)中，飛輪儲(chǔ)能有很大的優(yōu)勢(shì)：它的儲(chǔ)能密度高、結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，因此在脈沖功率電源系統(tǒng)中的應(yīng)用很多。在基于飛輪儲(chǔ)能的脈沖功率電源系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的好壞會(huì)直接影響整個(gè)脈沖功率電源的性能；但是，其結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單、性能較高，可以在速度很高的場(chǎng)合使用，尤其是將其應(yīng)用在脈沖功率電源中。因此，旋轉(zhuǎn)電機(jī)在脈沖功率電源系統(tǒng)中具有重要的作用。

關(guān)鍵詞：感應(yīng)子發(fā)電機(jī)；脈沖功率電源；儲(chǔ)能

中圖分類號(hào)：TM346 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

所謂的脈沖功率，就是把能量一點(diǎn)點(diǎn)儲(chǔ)存起來(lái)，在瞬間釋放出比較大的功率，它可以為先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)或者新型武器提供比較優(yōu)良的電脈沖信號(hào)。現(xiàn)在，脈沖功率電源呈迅猛發(fā)展的態(tài)勢(shì)，為國(guó)際領(lǐng)域提供了比較領(lǐng)先可靠的能量，當(dāng)前，阻礙其發(fā)展的主要有幾個(gè)因素：第一是小型化的問(wèn)題，第二是克服其儲(chǔ)能密度低的弱點(diǎn)，進(jìn)一步完善相關(guān)性能。圖1是幾種常見(jiàn)的儲(chǔ)能方式的對(duì)比：其中包括儲(chǔ)能密度、放電時(shí)間等等。從圖1中可以看到，盡管電容器放電時(shí)間很短，但是其儲(chǔ)能密度不高，所以設(shè)備的體積無(wú)法小型化；而電感儲(chǔ)能的儲(chǔ)能密度雖然高于電容器，但是它向負(fù)載提供能量時(shí)需要較大容量的開(kāi)關(guān)設(shè)備加以輔助；蓄電池的放電時(shí)間較長(zhǎng)，儲(chǔ)能密度異常高，但是發(fā)熱以及密封等諸多問(wèn)題限制了其性能的進(jìn)一步優(yōu)化，因此其在脈沖功率電源中的應(yīng)用也不是很廣泛。總體而言，儲(chǔ)能密度大的裝置所需的放電時(shí)間就相對(duì)較長(zhǎng)，因此綜合對(duì)比放電時(shí)間以及儲(chǔ)能密度等因素，慣性儲(chǔ)能更加能滿足系統(tǒng)的指標(biāo)，因而其應(yīng)用也很廣泛。

我們所說(shuō)的慣性儲(chǔ)能，就是把具有某一質(zhì)量的飛輪、轉(zhuǎn)子以較慢的方式加速到某一速度，然后讓其轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，最終存儲(chǔ)一定的能量。本文旨在研究將慣性儲(chǔ)能應(yīng)用在脈沖功率電源系統(tǒng)中。感應(yīng)子發(fā)電機(jī)打破了蓄電池脈沖輸出功率小、壽命短的缺點(diǎn)，用物理的方式實(shí)現(xiàn)了能夠和蓄電池相抗衡的優(yōu)點(diǎn)。它的使用率高，可以存儲(chǔ)巨大的能量，基本上沒(méi)有污染、十分節(jié)能，因此常常被用在脈沖功率電源中。

該類特殊電機(jī)是在19世紀(jì)末期被提出來(lái)的，一開(kāi)始其主要是應(yīng)用在無(wú)線電波方面，至今將近100年。隨后被應(yīng)用在外殼加熱以及外形加工設(shè)備等方面；20世紀(jì)50年代左右該種電機(jī)開(kāi)始被用在需要高頻率的領(lǐng)域：如輪船、航空等；在1978年，美國(guó)通用電器公司成功將其應(yīng)用在飛輪儲(chǔ)能中，截至目前，華中科技大學(xué)也對(duì)其做過(guò)研究，該電機(jī)結(jié)構(gòu)比較特殊，因此和常規(guī)電機(jī)相比，其性能也有所不同，華中科技大學(xué)對(duì)其電動(dòng)以及發(fā)電2個(gè)方面的性能分別都作了研究；該電機(jī)相對(duì)于刷電機(jī)來(lái)說(shuō)，有顯著的優(yōu)勢(shì)。永磁電機(jī)的特點(diǎn)是強(qiáng)度大，能承受比較大的離心力，其不足之處在于運(yùn)行的效率很低，而且輸出電壓不平穩(wěn)。綜合考慮，將永磁電機(jī)與感應(yīng)子電機(jī)相結(jié)合，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，利用永磁式電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，然后消除了永磁式電機(jī)兩端電壓不能靈活調(diào)整的缺陷，哈爾濱工業(yè)大學(xué)于2008年對(duì)2種電機(jī)結(jié)合的方式進(jìn)行了研究。

1 慣性儲(chǔ)能技術(shù)在脈沖功率系統(tǒng)中的應(yīng)用

現(xiàn)在，被用在慣性儲(chǔ)能中的脈沖功率電源主要有以下4種：同步發(fā)電機(jī)式、直流發(fā)電機(jī)式、補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)式以及單極發(fā)電機(jī)。其中單極發(fā)電機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn)：一是儲(chǔ)能的密度高；二是短路的電流比較大，但是它有一個(gè)很大的缺點(diǎn)就是端電壓特別低。為了加大兩端電壓，只有將轉(zhuǎn)子的速度、磁場(chǎng)等加大，另外，單極發(fā)電機(jī)速度的提高主要受限于機(jī)械強(qiáng)度以及滑動(dòng)接觸技術(shù)。而直流發(fā)電機(jī)換向器能夠把交流變換為直流，并不需要輔助的整流裝置；直流發(fā)電機(jī)的儲(chǔ)能密度、功率密度、短路電流較小；同步發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)是轉(zhuǎn)場(chǎng)式的，沒(méi)有大電流電刷的缺陷，而且能輸出較大的感應(yīng)電壓。但是普通電機(jī)有一個(gè)致命的弱點(diǎn)：如果需要減小峰值電流則其內(nèi)部電感就會(huì)很大，從而就會(huì)影響輸出的脈沖能量的大小，而且脈寬很長(zhǎng)，儲(chǔ)能的性能以及功率指標(biāo)都不理想，所以一般都不用同步電機(jī)。而感應(yīng)子發(fā)電機(jī)相對(duì)于其他幾種電機(jī)而言，功率密度高，性價(jià)比不錯(cuò)，因此研究將感應(yīng)子發(fā)電機(jī)應(yīng)用在脈沖功率電源系統(tǒng)中。

2 基于感應(yīng)子發(fā)電機(jī)的脈沖功率電源

感應(yīng)子發(fā)電機(jī)與同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)類似，但是又和普通的電機(jī)有一定的區(qū)別，它的構(gòu)造相對(duì)比較特殊。它一共有2套繞組，一套為電樞繞組，另外一套為勵(lì)磁繞組，兩者全部位于定子上。它的磁場(chǎng)十分特殊，在一個(gè)鐵心下氣隙內(nèi)所建立的磁場(chǎng)是方向不變的，轉(zhuǎn)子上磁通的方向一定，不像普通電機(jī)氣隙磁場(chǎng)是交變的，因而它有一個(gè)缺點(diǎn)就是存在直流損耗。感應(yīng)子發(fā)電機(jī)相比于常規(guī)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）感應(yīng)子發(fā)電機(jī)屬于無(wú)刷結(jié)構(gòu)的電機(jī)，不存在普通旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)可能會(huì)產(chǎn)生的不安全因素，因此其應(yīng)用在脈沖功率電源十分安全。

（2）感應(yīng)子電機(jī)的轉(zhuǎn)子是實(shí)心結(jié)構(gòu)的，它能夠高速運(yùn)轉(zhuǎn)，其本身存儲(chǔ)的能量就可以達(dá)到負(fù)載所需的能量，所以不需要附加飛輪設(shè)備，從而可以節(jié)約成本。利用儲(chǔ)能式感應(yīng)子發(fā)電機(jī)，將發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子當(dāng)作飛輪，轉(zhuǎn)子與飛輪合在一起的這種方式可以縮小脈沖功率設(shè)備的容積，從而可以達(dá)到小型化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

（3）感應(yīng)子電機(jī)轉(zhuǎn)子是由高強(qiáng)度的合金鋼鍛造成的，其轉(zhuǎn)子上并無(wú)普通電機(jī)的繞組以及永磁體等，沒(méi)有換向器，也不需要滑動(dòng)接觸，機(jī)械強(qiáng)度相當(dāng)高，能夠承受高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力。結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)主要有：簡(jiǎn)單、可靠。因而其在儲(chǔ)能密度強(qiáng)、高壓的場(chǎng)合應(yīng)用十分普遍。由于構(gòu)思時(shí)間有限，該文對(duì)這種特殊電機(jī)的理解并沒(méi)有十分的全面，其中需要進(jìn)一步研究和討論的問(wèn)題也還有很多。接下來(lái)對(duì)該電機(jī)的研究一共還有以下幾個(gè)方面：一是該電機(jī)往往是在速度比較大、頻率比較高的領(lǐng)域使用，它的轉(zhuǎn)子需要能耐受強(qiáng)大的機(jī)械力，所以還得對(duì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)模式下感應(yīng)子發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仔細(xì)核算。確保機(jī)械性能滿足要求。二是該電機(jī)是在瞬間釋放巨大的能量，然而為了能夠適應(yīng)整個(gè)系統(tǒng)的指標(biāo)要求，該電機(jī)往往并沒(méi)有風(fēng)扇裝置，因此發(fā)熱也是一個(gè)需要考慮的大問(wèn)題，所以還要對(duì)其在3個(gè)維度下非穩(wěn)態(tài)情況下的溫度進(jìn)行仿真，確保其溫度性能滿足指標(biāo)的要求。三是其氣隙磁密含有非交流的成分，所以還要計(jì)算定子方面的損耗。

3 結(jié)論

感應(yīng)子發(fā)電機(jī)在脈沖功率電源的應(yīng)用中有如下優(yōu)點(diǎn)：一是儲(chǔ)能密度很高；二是容積??；三是運(yùn)行可靠。感應(yīng)子發(fā)電機(jī)應(yīng)用于脈沖功率電源系統(tǒng)中具有廣闊的前景，在現(xiàn)代工業(yè)、新能源等方面也有很大的優(yōu)勢(shì)，對(duì)這種電機(jī)進(jìn)行全面研究是很有必要的。

參考文獻(xiàn)

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