绕线式无刷双馈脉冲发电机研究

The pulsed alternators have the integrated features of high energy storage density and huge power density. What's more, small volume, smart weight, simple structure of the system, reliable operation on continuous condition and the flexible modulation are all the excellences of pulsed alternators. Thus, the pulsed alternator is a good solution for miniaturization of the high - power pulsed power supply. However, along the rotate speed increasing, the brush and slip ring system comes to be a problem because of conducting the large current and power. What's worse, the friction between the brush and slip ring leads to a serious thermal problem as well as makes a loss of the kinetic energy of the rotor. As a result, this paper combines the characteristics of the wound-rotor brushless doubly-fed machine and the operation of the pulsed alternator. Then, a novel type of pulsed alternator without brush and slip ring system is proposed, which is named wound-rotor brushless doubly-fed pulsed alternator. Based on brushless, this machine can supply permanent voltage and frequency in various rotate speeds. Moreover, the consistency of the waveforms in multiple pulses is quite excellent. The essential problem is to research the theories and the structure of the wound-rotor brushless doubly-fed machine and set up a principle of machine design process to match up the pulsed load. According to the simulation of the model and the experiment, the theories are investigated.

脉冲发电机既具有储能密度大和功率密度高的综合特性，又具有体积小、重量轻、系统结构简化、连续运行可靠、可调幅度大等优点。因此，它是高功率脉冲电源实现小型化的较好的解决方案。但是在高速、高储能的脉冲交流发电机中，随着转速的升高和功率的加大，电刷滑环也成为脉冲发电机的一个瓶颈问题，不仅要承受高转速、高线速度，还要传导大的电流和功率，并且还会因为电刷与滑环的摩擦带来严重的发热和功率损耗，消耗转子储存的动能，也不经济。因此，本文将脉冲电机的运行方式与绕线式无刷双馈电机的特点相结合，提出了一种新型的无电刷结构的脉冲发电机--绕线式无刷双馈脉冲发电机。该电机在无刷的基础上可以实现变速下的主绕组输出电能的恒压恒频，在连发脉冲时波形具有良好的一致性。本质问题是要研究绕线式无刷双馈电机的原理和结构特点，建立一套根据脉冲负载要求设计配套的电机的理论，通过模型的仿真和样机的试验研究，来验证理论研究的结果。

惯性储能脉冲发电机由于其体积小、重量轻、储能密度大、系统结构简单、连续运行可靠等优点在脉冲功率领域得到了广泛应用。但是在高速、高储能的脉冲发电机中，随着转速的升高和功率的逐渐增高，电刷滑环不仅要承受高转速、高线速度，还要传导大电流和大功率，电刷与滑环的摩擦会带来严重的发热和功率损耗，消耗转子储能，所以电刷滑环成为了限制脉冲发电机发展的一个瓶颈。已有的相对成熟的取消电刷滑环的方案是利用感应子电机作为给移动式电容快速充电的脉冲功率电源使用。感应子电机转子为一个实心体，强度高，转动惯量大，电机可以做到较高的转速以及储能密度来满足脉冲发电的需求。但是感应子电机也正是因其独特的转子结构使得电机的功率密度较低，只有同转速下普通同步电机的二分之一左右，这一特点也制约了感应子电机向更高功率等级应用方向的发展。本研究试图将无刷双馈电机引入到脉冲功率场合，以取代现有感应子电机来作为移动式电容快速充电电源，实现整套系统向更高功率等级的发展。无刷双馈电机定子有两套极对数不同的绕组：功率绕组和控制绕组。本身两套绕组间不存在直接耦合，而是通过特殊设计的转子实现间接耦合，从而实现电机的无刷励磁。并且无刷双馈电机可以通过调节控制绕组端电压的频率来调节功率绕组输出电压的频率，从而实现单次放电，转速下降后连发脉冲波形的一致性。无刷双馈电机具有转速高、结构可靠性高、功率密度适中等优点，从而可以用于大功率电容快速充电电源的应用。通过本项目的研究，详细分析了无刷双馈电机的本质原理和运行机制，建立了全新的无刷双馈电机等效电路模型。并将其应用到电容快速充电系统的建模分析中。并采用场、路耦合的多种分析方法，结合系统模型的构建和电机的设计，进行了全系统的性能仿真研究。在此基础上加工制造出能满足脉冲能量输出要求的绕线式无刷双馈脉冲发电机样机并搭建了电容快速充电电源系统，实验结果证明了该方案的可行性。通过该项目的研究，得到了电容快速充电用无刷双馈脉冲发电机及其电容负载系统的分析和优化设计理论。