空心电机特殊问题及设计方法的研究

本项目研究用复合材料作定转子支撑的无铁心电机-空心交流脉冲发电机的相关问题。交流脉冲发电机作为一种特殊的同步发电机，它利用磁通压缩的原理，减小电枢电感，从而使电机在脉冲工作的条件下，瞬时输出功率和短路电流达到最大，主要用于激光武器和电磁炮领域。为了提高脉冲发电机的能量密度和功率密度，人们开始研究空心脉冲发电机。但是空心电机存在许多以前传统电机没有研究的问题，限制了它的特性提高和实用化。如空心机电磁场的准确分析、计算问题；绕组瞬时发热，产生的热应力问题；复合材料的力学性能具有各向异性，无槽绕组传递给复合材料的瞬时冲击转矩问题。本申请拟就空心脉冲电机的电磁场分布、脉冲放电对复合材料及绕组的冲击力特性，电机的温度场进行模拟与仿真研究，并且制造模型样机验证仿真结果，为这类电机的应用研究提供一定的理论基础。这些问题的解决有利于研制出突破传统电机极限的新型电机，具有重要的理论意义和实用价值。

本项目研究用复合材料作定转子支撑的无铁心电机-空心交流脉冲发电机的相关问题。交流脉冲发电机是一种特殊的同步发电机，借助电磁感应和磁通补偿原理，向负载提供大电流脉冲。与铁芯脉冲发电机相比，采用高强度密度比的复合材料制成的空心交流脉冲发电机具有能量密度和功率密度高的综合优势，在电磁炮、电热化学炮、定向能炮等新概念武器的驱动电源中具有重要的应用。. 由于复合材料非导磁、无饱和、导热性能差、力学性能各向异性等特性，空心发电机存在许多传统电机没有研究的问题。建立准确的仿真模型，分析空心电机电磁场、温度场、应力场分布特点，并制造模型样机验证仿真结果，为这类电机的应用研究提供一定的理论基础是本课题主要研究方向。. 课题建立了空心电机电磁场模型，仿真分析了磁场分布规律，电机中切向磁通比例较大，且磁力线会扩散到电机外部。在电磁场分析的基础上，建立电机温度场模型，分析了电机温度场分布特点，研究了连发频率与温升的关系，结果表明若想实现连续发射，必须直接冷却发热绕组，并且依据分析结果，设计了主动型水内冷冷却系统。对空心电机所受电磁应力进行分析，对碳纤维绷带进行了优化设计，并确定了安全厚度的选取原则，对复合材料转子进行了安全评估。基于空心电机特性分析结果，研究了电机设计理论，给出了空心电机成功建立自激需满足的条件，对绕组参数敏感性做了分析，提出了定子双电枢绕组空心被动补偿的拓扑结构。. 最后研制了定子双电枢绕组空心被动补偿模型样机，研究了空心电机的特殊制造和装配工艺，包括无槽绕组的成型工艺，定子和转子的一体成型技术。进行了模型样机的空载和放电实验，实验结果同仿真结果的一致，验证了电磁设计的准确性和结构设计的可靠性，为大型工程模型样机的设计、制造和实验奠定了基础。