新型无刷高频补偿脉冲发电机关键问题研究

补偿脉冲发电机集惯性储能、机电能量转换和脉冲成形三者于一体，具有较高的储能密度、功率密度和运行可靠性，是高功率脉冲电源技术的最具潜力的发展方向之一。常规铁芯补偿脉冲发电机由于转子结构强度以及电刷滑环等因素的限制，储能密度、功率密度及脉冲输出频率难以进一步提升。本文创新性地提出一种新型特种电机- - 无刷高频补偿脉冲发电机的设计构想，可以使铁芯补偿脉冲发电机的储能密度、功率密度及脉冲输出频率大幅提升，从而为广阔的脉冲功率技术应用领域提供一种新型的小型化高频高功率脉冲电源。这种新型电机融合铁芯补偿脉冲发电机和感应子发电机的优点，取长补短，达到转子上无绕组、无刷、高储能密度、高功率密度、高频输出等性能优化的效果。关键的问题是要研究这种新型电机的设计方法、补偿理论、运行模式及性能分析理论。需要解决的主要问题包括：具体结构及电磁设计理论、性能分析与优化理论、模型机试制及实验研究等。

高功率重复放电脉冲功率装置，通常需要高功率脉冲充电电源。本项目研究了一种新型无刷高频补偿脉冲发电机。关键的问题是要研究这种新型电机的设计理论、仿真方法、运行模式及性能分析理论。需要解决的主要问题包括：样机结构及电磁设计理论、性能分析与优化理论、模型机试制及实验研究等。首先，研究了感应子脉冲发电机设计要点，包括电机结构形式、主要尺寸、转子齿槽尺寸等。然后，进行了样机三维有限元建模、二维等效建模、系统动态建模及仿真研究。之后，设计了样机的主要参数，进行了样机研制，并对感应子脉冲发电机转子材料优化和轴承损坏问题进行了研究，给出了解决方案。最后，给出了样机空载及给电容器充电的实验波形。研究表明，基于感应子发电机的脉冲功率电源具有高储能密度、功率密度适中和高可靠性等优点，非常适合作为脉冲电容器组的充电电源。研究的成果包括：研制了一台100kW无刷高频补偿脉冲发电机样机，开展了理论、仿真和试验研究。已经发表科技论文7篇，其中SCI收录3篇，EI收录4篇；另外，目前已经向SCI源期刊投寄论文5篇，其中1篇已经接收待刊。申请发明专利4项。