20 MJ补偿脉冲发电机的应用设计

本次设计的转子模型三维图如图1所示。

4 定子设计

定子采用无槽绕组，内部为圆形空腔，定子轭用复合材料构成，电枢线圈固定在定子内表面、通过定子外部的端接部分连接。

(1)定子内直径为0.097 m,定子外直径(电机外径)为0.138 m,定子轭径向厚度为0.014 m,主电枢绕组厚度和定子绷带厚度都为0.005 m,次电枢绕组厚度为0.017 m.

(2)电枢绕组导线采用矩形铜导线，采用两根导线并联方式;

(3)绕组端部用两个铝环紧固，同时用绑扎带固定绕组伸出铁心的部分。

5 电枢绕组的结构优化

由于电机放电时，脉冲功率很大，导致绕组的温度很高，所以为了降低绕组的温升，必须降低电枢绕组的等效电阻，因此，补偿脉冲发电机的电枢绕组应该设计成导体截面积比较大且匝数比较少。但是，由于电机的尺寸、功率以及转速一定的前提下，电枢绕组的匝数比较少又限制了输出较大的脉冲功率，延长了电机达到自激终点的时间，降低了自激的效率。

为了解决这个问题，学者在设计脉冲发电机时采用双电枢绕组，一绕组用于励磁，另外一绕组用于电机放电时用。这种补偿脉冲发电机都是采用静场式结构，即两套电枢绕组都安装在电机的转子上，而且由于电机的转速很高，产生的离心力很大，加之电机的结构是无槽的，固定基本都是用绷带固定的，当电机工作时产生的离心力会给绷带造成很大的压力，所以考虑到这个因素，转子上放两套电枢绕组增加了设计制造难度。

基于上述的缺点，本次设计采用转场式，把主次电枢绕组放到定子上，这样电机就只要一套电刷滑环换向系统，解决了设计和制造难度，又解决了电机放电时自激时间与放电温升的矛盾，转场式的结构，对电刷和滑环的要求也有所降低，系统的稳定性也相应提高。而且由于转子就只有励磁绕组，电机工作时转子内部的磁场分布变化不变，转子的整体性能有了很大的提高。

定子的三维模型如图2所示，主次电枢绕组都放在定子内表面贴着，主电枢绕组的作用是提供放电电流在向电磁炮发射时，是由扁铜线制成，这样可以减小定转子之间的间隙，电枢绕组和励磁绕组的耦合就会增加，扁铜线的截面积大，匝数少，所以电机的电感和电阻也就低，满足了补偿电机的要求。次电枢绕组的作用是和励磁绕组共同组成回路，产生放电时的磁场，是由普通的圆铜线制成，匝数多，电机工作时和励磁绕组共同作用，缩短了励磁时间，提高了发射效率。定子参数见表2.

主电枢绕组安装在定子最内侧，用环氧树脂绑带和高强度粘接剂固定励磁绕组和补偿绕组，主电枢绕组这样布置，可以更好地和转子上的励磁绕组耦合，使得效率进一步提高。减小补偿脉冲发电机的质量，对于补偿脉冲发电机的设计也很重要，这样可以提高电机的能量密度和功率密度，所以定子轭用高强度的玻璃纤维环氧树脂制成，减小了电机的质量，同时，提高了电机的稳定性。

6 仿真计算

Ansys软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。为了准确地计算出电机在工作时绕组输出的功率，通过Ansys分析建立好的三维有限元模型，来直观地了解空芯电机内部的磁场。通过对电机空载时磁场的仿真分析，准确的计算电机在空载时，在额定励磁电流时的输出功率，最大磁场密度和电机放电时的其他参数，电机的基本机构参数和电磁参数是否满足设计要求，实体模型如图3所示：

从图4中可以看出，补偿脉冲发电机中间截面的磁力线分布情况，从图5 中看出，磁通密度峰值分布情况。可以看到，电机中的磁力线分布到电机的外部，这是因为电机是空芯电机，该电机内部没有导磁材料，它不像传统的有导磁材料的电机，给磁场提供一个磁路，所以计算补偿脉冲发电机就不能像计算传统电机内部磁场的方法，这里就必须运用Ansys软件来分析脉冲发电机内部的磁场。

当电机工作对负载放电时，主电枢绕组有瞬时电流通过，电机内部的磁通也就瞬时变化，与此同时，电机补偿筒内也就会感应出等值反向的磁通(涡流)，电枢绕组产生的磁通被压缩在气隙中，主电枢绕组的瞬态电感就会降低，同时气隙中的磁场密度也增加，瞬时反电势也随

之增加，结果是电机对负载的输出功率增加。

电机磁感线的分布和磁场密度分布分别如图6 和图7所示。从图可以看到，电机放电时，电机内部的磁力线分布是不规则的，这是由于电机在工作时，电机内部的电枢磁场，补偿筒内感应的磁场，和励磁绕组产生的磁场三者相互作用在一起，共同作用的效果是不断变化的。

还可以观察到，磁通大多数被压缩在狭小的气隙中，气隙的磁场密度开始变大，空载时，磁场密度峰值为0.25 T,在电机放电时，气隙磁场密度峰值为1 T,提