被动补偿脉冲发电机放电理论分析与实验研究

被动补偿脉冲发电机放电理论分析与实验研究

论文摘要

飞轮储能补偿脉冲发电机(Compensated Pulsed Alternator,CPA)是一种新型脉冲功率电源,它集能量储能和脉冲放电于一体,具有储能密度高、功率密度大和体积小等优点,是未来电磁动能武器系统的首选电源。目前对于永磁被动CPA的研究却甚少,尤其是在放电理论研究方面。本文以永磁被动CPA为研究对象,介绍了CPA放电基本原理,建立了CPA驱动电磁轨道炮系统模型并进行了仿真分析,重点研究了CPA放电波形及其调制技术,最后进行了CPA放电实验验证。介绍了永磁被动CPA基本理论,提出了一种放电电流计算方法,能更为准确的分析永磁被动CPA放电响应过程;介绍了三种降低CPA电感的方法,并根据电磁基本定律,提出了铁芯和空芯电枢绕组电感计算方法。基于被动CPA放电电流计算方法与电磁轨道炮工作原理,建立了CPA式电磁轨道炮发射系统仿真模型,采用数值仿真方法,分别研究了CPA电压、脉冲宽度和触发角对电枢电流以及弹丸出膛速度的影响,获得了CPA驱动电磁轨道炮系统特性。采用谐波法分析了永磁被动CPA放电波形影响因素。根据永磁被动CPA气隙磁密特性,建立了气隙磁密傅里叶表达式,推导了CPA放电电流谐波函数,研究了电路时间常数、转速及触发角对放电波形的影响。利用有限元方法分别分析了改变单相触发角、两相串并联以及外接调波电阻和电感三种电流波形调制技术的特点,结果表明通过三种调制技术,可使CPA灵活输出多种脉冲波形,满足不同负载需求,为CPA优化设计及实际应用奠定理论基础。针对一台两相四极永磁被动CPA分别进行了单相放电、两相并联放电以及两相串联放电验证实验。实验结果表明:对于单相放电,解析法和有限元法计算电流波形与实验测量波形基本一致;对于两相串并联放电,实验结果较好验证了多相串并联波形调制方法特点,证明了解析方法及电磁设计方法的准确性。通过本课题的研究,为永磁被动CPA放电电流研究提供了分析方法和理论参考,为CPA的优化设计和放电实验提供了理论和实验依据,对于CPA驱动电磁动能武器系统的研究具有重要意义。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 研究背景及意义
  • 1.2 国内外相关研究现状
  • 1.2.1 飞轮储能CPA技术
  • 1.2.2 CPA放电技术
  • 1.3 研究的问题和论文结构
  • 1.3.1 研究的问题
  • 1.3.2 论文组织结构
  • 第二章 被动补偿脉冲发电机放电基本原理
  • 2.1 被动补偿脉冲发电机基本原理
  • 2.2 被动补偿脉冲发电机放电分析
  • 2.3 被动补偿脉冲发电机降电感技术
  • 2.3.1 无槽气隙绕组
  • 2.3.2 端部屏蔽
  • 2.3.3 空芯结构
  • 2.4 补偿脉冲发电机电感计算
  • 2.4.1 铁芯CPA电感计算
  • 2.4.2 空芯CPA电感计算
  • 2.5 本章小结
  • 第三章 CPA驱动电磁轨道炮系统仿真建模分析
  • 3.1 CPA驱动电磁轨道炮基本原理
  • 3.1.1 电磁轨道炮原理
  • 3.1.2 电磁发射系统电路分析
  • 3.1.3 电磁轨道炮电枢运动过程分析
  • 3.2 CPA驱动电磁轨道炮仿真系统建立
  • 3.2.1 CPA驱动电磁轨道炮模型建立
  • 3.2.2 系统仿真参数设置
  • 3.3 CPA驱动电磁轨道炮仿真结果分析
  • 3.3.1 电枢运动状态仿真
  • 3.3.2 系统状态参数仿真
  • 3.4 小结
  • 第四章 CPA放电波形分析及波形调制技术研究
  • 4.1 补偿脉冲发电机放电波形影响因素分析
  • 4.1.1 CPA气隙磁密分析
  • 4.1.2 气隙磁密谐波分析
  • 4.1.3 CPA放电电流数学模型建立
  • 4.1.4 CPA放电电流波形分析
  • 4.2 补偿脉冲发电机波形调制技术研究
  • 4.3 本章小结
  • 第五章 永磁被动CPA放电实验研究
  • 5.1 永磁被动CPA原理样机系统集成
  • 5.2 永磁被动CPA放电测量技术研究
  • 5.3 永磁被动CPA原理样机放电实验
  • 5.3.1 放电主电路与放电实验方法
  • 5.3.2 放电回路静态测试
  • 5.3.3 永磁被动CPA原理样机放电实验
  • 5.4 本章小结
  • 第六章 总结与展望
  • 6.1 总结
  • 6.2 展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 作者在学期间取得的学术成果
  • 相关论文文献

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