【摘要】：電磁軌道炮因其高炮口速度成為未來火炮發(fā)射技術(shù)的發(fā)展方向,其關(guān)鍵部件是能提供短時(shí)強(qiáng)電流脈沖的脈沖電源。脈沖發(fā)電機(jī)是一種基于慣性儲(chǔ)能原理的脈沖電源,具有高能量密度的優(yōu)勢,有很強(qiáng)的應(yīng)用潛力。不過隨著軌道炮發(fā)射能量的不斷提高,單臺(tái)脈沖發(fā)電機(jī)難以滿足發(fā)射需求。為此,本論文提出并研究一種由多個(gè)脈沖發(fā)電機(jī)模塊組成的慣性儲(chǔ)能脈沖功率電源(Inertia-based Modular Pulsed Power Supply,IMPPS),解決單個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)高能量軌道炮存在的電機(jī)制造困難、電流波形調(diào)節(jié)困難、放電轉(zhuǎn)矩沖擊大等問題。對(duì)脈沖發(fā)電機(jī)的研究原先都是基于一個(gè)模塊的研究,而慣性儲(chǔ)能模塊化電源需要解決脈沖發(fā)電機(jī)快速設(shè)計(jì)、選擇多少電機(jī)模塊、模塊之間以何種方式連接、以何種方式控制放電過程等實(shí)際問題。因此,本論文在脈沖發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)和模塊化電源匹配設(shè)計(jì)方法、連接方式、放電控制方法等方面展開研究,主要研究工作包括以下幾個(gè)方面:對(duì)脈沖發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)原理進(jìn)行了研究�；诖攀肝环ê碗娐贩治鼋Y(jié)合的方法,解析描述了脈沖發(fā)電機(jī)的磁場特性和暫態(tài)運(yùn)行過程,解決了空心結(jié)構(gòu)和暫態(tài)運(yùn)行的脈沖發(fā)電機(jī)運(yùn)行機(jī)理闡釋不清的問題,使電機(jī)設(shè)計(jì)和分析擺脫有限元軟件。在分析軌道炮對(duì)脈沖發(fā)電機(jī)特殊性能需求的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)得到了電機(jī)性能需求與設(shè)計(jì)參數(shù)之間的解析關(guān)系,并表達(dá)為主要設(shè)計(jì)參數(shù)與系數(shù)乘積的簡潔的形式。分析得到了脈沖發(fā)電機(jī)的“電磁”負(fù)荷及其限制因素——機(jī)械負(fù)荷和磁負(fù)荷,受碳纖維強(qiáng)度的限制。給出脈沖發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)流程,實(shí)現(xiàn)了脈沖發(fā)電機(jī)的快速設(shè)計(jì)。最后研制測試了一臺(tái)百兆瓦級(jí)脈沖發(fā)電機(jī)。電機(jī)設(shè)計(jì)理論、樣機(jī)測試數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn),為模塊化電源設(shè)計(jì)和研究奠定了基礎(chǔ)。脈沖發(fā)電機(jī)不是類似于鋰電池的標(biāo)準(zhǔn)器件,因而模塊化電源的匹配設(shè)計(jì)存在方案計(jì)算量大和方案對(duì)比尋優(yōu)困難等問題。為此,給出了一種模塊化電源裂變?cè)O(shè)計(jì)方法。這種方法將原先一臺(tái)基準(zhǔn)電機(jī)滿足的負(fù)載需求分解為n個(gè)電機(jī)模塊滿足,利用了機(jī)械負(fù)荷和磁負(fù)荷相同的脈沖發(fā)電機(jī)具有的幾何相似性,將電機(jī)模塊參數(shù)和性能表述為模塊個(gè)數(shù)的函數(shù),并分析對(duì)應(yīng)的拖動(dòng)電機(jī)和整流橋的參數(shù)和性能,最終得到n個(gè)滿足負(fù)載需求的模塊化電源方案,解決了方案快速設(shè)計(jì)和性能計(jì)算的問題。分析了模塊化電源匹配設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)與模塊個(gè)數(shù)之間的關(guān)系,給出了從中確定最優(yōu)模塊個(gè)數(shù)的方法。給出了模塊化電源匹配設(shè)計(jì)流程,針對(duì)32MJ炮口動(dòng)能軌道炮,設(shè)計(jì)了6臺(tái)電機(jī)模塊組成的模塊化電源方案。針對(duì)模塊化電源電機(jī)繞組連接方式問題,以電機(jī)模塊成對(duì)運(yùn)行的雙電機(jī)系統(tǒng)為基本的研究單元,對(duì)比分析了電機(jī)模塊串聯(lián)和并聯(lián)、獨(dú)立勵(lì)磁和串聯(lián)勵(lì)磁、直流端并聯(lián)和交流端并聯(lián)等不同連接方式的特點(diǎn)。研究并揭示了脈沖發(fā)電機(jī)參數(shù)偏差對(duì)放電電流的影響機(jī)理,分析了電機(jī)參數(shù)不一致對(duì)雙電機(jī)系統(tǒng)性能影響。結(jié)果表明:電機(jī)參數(shù)偏差對(duì)放電電流偏差是正反饋?zhàn)饔?交流端并聯(lián)的雙電機(jī)系統(tǒng)由于允許環(huán)流,能抑制電機(jī)參數(shù)偏差的正反饋?zhàn)饔?受電機(jī)參數(shù)不一致的影響更小。因而,雙電機(jī)系統(tǒng)選擇交流端并聯(lián)連接方式。分析了多個(gè)雙電機(jī)系統(tǒng)組成的模塊化電源特點(diǎn)和連接方式,最終選擇每個(gè)雙電機(jī)系統(tǒng)在直流端并聯(lián)的連接方式,這樣能靈活獨(dú)立控制每個(gè)單元放電時(shí)序,提高電流波形調(diào)節(jié)能力。模塊化電源是一種發(fā)電機(jī)系統(tǒng),需要控制其放電過程以確保軌道炮平穩(wěn)和高效運(yùn)行,為此研究了模塊化電源放電控制方法。理論分析了模塊化電源驅(qū)動(dòng)軌道炮的放電過程,得到其放電電流規(guī)律和特性。研究表明:脈沖發(fā)電機(jī)放電時(shí),多相電流之間存在由觸發(fā)角控制的電壓增益和電流抑制的相互作用;模塊化電源驅(qū)動(dòng)軌道炮是一個(gè)暫態(tài)的、機(jī)電耦合的、含有人為控制因素的過程。對(duì)模塊化電源放電控制問題進(jìn)行了描述,確定了優(yōu)化目標(biāo)、優(yōu)化變量和約束條件,給出了以加速比和效率為優(yōu)化目標(biāo)的理想放電電流波形。在此基礎(chǔ)上,分別給出基于規(guī)則和基于遺傳算法的模塊化電源放電控制方法。最后,采用加權(quán)組合法將加速比和效率雙目標(biāo)轉(zhuǎn)換為單目標(biāo),給出了基于遺傳算法的多目標(biāo)放電控制方法,實(shí)現(xiàn)了軌道炮平穩(wěn)和高效運(yùn)行。本論文在脈沖發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)理論研究和樣機(jī)制造測試的基礎(chǔ)上,通過對(duì)模塊化電源匹配設(shè)計(jì)方法、連接方式、放電控制方法等問題的研究,解決了電機(jī)模塊化應(yīng)用帶來的理論問題,為未來驅(qū)動(dòng)高能量軌道炮的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
【圖文】：

引了美國軍方的注意，在上世紀(jì)八十年代EM 受美國陸軍資助，為其研制用于驅(qū)動(dòng)CEM 研制的多代樣機(jī)，均用于驅(qū)動(dòng)軌道EM 完成了速射炮用補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)的設(shè)，由鋁筒提供被動(dòng)補(bǔ)償，樣機(jī)外形如圖

第 1 章 緒 論驗(yàn)的成功，促使美國陸軍和 CEM 合作設(shè)立，旨在研究更加緊湊的脈沖發(fā)電機(jī)。為此，，用復(fù)合材料代替鐵磁材料的空心脈沖發(fā)電機(jī)[轉(zhuǎn)電樞式結(jié)構(gòu)，由鋁筒提供被動(dòng)補(bǔ)償。復(fù)合機(jī)質(zhì)量大幅度降低，運(yùn)行轉(zhuǎn)速提高。該電增加儲(chǔ)能，因而電機(jī)能量密度得到很大提高
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM31

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2608098