补偿脉冲发电机(CPA)是一种特别的同步发电机[1],使用磁通紧缩的原理，减小电枢电感，当电机作业的时分，会发生很大的脉冲电流[2].它是现在公认的相对又实用价值的电磁炮电源[3],选用飞轮以机械办法贮存能量，克服了电容器和单机发电机的各自缺陷，集储能、转化和调理于一体的脉冲电源，大大削减了从原动机到电磁炮负载的功率输出中心环节，具有单元件的归纳优势。依据脉冲电源研讨内容，规划制作储能20 MJ以上的补偿脉冲发电机样机，经过对电机内部磁场的剖析和负载试验，处理在补偿脉冲发电机制作方面的困难，对电机适用于电磁炮进行可行性剖析，为下一步制作出具有实战水平的CPA打下理论和工程根底。
1 根本参数
以电机体积和分量为优化方针，本文规划制作一台空心、自励形式、转场式结构、峰值功率为300 MW 以上、储能20 MJ和转化功率15%的两相四极的空心挑选被迫补偿脉冲发电机样机。电机的首要参数见表1.
2 根本结构
补偿脉冲沟通发电机，是一种特别的同步发电机，经过对现在补偿式脉冲发电机的优缺陷研讨[4],确认该电机的结构为：两相四极、空心、被迫补偿、自励形式、转场式结构。
电机体系结构包含定子、转子、电刷、滑环、轴承、端盖、电力电子设备和机壳[5].转子由转轴、转子轭、励磁绕组、碳纤维纱带、铝补偿筒组成。主轴上固定钛合金转子轭经过过盈衔接，转子励磁绕组粘结在转子轭外外表，绕组外部用碳纤维环氧树脂绑扎绑带固定，绑带外面为铝补偿筒;定子由主电枢绕组、玻璃纤维纱带、次电枢绕组、定子轭、机壳组成。定子轭固定在机壳内壁上，内壁上粘结有定子无槽次电枢绕组(用于励磁)，次电枢绕组和主电枢绕组(用于放电)之间为碳纤维环氧树脂绑扎纱带，定子无槽电枢绕组的端部用屏蔽盒罩住，转子经过端盖轴承的支撑固定于定子内，主轴的一端衔接原动机，主轴的另一端固定有滑环和电刷。
3 转子规划
转子根本尺度选用空心转子结构的电机，转子飞轮的最佳表里半径比为0.45时[6],转子的储能量为实心转子储能量的95%以上，能够节省转子资料和减轻转子分量。
该电机旋转在很高的速度，一般的铁磁资料无法满意其力学效应，一般选用复合资料或钛来制作。钛(Ti)是一种银色的过渡金属，归于无磁性金属，在很大的磁场中也不会被磁化，它还有耐高温、耐腐蚀等优秀特性[7].
钛合金强度高，且电阻率低，在高温文低温状况下都能坚持高强度。与复合资料比较，选用钛转子结构能够进步储能密度，削减转子的体积，且工艺相对来说简略一些。因而，在本规划中，转子是选用钛资料。
3.1 转子轭的挑选
转子轭由钛合金构成。钛合金资料功能[8]如下：拉伸强度：1 000.0 MPa;拉伸模量：116.7 GPa;比强度：
221.2 MPa(g/cm3);比模量：25.8 GPa(g/cm3);密度：
4.52 g/cm3.电机旋转速度为12 000 r/min时，转子外径为0.088 m,转子内径为0.039 6 m,转子长为0.326 m,机械角速度为1 256.6 rad/s.
3.2 转轴资料的挑选
转轴资料型号为25Cr2Ni4MoV.首要力学功能[9]目标(切向取样)如下：屈从强度为730~830 MPa;抗拉强度为σb ≥1 000 MPa;伸长率为δb ≥14%.
3.3 纱带的挑选
绑带为碳纤维与环氧树脂复合的资料，其功能[10]如下：拉伸强度：1 471.0 MPa;拉伸模量：137.3 GPa;比强度：1 014.0 MPa(g/cm3);比模量：94.7 GPa(g/cm3);密度：1.45 g/cm3.
3.4 屏蔽筒资料的挑选
补偿筒资料的挑选关于电机的规划是个很重要的环节，它有必要导电功能好且非导磁[11].当点击作业放电时，由于补偿筒阻挠磁场的穿过，电枢反响磁场被紧缩在定子和转子的气隙中，这样电枢绕组的电感就会大大减小，补偿电机的瞬时作业功率就会大大进步。
根据补偿筒资料的约束，有必要导电功能杰出且不能导磁，铜和铝满意以上要求，可是，当电机正常作业时，电机的转速十分高，有很大的离心力，所以，从机械功能和安全考虑，挑选铝。
关于补偿脉冲发电机，补偿筒的厚度尺度对电机的功能影响很大，假如补偿筒太薄，电机放电时补偿筒不能很好的补偿电枢反响磁通，电机内电枢绕组的内电感不满意要求，放电峰值电流不能满意。假如补偿筒太厚，就会增大电枢绕组和励磁绕组之间的间隔，减小了两者之间的耦合，为到达相同的功率，电机需求添加励磁功率才干到达要求。
补偿筒的厚度直接影响电机内部磁场和电感的安稳，当它的厚度大于8 mm时，电枢绕组的电感就根本安稳，不会由于补偿筒的薄厚而改变，也就是说电机内磁场的散布趋于安稳。因而，为了尽可能减小电机的空隙，本次规划补偿筒的厚度为8 mm.因屏蔽筒作业在高速旋转状况，须挑选高强度的硬质合金铝。本次规划的转子模型三维图如图1所示。
4 定子规划
定子选用无槽绕组，内部为圆形空腔，定子轭用复合资料构成，电枢线圈固定在定子表里表、经过定子外部的端接部分衔接。
(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纱带厚度都为0.005 m,次电枢绕组厚度为0.017 m.
(2)电枢绕组导线选用矩形铜导线，选用两根导线并联办法;
(3)绕组端部用两个铝环紧固，一起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，所以为了下降绕组的温升，有必要下降电枢绕组的等效电阻，因而，补偿脉冲发电机的电枢绕组应该规划成导体截面积比较大且匝数比较少。可是，由于电机的尺度、功率以及转速必定的前提下，电枢绕组的匝数比较少又约束了输出较大的脉冲功率，延长了电机到达自激结尾的时刻，下降了自激的功率。
为了处理这个问题，学者在规划脉冲发电机时选用双电枢绕组，一绕组用于励磁，别的一绕组用于电机放电时用。这种补偿脉冲发电机都是选用静场式结构，即两套电枢绕组都安装在电机的转子上，并且由于电机的转速很高，发生的离心力很大，加之电机的结构是无槽的，固定根本都是用纱带固定的，当电机作业时发生的离心力会给纱带形成很大的压力，所以考虑到这个要素，转子上放两套电枢绕组添加了规划制作难度。
根据上述的缺陷，本次规划选用转场式，把主次电枢绕组放到定子上，这样电机就只需一套电刷滑环换向体系，处理了规划和制作难度，又处理了电机放电时自激时刻与放电温升的对立，转场式的结构，对电刷和滑环的要求也有所下降，体系的安稳性也相应进步。并且由于转子就只有励磁绕组，电机作业时转子内部的磁场散布改变不变，转子的整体功能有了很大的进步。
定子的三维模型如图2所示，主次电枢绕组都放在定子表里表贴着，主电枢绕组的效果是供给放电电流在向电磁炮发射时，是由扁铜线制成，这样能够减小定转子之间的空隙，电枢绕组和励磁绕组的耦合就会添加，扁铜线的截面积大，匝数少，所以电机的电感和电阻也就低，满意了补偿电机的要求。次电枢绕组的效果是和励磁绕组一起组成回路，发生放电时的磁场，是由一般的圆铜线制成，匝数多，电机作业时和励磁绕组一起效果，缩短了励磁时刻，进步了发射功率。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，主电枢绕组这样安置，能够更好地和转子上的励磁绕组耦合，使得功率进一步进步。减小补偿脉冲发电机的质量，关于补偿脉冲发电机的规划也很重要，这样能够进步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，一起，进步了电机的安稳性。
6 仿真核算
Ansys软件是融结构、流体、电场、磁场、声场剖析于一体的大型通用有限元剖析软件。为了精确地核算出电机在作业时绕组输出的功率，经过Ansys剖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。经过对电机空载时磁场的仿真剖析，精确的核算电机在空载时，在额外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，电机的根本组织参数和电磁参数是否满意规划要求，实体模型如图3所示：
从图4中能够看出，补偿脉冲发电机中心截面的磁力线散布状况，从图5 中看出，磁通密度峰值散布状况。能够看到，电机中的磁力线散布到电机的外部，这是由于电机是空芯电机，该电机内部没有导磁资料，它不像传统的有导磁资料的电机，给磁场供给一个磁路，所以核算补偿脉冲发电机就不能像核算传统电机内部磁场的办法，这儿就有必要运用Ansys软件来剖析脉冲发电机内部的磁场。
当电机作业对负载放电时，主电枢绕组有瞬时电流经过，电机内部的磁通也就瞬时改变，与此一起，电机补偿筒内也就会感应出等值反向的磁通(涡流)，电枢绕组发生的磁通被紧缩在气隙中，主电枢绕组的瞬态电感就会下降，一起气隙中的磁场密度也添加，瞬时反电势也随
