储能感应子发电机在脉冲功率电源中的应用

王苗 杨春华 徐瑾翔 胡陈陈

摘 要：脉冲功率电源的特点是密度高、功率密度大、体积小。在现有的几种储能技术中，飞轮储能有很大的优势：它的储能密度高、结构比较简单，因此在脉冲功率电源系统中的应用很多。在基于飞轮储能的脉冲功率电源系统中，旋转电机的好坏会直接影响整个脉冲功率电源的性能；但是，其结构十分简单、性能较高，可以在速度很高的场合使用，尤其是将其应用在脉冲功率电源中。因此，旋转电机在脉冲功率电源系统中具有重要的作用。

关键词：感应子发电机；脉冲功率电源；储能

中图分类号：TM346 文献标志码：A

0 引言

所谓的脉冲功率，就是把能量一点点储存起来，在瞬间释放出比较大的功率，它可以为先进的科学技术或者新型武器提供比较优良的电脉冲信号。现在，脉冲功率电源呈迅猛发展的态势，为国际领域提供了比较领先可靠的能量，当前，阻碍其发展的主要有几个因素：第一是小型化的问题，第二是克服其储能密度低的弱点，进一步完善相关性能。图1是几种常见的储能方式的对比：其中包括储能密度、放电时间等等。从图1中可以看到，尽管电容器放电时间很短，但是其储能密度不高，所以设备的体积无法小型化；而电感储能的储能密度虽然高于电容器，但是它向负载提供能量时需要较大容量的开关设备加以辅助；蓄电池的放电时间较长，储能密度异常高，但是发热以及密封等诸多问题限制了其性能的进一步优化，因此其在脉冲功率电源中的应用也不是很广泛。总体而言，储能密度大的装置所需的放电时间就相对较长，因此综合对比放电时间以及储能密度等因素，惯性储能更加能满足系统的指标，因而其应用也很广泛。

我们所说的惯性储能，就是把具有某一质量的飞轮、转子以较慢的方式加速到某一速度，然后让其转动起来，最终存储一定的能量。本文旨在研究将惯性储能应用在脉冲功率电源系统中。感应子发电机打破了蓄电池脉冲输出功率小、寿命短的缺点，用物理的方式实现了能够和蓄电池相抗衡的优点。它的使用率高，可以存储巨大的能量，基本上没有污染、十分节能，因此常常被用在脈冲功率电源中。

该类特殊电机是在19世纪末期被提出来的，一开始其主要是应用在无线电波方面，至今将近100年。随后被应用在外壳加热以及外形加工设备等方面；20世纪50年代左右该种电机开始被用在需要高频率的领域：如轮船、航空等；在1978年，美国通用电器公司成功将其应用在飞轮储能中，截至目前，华中科技大学也对其做过研究，该电机结构比较特殊，因此和常规电机相比，其性能也有所不同，华中科技大学对其电动以及发电2个方面的性能分别都作了研究；该电机相对于刷电机来说，有显著的优势。永磁电机的特点是强度大，能承受比较大的离心力，其不足之处在于运行的效率很低，而且输出电压不平稳。综合考虑，将永磁电机与感应子电机相结合，充分发挥两者的优势，利用永磁式电机的优点，然后消除了永磁式电机两端电压不能灵活调整的缺陷，哈尔滨工业大学于2008年对2种电机结合的方式进行了研究。

1 惯性储能技术在脉冲功率系统中的应用

现在，被用在惯性储能中的脉冲功率电源主要有以下4种：同步发电机式、直流发电机式、补偿脉冲发电机式以及单极发电机。其中单极发电机有如下优点：一是储能的密度高；二是短路的电流比较大，但是它有一个很大的缺点就是端电压特别低。为了加大两端电压，只有将转子的速度、磁场等加大，另外，单极发电机速度的提高主要受限于机械强度以及滑动接触技术。而直流发电机换向器能够把交流变换为直流，并不需要辅助的整流装置；直流发电机的储能密度、功率密度、短路电流较小；同步发电机的磁场是转场式的，没有大电流电刷的缺陷，而且能输出较大的感应电压。但是普通电机有一个致命的弱点：如果需要减小峰值电流则其内部电感就会很大，从而就会影响输出的脉冲能量的大小，而且脉宽很长，储能的性能以及功率指标都不理想，所以一般都不用同步电机。而感应子发电机相对于其他几种电机而言，功率密度高，性价比不错，因此研究将感应子发电机应用在脉冲功率电源系统中。

2 基于感应子发电机的脉冲功率电源

感应子发电机与同步发电机的结构类似，但是又和普通的电机有一定的区别，它的构造相对比较特殊。它一共有2套绕组，一套为电枢绕组，另外一套为励磁绕组，两者全部位于定子上。它的磁场十分特殊，在一个铁心下气隙内所建立的磁场是方向不变的，转子上磁通的方向一定，不像普通电机气隙磁场是交变的，因而它有一个缺点就是存在直流损耗。感应子发电机相比于常规电机的优点如下：

（1）感应子发电机属于无刷结构的电机，不存在普通旋转发电机可能会产生的不安全因素，因此其应用在脉冲功率电源十分安全。

（2）感应子电机的转子是实心结构的，它能够高速运转，其本身存储的能量就可以达到负载所需的能量，所以不需要附加飞轮设备，从而可以节约成本。利用储能式感应子发电机，将发电机的转子当作飞轮，转子与飞轮合在一起的这种方式可以缩小脉冲功率设备的容积，从而可以达到小型化的设计目标。

（3）感应子电机转子是由高强度的合金钢锻造成的，其转子上并无普通电机的绕组以及永磁体等，没有换向器，也不需要滑动接触，机械强度相当高，能够承受高速旋转时产生的离心力。结构上的优点主要有：简单、可靠。因而其在储能密度强、高压的场合应用十分普遍。由于构思时间有限，该文对这种特殊电机的理解并没有十分的全面，其中需要进一步研究和讨论的问题也还有很多。接下来对该电机的研究一共还有以下几个方面：一是该电机往往是在速度比较大、频率比较高的领域使用，它的转子需要能耐受强大的机械力，所以还得对高速运转模式下感应子发电机的运动状态进行仔细核算。确保机械性能满足要求。二是该电机是在瞬间释放巨大的能量，然而为了能够适应整个系统的指标要求，该电机往往并没有风扇装置，因此发热也是一个需要考虑的大问题，所以还要对其在3个维度下非稳态情况下的温度进行仿真，确保其温度性能满足指标的要求。三是其气隙磁密含有非交流的成分，所以还要计算定子方面的损耗。

3 结论

感应子发电机在脉冲功率电源的应用中有如下优点：一是储能密度很高；二是容积小；三是运行可靠。感应子发电机应用于脉冲功率电源系统中具有广阔的前景，在现代工业、新能源等方面也有很大的优势，对这种电机进行全面研究是很有必要的。

参考文献

[1]王莹. 脉冲功率技术综述[J].电气技术，2009（4）： 5-9.

[2]李德海，卫海岗，戴兴建.飞轮储能技术原理、应用及其研究进展[J].机械工程师，2002（4）： 5-75.

[3]B.C. 沙洛夫.感应子发电机[M].北京：国防工业出版社，1965.