电磁轨道发射用脉冲电源系统的发展与现状

孙志刚，刘宇鹏，郝兴斌

(32381 部队，北京 100072)

1 引言

与以化学能驱动的常规火炮相比，电磁发射技术不受滞止声速的限制，可获得更高初速[1,2]，同时还具备初速精度高、过载可调等特点[3,4]。电磁发射装置的驱动电流是弹丸获得高初速的主要原因，其电流峰值高达几百千安或数兆安，加速时间约为几毫秒至十几毫秒。受限于现有储能模块和开关器件的技术水平，单个电源模块难以输出上述的电流参数，目前采用多个模块组成脉冲电源系统，通过控制调制获得高参数的驱动电流。因此，脉冲电源系统是电磁发射系统的重要组成部分，其体积和质量占比最大，其性能是制约电磁发射技术工程化发展的重要因素之一。

目前，国际上电磁发射系统所采用的电源系统主要有电容储能、电感储能和惯性储能三种形式。根据国内外机构的研究成果，本文对不同储能形式下(电容储能、电感储能和惯性储能)脉冲电源系统的研究进展进行分析和总结，对其工程实用化发展进行展望。

2 电容储能型脉冲电源

基于电容储能的脉冲电源系统由多个脉冲形成单元(Pulsed Forming Unit，PFU)构成，通过并联输出脉冲大电流。

常见的PFU电路拓扑如图1所示，包含4个主要元件，分别为脉冲电容器(C)、开关管(S)、调波电抗器(L)和续流二极管(D)；根据开关管和续流二极管的不同分布，可分为A、B两型拓扑。

图1 电容储能的基本拓扑

其工作过程分为3个阶段：①电容放电阶段，由脉冲电容器、开关管、调波电抗器、负载构成放电回路，调波电抗器储能；②过渡阶段，开关管和续流二极管均处于导通状态，开关管的电流减小，续流二极管的电流增加；③续流阶段，调波电抗器存储的能量通过由负载、续流二极管、调波电抗器构成的续流回路释放，其中B型拓扑，开关管也参与续流过程。

该型电源具有结构紧凑、控制简单等模块化特征，技术成熟度较高，便于扩展。由其组成的脉冲电源系统具备运行可靠、调控简单灵活的特点，在现有电磁发射系统中应用广泛。其负载口径由几毫米的小口径至100多毫米的大口径，负载类型包含简单型和增强型，最大储能已达200 MJ[5]。

在工程背景下，对电容储能型脉冲电源系统的小型化、轻量化、连续发射运行和平台兼容性等方面提出了更高要求。

2.1 小型化与轻量化

脉冲电源系统的小型化与轻量化是全系统工程化应用的一个重要内容，主要针对系统效率优化和单电源模块的小型化、轻量化开展研究。通过提高脉冲电容器的储能密度和紧凑型模块设计可以有效提高单电源模块的轻量化程度。

脉冲电容器的储能密度理论值低，在电源中体积和质量占比最高，现有电源小型化研究以提升脉冲电容器的储能密度为主。考虑到负载的特殊性，目前毫秒级脉冲大电流放电多采用双向拉伸聚丙烯膜(Biaxially Oriented PolyPropylene，BOPP)，可保证相对低的损耗、相对长的寿命和相对高的稳定性[6]。

迄今为止，用于电磁轨道发射场合的脉冲电容器储能密度最高约3 MJ/m3，基本达到该类电容器的极值，美国通用原子电磁系统公司和华中科技大学分别于2009年和2016年完成了相关研制工作[7,8]。其中，华中科技大学研制的2.7 MJ/m3脉冲电容器如图2所示，其标称电容2.4 mF、额定电压6.6 kV，寿命850次[8]。近年来，国内外研究团队围绕金属化膜电容器的自愈性能[9-11]、寿命[12,13]、电介质材料表面改性[14-16]等方向开展研究，取得一系列进展和成果。

图2 2.7 MJ/m3金属化膜电容器[8]

由于传统聚合物薄膜的相对介电常数较低，后续提升空间有限，因此相关研究单位通过对聚合物薄膜进行表面改性，研制同时具备高储能密度、高充放电效率和高可靠性的新型材料，是金属化膜电容器重要的研究方向之一。研究表明：高介电常数纳米颗粒(如TiO2、BaTiO3等)[14,15,17]、采用核壳结构的无机纳米颗粒和叠层式多层薄膜设计[18-21]、Al2O3涂覆聚丙烯薄膜[22,23]、卷对卷等离子体增强化学气相沉积(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)[16]以及高偶极矩无定形聚合物(ArPU)[24]均可有效改善相对介电常数、击穿场强、储能密度等相关电参数，但距离工程应用尚存在一定差距。

影响电源小型化的主要因素还包括紧凑型模块设计水平。欧洲法-徳圣路易斯研究所(Institute of Saint-Louis，ISL)于2005年研制了50 kJ紧凑型PFU，储能密度为1.2 MJ/m3[25,26]。南京理工大学于2020年研制了450 kJ紧凑型PFU，储能密度为1.4 MJ/m3，如图3所示[27]。两种PFU主要用于主动电磁装甲防护系统和电热化学炮，其中南京理工大学所研制的450 kJ紧凑型PFU可进行3次连续发射；两种PFU均未采取主动制冷技术。

图3 450 kJ紧凑型PFU与高压恒流充电机[27]

截至目前，国内外PFU储能密度水平基本保持持平，约为1.5 MJ/m3，系统储能密度约为0.8～1.0 MJ/m3，具备热管理系统，能应用于连续发射。对于高储能电源系统，PFU储能过小，模块数量大大增加，进而增加系统复杂性；PFU储能过大，对开关管的电压应力、电流应力提出更高要求。因此工程应用中应根据系统效率、开关应力、连续运行工况下的温升限制等边界条件进行多目标优化设计。

在紧凑型PFU的研制基础上，现阶段电磁轨道发射用脉冲电源系统已由实验室阶段的框架式向较高集成度的脉冲功率集装箱式转化。

由美国海军供应商雷神公司和通用原子电磁系统公司所生产的集装箱式脉冲功率电源分别如图4(a)、图4(b)所示。其中，通用原子电磁系统公司所采用储能415 kJ的脉冲电容器，相较之前340 kJ模块，电容器储能密度提升20 %，并在重复频率条件下实现放电500次[28]。在此基础上研制10 MJ集装箱式脉冲功率电源已实现多次发射[29]。

图4 美国海军集装箱式脉冲功率电源

2.2 连续发射运行

连续发射运行是电磁轨道发射技术工程化应用的重要性能。美国海军于2005年至2011年间研制的重频电源模块样机如图5所示。

图5 可自动制冷的重频脉冲功率模块

在连续发射运行条件下，单模块紧凑化结构会导致电源模块散热困难，持续的温升会造成内部元件(如脉冲电容器、调波电抗器、半导体开关等)的热损伤和绝缘性能的下降，不利于电源系统的安全运行。

脉冲电容器在低频下出现过热损坏的概率较小，易造成热积累的主要元件是调波电抗器和大功率半导体开关[30,31]。因此在连续发射运行下，需要重点关注调波电抗器和半导体开关的安全性，相应的热管理措施主要以自然冷却、风冷和液冷为主。

2.2.1 调波电抗器

热管理技术是调波电抗器连续发射运行条件下安全运行的保障。在电容储能型脉冲电源系统中，调波电抗器多采用由铜带或铜管绕制的螺旋式结构。相比传统螺线管式结构，螺旋式结构体积更小、漏磁更大[32,33]。为保证绝缘性能、提高结构强度，调波电抗器内部需要环氧树脂进行浇灌填充。因此，更小的体积和绝缘材料的低导热系数均导致调波电抗器散热困难。

对于螺旋式结构，在连续发射的工况下，脉冲电压、脉冲间距和脉冲持续时间是影响热积累的主要因素[34]。在脉冲电流放电后，最高温度出现在螺旋式线圈沿半径方向的中部[35]，其主要散热面为其圆形端面[36]，这意味着调波电抗器无法通过自然冷却的方式进行有效的热管理，需要采取主动制冷措施。但螺旋式线圈自身的结构特点不易于冷却设计。相比之下，螺线管式线圈可配备相应的液冷与测控系统。通过监测冷却液的出口温度、控制流量、选择合适的冷却剂(乙二醇)可实现有效的热管理[37]。

2.2.2 半导体开关

半导体开关导通时，脉冲电容器放电电流峰值高达几十至上百千安。在大电流、强脉冲的连续发射条件下，半导体开关内部温度的积累会导致自身性能的劣化甚至永久损坏。合理选择半导体开关，同时辅以散热措施，确保开关管满足连续发射运行要求。

针对工程化应用，在器件选型时需要关注低重复率下的关键参数，包括通态不重复浪涌电流ITSM、通态临界电流上升率di/dt和电流平方时间积I2t等。对于厘米级大尺寸功率晶闸管，美国硅动力公司SPT411A系列的di/dt最高达20 kA/μs；中国株洲中车公司MKPE300-065型号的ITSM最高达300 kA[38,39]。

若半导体器件的通流参数无法满足连续发射需求，必要时需要进行液冷散热设计[27,40,41]。受限于电磁轨道发射场合，大功率半导体器件的研究方法包括热阻抗法[42-46]、有限元法[45,46]和热敏参数法等[46,47]，通过采取相应散热措施，可提高连续发射运行能力。

2.3 应用场合与作战平台兼容性

目前电磁发射系统集成度距离工程应用尚有差距，脉冲大电流的电磁干扰尚不突出；同时由于处于工程研制初期，较少涉及平台兼容性问题。现阶段相关研究主要包括与船舶电力系统的集成、电源小型化所带来的电磁兼容问题等。

在与船舶电力系统集成方面，欧洲ISL设计了包含锂电池、中间升压转换器和电容储能型脉冲电源的新拓扑结构[48]；美国犹他大学利用DC-DC升压电路将系统集成至具有环形结构的中压直流船舶电力系统[49]。

在电磁兼容方面，研究主要围绕调波电抗器和功率开关展开。为了防止磁饱和导致电感非线性变化，调波电抗器多采用漏磁较大的空心结构，其端面外侧磁场最强，该位置的轴向磁感应强度与电流波形变化趋势基本一致[50,51]。相比之下，功率开关在脉冲电流下表现为高频磁场干扰，最高可达兆赫兹级[52]。目前针对电源系统内磁场的测量手段主要有霍尔效应法[50,53]和电磁感应法[52]等。

电源系统内部强磁场会带来两个问题：①影响弱电测控系统的正常工作；②可能导致元件或金属连接件产生变形或损坏。针对测控系统的电磁干扰，目前解决方法是加盖金属外壳。仿真与实验研究表明：外壳材料电导率和磁导率越大，并采用双层结构，可有效实现电磁屏蔽[51,53,54]。针对脉冲强磁场所产生的感应电动力，调波电抗器受到的边缘环向应力最大[55]；根据与调波电抗器相对位置的不同，金属连接件上所感应的电磁力呈现不同规律[56,57]。

3 电感储能型脉冲电源

理论上，电感与电容的储能密度之比为10∶1[58]，具备较高的储能密度。与电容储能相比，电感可由初级电源直接供能，无需高压转换设备；与惯性储能相比，电感具备静态储能的优势。

电感储能型脉冲功率电源在断路开关动作后，漏磁的存在使得开关两端承受较高电压，需采用相关措施，如采取电容等器件以保证断路开关的安全运行。此外，在不选用超导技术的条件下，电感在充放电过程中产生的欧姆损耗，以及放电后回路中电感、电容的剩余能量，均导致现阶段系统级电源的传输效率相对较低[59,60]。

随着断路开关和高温超导技术的发展，近年来电感储能型脉冲电源系统取得一定进展，但距离工程应用有较大差距。

3.1 基本拓扑与电源系统的研制

按照电流倍增原理，现有电感储能型脉冲电源的基本拓扑可分为XRAM和脉冲变压器两种；其中，meat grinder及其衍生电路是一种特殊的脉冲变压器结构。

如图6所示，Us为初级电源，S1为关断开关，S2为闭合开关，k为耦合系数，L1为初级线圈，L2为次级线圈。

图6 电感储能的基本拓扑

3.1.1 XRAM型电感电源

XRAM作为MARX的对偶电路，通过串联充电、并联放电实现电流倍增，可有效避免或减少断路开关的并联，同时具备较强的拓展性。

欧洲ISL基于XRAM拓扑分别实现了4级[61,62]、8级[63]和20级[64]单元拓扑的并联，并于2020年研制了储能1 MJ的电源系统。该电源系统输出脉冲电流峰值400 kA，成功驱动25 mm2口径、3 m长的电磁发射装置，将80 g刷状电枢加速至1 120 m/s[65]。

3.1.2 脉冲变压器型电感电源

脉冲变压器本质上均通过磁链守恒原理实现电流倍增，主要分为混合型meat grinder和高温超导脉冲变压器。

(1)混合型meat grinder

美国先进技术研究所(Institute of Advanced Technology,IAT)提出的STRETCH meat grinder电路是在原meat grinder电路中引入了一个转换电容，以限制断路开关两端的过电压[66]。通过进一步改进、以及选用锂电池作为初级储能，IAT于2007年成功驱动0.56 m小口径电磁轨道炮，验证了混合型meat grinder的可行性[67]。

在引入转换电容的基础上，清华大学提出了多种衍生拓扑[68-71]，并将meat grinder衍生电路进行了对比[72]和参数分析[73]。

基于meat grinder with SECT拓扑，清华大学于2020年研制了80 kJ紧凑型PFU，储能密度为2.36 MJ/m3、放电电流峰值为15 kA[74]。通过遗传算法进行参数优化后，于2021年研制了100 kJ紧凑型PFU，储能密度3.98 MJ/m3、放电电流峰值23 kA[75]。两种PFU均不包含初级电源和冷却系统。

中国科学院电工研究所在STRETCH meat grinder电路的基础上进行了改进，于2020年研制了4级电源系统，负载电流峰值30.4 kA，如图7所示[60]。

图7 4级电感储能型脉冲电源

(2)高温超导脉冲变压器

2012年，西南交通大学研制了小型高温超导脉冲变压器，在充电电流100 A下可输出4.26 kA的脉冲电流，能量转换效率为72.3 %，可在20 K温度下稳定运行[76]。

在此基础上，多项研究将高温超导脉冲变压器与STRETCH meat grinder、XRAM相结合[77-79]。其中，山东理工大学基于高温超导脉冲变压器和XRAM，研制了2级小能级电源系统。负载为2 mΩ电阻时，最大输出电流峰值2.3 kA，脉宽5 ms；并可在5 Hz频率下稳定工作，但输出电流峰值会相对减小[80]。

此外，山东理工大学将桥式开关电路与高温超导脉冲变压器结合，提出了一种可进行连续放电的电路拓扑[81]。与混合型meat grinder不同的是，该拓扑中的转换电容通过向初级线圈正向放电，可使得负载电流在放电过程中快速衰减，从而保证工作频率和系统效率[82]。目前，该拓扑已进行小能级的验证实验，可在约5 Hz的频率下实现1.11 kA的放电电流[83]。

3.2 断路开关与换流技术

电感储能型脉冲电源需要通过断路开关动作，将与之串联的电感线圈换流或者断流，从而实现负载电流的倍增。长期以来，实现脉冲大电流快速可靠的关断是电感储能的关键技术之一。

相比机械开关和气体开关，半导体开关在通断时间、寿命、可靠性和体积等方面存在优势，是脉冲功率开关的首选。在具备关断能力的全控器件中，IGBT和MOSFET关断能力较弱。在能级较高的场合，多数采用IGCT和GTO作为断路开关。但在使用过程中，仍存在以下两个问题：

(1)开关耐压。在断路开关动作后，空心电感线圈的漏磁会使得断路开关两端承受高电压，易导致开关器件的损坏。

目前的解决途径有两个：①通过开关串联提高整体耐压水平；②加入转换电容以减小电压。器件串联对断路开关的抖动性要求较高，相比之下，加入转换电容更简单有效。但转换电容的加入会导致储能密度的下降；在某些情况下，转换电容在放电后可能有较高的剩余能量，导致电感储能的系统效率远低于电容储能[84]。

出于低功耗、同步性和紧凑性等方面的考虑，ISL针对半控器件设计了一种晶闸管反向电流关断电路(Inverse Current COmmutation with Semi-conductor device, ICCOS)，可保证关断28 kA的脉冲电流[85,86]。随后该电路被分别应用在XRAM[62-65]、混合型meat grinder[71]和高温超导脉冲变压器[87]的电路拓扑中。其中，ISL所研制的XRAM实体电源均采用了该项技术。

(2)开关功耗。在主开关选择上，电感储能与电容储能、惯性储能不同，前者为断路开关，后两者为闭合开关。

目前电感储能型脉冲功率电源仍处于实验室研制阶段，PFU储能较小(≤100 kJ)，线圈预充电流一般为数千安，由初级电源向线圈的充电时间为数十毫秒。在工程应用中，需要高储能，充电时间与充电装置功率密切相关。同时，未来电感储能能级的提升、以及连续发射工况的要求，除关注开关器件在导通及关断瞬间的功率损耗和温升外，还需要注意断路开关在闭合阶段(电感充电阶段)的损耗以及相关部件温升的影响。

3.3 电感设计与高温超导技术

电感储能因具备更高的储能密度而备受关注，因此研制适用于电磁发射场合、兼具高储能密度和高结构强度的电感至关重要。目前，国内外研究机构所采用的结构形式主要有环状结构和饼状结构，储能电感的实验图如图8所示。

图8 不同结构形式的储能电感

为实现以XRAM为基本拓扑的1 MJ电源系统，ISL研制了20模块环状电感，如图8(a)所示。在45 kA电流下，该电感体积储能密度4.5 MJ/m3，质量储能密度1 kJ/kg；采用D形铜盘式结构，具备较高的结构强度，在脉冲电流下产生较小的温升和电磁干扰[88,89]。

在以脉冲变压器为基本拓扑的电源系统中，电感的耦合系数直接影响电源的输出性能，因此该型电源多采用初级线圈与次级线圈交叠的饼状结构。

清华大学所采用的螺旋式单层电感线圈如图8(b)所示。通过遗传算法进行参数优化后，耦合系数可达0.99[75]。美国GEDI(General ElectroDynamics International)实验室所采用的8字形单层电感线圈如图8(c)所示，可有效减小电感线圈临近区域的杂散磁场[90]。

随着超导储能的发展和实用化，高温超导技术被应用至脉冲功率领域。山东理工大学和西南交通大学所研制的高温超导变压器，其初级线圈采用Bi-2223/Ag并排绕制而成，以提升载流能力[76,83]；ISL采用Bi-2212研制了3级XRAM电源系统[91]。

相比传统电感，超导电感具备更小的损耗和更高的储能密度。但考虑到其他辅助设备的引入与超导材料临界条件的限制，电源系统的总储能密度与工程实用性仍有待深入研究。

4 惯性储能型脉冲电源系统

在三种储能形式中，惯性储能的储能密度最高，在未来可移动平台脉冲电源的应用中具有潜在优势，目前尚处于发展初期。

针对电磁发射场合，电机转速一般为几千转每分钟至上万转每分钟，以实现高功率密度和高储能密度。在平台高机动运行条件下，高速电机的可靠性和安全性需要重点关注。

4.1 单极发电机

单极发电机原理简单，主要应用于电磁发射技术初期。1978年澳大利亚国立大学采用550 MJ单极发电机成功驱动电磁轨道装置，将3 g弹丸加速到5.9 km/s，验证了电磁轨道发射技术的可行性[92]。

美国西屋公司于1982年向美国陆军交付的EMACK系统中，单极发电机转速为6 000 r/min、储能为16 MJ、输出电流峰值1.5 MA[93]，如图9所示。1991年通过改进单极发电机转子，转速提升至9 000 r/min、储能30 MJ[94]。同时，为单极发电机提供旋转储能的拖动电机功率也由75 kW提升至300 kW，使得单极发电机加速时间小于2 min，但仍仅适用于单次发射场合[95]。

图9 16 MJ单极发电机及拖动电机[96]

1986年，西屋公司研制了储能10 MJ的紧凑型铁心单极发电机，质量储能密度5 kJ/kg，输出电流峰值1.5 MA。在此基础上，交付给美国空军的单极发电机增加了冷却系统等辅助设备[97]。

单极发电机输出电压低，典型值为100～200 V，可与其他储能元件相结合，应用于驱动电磁发射装置。用于EMACK的环状比特型电感线圈可承受电流1.5 MA，储能5 MJ[96]。与电感储能相同，环状比特型电感线圈同样需要断路开关进行电流换路。

考虑到单极发电机具备储能密度高、功率密度适中以及可靠性高等优点，华中科技大学将其作为脉冲电容器的充电电源[98,99]。为了进一步提升单极发电机的功率密度，2021年研制了新型外转子单极发电机样机如图10所示；并提出了基于多物理场的设计方法[100]。该单极发电机转速为12 000 r/min、功率160 kW、储能330 kJ[101]。

图10 330 kJ单极发电机及拖动电机[100]

从某种程度上讲，单极发电机由于需要中间储能元件，在功能上与目前普遍用作初级电源的锂电池和超级电容器相似。在功率密度、储能密度、重频性和可靠性等方面，单极发电机与其他储能形式仍需进一步性能对比。

4.2 脉冲发电机

1979年，美国德克萨斯大学机电中心(the University of Texas at austin Center for ElectroMechanics，UT-CEM)提出了补偿脉冲发电机(Compensated Pulsed Alternator，CPA)的概念，并完成了样机的验证实验[102]。在美国陆军的支持下，自1983年至1995年，UT-CEM先后研制了3代样机[103]，采用了强度密度比和弹性模量更高的复合材料取代铁磁材料。电机结构由铁心向空心的过渡，提高了脉冲发电机小型化、轻量化水平，同时也明确了自激励磁的必要性。经过历代样机的改进与优化，CPA设计转速最高可达25 000 r/min，设计储能可达200 MJ，质量储能密度由3.4 kJ/kg提升至19.6 kJ/kg[104-106]。但受限于工艺水平，尚未实现全转速下的电磁轨道发射实验。

1992年至1999年，UT-CEM设计了新型缩比样机，创新性地采用了多相、无补偿和旋转磁场的电机设计[107,108]，如图11所示。其中，UT-CEM通过励磁绕组充当补偿元件以实现无补偿形式，并研发了用于性能预测的仿真程序和用于测量高速转子的高精度传感器[109,110]。

图11 21 MJ缩比脉冲发电机系统[103]

基于缩比样机，UT-CEM与美国柯蒂斯-莱特(Curtiss-Wright)公司共同研制了新型样机模块，开创性地采用了一对同步反向旋转脉冲发电机组，并配备了复合材料支撑轴和冷却系统，如图12所示。每台电机设计储能46 MJ，转速12 000 r/min[104,111]。

图12 同步反向旋转双脉冲发电机模块

UT-CEM早期的样机研制为电磁发射用脉冲发电机的设计奠定了基础，在铁心与空心、旋转电枢与旋转磁场、单相与多相、励磁方式和补偿方式等方面提供了设计参考依据。其研制的铁心脉冲发电机样机实现将80.3 g电枢加速至2 050 m/s的发射试验[112]；研制的空心脉冲发电机样机将133.7 g电枢加速至1 336 m/s[113]。

我国针对脉冲发电机的研究始于20世纪80年代，目前相关样机处于初步验证阶段，实验输出能量均较低。2001年，中国科学院等离子体物理所研制的被动补偿式CPA成功驱动连发型电磁轨道炮，将4发7.8 g弹丸加速至250 m/s；该CPA采用单相4极的铁心结构，储能0.2 MJ，质量储能密度为0.2 kJ/kg[114]。此外，中国科学院等离子体物理所和电工研究所均针对主动补偿式CPA开展相关研究[115,116]。

基于空心CPA和自激励磁的特点，哈尔滨工业大学分别提出了混合励磁CPA和定子双电枢绕组空心CPA，于2011年分别研制了小型原理样机，并在转速6 000 r/min下进行了验证实验[117,118]。

混合励磁CPA通过结合电励磁和永磁励磁的优点，实现脉冲发电机无刷化，同时具备降低损耗和调控灵活等优点。针对放电过程中可能出现的退磁现象，需要进行多物理场分析和风险评估[119]。

定子双电枢绕组空心CPA通过2套互差90°电角度的同心式电枢绕组，可有效缩短励磁时间，解决了放电电流峰值与自激励磁效率相矛盾的问题。相比UT-CEM的转子双电枢绕组结构，转场式拓扑降低了对大功率电刷和滑环的要求，提高了系统的可靠性[120]。

为提升运行可靠性和小型化水平，国防科学技术大学于2015年研制了两相永磁被动补偿式CPA的缩比样机，在转速3 000 r/min下输出脉冲电流峰值6.25 kA，脉宽8.84 ms[121,122]。

相比单相脉冲发电机，多相脉冲发电机解耦了电流脉宽与电机转速之间的制约关系，更适用于电磁发射场合。相数的增加会使得电流纹波减小，同时也会产生较大的径向电磁力，提高了对电机结构和加工工艺的要求。考虑到相数增加后边际效应递减，华中科技大学六极七相空心CPA，并于2021年完成了样机的研制。该样机设计输出电流超过1 MA，可储能69.4 MJ，瞬时功率可达0.8 GW；目前处于调试阶段，实验放电电流峰值33 kA，向等效负载传输总能量3.25 kJ、瞬时功率峰值0.61 MW[123]。

单台脉冲发电机难以驱动电磁发射装置，与电容储能相似，通常需要进行多模块结构设计。在模块化设计方面，国内外研究仍以UT-CEM提出的同步反向双脉冲发电机对为主进行理论和仿真分析，通常采用并联方式向负载放电[124,125]。

随着电磁发射装置出膛动能的提升，现有制造工艺水平制约了高速电机的发展，多数研究仍以脉冲发电机的拓扑设计和多物理场仿真为主。

现阶段，脉冲发电机面临以下问题：①对于单台电机，运行时的高转速对电机的电磁特性、力学性能、热管理、制造工艺、运行可靠性以及使用寿命等方面提出更高要求。②对于多台电机构成的模块化系统，面向负载的匹配设计、模块内脉冲发电机对的同步运行、模块的连接方式以及输出电流波形的调控等问题亟待解决。

5 结论

在电磁轨道发射技术初期，重点集中在发射装置研究和发射实验验证上。对于脉冲电源系统的选择，主要考虑可满足不同负载的发射需求，同时还应具备低成本和高可靠性。因此，电容储能型脉冲电源在原理验证阶段被广泛使用。

根据现有技术，电感储能和惯性储能形式下所研制的单电源模块实体已具备更高的储能密度，性能对比见表1。对于脉冲电源系统，其最终目标是实现电磁发射总系统的工程化应用。在负载匹配设计方面，针对不同口径、不同频率需求的电磁发射装置，电感储能和惯性储能尚缺乏相关的实验数据积累。

表1 不同储能形式下实体电源性能对比

电容储能型脉冲电源虽然储能密度较低，但其模块化结构成熟度较高，便于扩展、运行可靠、易操作，相比其他储能形式仍具备一定优势。

电感储能型脉冲电源储能密度较高，但关断开关应力高、系统传输效率较低，且高温超导应用的辅助设备较为复杂，对其工程应用带来局限。

惯性储能型脉冲电源储能密度最高，目前进展缓慢，已公开的样机实验多在较低转速或较低储能条件下进行。对于惯性储能，转子的高速运行对电机的加工工艺、拓扑结构、冷却设计、可靠性和安全性等方面提出更高要求。

综上，在未来短期内，电容储能型脉冲电源仍将是电磁轨道发射技术工程应用的首选方案。电感储能型和惯性储能型脉冲电源尚需从可靠性、操控性、模块与系统集成等方面进行关键技术解决，体现其应有的优势，尽快走向工程化应用。