儲能感應子發電機在脈沖功率電源中的應用

王苗 楊春華 徐瑾翔 胡陳陳

摘 要：脈沖功率電源的特點是密度高、功率密度大、體積小。在現有的幾種儲能技術中，飛輪儲能有很大的優勢：它的儲能密度高、結構比較簡單，因此在脈沖功率電源系統中的應用很多。在基于飛輪儲能的脈沖功率電源系統中，旋轉電機的好壞會直接影響整個脈沖功率電源的性能；但是，其結構十分簡單、性能較高，可以在速度很高的場合使用，尤其是將其應用在脈沖功率電源中。因此，旋轉電機在脈沖功率電源系統中具有重要的作用。

關鍵詞：感應子發電機；脈沖功率電源；儲能

中圖分類號：TM346 文獻標志碼：A

0 引言

所謂的脈沖功率，就是把能量一點點儲存起來，在瞬間釋放出比較大的功率，它可以為先進的科學技術或者新型武器提供比較優良的電脈沖信號。現在，脈沖功率電源呈迅猛發展的態勢，為國際領域提供了比較領先可靠的能量，當前，阻礙其發展的主要有幾個因素：第一是小型化的問題，第二是克服其儲能密度低的弱點，進一步完善相關性能。圖1是幾種常見的儲能方式的對比：其中包括儲能密度、放電時間等等。從圖1中可以看到，盡管電容器放電時間很短，但是其儲能密度不高，所以設備的體積無法小型化；而電感儲能的儲能密度雖然高于電容器，但是它向負載提供能量時需要較大容量的開關設備加以輔助；蓄電池的放電時間較長，儲能密度異常高，但是發熱以及密封等諸多問題限制了其性能的進一步優化，因此其在脈沖功率電源中的應用也不是很廣泛。總體而言，儲能密度大的裝置所需的放電時間就相對較長，因此綜合對比放電時間以及儲能密度等因素，慣性儲能更加能滿足系統的指標，因而其應用也很廣泛。

我們所說的慣性儲能，就是把具有某一質量的飛輪、轉子以較慢的方式加速到某一速度，然后讓其轉動起來，最終存儲一定的能量。本文旨在研究將慣性儲能應用在脈沖功率電源系統中。感應子發電機打破了蓄電池脈沖輸出功率小、壽命短的缺點，用物理的方式實現了能夠和蓄電池相抗衡的優點。它的使用率高，可以存儲巨大的能量，基本上沒有污染、十分節能，因此常常被用在脈沖功率電源中。

該類特殊電機是在19世紀末期被提出來的，一開始其主要是應用在無線電波方面，至今將近100年。隨后被應用在外殼加熱以及外形加工設備等方面；20世紀50年代左右該種電機開始被用在需要高頻率的領域：如輪船、航空等；在1978年，美國通用電器公司成功將其應用在飛輪儲能中，截至目前，華中科技大學也對其做過研究，該電機結構比較特殊，因此和常規電機相比，其性能也有所不同，華中科技大學對其電動以及發電2個方面的性能分別都作了研究；該電機相對于刷電機來說，有顯著的優勢。永磁電機的特點是強度大，能承受比較大的離心力，其不足之處在于運行的效率很低，而且輸出電壓不平穩。綜合考慮，將永磁電機與感應子電機相結合，充分發揮兩者的優勢，利用永磁式電機的優點，然后消除了永磁式電機兩端電壓不能靈活調整的缺陷，哈爾濱工業大學于2008年對2種電機結合的方式進行了研究。

1 慣性儲能技術在脈沖功率系統中的應用

現在，被用在慣性儲能中的脈沖功率電源主要有以下4種：同步發電機式、直流發電機式、補償脈沖發電機式以及單極發電機。其中單極發電機有如下優點：一是儲能的密度高；二是短路的電流比較大，但是它有一個很大的缺點就是端電壓特別低。為了加大兩端電壓，只有將轉子的速度、磁場等加大，另外，單極發電機速度的提高主要受限于機械強度以及滑動接觸技術。而直流發電機換向器能夠把交流變換為直流，并不需要輔助的整流裝置；直流發電機的儲能密度、功率密度、短路電流較小；同步發電機的磁場是轉場式的，沒有大電流電刷的缺陷，而且能輸出較大的感應電壓。但是普通電機有一個致命的弱點：如果需要減小峰值電流則其內部電感就會很大，從而就會影響輸出的脈沖能量的大小，而且脈寬很長，儲能的性能以及功率指標都不理想，所以一般都不用同步電機。而感應子發電機相對于其他幾種電機而言，功率密度高，性價比不錯，因此研究將感應子發電機應用在脈沖功率電源系統中。

2 基于感應子發電機的脈沖功率電源

感應子發電機與同步發電機的結構類似，但是又和普通的電機有一定的區別，它的構造相對比較特殊。它一共有2套繞組，一套為電樞繞組，另外一套為勵磁繞組，兩者全部位于定子上。它的磁場十分特殊，在一個鐵心下氣隙內所建立的磁場是方向不變的，轉子上磁通的方向一定，不像普通電機氣隙磁場是交變的，因而它有一個缺點就是存在直流損耗。感應子發電機相比于常規電機的優點如下：

（1）感應子發電機屬于無刷結構的電機，不存在普通旋轉發電機可能會產生的不安全因素，因此其應用在脈沖功率電源十分安全。

（2）感應子電機的轉子是實心結構的，它能夠高速運轉，其本身存儲的能量就可以達到負載所需的能量，所以不需要附加飛輪設備，從而可以節約成本。利用儲能式感應子發電機，將發電機的轉子當作飛輪，轉子與飛輪合在一起的這種方式可以縮小脈沖功率設備的容積，從而可以達到小型化的設計目標。

（3）感應子電機轉子是由高強度的合金鋼鍛造成的，其轉子上并無普通電機的繞組以及永磁體等，沒有換向器，也不需要滑動接觸，機械強度相當高，能夠承受高速旋轉時產生的離心力。結構上的優點主要有：簡單、可靠。因而其在儲能密度強、高壓的場合應用十分普遍。由于構思時間有限，該文對這種特殊電機的理解并沒有十分的全面，其中需要進一步研究和討論的問題也還有很多。接下來對該電機的研究一共還有以下幾個方面：一是該電機往往是在速度比較大、頻率比較高的領域使用，它的轉子需要能耐受強大的機械力，所以還得對高速運轉模式下感應子發電機的運動狀態進行仔細核算。確保機械性能滿足要求。二是該電機是在瞬間釋放巨大的能量，然而為了能夠適應整個系統的指標要求，該電機往往并沒有風扇裝置，因此發熱也是一個需要考慮的大問題，所以還要對其在3個維度下非穩態情況下的溫度進行仿真，確保其溫度性能滿足指標的要求。三是其氣隙磁密含有非交流的成分，所以還要計算定子方面的損耗。

3 結論

感應子發電機在脈沖功率電源的應用中有如下優點：一是儲能密度很高；二是容積小；三是運行可靠。感應子發電機應用于脈沖功率電源系統中具有廣闊的前景，在現代工業、新能源等方面也有很大的優勢，對這種電機進行全面研究是很有必要的。

參考文獻

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