電磁軌道發(fā)射用脈沖電源系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀

孫志剛，劉宇鵬，郝興斌

(32381 部隊(duì)，北京 100072)

1 引言

與以化學(xué)能驅(qū)動的常規(guī)火炮相比，電磁發(fā)射技術(shù)不受滯止聲速的限制，可獲得更高初速[1,2]，同時(shí)還具備初速精度高、過載可調(diào)等特點(diǎn)[3,4]。電磁發(fā)射裝置的驅(qū)動電流是彈丸獲得高初速的主要原因，其電流峰值高達(dá)幾百千安或數(shù)兆安，加速時(shí)間約為幾毫秒至十幾毫秒。受限于現(xiàn)有儲能模塊和開關(guān)器件的技術(shù)水平，單個電源模塊難以輸出上述的電流參數(shù)，目前采用多個模塊組成脈沖電源系統(tǒng)，通過控制調(diào)制獲得高參數(shù)的驅(qū)動電流。因此，脈沖電源系統(tǒng)是電磁發(fā)射系統(tǒng)的重要組成部分，其體積和質(zhì)量占比最大，其性能是制約電磁發(fā)射技術(shù)工程化發(fā)展的重要因素之一。

目前，國際上電磁發(fā)射系統(tǒng)所采用的電源系統(tǒng)主要有電容儲能、電感儲能和慣性儲能三種形式。根據(jù)國內(nèi)外機(jī)構(gòu)的研究成果，本文對不同儲能形式下(電容儲能、電感儲能和慣性儲能)脈沖電源系統(tǒng)的研究進(jìn)展進(jìn)行分析和總結(jié)，對其工程實(shí)用化發(fā)展進(jìn)行展望。

2 電容儲能型脈沖電源

基于電容儲能的脈沖電源系統(tǒng)由多個脈沖形成單元(Pulsed Forming Unit，PFU)構(gòu)成，通過并聯(lián)輸出脈沖大電流。

常見的PFU電路拓?fù)淙鐖D1所示，包含4個主要元件，分別為脈沖電容器(C)、開關(guān)管(S)、調(diào)波電抗器(L)和續(xù)流二極管(D)；根據(jù)開關(guān)管和續(xù)流二極管的不同分布，可分為A、B兩型拓?fù)洹?/p>

圖1 電容儲能的基本拓?fù)?/p>

其工作過程分為3個階段：①電容放電階段，由脈沖電容器、開關(guān)管、調(diào)波電抗器、負(fù)載構(gòu)成放電回路，調(diào)波電抗器儲能；②過渡階段，開關(guān)管和續(xù)流二極管均處于導(dǎo)通狀態(tài)，開關(guān)管的電流減小，續(xù)流二極管的電流增加；③續(xù)流階段，調(diào)波電抗器存儲的能量通過由負(fù)載、續(xù)流二極管、調(diào)波電抗器構(gòu)成的續(xù)流回路釋放，其中B型拓?fù)?，開關(guān)管也參與續(xù)流過程。

該型電源具有結(jié)構(gòu)緊湊、控制簡單等模塊化特征，技術(shù)成熟度較高，便于擴(kuò)展。由其組成的脈沖電源系統(tǒng)具備運(yùn)行可靠、調(diào)控簡單靈活的特點(diǎn)，在現(xiàn)有電磁發(fā)射系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。其負(fù)載口徑由幾毫米的小口徑至100多毫米的大口徑，負(fù)載類型包含簡單型和增強(qiáng)型，最大儲能已達(dá)200 MJ[5]。

在工程背景下，對電容儲能型脈沖電源系統(tǒng)的小型化、輕量化、連續(xù)發(fā)射運(yùn)行和平臺兼容性等方面提出了更高要求。

2.1 小型化與輕量化

脈沖電源系統(tǒng)的小型化與輕量化是全系統(tǒng)工程化應(yīng)用的一個重要內(nèi)容，主要針對系統(tǒng)效率優(yōu)化和單電源模塊的小型化、輕量化開展研究。通過提高脈沖電容器的儲能密度和緊湊型模塊設(shè)計(jì)可以有效提高單電源模塊的輕量化程度。

脈沖電容器的儲能密度理論值低，在電源中體積和質(zhì)量占比最高，現(xiàn)有電源小型化研究以提升脈沖電容器的儲能密度為主。考慮到負(fù)載的特殊性，目前毫秒級脈沖大電流放電多采用雙向拉伸聚丙烯膜(Biaxially Oriented PolyPropylene，BOPP)，可保證相對低的損耗、相對長的壽命和相對高的穩(wěn)定性[6]。

迄今為止，用于電磁軌道發(fā)射場合的脈沖電容器儲能密度最高約3 MJ/m3，基本達(dá)到該類電容器的極值，美國通用原子電磁系統(tǒng)公司和華中科技大學(xué)分別于2009年和2016年完成了相關(guān)研制工作[7,8]。其中，華中科技大學(xué)研制的2.7 MJ/m3脈沖電容器如圖2所示，其標(biāo)稱電容2.4 mF、額定電壓6.6 kV，壽命850次[8]。近年來，國內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)圍繞金屬化膜電容器的自愈性能[9-11]、壽命[12,13]、電介質(zhì)材料表面改性[14-16]等方向開展研究，取得一系列進(jìn)展和成果。

圖2 2.7 MJ/m3金屬化膜電容器[8]

由于傳統(tǒng)聚合物薄膜的相對介電常數(shù)較低，后續(xù)提升空間有限，因此相關(guān)研究單位通過對聚合物薄膜進(jìn)行表面改性，研制同時(shí)具備高儲能密度、高充放電效率和高可靠性的新型材料，是金屬化膜電容器重要的研究方向之一。研究表明：高介電常數(shù)納米顆粒(如TiO2、BaTiO3等)[14,15,17]、采用核殼結(jié)構(gòu)的無機(jī)納米顆粒和疊層式多層薄膜設(shè)計(jì)[18-21]、Al2O3涂覆聚丙烯薄膜[22,23]、卷對卷等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)[16]以及高偶極矩?zé)o定形聚合物(ArPU)[24]均可有效改善相對介電常數(shù)、擊穿場強(qiáng)、儲能密度等相關(guān)電參數(shù)，但距離工程應(yīng)用尚存在一定差距。

影響電源小型化的主要因素還包括緊湊型模塊設(shè)計(jì)水平。歐洲法-徳圣路易斯研究所(Institute of Saint-Louis，ISL)于2005年研制了50 kJ緊湊型PFU，儲能密度為1.2 MJ/m3[25,26]。南京理工大學(xué)于2020年研制了450 kJ緊湊型PFU，儲能密度為1.4 MJ/m3，如圖3所示[27]。兩種PFU主要用于主動電磁裝甲防護(hù)系統(tǒng)和電熱化學(xué)炮，其中南京理工大學(xué)所研制的450 kJ緊湊型PFU可進(jìn)行3次連續(xù)發(fā)射；兩種PFU均未采取主動制冷技術(shù)。

圖3 450 kJ緊湊型PFU與高壓恒流充電機(jī)[27]

截至目前，國內(nèi)外PFU儲能密度水平基本保持持平，約為1.5 MJ/m3，系統(tǒng)儲能密度約為0.8～1.0 MJ/m3，具備熱管理系統(tǒng)，能應(yīng)用于連續(xù)發(fā)射。對于高儲能電源系統(tǒng)，PFU儲能過小，模塊數(shù)量大大增加，進(jìn)而增加系統(tǒng)復(fù)雜性；PFU儲能過大，對開關(guān)管的電壓應(yīng)力、電流應(yīng)力提出更高要求。因此工程應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)效率、開關(guān)應(yīng)力、連續(xù)運(yùn)行工況下的溫升限制等邊界條件進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在緊湊型PFU的研制基礎(chǔ)上，現(xiàn)階段電磁軌道發(fā)射用脈沖電源系統(tǒng)已由實(shí)驗(yàn)室階段的框架式向較高集成度的脈沖功率集裝箱式轉(zhuǎn)化。

由美國海軍供應(yīng)商雷神公司和通用原子電磁系統(tǒng)公司所生產(chǎn)的集裝箱式脈沖功率電源分別如圖4(a)、圖4(b)所示。其中，通用原子電磁系統(tǒng)公司所采用儲能415 kJ的脈沖電容器，相較之前340 kJ模塊，電容器儲能密度提升20 %，并在重復(fù)頻率條件下實(shí)現(xiàn)放電500次[28]。在此基礎(chǔ)上研制10 MJ集裝箱式脈沖功率電源已實(shí)現(xiàn)多次發(fā)射[29]。

圖4 美國海軍集裝箱式脈沖功率電源

2.2 連續(xù)發(fā)射運(yùn)行

連續(xù)發(fā)射運(yùn)行是電磁軌道發(fā)射技術(shù)工程化應(yīng)用的重要性能。美國海軍于2005年至2011年間研制的重頻電源模塊樣機(jī)如圖5所示。

圖5 可自動制冷的重頻脈沖功率模塊

在連續(xù)發(fā)射運(yùn)行條件下，單模塊緊湊化結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致電源模塊散熱困難，持續(xù)的溫升會造成內(nèi)部元件(如脈沖電容器、調(diào)波電抗器、半導(dǎo)體開關(guān)等)的熱損傷和絕緣性能的下降，不利于電源系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

脈沖電容器在低頻下出現(xiàn)過熱損壞的概率較小，易造成熱積累的主要元件是調(diào)波電抗器和大功率半導(dǎo)體開關(guān)[30,31]。因此在連續(xù)發(fā)射運(yùn)行下，需要重點(diǎn)關(guān)注調(diào)波電抗器和半導(dǎo)體開關(guān)的安全性，相應(yīng)的熱管理措施主要以自然冷卻、風(fēng)冷和液冷為主。

2.2.1 調(diào)波電抗器

熱管理技術(shù)是調(diào)波電抗器連續(xù)發(fā)射運(yùn)行條件下安全運(yùn)行的保障。在電容儲能型脈沖電源系統(tǒng)中，調(diào)波電抗器多采用由銅帶或銅管繞制的螺旋式結(jié)構(gòu)。相比傳統(tǒng)螺線管式結(jié)構(gòu)，螺旋式結(jié)構(gòu)體積更小、漏磁更大[32,33]。為保證絕緣性能、提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，調(diào)波電抗器內(nèi)部需要環(huán)氧樹脂進(jìn)行澆灌填充。因此，更小的體積和絕緣材料的低導(dǎo)熱系數(shù)均導(dǎo)致調(diào)波電抗器散熱困難。

對于螺旋式結(jié)構(gòu)，在連續(xù)發(fā)射的工況下，脈沖電壓、脈沖間距和脈沖持續(xù)時(shí)間是影響熱積累的主要因素[34]。在脈沖電流放電后，最高溫度出現(xiàn)在螺旋式線圈沿半徑方向的中部[35]，其主要散熱面為其圓形端面[36]，這意味著調(diào)波電抗器無法通過自然冷卻的方式進(jìn)行有效的熱管理，需要采取主動制冷措施。但螺旋式線圈自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不易于冷卻設(shè)計(jì)。相比之下，螺線管式線圈可配備相應(yīng)的液冷與測控系統(tǒng)。通過監(jiān)測冷卻液的出口溫度、控制流量、選擇合適的冷卻劑(乙二醇)可實(shí)現(xiàn)有效的熱管理[37]。

2.2.2 半導(dǎo)體開關(guān)

半導(dǎo)體開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，脈沖電容器放電電流峰值高達(dá)幾十至上百千安。在大電流、強(qiáng)脈沖的連續(xù)發(fā)射條件下，半導(dǎo)體開關(guān)內(nèi)部溫度的積累會導(dǎo)致自身性能的劣化甚至永久損壞。合理選擇半導(dǎo)體開關(guān)，同時(shí)輔以散熱措施，確保開關(guān)管滿足連續(xù)發(fā)射運(yùn)行要求。

針對工程化應(yīng)用，在器件選型時(shí)需要關(guān)注低重復(fù)率下的關(guān)鍵參數(shù)，包括通態(tài)不重復(fù)浪涌電流ITSM、通態(tài)臨界電流上升率di/dt和電流平方時(shí)間積I2t等。對于厘米級大尺寸功率晶閘管，美國硅動力公司SPT411A系列的di/dt最高達(dá)20 kA/μs；中國株洲中車公司MKPE300-065型號的ITSM最高達(dá)300 kA[38,39]。

若半導(dǎo)體器件的通流參數(shù)無法滿足連續(xù)發(fā)射需求，必要時(shí)需要進(jìn)行液冷散熱設(shè)計(jì)[27,40,41]。受限于電磁軌道發(fā)射場合，大功率半導(dǎo)體器件的研究方法包括熱阻抗法[42-46]、有限元法[45,46]和熱敏參數(shù)法等[46,47]，通過采取相應(yīng)散熱措施，可提高連續(xù)發(fā)射運(yùn)行能力。

2.3 應(yīng)用場合與作戰(zhàn)平臺兼容性

目前電磁發(fā)射系統(tǒng)集成度距離工程應(yīng)用尚有差距，脈沖大電流的電磁干擾尚不突出；同時(shí)由于處于工程研制初期，較少涉及平臺兼容性問題?，F(xiàn)階段相關(guān)研究主要包括與船舶電力系統(tǒng)的集成、電源小型化所帶來的電磁兼容問題等。

在與船舶電力系統(tǒng)集成方面，歐洲ISL設(shè)計(jì)了包含鋰電池、中間升壓轉(zhuǎn)換器和電容儲能型脈沖電源的新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[48]；美國猶他大學(xué)利用DC-DC升壓電路將系統(tǒng)集成至具有環(huán)形結(jié)構(gòu)的中壓直流船舶電力系統(tǒng)[49]。

在電磁兼容方面，研究主要圍繞調(diào)波電抗器和功率開關(guān)展開。為了防止磁飽和導(dǎo)致電感非線性變化，調(diào)波電抗器多采用漏磁較大的空心結(jié)構(gòu)，其端面外側(cè)磁場最強(qiáng)，該位置的軸向磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流波形變化趨勢基本一致[50,51]。相比之下，功率開關(guān)在脈沖電流下表現(xiàn)為高頻磁場干擾，最高可達(dá)兆赫茲級[52]。目前針對電源系統(tǒng)內(nèi)磁場的測量手段主要有霍爾效應(yīng)法[50,53]和電磁感應(yīng)法[52]等。

電源系統(tǒng)內(nèi)部強(qiáng)磁場會帶來兩個問題：①影響弱電測控系統(tǒng)的正常工作；②可能導(dǎo)致元件或金屬連接件產(chǎn)生變形或損壞。針對測控系統(tǒng)的電磁干擾，目前解決方法是加蓋金屬外殼。仿真與實(shí)驗(yàn)研究表明：外殼材料電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率越大，并采用雙層結(jié)構(gòu)，可有效實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽[51,53,54]。針對脈沖強(qiáng)磁場所產(chǎn)生的感應(yīng)電動力，調(diào)波電抗器受到的邊緣環(huán)向應(yīng)力最大[55]；根據(jù)與調(diào)波電抗器相對位置的不同，金屬連接件上所感應(yīng)的電磁力呈現(xiàn)不同規(guī)律[56,57]。

3 電感儲能型脈沖電源

理論上，電感與電容的儲能密度之比為10∶1[58]，具備較高的儲能密度。與電容儲能相比，電感可由初級電源直接供能，無需高壓轉(zhuǎn)換設(shè)備；與慣性儲能相比，電感具備靜態(tài)儲能的優(yōu)勢。

電感儲能型脈沖功率電源在斷路開關(guān)動作后，漏磁的存在使得開關(guān)兩端承受較高電壓，需采用相關(guān)措施，如采取電容等器件以保證斷路開關(guān)的安全運(yùn)行。此外，在不選用超導(dǎo)技術(shù)的條件下，電感在充放電過程中產(chǎn)生的歐姆損耗，以及放電后回路中電感、電容的剩余能量，均導(dǎo)致現(xiàn)階段系統(tǒng)級電源的傳輸效率相對較低[59,60]。

隨著斷路開關(guān)和高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，近年來電感儲能型脈沖電源系統(tǒng)取得一定進(jìn)展，但距離工程應(yīng)用有較大差距。

3.1 基本拓?fù)渑c電源系統(tǒng)的研制

按照電流倍增原理，現(xiàn)有電感儲能型脈沖電源的基本拓?fù)淇煞譃閄RAM和脈沖變壓器兩種；其中，meat grinder及其衍生電路是一種特殊的脈沖變壓器結(jié)構(gòu)。

如圖6所示，Us為初級電源，S1為關(guān)斷開關(guān)，S2為閉合開關(guān)，k為耦合系數(shù)，L1為初級線圈，L2為次級線圈。

圖6 電感儲能的基本拓?fù)?/p>

3.1.1 XRAM型電感電源

XRAM作為MARX的對偶電路，通過串聯(lián)充電、并聯(lián)放電實(shí)現(xiàn)電流倍增，可有效避免或減少斷路開關(guān)的并聯(lián)，同時(shí)具備較強(qiáng)的拓展性。

歐洲ISL基于XRAM拓?fù)浞謩e實(shí)現(xiàn)了4級[61,62]、8級[63]和20級[64]單元拓?fù)涞牟⒙?lián)，并于2020年研制了儲能1 MJ的電源系統(tǒng)。該電源系統(tǒng)輸出脈沖電流峰值400 kA，成功驅(qū)動25 mm2口徑、3 m長的電磁發(fā)射裝置，將80 g刷狀電樞加速至1 120 m/s[65]。

3.1.2 脈沖變壓器型電感電源

脈沖變壓器本質(zhì)上均通過磁鏈?zhǔn)睾阍韺?shí)現(xiàn)電流倍增，主要分為混合型meat grinder和高溫超導(dǎo)脈沖變壓器。

(1)混合型meat grinder

美國先進(jìn)技術(shù)研究所(Institute of Advanced Technology,IAT)提出的STRETCH meat grinder電路是在原meat grinder電路中引入了一個轉(zhuǎn)換電容，以限制斷路開關(guān)兩端的過電壓[66]。通過進(jìn)一步改進(jìn)、以及選用鋰電池作為初級儲能，IAT于2007年成功驅(qū)動0.56 m小口徑電磁軌道炮，驗(yàn)證了混合型meat grinder的可行性[67]。

在引入轉(zhuǎn)換電容的基礎(chǔ)上，清華大學(xué)提出了多種衍生拓?fù)鋄68-71]，并將meat grinder衍生電路進(jìn)行了對比[72]和參數(shù)分析[73]。

基于meat grinder with SECT拓?fù)?，清華大學(xué)于2020年研制了80 kJ緊湊型PFU，儲能密度為2.36 MJ/m3、放電電流峰值為15 kA[74]。通過遺傳算法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化后，于2021年研制了100 kJ緊湊型PFU，儲能密度3.98 MJ/m3、放電電流峰值23 kA[75]。兩種PFU均不包含初級電源和冷卻系統(tǒng)。

中國科學(xué)院電工研究所在STRETCH meat grinder電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，于2020年研制了4級電源系統(tǒng)，負(fù)載電流峰值30.4 kA，如圖7所示[60]。

圖7 4級電感儲能型脈沖電源

(2)高溫超導(dǎo)脈沖變壓器

2012年，西南交通大學(xué)研制了小型高溫超導(dǎo)脈沖變壓器，在充電電流100 A下可輸出4.26 kA的脈沖電流，能量轉(zhuǎn)換效率為72.3 %，可在20 K溫度下穩(wěn)定運(yùn)行[76]。

在此基礎(chǔ)上，多項(xiàng)研究將高溫超導(dǎo)脈沖變壓器與STRETCH meat grinder、XRAM相結(jié)合[77-79]。其中，山東理工大學(xué)基于高溫超導(dǎo)脈沖變壓器和XRAM，研制了2級小能級電源系統(tǒng)。負(fù)載為2 mΩ電阻時(shí)，最大輸出電流峰值2.3 kA，脈寬5 ms；并可在5 Hz頻率下穩(wěn)定工作，但輸出電流峰值會相對減小[80]。

此外，山東理工大學(xué)將橋式開關(guān)電路與高溫超導(dǎo)脈沖變壓器結(jié)合，提出了一種可進(jìn)行連續(xù)放電的電路拓?fù)鋄81]。與混合型meat grinder不同的是，該拓?fù)渲械霓D(zhuǎn)換電容通過向初級線圈正向放電，可使得負(fù)載電流在放電過程中快速衰減，從而保證工作頻率和系統(tǒng)效率[82]。目前，該拓?fù)湟堰M(jìn)行小能級的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，可在約5 Hz的頻率下實(shí)現(xiàn)1.11 kA的放電電流[83]。

3.2 斷路開關(guān)與換流技術(shù)

電感儲能型脈沖電源需要通過斷路開關(guān)動作，將與之串聯(lián)的電感線圈換流或者斷流，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流的倍增。長期以來，實(shí)現(xiàn)脈沖大電流快速可靠的關(guān)斷是電感儲能的關(guān)鍵技術(shù)之一。

相比機(jī)械開關(guān)和氣體開關(guān)，半導(dǎo)體開關(guān)在通斷時(shí)間、壽命、可靠性和體積等方面存在優(yōu)勢，是脈沖功率開關(guān)的首選。在具備關(guān)斷能力的全控器件中，IGBT和MOSFET關(guān)斷能力較弱。在能級較高的場合，多數(shù)采用IGCT和GTO作為斷路開關(guān)。但在使用過程中，仍存在以下兩個問題：

(1)開關(guān)耐壓。在斷路開關(guān)動作后，空心電感線圈的漏磁會使得斷路開關(guān)兩端承受高電壓，易導(dǎo)致開關(guān)器件的損壞。

目前的解決途徑有兩個：①通過開關(guān)串聯(lián)提高整體耐壓水平；②加入轉(zhuǎn)換電容以減小電壓。器件串聯(lián)對斷路開關(guān)的抖動性要求較高，相比之下，加入轉(zhuǎn)換電容更簡單有效。但轉(zhuǎn)換電容的加入會導(dǎo)致儲能密度的下降；在某些情況下，轉(zhuǎn)換電容在放電后可能有較高的剩余能量，導(dǎo)致電感儲能的系統(tǒng)效率遠(yuǎn)低于電容儲能[84]。

出于低功耗、同步性和緊湊性等方面的考慮，ISL針對半控器件設(shè)計(jì)了一種晶閘管反向電流關(guān)斷電路(Inverse Current COmmutation with Semi-conductor device, ICCOS)，可保證關(guān)斷28 kA的脈沖電流[85,86]。隨后該電路被分別應(yīng)用在XRAM[62-65]、混合型meat grinder[71]和高溫超導(dǎo)脈沖變壓器[87]的電路拓?fù)渲?。其中，ISL所研制的XRAM實(shí)體電源均采用了該項(xiàng)技術(shù)。

(2)開關(guān)功耗。在主開關(guān)選擇上，電感儲能與電容儲能、慣性儲能不同，前者為斷路開關(guān)，后兩者為閉合開關(guān)。

目前電感儲能型脈沖功率電源仍處于實(shí)驗(yàn)室研制階段，PFU儲能較小(≤100 kJ)，線圈預(yù)充電流一般為數(shù)千安，由初級電源向線圈的充電時(shí)間為數(shù)十毫秒。在工程應(yīng)用中，需要高儲能，充電時(shí)間與充電裝置功率密切相關(guān)。同時(shí)，未來電感儲能能級的提升、以及連續(xù)發(fā)射工況的要求，除關(guān)注開關(guān)器件在導(dǎo)通及關(guān)斷瞬間的功率損耗和溫升外，還需要注意斷路開關(guān)在閉合階段(電感充電階段)的損耗以及相關(guān)部件溫升的影響。

3.3 電感設(shè)計(jì)與高溫超導(dǎo)技術(shù)

電感儲能因具備更高的儲能密度而備受關(guān)注，因此研制適用于電磁發(fā)射場合、兼具高儲能密度和高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的電感至關(guān)重要。目前，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)所采用的結(jié)構(gòu)形式主要有環(huán)狀結(jié)構(gòu)和餅狀結(jié)構(gòu)，儲能電感的實(shí)驗(yàn)圖如圖8所示。

圖8 不同結(jié)構(gòu)形式的儲能電感

為實(shí)現(xiàn)以XRAM為基本拓?fù)涞? MJ電源系統(tǒng)，ISL研制了20模塊環(huán)狀電感，如圖8(a)所示。在45 kA電流下，該電感體積儲能密度4.5 MJ/m3，質(zhì)量儲能密度1 kJ/kg；采用D形銅盤式結(jié)構(gòu)，具備較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在脈沖電流下產(chǎn)生較小的溫升和電磁干擾[88,89]。

在以脈沖變壓器為基本拓?fù)涞碾娫聪到y(tǒng)中，電感的耦合系數(shù)直接影響電源的輸出性能，因此該型電源多采用初級線圈與次級線圈交疊的餅狀結(jié)構(gòu)。

清華大學(xué)所采用的螺旋式單層電感線圈如圖8(b)所示。通過遺傳算法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化后，耦合系數(shù)可達(dá)0.99[75]。美國GEDI(General ElectroDynamics International)實(shí)驗(yàn)室所采用的8字形單層電感線圈如圖8(c)所示，可有效減小電感線圈臨近區(qū)域的雜散磁場[90]。

隨著超導(dǎo)儲能的發(fā)展和實(shí)用化，高溫超導(dǎo)技術(shù)被應(yīng)用至脈沖功率領(lǐng)域。山東理工大學(xué)和西南交通大學(xué)所研制的高溫超導(dǎo)變壓器，其初級線圈采用Bi-2223/Ag并排繞制而成，以提升載流能力[76,83]；ISL采用Bi-2212研制了3級XRAM電源系統(tǒng)[91]。

相比傳統(tǒng)電感，超導(dǎo)電感具備更小的損耗和更高的儲能密度。但考慮到其他輔助設(shè)備的引入與超導(dǎo)材料臨界條件的限制，電源系統(tǒng)的總儲能密度與工程實(shí)用性仍有待深入研究。

4 慣性儲能型脈沖電源系統(tǒng)

在三種儲能形式中，慣性儲能的儲能密度最高，在未來可移動平臺脈沖電源的應(yīng)用中具有潛在優(yōu)勢，目前尚處于發(fā)展初期。

針對電磁發(fā)射場合，電機(jī)轉(zhuǎn)速一般為幾千轉(zhuǎn)每分鐘至上萬轉(zhuǎn)每分鐘，以實(shí)現(xiàn)高功率密度和高儲能密度。在平臺高機(jī)動運(yùn)行條件下，高速電機(jī)的可靠性和安全性需要重點(diǎn)關(guān)注。

4.1 單極發(fā)電機(jī)

單極發(fā)電機(jī)原理簡單，主要應(yīng)用于電磁發(fā)射技術(shù)初期。1978年澳大利亞國立大學(xué)采用550 MJ單極發(fā)電機(jī)成功驅(qū)動電磁軌道裝置，將3 g彈丸加速到5.9 km/s，驗(yàn)證了電磁軌道發(fā)射技術(shù)的可行性[92]。

美國西屋公司于1982年向美國陸軍交付的EMACK系統(tǒng)中，單極發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min、儲能為16 MJ、輸出電流峰值1.5 MA[93]，如圖9所示。1991年通過改進(jìn)單極發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速提升至9 000 r/min、儲能30 MJ[94]。同時(shí)，為單極發(fā)電機(jī)提供旋轉(zhuǎn)儲能的拖動電機(jī)功率也由75 kW提升至300 kW，使得單極發(fā)電機(jī)加速時(shí)間小于2 min，但仍僅適用于單次發(fā)射場合[95]。

圖9 16 MJ單極發(fā)電機(jī)及拖動電機(jī)[96]

1986年，西屋公司研制了儲能10 MJ的緊湊型鐵心單極發(fā)電機(jī)，質(zhì)量儲能密度5 kJ/kg，輸出電流峰值1.5 MA。在此基礎(chǔ)上，交付給美國空軍的單極發(fā)電機(jī)增加了冷卻系統(tǒng)等輔助設(shè)備[97]。

單極發(fā)電機(jī)輸出電壓低，典型值為100～200 V，可與其他儲能元件相結(jié)合，應(yīng)用于驅(qū)動電磁發(fā)射裝置。用于EMACK的環(huán)狀比特型電感線圈可承受電流1.5 MA，儲能5 MJ[96]。與電感儲能相同，環(huán)狀比特型電感線圈同樣需要斷路開關(guān)進(jìn)行電流換路。

考慮到單極發(fā)電機(jī)具備儲能密度高、功率密度適中以及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，華中科技大學(xué)將其作為脈沖電容器的充電電源[98,99]。為了進(jìn)一步提升單極發(fā)電機(jī)的功率密度，2021年研制了新型外轉(zhuǎn)子單極發(fā)電機(jī)樣機(jī)如圖10所示；并提出了基于多物理場的設(shè)計(jì)方法[100]。該單極發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為12 000 r/min、功率160 kW、儲能330 kJ[101]。

圖10 330 kJ單極發(fā)電機(jī)及拖動電機(jī)[100]

從某種程度上講，單極發(fā)電機(jī)由于需要中間儲能元件，在功能上與目前普遍用作初級電源的鋰電池和超級電容器相似。在功率密度、儲能密度、重頻性和可靠性等方面，單極發(fā)電機(jī)與其他儲能形式仍需進(jìn)一步性能對比。

4.2 脈沖發(fā)電機(jī)

1979年，美國德克薩斯大學(xué)機(jī)電中心(the University of Texas at austin Center for ElectroMechanics，UT-CEM)提出了補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)(Compensated Pulsed Alternator，CPA)的概念，并完成了樣機(jī)的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)[102]。在美國陸軍的支持下，自1983年至1995年，UT-CEM先后研制了3代樣機(jī)[103]，采用了強(qiáng)度密度比和彈性模量更高的復(fù)合材料取代鐵磁材料。電機(jī)結(jié)構(gòu)由鐵心向空心的過渡，提高了脈沖發(fā)電機(jī)小型化、輕量化水平，同時(shí)也明確了自激勵磁的必要性。經(jīng)過歷代樣機(jī)的改進(jìn)與優(yōu)化，CPA設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速最高可達(dá)25 000 r/min，設(shè)計(jì)儲能可達(dá)200 MJ，質(zhì)量儲能密度由3.4 kJ/kg提升至19.6 kJ/kg[104-106]。但受限于工藝水平，尚未實(shí)現(xiàn)全轉(zhuǎn)速下的電磁軌道發(fā)射實(shí)驗(yàn)。

1992年至1999年，UT-CEM設(shè)計(jì)了新型縮比樣機(jī)，創(chuàng)新性地采用了多相、無補(bǔ)償和旋轉(zhuǎn)磁場的電機(jī)設(shè)計(jì)[107,108]，如圖11所示。其中，UT-CEM通過勵磁繞組充當(dāng)補(bǔ)償元件以實(shí)現(xiàn)無補(bǔ)償形式，并研發(fā)了用于性能預(yù)測的仿真程序和用于測量高速轉(zhuǎn)子的高精度傳感器[109,110]。

圖11 21 MJ縮比脈沖發(fā)電機(jī)系統(tǒng)[103]

基于縮比樣機(jī)，UT-CEM與美國柯蒂斯-萊特(Curtiss-Wright)公司共同研制了新型樣機(jī)模塊，開創(chuàng)性地采用了一對同步反向旋轉(zhuǎn)脈沖發(fā)電機(jī)組，并配備了復(fù)合材料支撐軸和冷卻系統(tǒng)，如圖12所示。每臺電機(jī)設(shè)計(jì)儲能46 MJ，轉(zhuǎn)速12 000 r/min[104,111]。

圖12 同步反向旋轉(zhuǎn)雙脈沖發(fā)電機(jī)模塊

UT-CEM早期的樣機(jī)研制為電磁發(fā)射用脈沖發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，在鐵心與空心、旋轉(zhuǎn)電樞與旋轉(zhuǎn)磁場、單相與多相、勵磁方式和補(bǔ)償方式等方面提供了設(shè)計(jì)參考依據(jù)。其研制的鐵心脈沖發(fā)電機(jī)樣機(jī)實(shí)現(xiàn)將80.3 g電樞加速至2 050 m/s的發(fā)射試驗(yàn)[112]；研制的空心脈沖發(fā)電機(jī)樣機(jī)將133.7 g電樞加速至1 336 m/s[113]。

我國針對脈沖發(fā)電機(jī)的研究始于20世紀(jì)80年代，目前相關(guān)樣機(jī)處于初步驗(yàn)證階段，實(shí)驗(yàn)輸出能量均較低。2001年，中國科學(xué)院等離子體物理所研制的被動補(bǔ)償式CPA成功驅(qū)動連發(fā)型電磁軌道炮，將4發(fā)7.8 g彈丸加速至250 m/s；該CPA采用單相4極的鐵心結(jié)構(gòu)，儲能0.2 MJ，質(zhì)量儲能密度為0.2 kJ/kg[114]。此外，中國科學(xué)院等離子體物理所和電工研究所均針對主動補(bǔ)償式CPA開展相關(guān)研究[115,116]。

基于空心CPA和自激勵磁的特點(diǎn)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)分別提出了混合勵磁CPA和定子雙電樞繞組空心CPA，于2011年分別研制了小型原理樣機(jī)，并在轉(zhuǎn)速6 000 r/min下進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)[117,118]。

混合勵磁CPA通過結(jié)合電勵磁和永磁勵磁的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)脈沖發(fā)電機(jī)無刷化，同時(shí)具備降低損耗和調(diào)控靈活等優(yōu)點(diǎn)。針對放電過程中可能出現(xiàn)的退磁現(xiàn)象，需要進(jìn)行多物理場分析和風(fēng)險(xiǎn)評估[119]。

定子雙電樞繞組空心CPA通過2套互差90°電角度的同心式電樞繞組，可有效縮短勵磁時(shí)間，解決了放電電流峰值與自激勵磁效率相矛盾的問題。相比UT-CEM的轉(zhuǎn)子雙電樞繞組結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)場式拓?fù)浣档土藢Υ蠊β孰娝⒑突h(huán)的要求，提高了系統(tǒng)的可靠性[120]。

為提升運(yùn)行可靠性和小型化水平，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)于2015年研制了兩相永磁被動補(bǔ)償式CPA的縮比樣機(jī)，在轉(zhuǎn)速3 000 r/min下輸出脈沖電流峰值6.25 kA，脈寬8.84 ms[121,122]。

相比單相脈沖發(fā)電機(jī)，多相脈沖發(fā)電機(jī)解耦了電流脈寬與電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的制約關(guān)系，更適用于電磁發(fā)射場合。相數(shù)的增加會使得電流紋波減小，同時(shí)也會產(chǎn)生較大的徑向電磁力，提高了對電機(jī)結(jié)構(gòu)和加工工藝的要求?？紤]到相數(shù)增加后邊際效應(yīng)遞減，華中科技大學(xué)六極七相空心CPA，并于2021年完成了樣機(jī)的研制。該樣機(jī)設(shè)計(jì)輸出電流超過1 MA，可儲能69.4 MJ，瞬時(shí)功率可達(dá)0.8 GW；目前處于調(diào)試階段，實(shí)驗(yàn)放電電流峰值33 kA，向等效負(fù)載傳輸總能量3.25 kJ、瞬時(shí)功率峰值0.61 MW[123]。

單臺脈沖發(fā)電機(jī)難以驅(qū)動電磁發(fā)射裝置，與電容儲能相似，通常需要進(jìn)行多模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在模塊化設(shè)計(jì)方面，國內(nèi)外研究仍以UT-CEM提出的同步反向雙脈沖發(fā)電機(jī)對為主進(jìn)行理論和仿真分析，通常采用并聯(lián)方式向負(fù)載放電[124,125]。

隨著電磁發(fā)射裝置出膛動能的提升，現(xiàn)有制造工藝水平制約了高速電機(jī)的發(fā)展，多數(shù)研究仍以脈沖發(fā)電機(jī)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)和多物理場仿真為主。

現(xiàn)階段，脈沖發(fā)電機(jī)面臨以下問題：①對于單臺電機(jī)，運(yùn)行時(shí)的高轉(zhuǎn)速對電機(jī)的電磁特性、力學(xué)性能、熱管理、制造工藝、運(yùn)行可靠性以及使用壽命等方面提出更高要求。②對于多臺電機(jī)構(gòu)成的模塊化系統(tǒng)，面向負(fù)載的匹配設(shè)計(jì)、模塊內(nèi)脈沖發(fā)電機(jī)對的同步運(yùn)行、模塊的連接方式以及輸出電流波形的調(diào)控等問題亟待解決。

5 結(jié)論

在電磁軌道發(fā)射技術(shù)初期，重點(diǎn)集中在發(fā)射裝置研究和發(fā)射實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上。對于脈沖電源系統(tǒng)的選擇，主要考慮可滿足不同負(fù)載的發(fā)射需求，同時(shí)還應(yīng)具備低成本和高可靠性。因此，電容儲能型脈沖電源在原理驗(yàn)證階段被廣泛使用。

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，電感儲能和慣性儲能形式下所研制的單電源模塊實(shí)體已具備更高的儲能密度，性能對比見表1。對于脈沖電源系統(tǒng)，其最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)電磁發(fā)射總系統(tǒng)的工程化應(yīng)用。在負(fù)載匹配設(shè)計(jì)方面，針對不同口徑、不同頻率需求的電磁發(fā)射裝置，電感儲能和慣性儲能尚缺乏相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累。

表1 不同儲能形式下實(shí)體電源性能對比

電容儲能型脈沖電源雖然儲能密度較低，但其模塊化結(jié)構(gòu)成熟度較高，便于擴(kuò)展、運(yùn)行可靠、易操作，相比其他儲能形式仍具備一定優(yōu)勢。

電感儲能型脈沖電源儲能密度較高，但關(guān)斷開關(guān)應(yīng)力高、系統(tǒng)傳輸效率較低，且高溫超導(dǎo)應(yīng)用的輔助設(shè)備較為復(fù)雜，對其工程應(yīng)用帶來局限。

慣性儲能型脈沖電源儲能密度最高，目前進(jìn)展緩慢，已公開的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)多在較低轉(zhuǎn)速或較低儲能條件下進(jìn)行。對于慣性儲能，轉(zhuǎn)子的高速運(yùn)行對電機(jī)的加工工藝、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、冷卻設(shè)計(jì)、可靠性和安全性等方面提出更高要求。

綜上，在未來短期內(nèi)，電容儲能型脈沖電源仍將是電磁軌道發(fā)射技術(shù)工程應(yīng)用的首選方案。電感儲能型和慣性儲能型脈沖電源尚需從可靠性、操控性、模塊與系統(tǒng)集成等方面進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)解決，體現(xiàn)其應(yīng)有的優(yōu)勢，盡快走向工程化應(yīng)用。