一種混合型脈沖電源的制作方法

專利名稱：一種混合型脈沖電源的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種脈沖電源，特別涉及燃燒驅動磁流體磁通壓縮混合型脈沖電源。
背景技術：
利用電能來加速載荷裝置是發射技術的一個發展趨勢，在高壓物理學實驗技術、航空技術、運輸和熱核聚變技術等方面有著重要的應用前景。其中的關鍵是脈沖電源技術，它要求脈沖電源不但具有高儲能密度，還需要有高機動性和易于重復使用。
產生高功率脈沖電能的方法有多種，主要有電容器或電感器、脈沖形成網絡、開關等組成的強流相對論電子束發生器；爆炸磁流體發電機；爆炸磁通壓縮發生器等。
1981年R.A.Marshall博士提出利用推進劑的燃燒推動電樞沿軌道直線運動而壓縮磁通產生脈沖電流的逆軌道炮磁通壓縮發電機[文獻1R.A.Marshall，Rail gun energy stores and system，Proceeding of 3rdIEEEInternational Pulsed Power Conference，June 1981]。隨后的近20年，美國高技術研究所對這個電源的設想進行了多次計算分析和改進[文獻2R.A.Marshall，The resuable inverse railgun magnetic flux compressiongenerator to suit the earth-to space-rail-launch，IEEE Trans.onMag.vol.20，March 1984；文獻3R.A.Marshal，IRFC GeneratorsDesignConsiderations，3rd European EML Symposium，London 1991；文獻4R.A.Marshal，The Distributed Energy Store Railgun，Its Effience，and ItsStore Implications，IEEE Trans.on Mag.No.1，Janunary 1997]，認為軌道式磁通壓縮直線發電機是電磁發射的理想電源。但是，這種發電機電感梯度小，磁通壓縮比不大，限制了電流放大倍數。
1993年烏克蘭的G.G.Kapustjanenko等人提出一種線圈式磁通壓縮脈沖直線電機[文獻5G.G.Kapustjanenko，S.S.Pignasty andS.N.Shevjakin，The Linear Electromechanical generator as Power Sourcefor Rail Electromagnetic Launchers，9thPulsed Power Conference，1993]，他利用電樞壓縮電感線圈內的磁通而產生脈沖大電流。
在美國陸軍試驗研究室和德克薩斯大學高技術研究所的支持下，Ed.Goldman博士領導系統技術與分析研究小組等三個單位聯合研制了一種供電熱化學炮使用的往復式磁通壓縮發生器。[文獻7EdwardB.Goldman et al，Development of a Flux Compression Power Unit forMillsecond ETC Pulsed Power Applications，IEEE Trans.onMag.Vol.35，No.1，Janunary 1999]。文獻[7]對原理模型進行了理論仿真，仿真結果表明該裝置能產生電熱炮需要的脈沖電流，并且電樞能在回路中剩余磁能的作用下，以3.5m/s的速度返回起始位置。同時，Ed.Goldman等人利用研制的上述磁通壓縮發電機進行了實驗研究，結果并不理想，分析的主要原因有高速運行的電樞與線圈通道的配合問題，有推進劑對線圈通道的污染問題等。
以電容器儲能的系統，其能量重量(或體積)比很低，不適合彈/機/車載的脈沖電能系統，而且存在長時間儲能時安全可靠性及機動性問題；以電感器儲能的系統，需要斷路開關，而斷路開關尚未達到實用化；爆炸磁流體發電機在輸出中等功率時雖有很大優越性，但在輸出很大功率和能量時，其能量重量(或體積)比迅速降低，主要是磁體重量大大增加，同時其能量轉換效率遠不如爆炸磁通壓縮發生器高；爆炸磁通壓縮發生器也因需要電容器儲能提供初始種子電流而使其能量重量(或體積)比大為降低。采用金屬管的爆炸磁通壓縮發生器只能單次使用，采用活塞作為電樞的磁通壓縮發生器，電樞高速運行時與驅動段和壓縮段結構強度難以匹配，并且難以保證良好電接觸。

發明內容
針對上述現有技術存在的問題，本發明提出一種新型燃燒驅動磁流體磁通壓縮混合型脈沖電源，它的特點是利用燃燒驅動磁流體發電機的輸出作為磁通壓縮發生器的種子電流，以高電導等離子體取代爆炸磁通壓縮發生器中的金屬管或電樞，解決了推進劑對發電通道的污染和影響，不存在火藥爆炸產生的碳粒等污染物，不會使系統結構產生破壞性形變。可重復使用，技術上易于實現。
本發明的基本結構包括4個部分沿水平方向依次順序排列的高壓段，低壓段，發電段和壓縮段。高壓段、低壓段、發電段和壓縮段各部分之間用法蘭連接。高壓段由進氣孔，高壓管筒，火花塞，隔膜和隔膜壓圈構成，由進氣孔將氫氧氦混合氣體充入高壓管筒內，作為推進劑，火花塞設置在高壓管筒靠近隔膜的一端；低壓段由進氣口、低壓管筒、抽氣孔、低壓端隔膜、低壓隔膜壓圈和低壓段法蘭構成，由抽氣孔將低壓段抽真空，然后由進氣口通入一定量的氬氣至低壓管筒內作為工質氣體；高壓段與低壓段之間用法蘭連結，隔膜和隔膜壓圈置于兩法蘭之間，與高壓段法蘭和低壓段法蘭接觸的兩面有密封圈進行密封；發電段主要由鐵心，線圈，電極和電極絕緣筒，電流輸出引線構成，線圈繞在開有氣隙的鐵心上，電極和電極絕緣筒位于氣隙的中心，并且電極與氣隙兩端的鐵心互相垂直，發電段與低壓段之間用法蘭連結，低壓端隔膜和低壓隔膜壓圈置于兩法蘭之間，與低壓段法蘭和發電段法蘭接觸的兩面有密封圈進行密封；壓縮段主要由電感線圈，電感線圈絕緣筒，電流輸入引線和負載輸出引線構成，電流輸入引線設置在電感線圈靠近發電段的一端，負載輸出引線設置在電感線圈靠近負載的一端，負載為一感性負載或變壓器。
本發明的高壓段、低壓段和發電段為燃燒驅動磁流體發電機，壓縮段為磁通壓縮發生器。燃燒驅動磁流體發電機在發電段產生的電流為輸入壓縮段磁通壓縮發生器電感線圈的種子電流；磁通壓縮發生器的電樞為高速通過壓縮段的燃燒驅動磁流體發電機在高壓段和低壓段產生的高電導等離子體工質。種子電流輸入壓縮段磁通壓縮發生器的電感線圈，高電導等離子體工質作為磁通壓縮發生器的電樞高速通過壓縮段。
具體工作過程如下工作時先分別在高壓段和低壓段通入一定量的氫氧氦混合氣體和氬氣，氦氣作為稀釋用氣體。通入高壓段內的氫氧氦混合氣體作為推進劑，初壓為5-10個大氣壓。低壓段抽真空，通入低壓段內的氬氣作為工質氣體，初壓小于0.01個大氣壓。點燃推進劑，推進劑在高壓段內燃燒產生高溫高壓氣體，當氣體壓力達到一定值后，隔膜破裂，產生強激波。當氣體壓力達到90個大氣壓時，厚度為1毫米的隔膜破裂。為了產生高強度激波，高壓段和低壓段氣體的初始壓力比必須大于10000。該激波通過內裝氬氣的低壓段后可產生4萬度高溫高導電率并高速運動的氬氣等離子體，激波的速度可達7200m/s，波后的氬氣等離子體流速達5400m/s，等離子體的電導率大于5000S/m，電阻小于2毫歐，相當于運動導體。該等離子體進入發電段，切割由線圈電源給線圈通電后在鐵心氣隙中產生的磁場，產生感應電動勢，其脈沖寬度決定于氣流流速和發電通道長度，幅值是E＝uB0h，此時磁流體發電機的負載電路由感應電動勢、等離子體電阻、電感線圈和負載組成，該回路中的電流通過電極輸出到壓縮段的電感線圈和負載，作為磁通壓縮發生器的初始種子電流，同時高速運動的高電導等離子體又作為磁通壓縮發生器的電樞，高速運動通過壓縮段，不斷短路電感線圈，當等離子體運動到電感線圈的右端時，電感線圈脫離回路，回路中只有負載電感。理想情況下，由于磁通在良導體內守恒，即電感與電流的乘積保持不變，L*I為一常數，電感減小，電流必然增大，從而實現電流的放大。
本發明的特點是1.激波壓縮形成的高速、高電導等離子體既作為發電段的輸入以提供初始種子電流，又作為壓縮段的輸入，使回路中的電感不斷減小，實現電流放大。
2.避免了推進劑和燃燒氣體對壓縮段的侵蝕，同時解決了驅動段和壓縮段結構強度難以匹配的技術難題。
3.解決了現有技術使壓縮段工作一次后即被損壞或被污染的缺點，可重復使用。
4.可長期儲存，安全可靠。
5.可以隨時啟動。


圖1為本發明具體實施例結構示意圖，圖中I高壓段，II低壓段，III發電段，IV壓縮段，1推進劑，2高壓管筒，3火花塞，4隔膜，5低壓管筒，6發電段法蘭，7鐵心，8線圈，9電極絕緣筒，10電極，11電感線圈絕緣筒，12電感線圈，13電流輸入引線，14負載輸出引線，15支架，16負載，18進氣口，19線圈電源，20進氣孔，21高壓段法蘭，22低壓段法蘭，23壓縮段法蘭，24隔膜壓圈，25抽氣孔，26低壓端隔膜，27低壓隔膜壓圈。
圖2為本發明的發電段結構示意圖，圖2a中10電極，6發電段法蘭，9電極絕緣筒，8線圈，7鐵心，圖2b中17電流輸出引線。
圖3為本發明的壓縮段結構示意圖，圖中11電感線圈絕緣筒，23壓縮段法蘭，12電感線圈，13電流輸入引線，14負載輸出引線。
具體實施例方式
下面結合附圖及具體實施例詳細說明本發明的內容。
如圖1所示本發明包括高壓段I，低壓段II，發電段III和壓縮段IV，沿水平方向依次順序排列。高壓段I、低壓段II、發電段III和壓縮段IV四部分之間用法蘭連接。高壓段I采用金屬材料，例如不銹鋼管制成，與低壓段II用法蘭連接。高壓段I由進氣孔20，高壓管筒2，火花塞3，法蘭21，隔膜4和隔膜壓圈24構成，高壓管筒2的左端有進氣孔20，可通入一定的氫氧氦混合氣體作為推進劑1，火花塞設置在高壓管筒右端靠近隔膜處。隔膜4的制作材料為鋁。低壓段II采用金屬材料，例如不銹鋼管制成，低壓段II由進氣口18、低壓管筒5、低壓段法蘭22、抽氣孔25，低壓端隔膜26，低壓隔膜壓圈27構成。發電段III由發電段法蘭6，鐵心7，線圈8，電極絕緣筒9，電極10，電流輸出引線17構成，電極10采用金屬材料例如紫銅制成，線圈8繞在開有氣隙的鐵心7上，電極10和電極絕緣筒9位于氣隙的中心，并且電極10與氣隙兩端的鐵心7互相垂直，從電極10上向外引出電流輸出引線17，然后通過兩根外接引線連接到壓縮段IV的電流輸入引線13。壓縮段IV由壓縮段法蘭23，電感線圈12，電感線圈絕緣筒11，電流輸入引線13和負載輸出引線14組成，電感線圈12由金屬材料例如銅加工制成，電感線圈12由兩塊半圓紫銅板相對放置組成，兩塊板之間有絕緣，其內徑與發電段III內徑相同，外用環氧玻璃布纏繞固化構成電感線圈絕緣筒11，與電感線圈12成為一體，保證強度。法蘭23安裝在電感線圈12兩端。電感線圈絕緣筒11由絕緣材料例如環氧玻璃布纏繞固化并加工制成，電流輸入引線13設置在電感線圈12靠近發電段III的一端，負載輸出引線設置在電感線圈12靠近負載的一端。發電段III與壓縮段IV采用法蘭連接。支撐架15用來支撐電源系統，保證高壓段I、低壓段II、發電段III和壓縮段IV四者的中心在同一水平軸線上。
高壓段I、低壓段II和發電段III為燃燒驅動磁流體發電機，壓縮段IV為磁通壓縮發生器。燃燒驅動磁流體發電機在發電段III產生的電流為輸入壓縮段IV磁通壓縮發生器電感線圈的種子電流；磁通壓縮發生器的電樞為高速通過壓縮段IV的燃燒驅動磁流體發電機在高壓段I低壓段II產生的高電導等離子體工質。
本發明的工作過程如下在高壓段I中點燃由氫氧氦混合氣體組成的推進劑1，推進劑1燃燒產生高溫高壓燃氣使得高壓段IV內壓力急劇上升，上升到一定壓力，隔膜破裂，產生高強度激波，通過以氬氣為工質氣體的低壓段后，形成高溫高速、高電導氬氣等離子體，高速運動的高電導氬氣等離子體通過發電段III后產生脈沖電流，脈沖電流通過前后兩個電極10輸出，為壓縮段內的電感線圈及負載提供初始種子電流I0。前后兩個電極10和兩根電流輸出引線17，通過兩根外接引線，至上下兩根電流輸入引線13，經過電感線圈12，再通過上下兩根負載輸出引線14與負載16連接構成回路。種子電流I0在回路中建立種子磁通。高速運動的高電導等離子體進入壓縮段IV與電感線圈12接觸后，等離子體、電感線圈和負載形成導電回路，等離子體不斷向前運動，則導電回路中的電感不斷減小。理想情況下，由于磁通在良導體內守恒，即電感與電流的乘積保持不變，電感減小，電流必然增大，負載16上將得到放大的電流。
圖2為本發明的發電通道結構示意圖。如附圖2所示，電極10由兩塊四分之一圓銅板組成，與電極絕緣筒9固定在一起，從前后兩電極10上分別引出兩根電流輸出引線17，鐵心7中間開氣隙，線圈8分成兩組對稱排布在氣隙兩側的鐵心上。每組分4個分線圈，2個分線圈串聯，然后4路并聯。
圖3為本發明的壓縮段結構示意圖。如圖3所示，電感線圈12由兩塊半園紫銅板相對放置組成，兩塊板之間有絕緣，外用環氧玻璃布纏繞固化構成電感線圈絕緣筒11，與電感線圈12成為一體，保證強度。法蘭23安裝在電感線圈12兩端。上下兩根電流輸入引線13與發電段的兩根電流輸出引線17連接，上下兩根負載輸出引線14與負載16連接。電感線圈絕緣筒[11]由絕緣材料制成。
本發明具體實施方式
的高壓段由不銹鋼筒構成，內徑80毫米，壁厚15毫米，低壓段由不銹鋼筒構成，內徑80毫米，壁厚10毫米，發電段內徑30毫米，壁厚15毫米，電極長150毫，壓縮段內徑30毫米，絕緣厚度10毫米，電感量6微亨，電阻1.8毫歐。當高壓段初壓為10個大氣壓、低壓段氬氣初壓為1毫米汞柱時，激波的速度可達7200m/s，波后的氬氣流速達5400m/s，波后壓力保持在0.8個大氣壓，等離子體的電導率大于5000S/m，電阻小于2毫歐。此時，高壓段的燃燒壓力接近90個大氣壓。給線圈供電的電源功率約6kW。
本發明可應用于需要脈沖大電流的場所。
權利要求
1.一種混合型脈沖電源，包括高壓段[I]，低壓段[II]，發電段[III]和壓縮段[IV]，其特征在于高壓段[I]、低壓段[II]、發電段[III]和壓縮段[IV]四段同軸、沿水平方向依次順序排列放置，段與段之間采用法蘭連接；高壓段[I]和低壓段[II]內徑相等，發電段[III]和壓縮段[IV]的內徑相等；高壓段[I]、低壓段[II]和發電段[III]為燃燒驅動磁流體發電機；壓縮段[IV]為磁通壓縮發生器；燃燒驅動磁流體發電機在發電段[III]產生的電流為輸入壓縮段[IV]磁通壓縮發生器電感線圈的種子電流；磁通壓縮發生器的電樞為高速通過壓縮段[IV]的燃燒驅動磁流體發電機在高壓段[I]和低壓段[II]產生的高電導等離子體工質。
2.如權利要求1所述的混合型脈沖電源，其特征在于所說的高壓段[I]由進氣孔[20]，高壓管筒[2]，火花塞[3]，法蘭[21]，隔膜[4]和隔膜壓圈[24]構成，高壓段[I]內充入推進劑；低壓段[II]由進氣口[18]、低壓管筒[5]、抽氣孔[25]、低壓端隔膜[26]、低壓隔膜壓圈[27]和低壓段法蘭[22]構成，低壓段[II]內充氬氣；高壓段[I]與低壓段[II]之間用法蘭連接；隔膜[4]和隔膜壓圈[24]置于兩法蘭之間；火花塞[3]設置在高壓管筒[2]靠近隔膜[4]的一端；發電段[III]主要由鐵心[7]，線圈[8]，電極[10]，電極絕緣筒[9]和電流輸出引線[17]構成，鐵心[7]中間開氣隙，電極[10]和電極絕緣筒[9]位于氣隙的中心，并且電極[10]與氣隙兩端的鐵心互相垂直；電極[10]由兩塊四分之一圓銅板組成，與電極絕緣筒[9]固定在一起，線圈[8]分成兩組對稱排布在氣隙兩側的鐵心上，每組分四個分線圈，兩個分線圈串聯，然后四路并聯。
3.如權利要求1所述的混合型脈沖電源，其特征在于所說的壓縮段[IV]磁通壓縮發生器由壓縮段法蘭[23]，電感線圈[12]，電感線圈絕緣筒[11]，電流輸入引線[13]和負載輸出引線[14]組成，電感線圈[12]由兩塊互相絕緣的半圓紫銅板相對放置而成，其內徑與發電段內徑相同，外用環氧玻璃布纏繞固化使之成為一體，法蘭[23]安裝在電感線圈[12]兩端，電流輸入引線[13]與發電段[III]的電流輸出引線[17]連接，負載輸出引線[14]與負載[16]連接；電感線圈絕緣筒[11]由絕緣材料制成。
4.如權利要求1或2所述的混合型脈沖電源，其特征在于所說的燃燒驅動磁流體發電機的高壓段[I]內充入的推進劑為氫氧氦混合氣體。
全文摘要
一種燃燒驅動磁流體磁通壓縮混合型脈沖電源。包括高壓段[I]，低壓段[II]，發電段[III]和壓縮段[IV]，高壓段[I]、低壓段[II]和發電段[III]為燃燒驅動磁流體發電機，壓縮段[IV]為磁通壓縮發生器。燃燒驅動磁流體發電機在發電段[III]產生的電流為輸入壓縮段[IV]磁通壓縮發生器電感線圈的種子電流；磁通壓縮發生器的電樞為高速通過壓縮段的燃燒驅動磁流體發電機在高壓段[I]和低壓段[II]產生的高電導等離子體工質。種子電流輸入壓縮段[IV]磁通壓縮發生器的電感線圈[12]，高電導等離子體工質作為磁通壓縮發生器的電樞高速通過壓縮段[IV]。本發明結構緊湊、設計簡單、可重復使用、長期儲存和隨時啟動。
文檔編號H02N3/00GK1783690SQ20041000992
公開日2006年6月7日 申請日期2004年12月2日 優先權日2004年12月2日
發明者嚴萍, 孫鷂鴻, 童建忠, 張適昌 申請人:中國科學院電工研究所