【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及脉冲发电机领域，具体涉及一种四相空心halbach永磁补偿盘式脉冲发电机。
技术介绍
1、目前，广泛使用的电容储能脉冲电源通常体积庞大，储能密度难以提高，且放电频次和循环寿命低；电感储能技术能够实现更高的储能密度，但其可靠性低。补偿脉冲发电机（cpa）是一种特殊的同步发电机，其集成了飞轮惯性储能、机电能量转换和脉冲电流压缩成形等多项技术。cpa大多采用永磁励磁方式建立工作磁场，通过特殊的补偿结构压缩电枢反应电磁场，急剧降低电枢瞬态电感，从而向小负载提供瞬态大脉冲电流。
2、然而，cpa在采用常规的永磁励磁方式时难以建立正弦性磁场，且需要较厚的永磁体才能达到所需的气隙磁密；cpa还需使用铁芯结构以配合常规的永磁励磁，这会导致涡流损耗、磁滞和剩磁效应的产生，且增加了发电机整体重量，这些因素最终会降低cpa的功率密度和能量密度；对于结构固定的cpa，其单相脉冲的波形是固定的，例如被动补偿单相放电波形表现为正弦波，这使得cpa无法满足放电波形调节的多样化需求。
技术实现思路
1、为了克服上述缺陷，本专利技术提供一种四相空心halbach永磁补偿盘式脉冲发电机。
2、本专利技术采用的技术方案如下：
3、一种四相空心halbach永磁补偿盘式脉冲发电机，包括下外壳、上外壳、转子、上定子、下定子、转轴、b销柱、上、下轴承端盖和上、下轴承，所述转子包括上、下补偿盘、钢制绷带、下halbach永磁体、上halbach永磁体、a销柱和非铁芯转子；所述上
4、进一步的，所述非铁芯转子的两轴向面分别用螺钉固定安装上、下补偿盘；所述上halbach永磁体和下halbach永磁体上下对称，上halbach永磁体安装于非铁芯转子与上补偿盘之间，下halbach永磁体安装于非铁芯转子与下补偿盘之间；所述上halbach永磁体和下halbach永磁体等效为2极对数轴向充磁永磁体，每极由n段扇形永磁体排列组合而成；每段扇形永磁体轴向充磁，相邻两段的充磁夹角为，其中为每极永磁体分段数；所述扇形永磁体与非铁芯转子的外接触面处垂直打圆孔，安装a销柱；所述钢制绷带周向环抱非铁芯转子和上、下补偿盘。
5、进一步的，所述上电枢绕组、下电枢绕组按照“回”型分别周向均匀缠绕于上非铁芯定子和下非铁芯定子；所述上电枢绕组包括a、b两相绕组，每相绕组由4极2匝顺时针绕制线圈串联组成，a、b两相绕组安装的机械角度差为45°，a、b两相绕组电流方向相同；所述下电枢绕组包括c、d两相绕组，每相绕组由4级2匝逆时针绕制线圈串联组成，c、 d两相绕组安装的机械角度差为45°，c、d两相绕组电流方向相同；所述a、c两相绕组安装的机械角度差为0°，a、c两相绕组电流方向相反。
6、进一步的，所述转轴通过b销柱与非铁芯转子周向定位，转轴被上、下补偿盘两端面夹紧与非铁芯转子轴向固定；所述上、下轴承被上、下轴承端盖和转轴轴肩轴向固定，上、下轴承被上外壳、下外壳和转轴周向固定，上、下轴承内圈随转轴旋转；所述下外壳和上外壳分别通过螺钉与下非铁芯定子和上非铁芯定子连接。
7、进一步的，所述上、下补偿盘分别与上电枢绕组和下电枢绕组有气隙；所述上、下补偿盘分别与上halbach永磁体和下halbach永磁体保持相对静止。
8、进一步的，发电机在放电过程中，上、下补偿盘会产生感应涡流，以阻止上、下电枢绕组磁通与转子励磁磁通形成匝链，上、下电枢绕组磁通在气隙中完成磁路的闭合，从而减小上、下电枢绕组的暂态电感向小负载提供瞬态大脉冲电流。
9、进一步的，所述非铁芯转子材料为高强度非导磁材料；所述上非铁芯定子和下非铁芯定子为高强度非导磁材料；所述上halbach永磁体和下halbach永磁体采用高剩磁磁钢；所述上、下补偿盘为非导磁高导电性材料；所述上电枢绕组和下电枢绕组采用大截面积铜线设计。
10、本专利技术还提供一种使用所述的四相空心halbach永磁补偿盘式脉冲发电机进行发电的方法，包括如下步骤：
11、（1）驱动电机驱动所述四相空心halbach永磁补偿盘式脉冲发电机达到额定转速；
12、（2）在所述四相空心halbach永磁补偿盘式脉冲发电机中内置光栅传感器，该发电机的系统控制器通过gpio外设获得四相空心halbach永磁补偿盘式脉冲发电机的转子的速度和位置信号，在电角度达到预设值时，通过gpio外设输出可控晶闸管的开通信号；
13、（3）四相空心halbach永磁补偿盘式脉冲发电机的四相电枢绕组的可控晶闸管分别导通半个电周期，通过外部半波整流并联电路对负载放电。
14、进一步的，步骤（3）中通过外部半波整流并联电路对负载放电的过程包括如下步骤：
15、（31）根据永磁体极对数，设置相邻两相电枢绕组安装的机械角度差和绕组电流方向，确保每相邻两相电枢绕组产生的空载电动势具有90°的相位差；
16、（32）每相电枢绕组产生的交流电通过相应的可控晶闸管进行整流，以确保电流的一致性，并符合负载需求的电流方向，为电流的并联提供了基础；
17、（33）整流后的四相电流在输出时并联起来，共同对外部负载放电，从而能够向负载提供高幅值和宽脉宽的近似平顶波电流；
18、（34）对外部负载放电的过程中，上述四相整流并联放电过程的电压平衡方程为：
19、
20、式中，为电枢绕组空载电动势幅值，和分别为转子电角速度和额定电角速度，为可控晶闸管触发角，和分别为每相电枢绕组的电感和电阻，，，，分别为a, b, c, d四相电枢绕组输出电流，和为负载的电阻和电感。
21、本专利技术的工作原理为：
22、首先，halbach永磁体产生交替磁场，外界动力驱动处于空载状态的发电机达到额定转速，发电机产生空载电动势，然后外部电路导通，发电机对负载放电。
23、放电过程中补偿盘会产生感应涡流，以阻止电枢绕组磁通与转子励磁磁通形成匝链，电枢绕组磁通在气隙中完成磁路的闭合，从而减小电枢绕组的暂态电感向小负载提供瞬态大脉冲电流。
24、采用可控晶闸管对每相电枢绕组输出的交流电进行整流，以确保电流的一致性，并符合负载需求的电流方向，为电流的并联提供了基础。整流后的四相电流在输出时并联起来，共同对外部负载放电，从而能够向负载提供高幅值和宽脉宽的近似平顶波电流，使得本专利技术特别适用于需要瞬时高功率和宽脉冲宽度输出的特殊应用场景。
25、本专利技术具有如下有益技术效果：
26、1.本专利技术的四相空心halbach永磁补偿脉冲发电机，采用halbach永磁体可以获得接近正弦的气隙磁密分布且经过良好设计可获得比常规磁体更大的气隙磁通。
27、2.本专利技术的四相空心halbach永磁补偿脉冲发电机，非铁芯转子和非铁芯定子可以减少涡流损耗、磁滞和剩磁效应，减少发电机整体重量，提高功率密本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种四相空心Halbach永磁补偿盘式脉冲发电机，其特征在于，包括下外壳（1）、上外壳（2）、转子、上定子、下定子、转轴（15）、B销柱（16）、上轴承端盖（3）、下轴承端盖（18）、上轴承（4）和下轴承（19），所述转子包括上补偿盘（9）、下补偿盘（17）、钢制绷带（10）、下Halbach永磁体（11）、上Halbach永磁体（12）、A销柱（14）和非铁芯转子（13）；所述上定子包括上非铁芯定子（7）、上电枢绕组（8），下定子包括下非铁芯定子（5）和下电枢绕组（6）。
2.根据权利要求1所述的四相空心Halbach永磁补偿盘式脉冲发电机，其特征在于，所述非铁芯转子（13）的两轴向面分别用螺钉固定安装上补偿盘（9）、下补偿盘（17）；所述上Halbach永磁体（12）和下Halbach永磁体（11）上下对称，上Halbach永磁体（12）安装于非铁芯转子（13）与上补偿盘（9）之间，下Halbach永磁体（11）安装于非铁芯转子（13）与下补偿盘（17）之间；所述上Halbach永磁体（12）和下Halbach永磁体（11）等效为2极对数轴向充磁永磁体，每极由
3.根据权利要求1所述的四相空心Halbach永磁补偿盘式脉冲发电机，其特征在于，所述上电枢绕组（8）、下电枢绕组（6）按照“回”型分别周向均匀缠绕于上非铁芯定子（7）和下非铁芯定子（5）；所述上电枢绕组（8）包括A、B两相绕组，每相绕组由4极2匝顺时针绕制线圈串联组成，A、B两相绕组安装的机械角度差为45°, A、B两相绕组电流方向相同；所述下电枢绕组（6）包括C、D两相绕组，每相绕组由4级2匝逆时针绕制线圈串联组成，C、 D两相绕组安装的机械角度差为45°, C、D两相绕组电流方向相同；所述A、C两相绕组安装的机械角度差为0°，A、C两相绕组电流方向相反。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的四相空心Halbach永磁补偿盘式脉冲发电机，其特征在于，所述转轴（15）通过B销柱（16）与非铁芯转子（13）周向定位，转轴（15）被上补偿盘（9）、下补偿盘（17）两端面夹紧与非铁芯转子轴向固定；所述上轴承（4）、下轴承（19）被上轴承端盖（3）、下轴承端盖（18）和转轴（15）轴肩轴向固定，上轴承（4）、下轴承（19）被上外壳（2）、下外壳（1）和转轴（15）周向固定，上轴承（4）、下轴承（19）内圈随转轴（15）旋转；所述下外壳（1）和上外壳（2）分别通过螺钉与下非铁芯定子（5）和上非铁芯定子（7）连接。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的四相空心Halbach永磁补偿盘式脉冲发电机，其特征在于，所述上补偿盘（9）、下补偿盘（17）分别与上电枢绕组（8）和下电枢绕组（6）有气隙；所述上补偿盘（9）、下补偿盘（17）分别与上Halbach永磁体（12）和下Halbach永磁体（11）保持相对静止。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的四相空心Halbach永磁补偿盘式脉冲发电机，其特征在于，发电机在放电过程中，上、下补偿盘产生感应涡流，以阻止上、下电枢绕组磁通与转子励磁磁通形成匝链，上、下电枢绕组磁通在气隙中完成磁路的闭合，从而减小上、下电枢绕组的暂态电感向小负载提供瞬态大脉冲电流。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的四相空心Halbach永磁补偿盘式脉冲发电机，其特征在于，所述非铁芯转子（13）材料为高强度非导磁材料；所述上非铁芯定子（7）和下非铁芯定子（5）为高强度非导磁材料；所述上Halbach永磁体（12）和下Halbach永磁体（11）采用高剩磁磁钢；所述上补偿盘（9）、下补偿盘（17）为非导磁高导电性材料；所述上电枢绕组（8）和下电枢绕组（6）采用大截面积铜线设计。
8.一种使用权利要求1-7中任一项所述的四相空心Halbach永磁补偿盘式脉冲发电机进行发电的方法，其特征在于，包括如下步骤：
9.根据权利要求8所述的发电的方法，其特征在于，步骤（3）中通过外部半波整流并联电路对负载放电的过程包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种四相空心halbach永磁补偿盘式脉冲发电机，其特征在于，包括下外壳（1）、上外壳（2）、转子、上定子、下定子、转轴（15）、b销柱（16）、上轴承端盖（3）、下轴承端盖（18）、上轴承（4）和下轴承（19），所述转子包括上补偿盘（9）、下补偿盘（17）、钢制绷带（10）、下halbach永磁体（11）、上halbach永磁体（12）、a销柱（14）和非铁芯转子（13）；所述上定子包括上非铁芯定子（7）、上电枢绕组（8），下定子包括下非铁芯定子（5）和下电枢绕组（6）。
2.根据权利要求1所述的四相空心halbach永磁补偿盘式脉冲发电机，其特征在于，所述非铁芯转子（13）的两轴向面分别用螺钉固定安装上补偿盘（9）、下补偿盘（17）；所述上halbach永磁体（12）和下halbach永磁体（11）上下对称，上halbach永磁体（12）安装于非铁芯转子（13）与上补偿盘（9）之间，下halbach永磁体（11）安装于非铁芯转子（13）与下补偿盘（17）之间；所述上halbach永磁体（12）和下halbach永磁体（11）等效为2极对数轴向充磁永磁体，每极由n段扇形永磁体排列组合而成,每段扇形永磁体轴向充磁，相邻两段的充磁夹角为，其中为每极永磁体分段数；所述扇形永磁体与非铁芯转子（13）的外接触面处垂直打圆孔，安装a销柱（14）；所述钢制绷带（10）周向环抱非铁芯转子（13）、上补偿盘（9）和下补偿盘（17）。
3.根据权利要求1所述的四相空心halbach永磁补偿盘式脉冲发电机，其特征在于，所述上电枢绕组（8）、下电枢绕组（6）按照“回”型分别周向均匀缠绕于上非铁芯定子（7）和下非铁芯定子（5）；所述上电枢绕组（8）包括a、b两相绕组，每相绕组由4极2匝顺时针绕制线圈串联组成，a、b两相绕组安装的机械角度差为45°, a、b两相绕组电流方向相同；所述下电枢绕组（6）包括c、d两相绕组，每相绕组由4级2匝逆时针绕制线圈串联组成，c、 d两相绕组安装的机械角度差为45°, c、d两相绕组电流方向相同；所述a、c两相绕组安装的机械角度差为0°，a、c两相绕组电流方向相反。
4....
【专利技术属性】
技术研发人员：张志洲，张金楚，赵巍龙，潘月亮，资正，谢源，陈亦柔，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：
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