脈沖電抗器之國(guó)外脈沖功率源研究的四方面

      脈沖功率源技術(shù)作為一個(gè)高新技術(shù)，其應(yīng)用前景受到各國(guó)科技人員的關(guān)注。目前，國(guó)外對(duì)脈沖功率源的研究主要集中在以下四方面：
 
      1、脈沖能源系統(tǒng)
      脈沖能源系統(tǒng)是電磁發(fā)射系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其特點(diǎn)是輸出功率大，工作電壓高，輸出脈沖電流大。隨著儲(chǔ)能器件儲(chǔ)能密度的提高，高儲(chǔ)能脈沖功率源在體積、重量方面已基本滿足武器系統(tǒng)發(fā)展的需要。從目前的研究進(jìn)展來(lái)看，研究的重點(diǎn)主要集中在電容器儲(chǔ)能脈沖電源、單極發(fā)電機(jī)和補(bǔ)償交流脈沖發(fā)電機(jī)等方面。在電容儲(chǔ)能脈沖功率源的研究中，由于材料和器件的發(fā)展，脈沖電容器的儲(chǔ)能密度得到進(jìn)一步提高，目前美國(guó)Maxwell公司的大功率脈沖電容器的儲(chǔ)能密度已達(dá)3．0MJ／m’，使用壽命達(dá)10000次15J。

      英國(guó)研究的單級(jí)發(fā)電機(jī)，儲(chǔ)能達(dá)到6．7MJ，改進(jìn)目標(biāo)為25MJ。美國(guó)CEM．UT的單極發(fā)電機(jī)，可儲(chǔ)能6．2MJ。西屋電氣公司在已有的15MJ單極發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上，正在研制儲(chǔ)能55MJ，用以發(fā)射動(dòng)能為2．64MJ(3009，4．2km／s)彈丸的單極發(fā)電機(jī)。

      美國(guó)德克斯大學(xué)機(jī)電中心研制的補(bǔ)償脈沖發(fā)電機(jī)，脈沖輸出功率13．3MW，脈沖輸出能量8．5MJ，能以每秒60發(fā)的射頻為電炮持續(xù)供電171。各種不同儲(chǔ)能設(shè)備脈沖功率電源有其不同的特點(diǎn)，電容器儲(chǔ)能雖然功率放大倍數(shù)大，但儲(chǔ)能密度低：電感儲(chǔ)能雖儲(chǔ)能密度大，且如用超導(dǎo)磁體儲(chǔ)能(其制動(dòng)電阻為零)，可大大降低輸入級(jí)的輸入功率，如果磁體的耐壓水平高，其功率放大倍數(shù)可達(dá)電容器儲(chǔ)能的水平，但功率輸出難于控制；機(jī)械儲(chǔ)能雖功率放大倍數(shù)相對(duì)小，但儲(chǔ)能密度高，易于進(jìn)行功率輸出調(diào)節(jié)，是聚變研究最常用和最理想的脈沖功率電源系統(tǒng)。

      2、脈沖功率開關(guān)技術(shù)
      開關(guān)元件在脈沖功率系統(tǒng)中占有特殊的地位，這是因?yàn)殚_關(guān)元件的參數(shù)和特性對(duì)脈沖的上升時(shí)間、幅值等會(huì)產(chǎn)生最直接、最敏感的影響。一個(gè)脈沖功率系統(tǒng)即使各個(gè)組成部分都具有良好的性能，而唯獨(dú)開關(guān)元件的性能欠佳，最終還是不能獲得符合要求的輸出脈沖。另外，開關(guān)在高電壓、大電流下工作，工作條件十分惡劣，開關(guān)中的擊穿現(xiàn)象和開關(guān)電極上的放電物理過(guò)程十分復(fù)雜。因此，研制具有開關(guān)電極材料在擊穿時(shí)延時(shí)短而分散性小；電感和制動(dòng)電阻��；電極燒損少以及能在重復(fù)脈沖下穩(wěn)定工作等特點(diǎn)的各種類型開關(guān)元件是脈沖功率技術(shù)中又一倍受重視的研究課題⋯。

      美國(guó)空軍武器科學(xué)家認(rèn)為，目前大功率開關(guān)技術(shù)包括以下四個(gè)方面：一是短脈沖技術(shù)；二是同步技術(shù)；三是高重復(fù)率技術(shù)；四是長(zhǎng)壽命。其中，難點(diǎn)在于大功率、長(zhǎng)壽命和高重復(fù)率的開關(guān)技術(shù)[Ill。要解決好這些問(wèn)題，應(yīng)該研究開關(guān)擊穿過(guò)程、電極損耗過(guò)程及開關(guān)電壓的恢復(fù)過(guò)程等物理現(xiàn)象，而基礎(chǔ)則是等離子體物理、材料學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)等方面的理論。

      在開關(guān)技術(shù)的研究中，為了解決開關(guān)重復(fù)率和使用壽命，還研發(fā)出一種新的開關(guān)技術(shù)，即磁開關(guān)，其效率與脈沖能量無(wú)關(guān)，不產(chǎn)生噪聲，重復(fù)率預(yù)計(jì)可達(dá)10兆赫級(jí)。美國(guó)等國(guó)家已經(jīng)將其用于感應(yīng)加速器和磁脈沖壓縮器方面，但從其結(jié)構(gòu)及原理來(lái)看，這類開關(guān)由于受到以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的制約：一是鐵芯材料的磁特性和物理性能；二是線圈繞組間的絕緣；三是與上升時(shí)間有關(guān)的鐵芯級(jí)數(shù)和形狀㈣。因此，短期內(nèi)難以在電熟化學(xué)炮系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

      3、小型化脈沖成形網(wǎng)絡(luò)模塊技術(shù)
      脈沖成形網(wǎng)絡(luò)是高功率脈沖電源的核心。體積小、重量輕、功率可調(diào)的脈沖能源系統(tǒng)是基礎(chǔ)條件川。近年來(lái)，許多學(xué)者在能源系統(tǒng)小型化和提高電源效率技術(shù)措施等方面作了深入研究，在大功率固體開關(guān)技術(shù)，新型大功率傳輸電纜和新型電化學(xué)化合物電池等方面取得了很大的進(jìn)展。

       4、脈沖電抗器技術(shù)
       在以電容器為儲(chǔ)能器件的能源系統(tǒng)中，電抗器作為中間儲(chǔ)能元件，用于控制脈沖電流的大小，要求其磁場(chǎng)集中、高能量密度、低內(nèi)阻。國(guó)外對(duì)大功率電抗器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電磁屏蔽技術(shù)方面的研究工作包括：減小電抗器能量損耗，提高功率密度，改進(jìn)屏蔽技術(shù)減小電抗器對(duì)外界的干擾，高壓絕緣技術(shù)和強(qiáng)電磁力環(huán)境下的電抗器設(shè)計(jì)。其中，強(qiáng)電磁力環(huán)境下的電抗器設(shè)計(jì)包括引出電極方式和導(dǎo)體變截面處的電動(dòng)力問(wèn)題。

      此外，與之相關(guān)的其它技術(shù)如專門為脈沖電源充電使用的發(fā)電機(jī)，用于脈沖電源系統(tǒng)的大功率晶體管等技術(shù)都在發(fā)展之中。國(guó)內(nèi)脈沖功率源研究工作自開展以來(lái)，進(jìn)步很快，并取得了一些成果。