電磁軌道發射用脈沖電源系統的發展與現狀

孫志剛，劉宇鵬，郝興斌

(32381 部隊，北京 100072)

1 引言

與以化學能驅動的常規火炮相比，電磁發射技術不受滯止聲速的限制，可獲得更高初速[1,2]，同時還具備初速精度高、過載可調等特點[3,4]。電磁發射裝置的驅動電流是彈丸獲得高初速的主要原因，其電流峰值高達幾百千安或數兆安，加速時間約為幾毫秒至十幾毫秒。受限于現有儲能模塊和開關器件的技術水平，單個電源模塊難以輸出上述的電流參數，目前采用多個模塊組成脈沖電源系統，通過控制調制獲得高參數的驅動電流。因此，脈沖電源系統是電磁發射系統的重要組成部分，其體積和質量占比最大，其性能是制約電磁發射技術工程化發展的重要因素之一。

目前，國際上電磁發射系統所采用的電源系統主要有電容儲能、電感儲能和慣性儲能三種形式。根據國內外機構的研究成果，本文對不同儲能形式下(電容儲能、電感儲能和慣性儲能)脈沖電源系統的研究進展進行分析和總結，對其工程實用化發展進行展望。

2 電容儲能型脈沖電源

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

常見的PFU電路拓撲如圖1所示，包含4個主要元件，分別為脈沖電容器(C)、開關管(S)、調波電抗器(L)和續流二極管(D)；根據開關管和續流二極管的不同分布，可分為A、B兩型拓撲。

圖1 電容儲能的基本拓撲

其工作過程分為3個階段：①電容放電階段，由脈沖電容器、開關管、調波電抗器、負載構成放電回路，調波電抗器儲能；②過渡階段，開關管和續流二極管均處于導通狀態，開關管的電流減小，續流二極管的電流增加；③續流階段，調波電抗器存儲的能量通過由負載、續流二極管、調波電抗器構成的續流回路釋放，其中B型拓撲，開關管也參與續流過程。

該型電源具有結構緊湊、控制簡單等模塊化特征，技術成熟度較高，便于擴展。由其組成的脈沖電源系統具備運行可靠、調控簡單靈活的特點，在現有電磁發射系統中應用廣泛。其負載口徑由幾毫米的小口徑至100多毫米的大口徑，負載類型包含簡單型和增強型，最大儲能已達200 MJ[5]。

在工程背景下，對電容儲能型脈沖電源系統的小型化、輕量化、連續發射運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

脈沖電源系統的小型化與輕量化是全系統工程化應用的一個重要內容，主要針對系統效率優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計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，在電源中體積和質量占比最高，現有電源小型化研究以提升脈沖電容器的儲能密度為主?？紤]到負載的特殊性，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定性[6]。

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

圖2 2.7 MJ/m3金屬化膜電容器[8]

由于傳統聚合物薄膜的相對介電常數較低，后續提升空間有限，因此相關研究單位通過對聚合物薄膜進行表面改性，研制同時具備高儲能密度、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：高介電常數納米顆粒(如TiO2、BaTiO3等)[14,15,17]、采用核殼結構的無機納米顆粒和疊層式多層薄膜設計[18-21]、Al2O3涂覆聚丙烯薄膜[22,23]、卷對卷等離子體增強化學氣相沉積(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)[16]以及高偶極矩無定形聚合物(ArPU)[24]均可有效改善相對介電常數、擊穿場強、儲能密度等相關電參數，但距離工程應用尚存在一定差距。

影響電源小型化的主要因素還包括緊湊型模塊設計水平。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系統和電熱化學炮，其中南京理工大學所研制的450 kJ緊湊型PFU可進行3次連續發射；兩種PFU均未采取主動制冷技術。

圖3 450 kJ緊湊型PFU與高壓恒流充電機[27]

截至目前，國內外PFU儲能密度水平基本保持持平，約為1.5 MJ/m3，系統儲能密度約為0.8～1.0 MJ/m3，具備熱管理系統，能應用于連續發射。對于高儲能電源系統，PFU儲能過小，模塊數量大大增加，進而增加系統復雜性；PFU儲能過大，對開關管的電壓應力、電流應力提出更高要求。因此工程應用中應根據系統效率、開關應力、連續運行工況下的溫升限制等邊界條件進行多目標優化設計。

在緊湊型PFU的研制基礎上，現階段電磁軌道發射用脈沖電源系統已由實驗室階段的框架式向較高集成度的脈沖功率集裝箱式轉化。

由美國海軍供應商雷神公司和通用原子電磁系統公司所生產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 %，并在重復頻率條件下實現放電500次[28]。在此基礎上研制10 MJ集裝箱式脈沖功率電源已實現多次發射[29]。

圖4 美國海軍集裝箱式脈沖功率電源

2.2 連續發射運行

連續發射運行是電磁軌道發射技術工程化應用的重要性能。美國海軍于2005年至2011年間研制的重頻電源模塊樣機如圖5所示。

圖5 可自動制冷的重頻脈沖功率模塊

在連續發射運行條件下，單模塊緊湊化結構會導致電源模塊散熱困難，持續的溫升會造成內部元件(如脈沖電容器、調波電抗器、半導體開關等)的熱損傷和絕緣性能的下降，不利于電源系統的安全運行。

脈沖電容器在低頻下出現過熱損壞的概率較小，易造成熱積累的主要元件是調波電抗器和大功率半導體開關[30,31]。因此在連續發射運行下，需要重點關注調波電抗器和半導體開關的安全性，相應的熱管理措施主要以自然冷卻、風冷和液冷為主。

2.2.1 調波電抗器

熱管理技術是調波電抗器連續發射運行條件下安全運行的保障。在電容儲能型脈沖電源系統中，調波電抗器多采用由銅帶或銅管繞制的螺旋式結構。相比傳統螺線管式結構，螺旋式結構體積更小、漏磁更大[32,33]。為保證絕緣性能、提高結構強度，調波電抗器內部需要環氧樹脂進行澆灌填充。因此，更小的體積和絕緣材料的低導熱系數均導致調波電抗器散熱困難。

對于螺旋式結構，在連續發射的工況下，脈沖電壓、脈沖間距和脈沖持續時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]，這意味著調波電抗器無法通過自然冷卻的方式進行有效的熱管理，需要采取主動制冷措施。但螺旋式線圈自身的結構特點不易于冷卻設計。相比之下，螺線管式線圈可配備相應的液冷與測控系統。通過監測冷卻液的出口溫度、控制流量、選擇合適的冷卻劑(乙二醇)可實現有效的熱管理[37]。

2.2.2 半導體開關

半導體開關導通時，脈沖電容器放電電流峰值高達幾十至上百千安。在大電流、強脈沖的連續發射條件下，半導體開關內部溫度的積累會導致自身性能的劣化甚至永久損壞。合理選擇半導體開關，同時輔以散熱措施，確保開關管滿足連續發射運行要求。

針對工程化應用，在器件選型時需要關注低重復率下的關鍵參數，包括通態不重復浪涌電流ITSM、通態臨界電流上升率di/dt和電流平方時間積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20 kA/μs；中國株洲中車公司MKPE300-065型號的ITSM最高達300 kA[38,39]。

若半導體器件的通流參數無法滿足連續發射需求，必要時需要進行液冷散熱設計[27,40,41]。受限于電磁軌道發射場合，大功率半導體器件的研究方法包括熱阻抗法[42-46]、有限元法[45,46]和熱敏參數法等[46,47]，通過采取相應散熱措施，可提高連續發射運行能力。

2.3 應用場合與作戰平臺兼容性

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

在與船舶電力系統集成方面，歐洲ISL設計了包含鋰電池、中間升壓轉換器和電容儲能型脈沖電源的新拓撲結構[48]；美國猶他大學利用DC-DC升壓電路將系統集成至具有環形結構的中壓直流船舶電力系統[49]。

在電磁兼容方面，研究主要圍繞調波電抗器和功率開關展開。為了防止磁飽和導致電感非線性變化，調波電抗器多采用漏磁較大的空心結構，其端面外側磁場最強，該位置的軸向磁感應強度與電流波形變化趨勢基本一致[50,51]。相比之下，功率開關在脈沖電流下表現為高頻磁場干擾，最高可達兆赫茲級[52]。目前針對電源系統內磁場的測量手段主要有霍爾效應法[50,53]和電磁感應法[52]等。

電源系統內部強磁場會帶來兩個問題：①影響弱電測控系統的正常工作；②可能導致元件或金屬連接件產生變形或損壞。針對測控系統的電磁干擾，目前解決方法是加蓋金屬外殼。仿真與實驗研究表明：外殼材料電導率和磁導率越大，并采用雙層結構，可有效實現電磁屏蔽[51,53,54]。針對脈沖強磁場所產生的感應電動力，調波電抗器受到的邊緣環向應力最大[55]；根據與調波電抗器相對位置的不同，金屬連接件上所感應的電磁力呈現不同規律[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，無需高壓轉換設備；與慣性儲能相比，電感具備靜態儲能的優勢。

電感儲能型脈沖功率電源在斷路開關動作后，漏磁的存在使得開關兩端承受較高電壓，需采用相關措施，如采取電容等器件以保證斷路開關的安全運行。此外，在不選用超導技術的條件下，電感在充放電過程中產生的歐姆損耗，以及放電后回路中電感、電容的剩余能量，均導致現階段系統級電源的傳輸效率相對較低[59,60]。

隨著斷路開關和高溫超導技術的發展，近年來電感儲能型脈沖電源系統取得一定進展，但距離工程應用有較大差距。

3.1 基本拓撲與電源系統的研制

按照電流倍增原理，現有電感儲能型脈沖電源的基本拓撲可分為XRAM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構。

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

圖6 電感儲能的基本拓撲

3.1.1 XRAM型電感電源

XRAM作為MARX的對偶電路，通過串聯充電、并聯放電實現電流倍增，可有效避免或減少斷路開關的并聯，同時具備較強的拓展性。

歐洲ISL基于XRAM拓撲分別實現了4級[61,62]、8級[63]和20級[64]單元拓撲的并聯，并于2020年研制了儲能1 MJ的電源系統。該電源系統輸出脈沖電流峰值400 kA，成功驅動25 mm2口徑、3 m長的電磁發射裝置，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

脈沖變壓器本質上均通過磁鏈守恒原理實現電流倍增，主要分為混合型meat grinder和高溫超導脈沖變壓器。

(1)混合型meat grinder

美國先進技術研究所(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換電容，以限制斷路開關兩端的過電壓[66]。通過進一步改進、以及選用鋰電池作為初級儲能，IAT于2007年成功驅動0.56 m小口徑電磁軌道炮，驗證了混合型meat grinder的可行性[67]。

在引入轉換電容的基礎上，清華大學提出了多種衍生拓撲[68-71]，并將meat grinder衍生電路進行了對比[72]和參數分析[73]。

基于meat grinder with SECT拓撲，清華大學于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]。通過遺傳算法進行參數優化后，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。

中國科學院電工研究所在STRETCH meat grinder電路的基礎上進行了改進，于2020年研制了4級電源系統，負載電流峰值30.4 kA，如圖7所示[60]。

圖7 4級電感儲能型脈沖電源

(2)高溫超導脈沖變壓器

2012年，西南交通大學研制了小型高溫超導脈沖變壓器，在充電電流100 A下可輸出4.26 kA的脈沖電流，能量轉換效率為72.3 %，可在20 K溫度下穩定運行[76]。

在此基礎上，多項研究將高溫超導脈沖變壓器與STRETCH meat grinder、XRAM相結合[77-79]。其中，山東理工大學基于高溫超導脈沖變壓器和XRAM，研制了2級小能級電源系統。負載為2 mΩ電阻時，最大輸出電流峰值2.3 kA，脈寬5 ms；并可在5 Hz頻率下穩定工作，但輸出電流峰值會相對減小[80]。

此外，山東理工大學將橋式開關電路與高溫超導脈沖變壓器結合，提出了一種可進行連續放電的電路拓撲[81]。與混合型meat grinder不同的是，該拓撲中的轉換電容通過向初級線圈正向放電，可使得負載電流在放電過程中快速衰減，從而保證工作頻率和系統效率[82]。目前，該拓撲已進行小能級的驗證實驗，可在約5 Hz的頻率下實現1.11 kA的放電電流[83]。

3.2 斷路開關與換流技術

電感儲能型脈沖電源需要通過斷路開關動作，將與之串聯的電感線圈換流或者斷流，從而實現負載電流的倍增。長期以來，實現脈沖大電流快速可靠的關斷是電感儲能的關鍵技術之一。

相比機械開關和氣體開關，半導體開關在通斷時間、壽命、可靠性和體積等方面存在優勢，是脈沖功率開關的首選。在具備關斷能力的全控器件中，IGBT和MOSFET關斷能力較弱。在能級較高的場合，多數采用IGCT和GTO作為斷路開關。但在使用過程中，仍存在以下兩個問題：

(1)開關耐壓。在斷路開關動作后，空心電感線圈的漏磁會使得斷路開關兩端承受高電壓，易導致開關器件的損壞。

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

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

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

目前電感儲能型脈沖功率電源仍處于實驗室研制階段，PFU儲能較小(≤100 kJ)，線圈預充電流一般為數千安，由初級電源向線圈的充電時間為數十毫秒。在工程應用中，需要高儲能，充電時間與充電裝置功率密切相關。同時，未來電感儲能能級的提升、以及連續發射工況的要求，除關注開關器件在導通及關斷瞬間的功率損耗和溫升外，還需要注意斷路開關在閉合階段(電感充電階段)的損耗以及相關部件溫升的影響。

3.3 電感設計與高溫超導技術

電感儲能因具備更高的儲能密度而備受關注，因此研制適用于電磁發射場合、兼具高儲能密度和高結構強度的電感至關重要。目前，國內外研究機構所采用的結構形式主要有環狀結構和餅狀結構，儲能電感的實驗圖如圖8所示。

圖8 不同結構形式的儲能電感

為實現以XRAM為基本拓撲的1 MJ電源系統，ISL研制了20模塊環狀電感，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，質量儲能密度1 kJ/kg；采用D形銅盤式結構，具備較高的結構強度，在脈沖電流下產生較小的溫升和電磁干擾[88,89]。

在以脈沖變壓器為基本拓撲的電源系統中，電感的耦合系數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構。

清華大學所采用的螺旋式單層電感線圈如圖8(b)所示。通過遺傳算法進行參數優化后，耦合系數可達0.99[75]。美國GEDI(General ElectroDynamics International)實驗室所采用的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域的雜散磁場[90]。

隨著超導儲能的發展和實用化，高溫超導技術被應用至脈沖功率領域。山東理工大學和西南交通大學所研制的高溫超導變壓器，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[91]。

相比傳統電感，超導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備的引入與超導材料臨界條件的限制，電源系統的總儲能密度與工程實用性仍有待深入研究。

4 慣性儲能型脈沖電源系統

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用中具有潛在優勢，目前尚處于發展初期。

針對電磁發射場合，電機轉速一般為幾千轉每分鐘至上萬轉每分鐘，以實現高功率密度和高儲能密度。在平臺高機動運行條件下，高速電機的可靠性和安全性需要重點關注。

4.1 單極發電機

單極發電機原理簡單，主要應用于電磁發射技術初期。1978年澳大利亞國立大學采用550 MJ單極發電機成功驅動電磁軌道裝置，將3 g彈丸加速到5.9 km/s，驗證了電磁軌道發射技術的可行性[92]。

美國西屋公司于1982年向美國陸軍交付的EMACK系統中，單極發電機轉速為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年通過改進單極發電機轉子，轉速提升至9 000 r/min、儲能30 MJ[94]。同時，為單極發電機提供旋轉儲能的拖動電機功率也由75 kW提升至300 kW，使得單極發電機加速時間小于2 min，但仍僅適用于單次發射場合[95]。

圖9 16 MJ單極發電機及拖動電機[96]

1986年，西屋公司研制了儲能10 MJ的緊湊型鐵心單極發電機，質量儲能密度5 kJ/kg，輸出電流峰值1.5 MA。在此基礎上，交付給美國空軍的單極發電機增加了冷卻系統等輔助設備[97]。

單極發電機輸出電壓低，典型值為100～200 V，可與其他儲能元件相結合，應用于驅動電磁發射裝置。用于EMACK的環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，環狀比特型電感線圈同樣需要斷路開關進行電流換路。

考慮到單極發電機具備儲能密度高、功率密度適中以及可靠性高等優點，華中科技大學將其作為脈沖電容器的充電電源[98,99]。為了進一步提升單極發電機的功率密度，2021年研制了新型外轉子單極發電機樣機如圖10所示；并提出了基于多物理場的設計方法[100]。該單極發電機轉速為12 000 r/min、功率160 kW、儲能330 kJ[101]。

圖10 330 kJ單極發電機及拖動電機[100]

從某種程度上講，單極發電機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，單極發電機與其他儲能形式仍需進一步性能對比。

4.2 脈沖發電機

1979年，美國德克薩斯大學機電中心(the University of Texas at austin Center for ElectroMechanics，UT-CEM)提出了補償脈沖發電機(Compensated Pulsed Alternator，CPA)的概念，并完成了樣機的驗證實驗[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[103]，采用了強度密度比和彈性模量更高的復合材料取代鐵磁材料。電機結構由鐵心向空心的過渡，提高了脈沖發電機小型化、輕量化水平，同時也明確了自激勵磁的必要性。經過歷代樣機的改進與優化，CPA設計轉速最高可達25 000 r/min，設計儲能可達200 MJ，質量儲能密度由3.4 kJ/kg提升至19.6 kJ/kg[104-106]。但受限于工藝水平，尚未實現全轉速下的電磁軌道發射實驗。

1992年至1999年，UT-CEM設計了新型縮比樣機，創新性地采用了多相、無補償和旋轉磁場的電機設計[107,108]，如圖11所示。其中，UT-CEM通過勵磁繞組充當補償元件以實現無補償形式，并研發了用于性能預測的仿真程序和用于測量高速轉子的高精度傳感器[109,110]。

圖11 21 MJ縮比脈沖發電機系統[103]

基于縮比樣機，UT-CEM與美國柯蒂斯-萊特(Curtiss-Wright)公司共同研制了新型樣機模塊，開創性地采用了一對同步反向旋轉脈沖發電機組，并配備了復合材料支撐軸和冷卻系統，如圖12所示。每臺電機設計儲能46 MJ，轉速12 000 r/min[104,111]。

圖12 同步反向旋轉雙脈沖發電機模塊

UT-CEM早期的樣機研制為電磁發射用脈沖發電機的設計奠定了基礎，在鐵心與空心、旋轉電樞與旋轉磁場、單相與多相、勵磁方式和補償方式等方面提供了設計參考依據。其研制的鐵心脈沖發電機樣機實現將80.3 g電樞加速至2 050 m/s的發射試驗[112]；研制的空心脈沖發電機樣機將133.7 g電樞加速至1 336 m/s[113]。

我國針對脈沖發電機的研究始于20世紀80年代，目前相關樣機處于初步驗證階段，實驗輸出能量均較低。2001年，中國科學院等離子體物理所研制的被動補償式CPA成功驅動連發型電磁軌道炮，將4發7.8 g彈丸加速至250 m/s；該CPA采用單相4極的鐵心結構，儲能0.2 MJ，質量儲能密度為0.2 kJ/kg[114]。此外，中國科學院等離子體物理所和電工研究所均針對主動補償式CPA開展相關研究[115,116]。

基于空心CPA和自激勵磁的特點，哈爾濱工業大學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，并在轉速6 000 r/min下進行了驗證實驗[117,118]。

混合勵磁CPA通過結合電勵磁和永磁勵磁的優點，實現脈沖發電機無刷化，同時具備降低損耗和調控靈活等優點。針對放電過程中可能出現的退磁現象，需要進行多物理場分析和風險評估[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的轉子雙電樞繞組結構，轉場式拓撲降低了對大功率電刷和滑環的要求，提高了系統的可靠性[120]。

為提升運行可靠性和小型化水平，國防科學技術大學于2015年研制了兩相永磁被動補償式CPA的縮比樣機，在轉速3 000 r/min下輸出脈沖電流峰值6.25 kA，脈寬8.84 ms[121,122]。

相比單相脈沖發電機，多相脈沖發電機解耦了電流脈寬與電機轉速之間的制約關系，更適用于電磁發射場合。相數的增加會使得電流紋波減小，同時也會產生較大的徑向電磁力，提高了對電機結構和加工工藝的要求?？紤]到相數增加后邊際效應遞減，華中科技大學六極七相空心CPA，并于2021年完成了樣機的研制。該樣機設計輸出電流超過1 MA，可儲能69.4 MJ，瞬時功率可達0.8 GW；目前處于調試階段，實驗放電電流峰值33 kA，向等效負載傳輸總能量3.25 kJ、瞬時功率峰值0.61 MW[123]。

單臺脈沖發電機難以驅動電磁發射裝置，與電容儲能相似，通常需要進行多模塊結構設計。在模塊化設計方面，國內外研究仍以UT-CEM提出的同步反向雙脈沖發電機對為主進行理論和仿真分析，通常采用并聯方式向負載放電[124,125]。

隨著電磁發射裝置出膛動能的提升，現有制造工藝水平制約了高速電機的發展，多數研究仍以脈沖發電機的拓撲設計和多物理場仿真為主。

現階段，脈沖發電機面臨以下問題：①對于單臺電機，運行時的高轉速對電機的電磁特性、力學性能、熱管理、制造工藝、運行可靠性以及使用壽命等方面提出更高要求。②對于多臺電機構成的模塊化系統，面向負載的匹配設計、模塊內脈沖發電機對的同步運行、模塊的連接方式以及輸出電流波形的調控等問題亟待解決。

5 結論

在電磁軌道發射技術初期，重點集中在發射裝置研究和發射實驗驗證上。對于脈沖電源系統的選擇，主要考慮可滿足不同負載的發射需求，同時還應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證階段被廣泛使用。

根據現有技術，電感儲能和慣性儲能形式下所研制的單電源模塊實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，其最終目標是實現電磁發射總系統的工程化應用。在負載匹配設計方面，針對不同口徑、不同頻率需求的電磁發射裝置，電感儲能和慣性儲能尚缺乏相關的實驗數據積累。

表1 不同儲能形式下實體電源性能對比

電容儲能型脈沖電源雖然儲能密度較低，但其模塊化結構成熟度較高，便于擴展、運行可靠、易操作，相比其他儲能形式仍具備一定優勢。

電感儲能型脈沖電源儲能密度較高，但關斷開關應力高、系統傳輸效率較低，且高溫超導應用的輔助設備較為復雜，對其工程應用帶來局限。

慣性儲能型脈沖電源儲能密度最高，目前進展緩慢，已公開的樣機實驗多在較低轉速或較低儲能條件下進行。對于慣性儲能，轉子的高速運行對電機的加工工藝、拓撲結構、冷卻設計、可靠性和安全性等方面提出更高要求。

綜上，在未來短期內，電容儲能型脈沖電源仍將是電磁軌道發射技術工程應用的首選方案。電感儲能型和慣性儲能型脈沖電源尚需從可靠性、操控性、模塊與系統集成等方面進行關鍵技術解決，體現其應有的優勢，盡快走向工程化應用。