脉冲发电机应力分析及结构优化

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1、硕士学位论文脉冲发电机应力分析及结构优化STRESSANALYSISANDSTRUCTUREOPTIMIZATIONOFTHECOMPULSATOR何力舟哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TM351学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学硕士学位论文脉冲发电机应力分析及结构优化硕士研究生：何力舟导师：吴绍朋副教授申请学位：工学硕士学科：电气工程所在单位：电气工程及自动化学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TM921

2、U.D.C:621.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringSTRESSANALYSISANDSTRUCTUREOPTIMIZATIONOFTHECOMPULSATORCandidate：HeLizhouSupervisor：Prof.WuShaopengAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecialty：ElectricalEngineeringAffiliation：SchoolofEle

3、ctricalEngineeringandAutomationDateofDefense：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要补偿脉冲发电机（CompensatedPulsedAlternator，CPA）是一种为电磁轨道炮供能的特殊电机，在工作时先将能量以动能的形式储存在转子中，并在放电时迅速输出给负载。CPA通常工作在高转速下以获得更多的转子储能，因此转子受到的离

4、心力比较大，另外CPA在放电时因为利用了磁通压缩原理来降低电机的内部电感，使得放电瞬间输出的电流幅值极高，电机受到极大的电磁力冲击，对电机的结构强度有较大影响。更为重要的是，新一代CPA中多采用复合材料制作电机部件，而复合材料的应力分析与常规材料相比要更为复杂。因此，为了确保电机的安全运行，并充分利用电机结构的强度特点，本文针对CPA内部的应力作用规律进行了详细研究。CPA中的多数部件均采用高强度密度比的复合材料制作，为了分析电机内各部件的受力，首先需要了解复合材料本身的特点与分析方法。本文首先

5、建立了CPA的三维有限元分析模型；针对CPA中的复合材料部件分析了加工工艺以及原材料含量等因素对其力学性能的影响；采用理论方法计算了纤维预紧缠绕制作的转子的预应力与离心力分布，分析发现单独采用纤维缠绕的方法无法有效抵消转子的径向离心力，同时转子的环向应力较低，表明复合材料环向强度高的特点也没有得到充分应用，有待进一步优化。关于电磁力对CPA的作用，首先计算了CPA放电时产生的电磁力，并根据电机定转子的特点，分别研究了电磁力对电机定转子的作用。对于电机定子而言，通过判断确定了电磁力的作用属于动态问

6、题中的冲击载荷，接着分析了冲击载荷作用的一般规律，得到载荷所能产生的最大反应只与结构的固有周期有关这一结论，并通过一个试算模型找到了CPA定子对应的固有周期，随后研究了不同材料以及不同部件对CPA定子整体固有周期的影响，并选择了合适的材料与结构，避免了电磁力在电机定子中引起振动。对于转子而言，因为电机转子在回转方向没有约束，能够认定电磁力对转子的作用属于稳态载荷，因此按照稳态载荷的处理方法计算了电磁力对CPA转子的作用。关于离心力对电机转子的作用，首先校核了初始设计方案中电机转子在额定转速下的结

7、构强度，结果发现转子的强度虽然满足要求，但是各部件的设计以及装配方式还有待改善，接着分别针对转子轭与转子绑带、碳纤维支撑体、转轴进行了相应的应力分析与结构优化，最终将优化后转子的最高转速提升至42000转/分钟，并计算了转子在该转速下的应力分布。关键词：脉冲发电机；复合材料；应力分析；结构-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractThecompensatedpulsedalternator(CPA)isaspecialmotorwhichprovidespulsedpowertoele

8、ctromagneticrailguns,atworktheenergyisfirststoredintherotorintheformofkineticenergyandisquicklyoutputtotheloadduringdischarge.TheCPAusuallyworksathighspeedtoobtainhigherrotorenergy,sotherotorissubjectedtoalargecentrifugalforce,inaddition,CPAusesthepr