0 引言
随着科学技术的不断发展和世界新军事革命的日益加剧，争夺空间武器装备优势已成为目前世界大国军事斗争的焦点。随之而来，高功率固体激光武器、粒子束武器、定向能武器、电磁化学炮和电磁轨道炮等新概念武器日益成为研究热点[1-4]，并逐步取得了重大进展。目前，电磁轨道炮、固体激光武器等新概念武器的发展及其天基应用所面临的一个共性关键技术是高性能高功率脉冲电源及其小型化的问题。补偿脉冲发电机是高功率脉冲技术发展方向之一，在电磁发射技术、激光等现代高科技领域具有广阔的应用前景。
补偿脉冲发电机是利用补偿电枢反应原理和磁通压缩原理的一种新型脉冲功率电源，是现代利用惯性储能形式的高功率脉冲技术发展方向之一，在电磁发射技术、激光等现代高科技领域具有广阔的应用前景。
1 补偿脉冲发电机工作原理和类型
由于传统发电机的内阻抗大，向电磁炮、电热炮等低阻抗负载放电时，难以获得负载所需的窄脉宽和高幅值的脉冲。补偿脉冲发电机利用电磁感应定律和磁通压缩原理，集能量存储、机电能量转换和脉冲成形于一体，是一种很有潜力的高功率、小型化脉冲电源。与其他脉冲电源（如电容器、电感、单极电机等）相比，具有比功率、比储能、重复频率高和使用寿命长等综合指标优势[5-7]。
补偿脉冲发电机是一种特殊的交流发电机，它在结构上与普通交流同步发电机类似，不同之处在于采用了补偿元件，CPA并不输出稳态电流，而是工作在脉冲放电状态。当CPA对负载放电时，补偿元件产生补偿电流，该电流产生的磁场与其电枢反应磁场相互作用，使电枢电流磁通压缩，极大地降低了电枢绕组暂态电感而增大其放电电流，从 而输出高功率脉冲[8]。
补偿脉冲发电机可选用多种形式的补偿方式，补偿程度依赖于电枢绕组和补偿元件的相对空间位置和大小，可以做到电感随转子位置周期变化，补偿程度的变化使电枢绕组获得变化的电感。电感变化的不同方式是实现不同脉冲波形和提高脉冲功率的最主要方法。为实现最大补偿效果，补偿元件和导体厚度之间的距离应当尽量减小。按照补偿元件的结构形式，补偿脉冲发电机有三种基本形式：主动式、被动式和选择被动式。图1.3是三种补偿脉冲发电机典型的脉冲电流波形[9]。
1.1 被动补偿脉冲发电机（Passive Compensated Alternator-PCPA）
被动补偿脉冲发电机采用导电屏蔽筒固套于转子表面，当电枢绕组放电时，屏蔽筒感应涡流以阻止磁通透入转子，磁通被压缩在气隙中，磁阻变大，从而使电枢绕组暂态电感减小。由于在整个电机气隙内都得到均匀补偿，因而电感为常值，输出电压近似正弦脉冲。
1.2选择被动补偿脉冲发电机（Selectively Passive Compensated Alternator-SPCPA）
选择被动补偿脉冲发电机的补偿绕组在选定区域短接或利用非均匀补偿筒，通过感应作用，抵消磁通，减小电枢绕组电感。当补偿绕组和电枢绕组轴线重合时，磁通耦合最强，SPCPA内感最小；当补偿绕组和电枢绕组轴线正交时, 磁通没有耦合，此时 SPCPA内感最大。显然，这种补偿方式的电感变化频率是空载电压频率的两倍。SPCPA以牺牲峰值功率为代价，可以获得平顶脉冲电流波形。
1.3 主动补偿脉冲发电机（Active Compensated Alternator-ACPA）
主动补偿脉冲发电机中补偿绕组与电枢绕组通过电刷、滑环相串联，补偿绕组随转子旋转，当电枢绕组电流与补偿绕组电流磁通同向时，互感最大，输出电流最小；当电枢绕组与补偿绕组正交时，两者没有耦合，其内电感为两绕组自感之和；当电枢绕组电流与补偿绕组电流磁通反向时，互感最小，近似等于两绕组漏电感之和，输出电流最大。随着转子位置不断变化，电感变化周期与空载电压周期相同，可以获得尖顶的脉冲波形。
三种补偿方式可以满足不同的负载波形要求，电磁轨道炮需要平顶的脉冲波形，使弹丸在轨道中得到均匀加速，达到最大出膛速度，激光氙灯负载需要尖顶脉冲波形激发光源。而被动补偿电机可以满足电热化学炮负载波形要求。
综上所述，CPA具有明显的综合优势：
（1）直接与初始功率源耦合，集惯性储能、机电能量转化及脉冲成形于一体，系统构造简单，具有较高的储能密度和功率密度。
（2）脉冲成形易与负载匹配，CPA脉宽范围从数十微秒到数十毫秒，且脉宽易于调节。
（3）CPA可提供连发脉冲，适合连续发射武器系统。
（4）电流脉冲自然过零，具有“自开关”特性，不需要复杂开关技术。
2 补偿脉冲发电机的应用前景
CPA作为一种新型脉冲功率电源，一经产生便受到人们广泛关注，在国防、科研和工业领域都显示出广泛的应用前景。
2.1 电磁轨道炮发射脉冲电源
由于电磁轨道炮突破传统推进技术速度极限，在国防领域最有可能成为极大杀伤力的新一代电炮武器，因而受到各国国防部门的高度重视。CPA是电磁轨道发射关键技术之一，从美国有关科研机构的研究进程来看，CPA是电磁轨道炮无可替代的大功率脉冲电源，CPA的研究与电磁轨道炮的研究同步进行，其研究规模和研究水平不断提高。
2.2 驱动激光脉冲电源
小型化、高功率固体激光器不仅在军事领域有重要用途，而且在工业上也有重要的应用前景。在军事上可以干扰对方导航系统，破坏对方操作人员的视觉和装备的光电传感装置。
2.3 电热化学首选脉冲电源
电热化学炮可以提高弹丸的速度和射程，大幅度地提高了武器系统的战术性能。电热化学炮可应用于舰上反导、野战炮兵、反装甲、坦克炮以及防空武器等，具有广泛的战术应用前景。
ETCG能否走向实战化，电源系统小型化是其中关键技术之一。各国都十分重视电源小型化的研究。美国学者多次证论CPA是电热化学炮首选电源方案。1997年美国德州大学学者全面比较了几个可以得到的电源系统[10]，得到的结论是：过去十几年内美国国防部门支持研究的CPA被认为是最适合武器应用的电源系统，这是由于CPA具有较高储能密度以及较高的输出电压，因而比其它电源系统更适合战术应用。
2.4其它应用前景
由于 CPA的综合优势，在驱动惯性约束激光核聚变氙灯负载、野外地质勘测脉冲信号源、脉冲焊接、脉冲成形等方面都可能得到应用。当然，作为一项新兴脉冲电源技术，未来还可能开拓出许多未知的应用领域。
3 国内外研究进展及存在的问题
与其它脉冲电源相比，CPA具有其优越性，而且作为新型强脉冲功率技术，它在激光核聚变、激光技术、定向能武器、低频声源、电磁发射技术等领域有着广泛的应用前景。因此各国研究结构和国防部门均对其给予了极大重视，使其得以迅速发展。
自1978年由美国Texas大学机电中心Weldon W F等人发明CPA以来，美、英、法、德、俄罗斯等军事强国投入大量资金，进行了CPA关键技术的研究，但多集中在模型验证、理论分析等方面。美国研制了一系列的CPA工程样机，包括快速发射电磁炮用CPA、小口径发射用CPA、加农炮口径电磁炮用CPA等[11]。其他国家的科学工作者，在CPA脉冲功率技术领域所作的研究工作则主要集中在模型机的研制和理论模型的研究上，并通过大量的研究取得了一些成果。
国内开展CPA研究工作的主要有中科院等离子物理研究所、中科院电工研究所、华中科技大学、哈尔滨工业大学等机构。中科院等离子物理研究所自1980年率先开展 CPA研究工作，不断开发新技术，先后采用自励及无槽电枢绕组等技术研制了多台主动补偿发电机和被动补偿发电机模型机。中科院电工所主要研究CPA作为脉冲成形网络的初级电源。华中科技大学跟踪探索国际CPA的研究方向，研制了主动补偿发电机、被动补偿发电机以及两相被动补偿发电机等各种试验模型机[12-14]。哈尔滨工业大学目前共研制了几种不同类型的补偿脉冲发电机，如铁芯被动补偿脉冲发电机，混合励磁被动补偿脉冲发电机以及新型定子双电枢绕组空芯被动补偿脉冲发电机[15,16]。此外，为解决补偿脉冲发电机结构单一以及功率调制困难的问题，西安交通大学研制了选择被动补偿脉冲发电机[17,18]，有效改善了补偿脉冲发电机的输出性能，扩展了应用领域。
国内与国外的最新研究水平，在理论研究与实验研究，以及样机研制方面均存在一定差距。国外在补偿脉冲发电机的前期研究中，针对理论问题，进行了大量的基础实验研究，如针对无槽电枢绕组的温升、绝缘、成型工艺及强度，所用复合材料的强度、涡流损耗等基础实验。研究补偿脉冲发电机所用材料的性能，并与理论研究相对比，验证研究方法的准确性。同时，补偿脉冲发电机作为融合多学科的系统，受多方面研究的限制，如大功率可控开关，高转速轴承，新型绝缘材料，新型粘结材料等。如要缩短和国际先进水平的差距，获得更高功率密度和能量密度的工程样机，就要在多个领域取得突破。
目前仍存在一些影响电机性能的提高的关键问题。如励磁绕组、电枢绕组和补偿绕组的耦合参数的准确计算；绕组参数的准确计算及影响因素；电机部件材料的物理和力学性能因素等。设计更优的拓扑结构和优化绕组设计来改善电磁场的分布，提高电机的效率、可靠性和稳定性，都需要进行深入研究。4 结束语
补偿脉冲发电机作为新型高功率脉冲功率电源，涉及电磁、机械、材料、超导、控制、加工等多学科问题。随着各项技术的深入研究和发展，以及其综合性能的不断改进和提高，补偿脉冲发电机有望满足多种实用化要求，在国防和经济建设中发挥重大作用。
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