1、电磁弹射器技术篇之-大功率控制装置2011-11-10 14:33:50 林扬 中华网论坛 【大 中 小】关于电磁弹射器的优点，这里无需多说了，与蒸汽弹射器相比，不亚于电动机与蒸汽机相比。但是电磁弹射器在实现起来却存着很多的技术难关需要克服，它并不是说功率提高这么简单，关于强迫储能装置，前一段时间已经发表，因此本文继续描述电磁弹射器的另一部件，大功率控制装置。电磁弹射器的大功率控制装置在的原理上与高压变频器差不多，但是与实用的高压变频器也存在一定的差别，下面详细介绍大功率控制装置。对于变频器，我们并不陌生，也深入到生活方面的方方面面，冶金、化工、加工、风力、电力、市政供水和采矿等等都能看到它的
2、影子。为了更好的对电磁弹射器控制装置进行理解，这里需要对变频器做一下说明。变频器就是对我们目前的电网电压频率进行可调后供给设备，以达到电机变速运行的目的。总体上有整流、滤波、逆变三个大件，以实现变频的目的。电磁弹射器核心工作部件是直线电机，虽然它不是旋转类型电机，但是在原理上则与目常的旋转电机相同，或者说与三相异步电动机的原理相同，也是靠移动电磁波拖动动子，从而牵引战机加速以实现起飞。但是需要值得一提的是，电磁弹射器与我们日常的高压变频器还是有着很大的区别的，主要体现在以下几点：1、作功为加速度做功，这是电磁弹射器最显著特点，它与日常的恒功率不同，它的功率是不断增加的。其实只要对变频器有所了解
3、的人都清楚，变频器如果一直固定在革一频点，则扰动较小，工作波性也较好，这是人们所期望的，但是这些对电磁弹射器的控制装置来说，那是根本不能可能的。加速度做功，自然就要求频率不断的增加，以达到期望效果，频率的不断增加也必然伴随着功率的增加，元器件的热损耗也将增加，如何保持元器件稳定工作也是相当重要的事。2、作功时间短，量变参数大，真正大功率做功时间不过 2 秒，而输出到直线电机上的电压从 3000 伏增加到 14000 伏，电流也从零增加到几万安培，因此其最大输出功率将大于整个舰艇发电机的容量，这也解答了电磁弹射器为什么需要强迫储能装置的原因。当然，为了防止大功率控制装置产生的高次谐波对电网的影响
4、也是重要原因之一。当然，经强迫储能装置充电也是由大功率控制装置完成的，但是由于充电功率较小，基本上不到 4000 千瓦，而且是差不多恒功率工作，因此对大功率控制装置来说，简直是小菜一碟，早先的方案中，经强迫储能装置充电则由另一部件完成，但是考虑到强迫储能装置与电磁弹射器不可能同时工作，因此也由一个部件完成。有上述两个特点，使得大功率控制装置不同于普通的变频器，因此在实现起来，需要解决的问题很多，最主要的问题是均压和散热的问题。我们知道，由于高压变频器价格高昂，因此一些高压电动机甚到采用变压器先把电压降下来，然后采用变频器控制频率输出，再经过升压变压器输出到电机上，多了很多环节，效率也下降很多，
5、为什么这么做呢？原因就是现在的电子元器件耐压能力差，特别是导通变截止时对电流的阻断能力差，而且更严重的是串联起来的元器件，在实际工作中并不能均压，也就是说串联的元器件，分别加在上面的电压并不相同，这均会导致部分元器件过电压从而导致损坏。还有就是散热问题，大电磁弹射器的大功率控制装置室内，高大的柜内象排队一样排满了元器件，由于美国佬采用了 IGCT 大功率电子元器件，而这些元器件的单一元器件无论是耐压也是载流量都远远无法满足电磁弹射器控制装置的需要，因此，需要数量众多的 IGCT 元器件分别进行串联及并联，并用母线排分别把几个柜内的元器件连接起来，以适应电磁弹射器的冲击性负荷条件。如此数理众多的
6、元器件难道仅仅是通过风扇散热的吗？答案是否定的，美国佬采用的高压细流水冷却办法。冷却入水是 04的水，由储能式液压装置负责水流的供给，主要采用的是前二后四的方法，也就是电磁弹射器弹射战机前两秒开始注入水流，弹射结束后再注入四秒后停止，弹射器返回及强迫储能装置充电则不需要采用水冷，直接由风扇冷却就够了，因为这种工作条件下，元器件的工作电流并不大，散热量也小。可以说，采取高压细流水冷方案真正使电磁弹射器实用走向可能，以前美国佬一直寻求高性能元器件或者说低耗元器件来满足工作要求，但是长期试验失败后，通过对有源相控阵雷达的液冷方案的提醒，最终采取了高压细流水冷方案。当然，如果有源相控阵雷达不采用液冷的
7、话，实用化仍无从谈起。高压细流水冷却说起来简单，但是实用起来却不是容易的事，首先，它需要水箱及冷却装置，同时需要储能式高压活塞注入装置，更困难的是每一个元器件都必需配备散热片及连通水管，与主回路、控制回路、仪表回路等一样，水管回路也是控制柜内的一大器件。要知道，目前国内的高压变频器功率最大做到了 20000 千瓦，比给强迫储能装置及弹射器返回工作时的功率都要高，但是目前无一采用水冷或液冷，而全部采用的是风扇冷却，可见水冷或液冷的难度。说到了不同，但是还有很多地方，从大功率控制装置上面我们仍然能很多的看到高压变频器的影子。因为其内部的整流及逆变原理及方式上与高压变频器一般无二。同样是三相交流电，
8、电压 11.5 千伏，频率为 60 赫兹（这是美国航母上发电机的稳定输出），经过整流器后变成直流，再进行滤波处理，以求电压较平稳点，然后再由逆变及脉冲宽度调制的方法转变成频率可调的交流，经过耦合电路制成较正规的正弦波后最后输出到直线电机上。由于其可以四象限运行，理论上它可以进行制动发电，但是制动发电需要的制运距离较长，而航母上空间宝贵，因此其仍然采用了反接制动，以求弹射梭在弹射完战机后能在极短时间内停下来。从构造看，脉冲宽度调制起到了很大的作用，那么为什么需要脉冲宽度调制呢？说到底也是为了弹射战机的需要。因为在弹射战机的 2 秒钟内，输入到直线电机上的电压和频率都在改变，也都是在不断增加。我们
9、知道，经过桥式整流及滤波后，电源变成了直流电电源供给方式，这部分电路是不需要控制的，只需检测就行，真正需要控制的重点脉冲宽度调制的控制。就是在经过逆变的电子元器件时（美国佬采用的是 IGCT 大功率电子元器件），控制基极对元器件的时间导通进行有效控制，可以实现调节电压和频率的目的，简单的说，逆变器输出的是矩形波，这里的脉冲宽度调制通过改变脉冲列的周期可以调节频率，改变脉冲的宽度或占空比（调制后的矩形波与未调制的矩形波之比，当然比值只能小于等于一）可以调压，从而实现可调电压和可调频率的需要。说到这里有必要强调一下，老美的和英国佬的电磁弹射器在脉冲宽度调制的控制方面存在区别。老美的脉冲宽度调制的控
10、制根据仪表反馈工作，也就是根据直线电机工作情况进行控制，从而保证了电磁弹射器在加速度做功方面力求尽可量的保持加速的稳定性，而英国佬则采用预先程序的方面，比如弹射 F-35C 时，启动控制程序，系统自动输入风速、航母的时速，再人工输入油量及载弹量，系统自动计算出一个最佳的脉冲宽度调制的控制程序，余下的一切都有系统完成。相比较而言，美国佬的更完美一些，也更可靠一些，而英国佬的却更简化一些，应该说各有各的优点。不过它们也有共同点，就是全面实现数字化（包括控制及通讯等）和自动化：参数自设定技术；过程自优化技术；故障自诊断技术。从而使其能够高精度，快反应的工作。当然，由于电磁弹射器的工作特性，除了满足上
11、述功能外，别无选择。值得一提的是，航母电磁弹射器的大功率控制装置并不是直接从航母的发电机上供电，而是由惯性强迫储能装置供给，关于惯性强迫储能装置，本人已经发表过了，它与飞轮电池在原理上一样，并不是所谓的蓄电池和超级电容器，蓄电池不能承受大电流的充放，超级电容器储存的电量太少，当然，超级电容器如果能突破储存技术关的话，也不失一个好的选择。电磁弹射器核心部件之一些-大功率控制装置只介绍这么多，从一定程度上来讲，不仅为了航母，为了自己的民族工业，我们也更应该下定决心攻克电磁弹射器的大功率控制装置，因为它完全可以转化为民用。由于变频器，特别是高压变频器应用的领域和范围也越来越为大，这使得高效、合理地利
12、用能源（尤其是电能）成为了可能。电机是国民经济中主要的耗电大户，高压大功率的性能更为突出，而这些设备大部分都有节能的潜力。大力发展高压大功率变频器，将是时代赋予我们的一项神圣使命，而这一使命也将具有深远的意义。我国发展电磁弹射器的大功率控制装置，对变频器的核心元器件也能起到相当的推动作用，由于目前国产变频器中使用的功率半导体元器件中（如 IGCT、SGCT 等）关键器件完全依赖进口，而且相当长时间内还会依赖进口，通过由国家投资，军民合作的方式，核心部件自产，就象 WS10A 一样，不断提高我国自给能力，具有长期而久远的战略意义。电磁弹射器技术篇之-直线电机电磁弹射器的部件很多，而在航空母舰上面
13、，真正起弹射战机作用的，就是直线电机，直线电机是什么？这对于我们不少人来说，是个陌生的概念。通常，我们日常所见的电动机都是旋转型的。它是由定子包围着圆筒形的转子，当通过三相交流电的时候，定子形成旋转磁场，旋转磁场会因感应在转子中流过电流，而转子产生的电流与定子磁场作用从而使转子产生旋转力矩。而直线电机可以看成是将旋转电机的定子和转子两个圆筒形部件剖开，并展开成平板状，面对面，定子固定在相应于动子（切记，这已经不是转子啦）移动的长度方向上延长，动子通过一定的方式被支承起来，并保持稳定，形成动子和定子之间的空隙。当定子通过三相交流电子，产生的是直线移动的磁场，而不是旋转磁场，与三相异步电动机同理，
14、动子也会随着定子的移动磁场移动，这就是直线电机的原理。直线电机虽然应用不算广泛，但是也并非见不到它的身影，目前在车床上面，特别是磁悬浮列车上面，可以看到直线电机的影子。但是电磁弹射器与这些常用的直线电机还是有区别的。以磁悬浮列车的直线电机对比来说吧，电磁弹射器的感应动子比较短，只有 7 米多长，而含有线圈的定子却超过 100 米长，磁悬浮列车的直线电机恰恰相反，带线圈定子（这里所说的定子实际上是运动的）很短，而动子（实际上是固定在轨道之间不动的）却象轨道一样无限长。磁悬浮列车的直线电机加速并不快，大部分时间为匀速工作，而电磁弹射器却是加速度工作。为了更深层次了解电磁弹射器，下面对直线电机进行详
15、细介绍。美国福特级航母上的电磁弹射器定子定际上有 288 块直线电机模块构成，按左右对称布置，也就是动子两边各有 144 块直线电机模块单元。之所以称为直线电机模块单元，是因为这 288 块直线电机模块单元完全相同，可以任意对调或更换，维修人员只需把电源及仪表监测线路接上就行了，这是为了便于维护及检修。由于航母上备有配件及备品（每个电磁弹射器备 10 个直线电机模块单元做为检修更换用，因此每个电磁弹射器在航母上实际上配 298 块模块单元），因此即便不是专业人员也可以根据反馈的信号上看出是哪个单元坏了，也可以自行更换，完全不用专业人员在场（当然，培训还是少不了的）。与磁悬浮列车的直线电机的定子
16、不同，磁悬浮列车的直线电机的定子在动子上面，而且只是单面耦合，因为动子是固定在轨道上的，轨道下面也不可能再放置一面定子的。而电磁弹射器是双面耦合，左右的定子线圈均可以对动子进行感应交拖动。说起来有点难，但事实上原理上是一样的，技术上也不存在任何难处。电磁弹射器每个直线电机模块单元宽 0.725 米，那么 144 个模块单元加上缓冲及边端装置接近 110 米长左右（加两端缓冲装置），这个长度比蒸汽弹射器稍长一点点。每个模块单元都是采用特种硅钢做铁芯，以铜导线做线圈，这一点让人有些奇怪，因为他们总认为会采用超导体、非晶合金、坡莫合金等一类东西的，但是由于超导体对低温要求太苛刻，而且过于娇贵，对维护
17、十分不利，战时可靠性也受影响，一切为了维护方便出发，因此美国佬和 DDG1000 一样，仍采用了磁通率较高的硅钢（饱和磁通率在 25000 以上）和日常最普及的纯铜做材料。这么做也绝不是为了省钱，而更多的孝虑了维护及可靠性能上，由于硅钢的独特性能，可以在环境较差的条件下使用，同时可靠性及维护性能优异，铜导线就不需多说了，本身的电阻率就低，而且产品成熟、可靠、性能稳定。说完了定子部分我们接着说动子部分，动子在原理上等同于三相异步电机的转子，但是日常我们所见的三相异步电动机的转子都是短路环及铁芯构成。但是电磁弹射器的动子却有很多匝线圈，铁芯采用质量很轻、导磁很优越的材料构成。我们知道，三相异步电动
18、机的转子电阻越小越好，因为电阻越小，转差率也越小，效率也越高，但是转子电阻越小，启动电流也越大，启动转矩却并不高，因此我们日常使用的三相异步电动机启动电流是额定电流的 5 倍以上，但是启动转矩却不及额定工作时输出转矩。因此象船闸门的部分提升电动机就采用了高阻抗转子，为的就是能提供更大的启动力矩和较小的启动电流，这些高阻抗转子实际上就是在转子上绕很多匝线圈，使得其阻抗较大，因此启动电流小，而启动力矩却相对较高，适应于频繁启动且工作时间不长的场合。电磁弹射器的动子做法与这种船闸提升电动机的转子非常相同，为什么呢？因为电磁弹射器在弹射战机时是加速度做功，其实就相当于电机启动，这样做不仅限制启动电流，
19、也提供了更大的启动转矩。在电磁弹射器中，动子的两面都是与定子线圈耦合的，因此定子与动子的相对应面超过了 10 平方米，而我们日常的旋转型电动机定子与转子只是单面耦合，因此电动个头虽然大，但是耦合面其实并不大，电磁弹射器之所以这么做，目的是为了减小动子的重量，因为动子的重量哪怕减小一点点，意义都非同凡响。上述所讲的是动子的感应线圈部分，但是动子绝不止感应线圈，虽然它是产生驱动力的核心部件，但是由于战机在甲板上面，必须有效的与上部采用合理的手段，就象蒸汽弹射器的驱动活塞一样，它必须有引出装置与战机相连。我们知道，蒸汽弹射器有小车和弹射梭装置，电磁弹射器也有它的相应设备，分别是强迫约束装置和弹射梭。
20、下面重点介绍这两个设备。强迫约束装置放置在轨道盒内，而轨道盒是固定在定子线圈上部的，长度与电磁弹射器相同，它采用左右对称并上下开口，上部开口是为了弹射梭的运行，弹射梭是挂战机弹射挂钩的。下部开口为了动子线圈。弹射梭和动子感应线圈均与强迫约束装置采用刚性连接。强迫约束装置在原理上差不多相同于蒸汽弹射器的小车，因为动子感应线圈与上部弹射梭虽然在驱动力方向上一致，但是高度不同，也就是受力点不在一个平面上，必须要有一个装置来平衡这种受力不在一个水平上的问题。强迫约装置在上部有 4 排轴承组，下部有 2 排轴承组，左上和左下有 1 排排轴承组，同理，右上和右下也有 2 排轴承组。上下的轴承组当然是平衡弹
21、射战机时这种受力不在一个水平上的问题，而左上、左下及右上、右下则是平衡动子线圈左右倾斜的问题。有人问，那为什么不在动子线圈下部设一排轴承组？这样一样防止动子线圈左右倾斜效果不是更好吗？原因这是因为这些轴承组是易损件，它和你家里的轿车轮子上的滚动轴承组在原理上是一样的，也是起到约束和润滑作用。而如果更换动子线圈下部的轴承组则要拆下定子线圈，维护量太大，因此采用了在强迫约束装置上进行工作，虽然在效果上比不上动子线圈下部设置，但是维护量大大降低了。需要指出的是，电磁弹射器的 288 块直线电机模块单元并非统一供电的，它们共分 8 个回路，并且分回路供电，按弹射战机方向进行排序，每段（也就是每个回路）
22、中每个回路有 36 个模块单元，那么每边就是 18 个。由于电磁弹射器也是三相交流电，按照每相 A、B、C 顺序接入模块单元，采用星形接法，接入每个直线电机模块单元的铜导线的线截面为 240 平方毫米，每个回路长度为：18*0.725=13.05 米长。而动子正好为每回路长度的一半，即长度为 9*0.725=6.525 米长。为了方便讲解，按弹射战机方向进行排序，我们把相关回路分别编号为 1、2、3、4、5、6、7、8 个回路。在弹射战机的时候，先给 1 号回路供电，然后给 2 号回路供电，依次进行。电磁弹射器供电原则是：当动子进入到这个线圈之前的 0.2 秒开始供电，当动子完全离开这个回路的
23、线圈 0.04 秒断开这个回路的电源。这些全部由中央集中控制系统的 PLC 进行准确无误的进行控制。那么谁来控制这些分段的回路呢？其实就是真空断路器。有人不禁要怀疑，真空断路器能满足电磁弹射器的要求吗？电磁弹射器最高产生几万安培的电流，电压最高可达 14 千伏，而且控制通断时间如此精确，这些真空断路器能做到吗？而且真空断路器可不能够采用串联和并联的方式进行工作的。答案是肯定的。为了能让大家了解它的可行性，这里需要做一个详细的分析：真空断路器对很多懂高压电气的人当然不陌生，也能了解它的部分性能。空断路器是一种用真空作为灭弧介质和绝缘介质的断路器，由于这种断路器开断可靠性高，可频繁操作，寿命长，体
24、积小，结构简单，维护工作量少等优点，目前在中压领域得到广泛应用。我们使用的是交流电，而不是直流电，电磁弹射器也是，交流电的一个特点就是电压和电流并不是固定的，它随着象正弦波一样变化，因此它经过电压为零的时候，那么真空就是依赖这时候进行灭弧，从而断开电路。目前民用的真空断路器电压已经做到近 40 千伏，远高于电磁弹射器的 14 千伏，防止过电压也采用了民用设备一样的同样设备，因此在电压上不存在任何问题。然后是电流，国产正常民用的真空断路器额定电流最大不超过几千安培，不过国外已经可以分断 10 万安培以上的电流了，极限分断电流可达 30 万安培以上的电流，这不能不说是个较大的差距。但是事实上在电磁
25、弹射器上，分断电流及合闸电流也不过几千安培，为什么呢？因为电磁弹射器这 8 个回路在动子来到前 0.2 秒开始接受指令，由于断路器的合闸时间不到 0.1 秒，因此在动子来到的 0.1 秒前就已通电了，没有动子如果对于三相异步电动机来说就是相当于没有转子，这时只有空载电流，电流当然不大，而断开也一样，是动子经过后才断开，也相当于空载电流，因此电磁弹射器虽然最大电流可达几万安培，但是真空断路器通过的电流其实也不过几千安培。真正经受大电流的是电磁弹射器的大功率控制装置（以前已经介绍过）。其实还有一个问题，电磁弹射器最大电流是最后第 7、8 回路，也就是弹射末端，然而这时频率却非常高，达到 600 多
26、赫兹，频率越高，断开的时间越短，为什么我就不再强调了，电压和电流都没有问题了，那么精确控制呢？当然也没有问题，不过需要注意的是，这里的真空断路器操动机构采用的是电磁操动机构，而不是弹簧操动机构，这是因为弹簧操动机构储能时间过多，无法适应于电磁弹射器这种快速频繁操作的场合。目前的民用真空断路器合闸时间基本上都是小于 0.1秒，分断电路时间小于 0.05 秒，差不多也能满足电磁弹射器的精确控制要求。因此美国佬在对于真空断路器方面是直接下指标给真空断路器厂家，要求厂家按照指标上进行设计出样品，并亲自进行严格检测。结果几个厂家在三个月内都拿出了完全符合要求的产品。它的合闸时间都小于 0.1 秒，分断电
27、路时间小于 0.04 秒，正常断流能力都在 80000 安培以上，极限分断电流都在 400000 安培以上，完全可靠无故障合闸及分断次数达 20000 次以上，这些数据显然已经超过了电磁弹射器对真空断路器的要求了。国产真空断路器通过努力，我相信也不太大问题吧。有一点需要指出，电磁弹射器的直线电机中用的真空断路器在操动机构上要更可靠，配置上更高端一些。说完了真空断路器，再继续说电磁弹射器的定子分段问题，为什么要分8 段呢？也就是 8 个回路呢？这是因为电磁弹射器定子太长，长度约 110 米，而动子则比较短，也就是 7 米左右，如果不分段供电，动子在运行过程中，大部分定子线圈都不在作战，而且会产生
28、较大的空载电流，增加大功率控制装置的容量。更严重的长时间的工作可能会对定子的直线电机模块单元及传输电缆造成烧坏。事实上，如果以最大电流连续通过 5 秒钟的算，那么所以直线电机模块单元及传输电缆都会被烧坏。而采用分段，可以在动子经过前通电，动子经过后及时断开，从而保证了每个回路较少的工作时间，防止了大电流长时间的运行，避免了直线电机模块及电缆的烧伤。不过这里有个有趣的现象，我们都知道，电磁弹射器工作是个加速度做功的过程，因此加在每段上的电压及频率也在不断的变化之中，最初的很低，而在末端电压可以达到最高，达到 14 千伏，频率达到最大，达到 626 赫兹，电流也达到最大，达到几万安培。但是供给每段
29、也就是每个回路的干路电缆截面都是相同的，每根铜导线载面也都是 1500 平方毫米左右，而且每个直线电机模块也是完全相同的，这是为什么呢？这么做在首端不浪费吗？末端不怕烧坏吗？其实，问这些问题的人忘记了一个最重要的东西，那就是工作时间，简单的说，就是在首端，也就是 1、2 号回路时，这里电流虽然小，但是通电时间长，产生的热量也并不少，在末端，通过的时间短，因此虽然电流大，但是产生的热量也高不了多少。不少人仍很难理解，下面就详细介绍一下：先打个比方，假如弹射器工作的加速度为 4 个 G，那么 2 秒钟就可以加速到 80 米/秒的速度，由于航母迎风 30 节以上高速行驶，由于 1 节等于 1 海里，
30、1 海里等于 1.852 公里，通过计算，相当于：30*1.852/3.6=15.43 米/秒，如果风速为 5 米/秒的话，那么弹射器在加速到 80 米/秒的时候其实已经相当于陆上 100 米/秒的速度了，这个速度基本可以起飞战机了。当然，陆地上的机场既不能移动，也无法对准风向，根本不能与航母比。那么以此为例，在第一个 0.5 秒后，动子通过的距离为：S=1/2*G*T*T = 0.5*40*0.5*0.5 = 5 米，由于只移动了 5 米的距离，因此动子还在第一段也就是第一个回路内。而在 1 秒动子通过的距离为：S=1/2*G*T*T= 0.5*40*1*1 = 20 米，动子处在第 2 段
31、和第 3 段（前 7 段长度均为 14.5 米）。而在 1.5 秒动子通过的距离为：S=1/2*G*T*T=0.5*40*1.5*1.5 = 45 米，动子处在第 4 段。而在 2 秒动子通过的距离为：S=1/2*G*T*T= 0.5*40*2*2 = 80 米，动子处在第 6 段。可见，由于动子越来越快，在每一段停留时间会更短，因此抵消了电流产生的烧伤。不过，需要指出的是，电磁弹射器做功段不止 80 米，有近 100 米，它在弹射战机时会根据情况进行控制的，关于这些控制，以后会介绍。由于是电气控制，信号的返回快，运算速度快，因此在具体弹射战机时，由专门的控制系统（PLC）来进行调节电压和频率
32、，从而控制加速度。比如当无风时，电磁弹射器不得不把加速度调的大一些，而弹射较轻的无人机时，电磁弹射器可以把电压调的低一些，由于战机空重是固定的，载油及载弹量通过输入后，CPU 自动根据风速和航母的速度进行计算，并输出到 PLC 进行控制。值得一提的是电磁弹射器的制动，它只有 9 对只有 6 米多的制动距离，跟动子的长度差不多，距离非常短，但是也比蒸汽弹射器水刹距离长，也就是说过载没有蒸汽的高。这一段功能是制动作用，也就是让动子在如此短的距离内停下来，制动的加速度（实际是减速度）。按加速到 80 米/秒算，制动采用60 个 G 算，那么只需要 0.15 秒就可以停下，根据公式制动距离为：S=1/
33、2*G*T*T=0.5*600*0.15*0.15 = 6.75 米，当然，如果速度高一些的话，制动会更大一些。60 个 G 有人认为制动力太大了，其实不然，拿 F-35C 来说，弹射起飞时需要产生 3 个多 G 的加速度（当然 F-35C 发动机也有推力，加速度作功是弹射器和发动机的合力做功，并非单纯由弹射器做功），当然需要 3 倍多 F-35C 的重量，几乎达到了近 70 吨的推力，而弹射器动子重量很轻，海军当时定的目标是不超过 500 公斤，也就是不超过 0.5 吨，但是美国由于重量超标却达到了 700 公斤，不知道最后减重计划如何，现就以 700 公斤算，60 个 G 的过载也就是60
34、 倍动子的重量，不过 42 吨以上，远小于做功的推力。不过电磁弹射器的制动与日常电动机的制动不同，它在电磁反向时是时间相当短的，中间过程可以毫秒计，因为它是由大功率控制装置控制的，反应特别的快。电磁弹射器返回时电压要低的多，频率变化也慢的多，而且返回到第 1回路时（也就是弹射起点位置）实现准确停车，跟电梯差不多。蒸汽弹射器是采用拖索返回，而电磁弹射器直接利用反向返回，操作起这些均是由 PLC 完成。当然，电磁弹射器返回时电流也小得多，技术上难度远小于弹射战机。不过，在美国试验电磁弹射器的一次试验中，电磁弹射器返回却冲击到第 1 回路的边端，造成一定的动子及定子损坏。这实际上是软件原因造成的，软
35、件精确的控制电磁弹射器，由于电磁弹射器在最后一段（也就是第 8 回路）制动力及制动时间在运算中出现了错误，造成制动时间过长，从而使动子以极高的速度反弹了回来，而返回的由于是反向推动，那有人问，既然速度超过了，不能进行发电制动吗？当然能，但是由于原设计在电磁力较小的情况下，制动效果就不明显了，更何况发电制动距离本来就很长，以致于导致了这次事故。这点需要我们在研时注意的事项。说了那么多，再介绍一下具体的弹射做功过程，当战机的弹射挂钩挂住电磁弹射器的弹射梭时，且强迫储能装置已经充好了电，这时就可以弹射了，首先就是发动机发动，当发动机推力达到最大推力的 80%的时候，第 1 段也就是第 1 回路的真空
36、断路器先合闸，其它 7 个回路均断开的，大功率控制装置（形同高压变频器）开始给第 1 回路的 36 个直线电机模块单元供电，并产生移动电磁波，推动动子以总共 4G（具体多少个加速度根据情况而定）进行运行，战机被推动加速，当进入第 2 段也就是第 2 回路时，提前 0.2 秒给第 2 回路供电，这部分控制美国佬采用安装在动子两边端边的接近感应开关，而英国佬采用时间继电器通过 PLC 进行控制，也就是说美国佬更精确，而英国佬的控制更简单，当然他们都无一例外的都有激光测距仪以反应动子的精确位置。由于动子速度变化且不断增加，因此动子前部接近感应开关用于下一个回路通电的应提前位置安装，提前的多少分别不同
37、，但是都是动子到达提前 0.2 秒。由于感应开关采用无触点开关，类似 CMOS 管，导通时间极短，而且到达 PLC 后再经过运算再输出到真空断路器的时间极短，因此基本上可以忽略这部分时间，但是真空断路器合闸时间却没办法缩短，它的动作时间只能小于 0.1 秒，因此在动子到来前的 0.1 秒下一个回路已经通电了。而动子尾部的感应点则用于停止上一个回路的电源，以减少空载电流及直线电机模块的通电时间，这部分不需要提前，信号与给下一个回路通电一样经过 PLC 再经过运输后，通过开关量输出来控制，这部分反应速度要快些，由于真空断路器断开时间小于 0.04 秒，因此基本上可以保证动子完全离开这一回路时经过小
38、于 0.05 秒时即断开电源。英国佬的更方便，直接采用时间继电器来控制每一回路的通电时间及持续时间，也能达到提前 0.2 秒通电，完全经过后 0.1 秒断开，英国佬的通电时间要长一些，就是因为时间继电器在准确性方面差一些。不过，现在英国佬估计从美国购买电磁弹射器了，包括电磁拦阻系统。虽然英国佬也做过四分之一模型的试验，但是如果做完一比一试验则最少需要十几亿美元，而从美国购买只需 2 亿就够了，而且英国佬下一个航母还不知道什么时候造呢，更何况他的航母数量本来就少，也不可能愿意投入更多去研发，有现成的拿来用，岂不更好？其实现在英国根本没有独立性，只不过是美国的一条哈巴狗，由于能受到美国的保护，自己
39、的研发上面也早已没有成套实力了。继续上面的话题，随着动了不断进入每一个回路，而真空断路器不断的切换回路，动子连同战机加速到起飞的速度，它必须在最后一个回路进行制动，这是事先程序已经编好的，因为如果距离太短，过载越大，电磁弹射器就是尽可能避免最大过载，在弹射过程力求加速度平稳，因此加速度距离不可太短，而最后的制动也必须精准，否则极有可能酿成事故。当然，这一切都是 PLC 控制，反应是很快的。说到了原理就必须说一下艺方面的问题，电磁弹射器无疑在工艺方面是很高的，首先，直线电机模块单元部分，虽然每个电磁弹射器总共 288 个模块单元完全一样，但是加工特别是与动子相对面的平整度要求极其苛刻，误差度只能
40、以微米计，而动子精度则更高。为此，所有模块单元在安装时都必须要十分的精确定位。动子经过的空隙有几十毫米，在在动子经过时动子与两边定子的间隙加起来不到 1 毫米。美国要求动子与定子面的标准距离为 0.3 毫米，最远不能大于 0.4 毫米，最近不能小于 0.2 毫米。如果是旋转电机，这个要求不算高，因为旋转电机定子和转子之间相对运动是受轴等约束的。但是大家可以想一下，100 多米长的电磁弹射器，却要求不能有头发丝那么大的误差，难度可想而知。说到了工艺还有必要说一下散热问题，每个电磁弹射器散热总功率可达500 多千瓦，而且散热的风机采取了永磁电机，不仅低噪音，而且效率高，气流就是从甲板开口处散出来，
41、算一下每米有 5 千瓦的功率，因此气流相当强，不仅可以阻止雨水，也可以防止异物落入。蒸汽弹射器甲板开口处下面是两个汽缸的中间，雨水和异物影响不是很大，但是电磁弹射器却是动子经过的地方，两个定子之间，当然不容许任何异物造成干扰（当然落入异物也能在直线电机模块单元检测装置上发现）。因此在不弹射战机的时候，由嵌入式密封罩保护起来，自然可以防止任何异物和雨水进入。关于强制散热风机我本人建议进口，因为国内的风机无论是性能还是做功方面，均有不少差距，而且震动和噪音也相当高，使用的话有一定的不利影响。说了这么多，大家应该对航母电磁弹射器的直线电机有一个较深的了解了，说白了它在原理上与我们日常上的直线电机没有
42、什么不同，就是双面耦合且分段而已。发展航母的电磁弹射器，不仅对于国防的意义不可估量，也对民用有一定的影响，可谓一举两得。在日本，直线电机地铁已在东京和大阪投入运用，未来我们城市强调轨道交通，而轨道交通中，直线电机比旋转电机有着不可比拟的优越性，应当普及，所以本人强烈呼吁增加直线电机方面的研发投入，不仅与国防有利，而且对于民用也相当有益。- 林扬电磁弹射器技术篇之-强迫储能装置 发表于：2011-09-22 14:13:11 作者:林扬发短信加好友更多作品级别：中尉 积分：68592012 高考“必考点”全曝光！ 安溪铁观音-秋茶优惠中一起微博 心在一起美国航母上的舰载机只所以在百米距离内能腾空
43、而起，靠得就是弹射器，而最新的福特级航母却舍弃了使用习惯了的蒸汽弹射器，改为电磁弹射器。而电磁弹射器与蒸汽弹器相比，有着无与伦比的优势，不仅效率高、维护费用低、而且过载调节能力强，使用了电磁弹射器，简直象电动机与代替蒸汽机一样夸张。电磁弹射器有哪些特点？使用什么原理呢？我在这里将逐一介绍，本章先介绍电磁弹射器的核心部件之一，强迫储能装置。强迫储能装置就是相当于蒸汽弹射器的储汽罐，锅炉里的蒸汽将近 1 分钟时间才能把储汽罐里的蒸汽储存到可以弹射战机的能量，相同的是，电磁弹射器的强迫储能装置也需要将 1 分钟的时间才能储存到可以弹射战机。储存的能量可以达到 140 兆焦以上，充电功率可达 4 兆瓦
44、（1 兆瓦等于 1000 千瓦）以上。谈到这里不禁有人要问，是什么东西能储存这么大的能量呢？蓄电池？电容器？答案只有一个，那就是飞轮。只有了解飞轮电池的人可能更容易理解电磁弹射器的储能装置的原理，事实上，无论哪种蓄电池，储存能量都很有限，电动汽车能跑 200 公里以上的都是奇迹啦，更何况在弹射飞机是大电流更会对蓄电池造成很大的损坏，而且蓄电池寿命也不理想，航母上经常换电池可不是开玩笑的。电容器当然可以大电流充放，寿命也很长，但是短路会爆炸，储存的电量更是少得可怜。而飞轮电池可以让汽车行驶 600 公里以上，跟加汽油的差不多。而且飞轮完全不用考虑大电流充放影响，由于润滑系统具有可更换性，寿命根本
45、无需担心，只要将飞轮加到一定速度，储能就完成了。可见，在航母电磁弹射器的储能装置中，非飞轮莫属，因此也称惯性飞轮强迫储能装置。那么这个飞轮强迫储能装置有哪些东西？其实很简单，跟飞轮电池在结构上也差不多，主要由飞轮、电机及其他附件组成。事实上，只要满足要求，东西越少、越简单越好，而不是越多和越复杂。但是如果只是仅仅认为这些和我们日常的东西无异，那就错了，东西虽简单，但是性能和制造出来却并不简单。首先，飞轮就不同，航母上飞轮其实并不重，但是由于其极高的转速，使其储存了巨大的能量，如此巨大的转速会产生强大的离心力，普通材料是无法承受的，而且其加工精度达到了钟表级别，为什么需要这么高的精度呢？因为飞轮
46、从低速加速到高速时，如果在轴向或者径向存在哪怕是一点的误差，就会产生破坏性的震荡，从而使轴承温度骤增，甚至发生破坏的危险，当然，日常的设备几乎没有这么高速的，也无需这么高的精度。另外，飞机弹射时间不过2 秒钟，但是却使其速度下降达到 70%，强大的扭矩力对飞轮等也是很大的破坏力。飞轮和电机是通过连轴器联接起来的，因此电机也和飞轮同速旋转，虽然电机的转子直径远小于飞轮的直径，从是由于其具有与飞轮同样的转速，产生的离心力仍不可小视，而且转子自重也不轻，而且转子中还有线圈。与轴相接触的还有测速装置，当然它不是象电机一样与飞轮一样转速，它只是一个磁感应装置，轴上的永磁体在旋转时，与它接触（实际上不接触
47、）的线圈即感应产生电压，并以此测定速度。由于飞轮重量是固定的，知道了速度，也就知道了其储存的能量了。至于强迫储能装置的电机，有的人不禁要问，它是发电机还是电动机呢？其实这个问题问的很有水平，因为它既是发电机，也是电动机。强迫储能装置的电机，结构上跟绕线式电机很相似，它也有滑环，也有引出端子，也有短接环。它是如何工作的呢？首先，它在储能的时候是电动机，原理上相同于三相导步电动机的变频启动或加速（控制装备以后再谈），转子短接。而在驱动电磁弹射器的直线电机时，它又变成发电机，转子不再短接，而是串接入直流电源，切记，直充电流是变化的，而不是恒定的。弹射战机不过 2 秒钟，但是飞轮转速却下降达 70%，
48、然而弹射战机功率却是在增加的，也就是说，从始端到末端，功率一直在增加，因为电磁弹射器其实是加速度作功，而不是恒功率做功，但是飞轮的速度却在下降，如何办呢？显然，转子的励磁电流是关键，也同时说明，励磁电流是个增加变化过程。事实上，在弹射战机的 2 秒钟，通过励磁电流的调节，定子输出电压从 3KV 增加到 14KV，电流也从零增加到几万安培！可见电磁弹射器确实可以称得上是一个冲击性负荷。当然，励磁电流的调节和控制是由自动化装置控制的，它与大功率可控硅设备及电磁弹射是一体化的，首先，弹射什么样的战机、挂载、油料、风速及航母的航母、风向等这些参数输入后，通过处理中心计算出该如何设置励磁电流的调节，当然
49、这些看起来复杂，但是都有电脑工作了，人是感觉不到的。另外，电磁弹射器不同于蒸汽弹射器，蒸汽弹射器是利用水刹进行弹射梭制动，因此储存的蒸汽只要满足弹射飞机就行了。而电磁弹射却不行，它储存的能量不仅要弹射战机，还要用来进行对弹射动子（相当于弹射梭）进行制动，同时还要用它储存的能量返回弹射动子。而蒸汽弹射器却是靠拖梭把其拖回。所以强迫储能装置储存的能量不仅要够弹射战机，而且够制动用的（消耗约 10%的储存能量），而且还要够弹射动子复位的（复位时间约 5 到 7 秒）。而且，即便是复位了，也不允许强迫储能装置的能量全部用完，必须要有一定的预留，通常要求预留不低于 5%。事实上，即便是蒸汽弹射器，在弹射完战机后，储汽罐里还是有一定蒸汽压力的。
