可移动高能脉冲固体激光器直驱式电源系统研究结题摘要

可移动高能脉冲固体激光系统，面临的一个主要问题是电源小型化。目前激光泵浦氙灯脉冲电源采用电容器储能，包含高压发电机、电容器组、充放电开关等多个部件。由于电容器组式脉冲电源储能密度低、部件多，使装置体积大、重量大，严重制约了其应用和发展。本研究试图以基于波形可以调控的高密度惯性储能的补偿脉冲发电机直驱式电源系统模式取代低密度电场储能、基于电容器组的现有电源系统模式，实现激光器紧凑、小型化、可移动的目标。补偿脉冲发电机集能量转换、能量存储和脉冲成形于一体，可以用单一部件取代常规系统中的高压发电机、充电电路、电容器组和脉冲成形网络等多个部件，实现由发电机到脉冲氙灯的直接驱动。经过本项目的研究，详细分析了脉冲氙灯的负载特性及其与其结构参数的关系，研究得出了主动补偿式脉冲发电机比较适合于直接驱动脉冲氙灯，并采取场、路及其相结合的多种分析方法，结合系统模型的构建和电机的设计，进行了全系统的性能仿真研究。在此基础上加工制造出能满足脉冲能量输出要求的主动补偿脉冲发电机样机并搭建了直驱式电源系统，实验结果证明了该方案的可行性。通过该项目的研究，得出了直接驱动脉冲氙灯负载下的脉冲发电机及其脉冲氙灯负载系统的分析与优化设计理论与方法。 2100433B

可移动高能脉冲固体激光系统，面临的一个主要问题是电源小型化。目前激光泵浦氙灯脉冲电源采用电容器储能，包含高压充电机、电容器组、充放电开关等多个部件。由于电容器组式脉冲电源储能密度低、部件多，使装置体积大、重量大，严重制约了其应用和发展。本研究试图以基于波形可以调控的高密度惯性储能的补偿脉冲发电机直驱式电源系统模式取代低密度电场储能、基于电容器组的现有电源系统模式，实现激光器紧凑、小型化、可移动的目标。补偿脉冲发电机集能量存储、能量转换和脉冲成形于一体，可以用单一部件取代常规系统中的高压发电机、高压充电机、电容器组和脉冲成形网络等多个部件，实现由发电机到脉冲氙灯的直接驱动。本质的问题是要研究补偿脉冲发电机与脉冲氙灯负载之间的特性参数匹配关系，建立一套根据固体激光器脉冲氙灯对电源输出参数要求而设计配套补偿脉冲发电机电源系统的理论。最后，通过直驱式模型系统的研制与实验研究，来验证理论研究的结果。

直驱式机构应用在许多的产品中：

直驱式机构高速

• 风扇：不需精准，转速依风扇而定，约在1000至12000 rpm之间。

• 硬盘：需非常精准，转速有5400、7200、10000、15000 rpm等。

• 录影机：需非常精准，转速1800 rpm（NTSC）或1500 rpm（PAL）。

• 缝纫机：依机种，转速可能是3000 rpm到5000 rpm。

• 数控机床：数控机床的转盘需要快而且精准。

• 洗衣机：最高到1600rpm。

直驱式机构中速及可变速

• 软盘。

• 光盘驱动器：CD会直接耦合在转子上，播放音乐的转速是250至500rpm，若是配合电脑使用，转速会更高。

直驱式机构非常低的转速

• 唱片留声机：速度需非常精准，速度会是78, 33 1/3或45 rpm。

• 望远镜架台：速度需非常精准，24小时会转一圈。

直驱式机构其他应用

• 洗衣机：像Fisher & Paykel、LG集团、三星集团、惠而浦及东芝等厂商有生产直驱式的洗衣机，洗衣滚筒直接装在马达上，取代较低效率的皮带驱动或是配合减速机的机种。

• 火车：1919年的Milwaukee Road class EP-2电车是直接用马达驱动火车的轮轴。东日本旅客铁道（JR East）在2002年1月架设了实验性的JR东日本E993系电力动车组电联车（EMU），称为AC Train，测试在电联车使用直驱马达的可行性。此技术后来应用在JR东日本E331系电联车，在2007年开始在京叶线上行驶。

• 车辆：自19世纪后期开始就有车毂马达，在21世纪开始用电动车的概念上。

• 风力发动机（参考无齿轮风力发动机）：许多公司都有开发风力发电的直驱式发电机，目的是在提升效率，也降低维护成本。

• 车辆：例如单轮车、高轮单车及儿童的自行三轮车。

直驱式机构的主要缺点就是需要特制的电动机。一般电动机会设计在较高转速（例如1500或是3000rpm时才会有最大转矩。这様的特性适用于许多应用场合（例如风扇），但其他的机构需要在非常低的转速下有较大的转矩，例如留声机转盘，需要固定在33 1/3 rpm或45 rpm（而且要很精确）。

较慢的马达其体积也会比（应用在较高转速下的）标准马达要大。例如皮带驱动的留声机转盘，其马达直径为2.5cm，若是直驱式留声机转盘，直径为10cm。因为非直驱式的机构可以用减速机构使实际负载的转速下降，而提高负载上的转矩，相对而言，直驱式机构的马达就要产生够大的转矩。

直驱式机构需要比较精准的控制机械。有减速机的马达其惯量较大，会让输出的运动变的较平缓。大部分马达会有位置的转矩涟波，称为磁卡力矩。在高速马达上，磁卡力矩的频率较高，不致影响系统特性。而直驱式机构下，马达的转矩涟波比较容易影响系统，需要加惯量（例如飞轮）或是系统加入回授才能改善。

• 提升效率：功率不会消耗在减速机构中，皮带、链条或变速箱中元件的摩擦上。

• 降低噪音：因为设备较简单，零件较少，直驱式机构也比较不会产生振动，产生的噪音也比较小。

• 延长寿命：可动件较少也表示容易损坏的零件变少了。一般系统的损坏多半来自零件的老化（例如皮带的拉伸）或是应力。

• 低转速下的高转矩。

• 反应快且精准的定位：减少传动机构也可以避免传动机构对定位的影响，若是马达改用低惯量的永久磁铁马达，低惯量也会让定位反应加快。

• 驱动的刚性：没有变速箱或滑珠螺杆等机构，也避免了机械上的背隙、磁滞及弹性等相关问题。