随着新概念武器的迅猛发展,高功率脉冲电源的小型化和轻型化需求越来越紧迫。空心补偿脉冲发电机能够达到很高的功率密度和能量密度水平,受到越来越多的重视。本文以一台空心补偿脉冲发电机为研究对象,开展了电机电磁特性的理论分析和仿真研究。介绍了空心补偿脉冲发电机的工作原理,指出各类脉冲电机工作原理的相似性。简要介绍了空心脉冲电机的电磁设计方法和构型选择依据。建立了电机有限元仿真模型,对电机的稳态电磁特性、自励磁和放电过程进行了有限元仿真。考虑励磁电流与电枢电流的耦合、转子转速变化、负载阻感变化等因素,建立了空心补偿脉冲发电机自励磁过程和放电过程的数学模型,显著提高了仿真效率和灵活性。通过与Ansys Maxwell-Simplorer软件联合仿真结果的对比验证了数学模型的准确性。针对两相空心电机的自励磁问题,提出四种励磁方案:单相电枢励磁、两相串联励磁、两相并联励磁和两相串并联励磁,分析了各励磁方案的特点。理论分析与仿真结果表明,采用两相电枢串并联励磁的方案能够最大限度地提高励磁效率,减小励磁过程损耗。对补偿脉冲发电机的三种常用负载:电磁轨道炮、脉冲激光器和电热化学炮的特点进行调研,深入分析其负载特性与脉冲波形需求。根据各自负载特性建立了相应的放电数学模型。研究了脉冲波形调节方法,在短路放电条件下研究了改变点火角和串联电感对单相脉冲的影响。验证了不同点火角组合下两相放电脉冲波形的多样性。对补偿脉冲发电机波形优化方法开展了深入研究。针对不同负载提出相应的优化指标,将波形优化问题转化为函数极值求解问题。采用“加速度比”衡量脉冲波形对电磁轨道炮和脉冲激光器的适用程度;根据电热化学炮的波形需求,提出“形状方差”的概念作为优化目标。使用智能优化算法求解,得到了驱动负载的最优化波形。