磁阻驅(qū)動(dòng)器電路參數(shù)對(duì)發(fā)射性能的影響

支彬安，雷彬，李治源，李勇

(1.軍械工程學(xué)院，河北石家莊050003；2.解放軍68128部隊(duì)，甘肅蘭州730046)

騷亂和暴動(dòng)是目前恐怖活動(dòng)的主要方式，這些恐怖活動(dòng)的主要特點(diǎn)就是恐怖分子和廣大群眾相混雜，難以對(duì)其進(jìn)行有效的區(qū)分。為了恰當(dāng)?shù)刂浦惯@些非法活動(dòng)，必須有適當(dāng)?shù)奈淦餮b備來(lái)完成這些任務(wù)，非致命動(dòng)能武器就是其中之一。

目前的非致命動(dòng)能武器主要是靠發(fā)射動(dòng)能彈使受彈者產(chǎn)生疼痛而將其制服。其發(fā)射的彈藥主要有裹鉛的軟橡皮彈、尾翼穩(wěn)定橡皮彈、硬橡皮彈、木釘彈等。這種發(fā)射藥驅(qū)動(dòng)的彈丸出口速度難以快速調(diào)節(jié)，在使用時(shí)不方便。

磁阻驅(qū)動(dòng)器作為非致命反恐防暴武器具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)可控性較好。通過(guò)選擇不同的電路參數(shù)如電壓、電容值、觸發(fā)位置、觸發(fā)級(jí)數(shù)等就可以方便地調(diào)節(jié)彈丸的出口速度。

(2)隱蔽性好，安全性好。發(fā)射過(guò)程全部依靠電能工作，彈丸是從磁場(chǎng)中獲得的能量而不是依靠傳統(tǒng)的火藥，擊發(fā)是通過(guò)半導(dǎo)體開關(guān)，發(fā)射時(shí)沒(méi)有聲音及火花。

(3)攜帶輕便。槍管及外圍加固結(jié)構(gòu)只需采用非導(dǎo)磁材料，而不需要再采用鋼材等較重的材料。

在特定的磁阻驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)下，放電電容的電壓與容值的選擇成為影響彈丸出口速度的一個(gè)重要因素，甚至可以通過(guò)快速選擇電容器參數(shù)來(lái)調(diào)整彈丸出口速度以方便實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用。本文展開了關(guān)于電容器參數(shù)對(duì)出口速度影響的理論分析、數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究。

1 結(jié)構(gòu)及理論分析

磁阻驅(qū)動(dòng)器是由一個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈和一個(gè)鐵磁性彈丸以及附屬部件構(gòu)成。它利用驅(qū)動(dòng)線圈與鐵磁性彈丸組成的磁路的磁阻變化來(lái)吸引彈丸加速運(yùn)動(dòng)。其作用原理是磁阻最小原理。磁通總是趨向于經(jīng)過(guò)磁阻最小的路徑，鐵磁性的彈丸具有比空氣高得多的磁導(dǎo)率，因此彈丸放置在驅(qū)動(dòng)線圈內(nèi)部時(shí)，在彈丸與空氣組成的磁路里，彈丸就會(huì)向磁阻最小的方向運(yùn)動(dòng)。也可以認(rèn)為是驅(qū)動(dòng)線圈中的電流與被磁化的鐵磁性彈丸中的磁化電流之間的安培力，由于磁化電流與驅(qū)動(dòng)線圈中的電流具有相同的方向，因此彈丸受到吸力而加速。

1.1 磁阻驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)

典型的磁阻驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。驅(qū)動(dòng)線圈用直徑為1 mm的漆包線繞制，軸向長(zhǎng)度為40 mm，從左至右，由內(nèi)至外繞4層，內(nèi)直徑10 mm，外直徑約為18 mm，放入鐵殼內(nèi)并采用環(huán)氧樹脂灌裝。彈丸采用絡(luò)鋼制成，直徑為9 mm,長(zhǎng)度為40 mm與驅(qū)動(dòng)線圈等長(zhǎng)。槍管為非導(dǎo)磁材料。

1.2 磁力驅(qū)動(dòng)器理論分析

對(duì)于如圖1所示的實(shí)際磁阻驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)而言，其理想化的磁阻驅(qū)動(dòng)器磁通路徑如圖2所示。在驅(qū)動(dòng)線圈中通有電流的情況下，在其周圍產(chǎn)生磁通。磁通經(jīng)過(guò)鐵殼、空氣、彈丸而閉合。由于空氣的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)小于彈丸的磁導(dǎo)率，根據(jù)磁阻最小原理，彈丸就會(huì)向前運(yùn)動(dòng)。在彈丸的加速過(guò)程中認(rèn)為彈丸居中于槍管，忽略磨擦及空氣阻力。驅(qū)動(dòng)線圈中電流一般由儲(chǔ)能電容器提供。儲(chǔ)能電容器所在的主電路及控制電路如圖3所示。

在圖3所示的磁阻驅(qū)動(dòng)器主電路及控制電路圖中，由儲(chǔ)能電容器C3、可控硅開關(guān)K、驅(qū)動(dòng)線圈L組成主放電回路。驅(qū)動(dòng)線圈直流電阻為0.16 Ω。驅(qū)動(dòng)線圈兩端并聯(lián)續(xù)流二極管和電阻，其作用是在驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到峰值后以迅速衰減電流，避免給儲(chǔ)能主電容C3反向充電。驅(qū)動(dòng)可控硅開關(guān)的主要器件是脈沖變壓器，通過(guò)三極管為脈沖變壓器提供原邊電流，脈沖變壓器次級(jí)產(chǎn)生脈沖經(jīng)過(guò)整形后提供給可控硅控制級(jí)和陰極。C1為22 μF，25 V，目的是加快脈沖變壓器產(chǎn)生脈沖的陡度。R2的作用是限制流過(guò)脈沖變壓器的電流幅值。R3、C2，R4及二極管的目的是整形。R1、R2、R3、R4的阻值分別是1 kΩ、25 Ω、1 kΩ、20 Ω;C2為10 V，0.047 μF。并聯(lián)接在可控硅控制級(jí)與陰極的二極管和電阻是為了保護(hù)可控硅。通過(guò)K1控制彈丸的發(fā)射。

當(dāng)K1閉合時(shí)，脈沖變壓器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)導(dǎo)通可控硅K?？煽毓鐺導(dǎo)通后，驅(qū)動(dòng)線圈L產(chǎn)生的磁場(chǎng)，在彈丸上會(huì)產(chǎn)生磁化電流、渦流。描述運(yùn)動(dòng)的彈丸的相關(guān)場(chǎng)量方程為:

其中運(yùn)動(dòng)彈丸中的磁場(chǎng)由自由電流Jf、磁化電流JM產(chǎn)生。磁化電流JM等于磁化強(qiáng)度M的旋度。αm是介質(zhì)分界面上磁化電流面密度，n是分界面上由介質(zhì)1指向介質(zhì)2的單位法向量。彈丸上的自由電流認(rèn)為由感生渦流以及動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的動(dòng)生渦流組成。

忽略位移電流的影響，則起主要作用的就是自由電流與磁化電流兩項(xiàng),電路參數(shù)直接影響這兩項(xiàng)的值，因此決定了彈丸被加速的形式。若反向渦流的影響超過(guò)了磁化電流則驅(qū)動(dòng)器以感應(yīng)驅(qū)動(dòng)為主；相反，若磁化電流起主要作用則就是所謂磁阻驅(qū)動(dòng)器。用矢量磁位A和標(biāo)量電位φ表示的彈丸控制方程為:

本文磁阻驅(qū)動(dòng)器可簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，A僅有φ方向分量。在保證物理量B與E不變的前提下，可以選擇另一組電磁位A′和φ′來(lái)代替A和φ。例如選擇函數(shù)S，使得:

則(2)式在二維軸對(duì)稱情形下彈丸控制方程可表示為:

用柱坐標(biāo)系表示為:

作用在彈丸上的力密度為:

(6)式中的J包括Jf和JM。

2 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上控制方程式(1)～式(6)，結(jié)合電磁場(chǎng)Ansoft有限元軟件，應(yīng)用瞬態(tài)場(chǎng)求解器對(duì)上述磁阻驅(qū)動(dòng)器發(fā)射過(guò)程進(jìn)行了仿真計(jì)算。仿真過(guò)程中除彈丸和鐵外殼為導(dǎo)磁性材料，其磁化B-H曲線數(shù)據(jù)由相應(yīng)材料獲得，其余部分材料是非導(dǎo)磁材料，可以認(rèn)為它們和空氣有同樣的磁導(dǎo)率。

2.1 仿真結(jié)果分析

仿真計(jì)算分兩類，一類為固定容值變化電壓(容值為1 360 μF);另一類為固定電壓(100 V)，變化電容值。表1為固定容值變化電壓得到的仿真數(shù)據(jù);表2為固定電壓變化容值得到的仿真數(shù)據(jù)。

從表1可以看出,在容值固定的情況下，隨著充電電壓的升高，出口速度單調(diào)遞增。而電流達(dá)到峰值的時(shí)間卻基本相同。這是因?yàn)橛沈?qū)動(dòng)線圈和彈丸組成的等效電感在發(fā)射過(guò)程中變化不大造成。隨著電壓的增加，速度到達(dá)峰值的時(shí)間越來(lái)越快，速度達(dá)到峰值的時(shí)間也是彈丸居中的時(shí)間，因?yàn)樗俣冗_(dá)到峰值的時(shí)候說(shuō)明彈丸已經(jīng)沒(méi)有再受到加速力，同時(shí)彈丸居中時(shí)也是受力為零的位置。

表1 改變充電電壓仿真數(shù)據(jù)

表2 改變電容值仿真數(shù)據(jù)

表2數(shù)據(jù)為在固定電壓值為100 V下，出口速度隨電容容值變化的情況。從表2可以看出,隨著電容容值的升高，出口速度單調(diào)遞增，但是增加的幅度沒(méi)有電壓對(duì)速度的影響大。電流達(dá)到峰值的時(shí)間卻是隨著容值的增加而增大，這是因?yàn)殡娙萑葜翟黾訒?huì)造成主放電回路(RLC電路)放電周期變大，因此電流上升變慢。速度到達(dá)峰值的時(shí)間是越來(lái)越快，相比之下要慢于電壓增加而增加的速度，但是電容值增加導(dǎo)致總的效果也是增加了出口速度。

由表1和表2可以看出,在固定容值、電壓變化和固定電壓、變化容值時(shí)，出口速度基本呈線性變化，但是電壓變化對(duì)出口速度影響強(qiáng)于電容值變化所產(chǎn)生的影響。為了獲得更有利于增加彈丸出口速度的電容器電壓及容值參數(shù)，又進(jìn)行了數(shù)據(jù)擬合。根據(jù)表1和表2所列數(shù)據(jù)分別擬合了電壓和容值參數(shù)對(duì)于彈丸出口速度的關(guān)系式。式(7)分別對(duì)應(yīng)于出口速度隨電壓及電容變化的關(guān)系式

對(duì)于兩個(gè)線性表達(dá)式，容易得出電壓與電容都取最大值時(shí)，能得到最大出口速度的看法。實(shí)際情況下由于彈丸中的反向渦流的反作用以及線圈的承載能力，并不是選取大的電壓與電容值就能得到高的出口速度。通過(guò)仿真得出在1 000 V與7 480 μF的組合下，彈丸被加速至居中時(shí)，驅(qū)動(dòng)線圈內(nèi)電流雖然處在下降階段，但是電流較大，因此彈丸一離開線圈就會(huì)受到阻礙作用。所以此時(shí)應(yīng)選擇IGBT開關(guān)而不能再使用可控硅開關(guān)，從而使驅(qū)動(dòng)線圈中電流降為零。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置組建

依照?qǐng)D1所示的結(jié)構(gòu)及圖3所示的電路組建實(shí)驗(yàn)裝置。主放電單個(gè)電容器選擇450 V，680 μF，通過(guò)串聯(lián)2電容器來(lái)進(jìn)行容值為1 360 μF而變化電壓的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)串聯(lián)多個(gè)電容來(lái)進(jìn)行容值變化而電壓不變的實(shí)驗(yàn)。可控硅型號(hào)為T90RIA120。采用西安華科光電有限公司生產(chǎn)的DB650-5-5型激光管作為測(cè)量槍口初速的光路發(fā)生器。光跳變信號(hào)通過(guò)光纖傳輸，光電轉(zhuǎn)換至示波器進(jìn)行時(shí)間測(cè)量，求取平均速度。發(fā)射過(guò)程中，用開環(huán)霍爾電流傳感器CHF-B300(宇波模塊)，測(cè)量經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)線圈的脈沖電流。通過(guò)可控硅觸發(fā)電路的脈沖變壓器將主放電回路與控制電路進(jìn)行隔離，防止主放電回路影響和干擾控制電路。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

按照固定容值、變化電壓和固定電壓、變化容值分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用槍口的測(cè)速光路進(jìn)行出口速度的測(cè)量。根據(jù)光電跳變信號(hào)時(shí)間間隔及相應(yīng)的設(shè)定距離可以確定彈丸的平均出口速度。圖4為容值固定、電壓從100 V到600V變化和電壓固定、容值從340μF～1700μF變化時(shí)，實(shí)際測(cè)算的彈丸出口速度。

從圖4所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，容值為340 μF時(shí)，電壓從100 V增至480 V的過(guò)程中，隨著電壓的增加，彈丸的出口速度在增大。但是由于反向渦流的作用，在電壓從480 V增至600 V的時(shí)候，彈丸的出口速度出現(xiàn)一些下降，也就是反向渦流的制動(dòng)阻礙作用超過(guò)了磁化電流的作用。

容值為680 μF時(shí)，出口速度開始明顯變小的電壓值提前至360 V。在600 V時(shí)比480 V的出口速度略有回升，同樣的現(xiàn)象發(fā)生在1 020 μF的容值下。

容值為1 360 μF時(shí)，出口速度開始下降的電壓值為480 V，電壓增至600 V時(shí)，出口速度明顯降低。容值為1 700 μF，出口速度處于遞增狀態(tài)。

電壓固定在100 V～600 V的范圍內(nèi)時(shí),出口速度隨容值的增加而增加。但是電壓在480 V時(shí),除了1 360μF、1 700μF的電容器對(duì)應(yīng)的出口速度比360 V快外,其余均由于反向渦流的影響，出口速度要低于360 V對(duì)應(yīng)的出口速度。電壓到600 V時(shí)，雖然容值在增加但是出口速度增幅基本不明顯。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中看出,在電壓為480 V,電容為1 700 μF時(shí),出口速度達(dá)到了最大值。

本文在磁阻驅(qū)動(dòng)器理論分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)有限元軟件仿真(忽略渦流影響)，得到彈丸出口速度在固定電容、變化電壓或者固定電壓、變化電容的情況下，彈丸出口速度呈現(xiàn)升高的變化規(guī)律。也就是說(shuō)高的電壓與電容能夠獲得最大的發(fā)射速度和發(fā)射效率。但是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，由于鐵磁性彈丸的導(dǎo)電性，在電壓與容值都升高的情況下反向渦流的阻礙作用明顯，導(dǎo)致速度降低。

下一步的研究工作為:通過(guò)理論研究，分析及改善反向渦流影響并進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)來(lái)指導(dǎo)實(shí)際彈丸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，以提高發(fā)射效率和出口速度。

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