射頻爆磁壓縮發(fā)生器磁通損失問(wèn)題分析

韓穎超，李紅梅，邱景輝

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 微波與天線技術(shù)研究所，哈爾濱 150001）

爆炸磁通量壓縮發(fā)生器（Explosive Magnetic Flux Compression Generator，MFCG 或FCG）是通過(guò)炸藥爆炸驅(qū)動(dòng)電樞向外膨脹，對(duì)磁場(chǎng)同軸均勻壓縮，把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的一種一次性脈沖產(chǎn)生裝置。MFCG 具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、脈沖上升時(shí)間短、儲(chǔ)能密度高（MJ/kg量級(jí)）等特點(diǎn)，使其在現(xiàn)代高能密度物理、強(qiáng)磁場(chǎng)物理、核爆模擬、軍事應(yīng)用等一系列研究上具有十分廣泛的應(yīng)用。射頻爆磁壓縮發(fā)生器（Radio Frequencies Explosive Magnetic Flux Compression Generator，RF MFCG）是在螺旋型MFCG的基礎(chǔ)之上加一小電容構(gòu)成的（如圖1所示）。附加上小電容后，電路中電流具有振蕩特性，裝置中的某些元件可視為輻射單元，從而使得RF MFCG 同時(shí)兼?zhèn)涿}沖產(chǎn)生和輻射功能。

圖1 射頻爆磁壓縮發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of RE MFCG

RF MFCG正處于不斷發(fā)展和完善中。其中一個(gè)主要問(wèn)題是能量轉(zhuǎn)換效率。影響RF MFCG 能量轉(zhuǎn)換效率的因素很多，磁通損失是其中最主要的原因。造成磁通損失的原因也很多,諸如趨膚深度、跳匝問(wèn)題等。文中逐一對(duì)這些造成磁通損失的原因進(jìn)行了詳細(xì)分析，給出了減小磁通損耗、提高能量轉(zhuǎn)換效率的方法。

1 趨膚深度磁通損失

實(shí)際導(dǎo)體電導(dǎo)率都為有限值。在發(fā)生器運(yùn)行過(guò)程中,由于趨膚效應(yīng)的存在,一部分磁通會(huì)滲透到定子線圈和電樞內(nèi)部，這部分磁通在RF MFCG工作過(guò)程中得不到壓縮。如果導(dǎo)體的尺寸太小，甚至?xí)l(fā)生磁場(chǎng)擴(kuò)散到導(dǎo)體外部的情形，造成更大的磁通泄漏。電導(dǎo)率為常值的導(dǎo)體中趨膚深度為：

式中：ω為脈沖頻率；μ為導(dǎo)體材料的磁導(dǎo)率；σ為電導(dǎo)率。τs為趨膚時(shí)間：

發(fā)生器空腔壓縮磁場(chǎng)的時(shí)間遠(yuǎn)小于τs，磁場(chǎng)才能增大。這要求壓縮速度[1—2]：

如圖2 所示，炸藥爆炸后電樞受力膨脹與定子線圈短路接觸，接觸點(diǎn)為A。

圖2 短路接觸點(diǎn)A軌跡示意Fig.2 Track of the short dot A

設(shè)A 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度為vA，軸向運(yùn)動(dòng)速度為炸藥爆轟波速vE，沿電樞橫截面圓的徑向運(yùn)動(dòng)速度為vT。以一匝定子線圈為例，則vA，vE，vT滿足圖3關(guān)系。

圖3 速度三角形和長(zhǎng)度三角形Fig.3 Velocity and length triangles

則vT為：

式中：θ為該匝定子線圈的繞線傾角；r 為定子線圈內(nèi)徑；P為螺距。

設(shè)總的趨膚效應(yīng)磁通損失為ΦS，擴(kuò)散到定子線圈和電樞中的磁通分別為ΦS1，ΦS2，則趨膚效應(yīng)磁通損失速率為[3]：

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率；H 為磁場(chǎng)強(qiáng)度；δΦ1和δΦ2分別是定子線圈和電樞中的趨膚深度。

當(dāng)電流按指數(shù)規(guī)律上升時(shí)，趨膚深度可表示為：

式中：等價(jià)頻率ω（t）=（2/I）dI/dt。對(duì)于RF MFCG的電感，可認(rèn)為L(zhǎng)∝1，則有：

式中：l為電樞長(zhǎng)度；S為定子線圈和電樞之間所圍的有效磁通面積?？傻茫?/p>

設(shè)R 為電樞的外半徑，則趨膚效應(yīng)磁通損失速率為：

其等效電阻形式為：

2 跳匝問(wèn)題引起的磁通損失

RF MFCG 運(yùn)行過(guò)程中，膨脹的電樞和定子線圈的接觸點(diǎn)不連續(xù)滑動(dòng)，而是發(fā)生接觸點(diǎn)跨過(guò)某段定子線圈的現(xiàn)象，稱為跳匝。引起跳匝的原因很多，包括電樞和定子線圈軸線不重合、電樞不對(duì)稱膨脹、電樞外表面不平滑、定子線圈內(nèi)切面的不規(guī)則以及電樞裝藥爆轟的邊緣效應(yīng)等。產(chǎn)生跳匝的條件如下[4—6]。

1）電樞軸線與定子線圈軸線平行但不重合，偏心為：

式中：α為爆炸管擴(kuò)張角。

2）電樞軸線與定子線圈軸線成一夾角β：

式中：l為電樞長(zhǎng)度。

3）電樞壁厚偏差：

式中：Wα為電樞壁厚；rg，rα分別為定子線圈、電樞的半徑。

4）起爆雷管軸線與電樞軸線偏差為：

5）裝置內(nèi)表面不對(duì)稱度為：

由跳匝問(wèn)題引起的磁通損失速率為：

3 接觸損失

接觸損失包括發(fā)生在電樞和定子線圈接觸面上的各種磁通損失。諸如擊穿損失、磁通延遲、匝間切換以及電樞與定子線圈短路點(diǎn)接觸不良等引起的損失等。

擊穿對(duì)RF MFCG 的能量轉(zhuǎn)換效率有十分嚴(yán)重的影響。在電樞和定子線圈的滑動(dòng)接觸點(diǎn)附近，如果電樞表面存在缺陷，比如同心度不好，則有可能在幾何接觸的前面形成擊穿（如圖4 所示），包含在這個(gè)體積內(nèi)的磁通就會(huì)全部損失掉[7]。

圖4 假設(shè)電樞表面存在正弦起伏時(shí)的擊穿示意Fig. 4 Schematic drawing of breakdown in case of existing sine fluctration on armature surface

設(shè)電樞表面的起伏具有簡(jiǎn)單正弦規(guī)律，起伏幅度為B，但高電壓的存在將加強(qiáng)這個(gè)幅度。設(shè)V是電壓，E 為該條件下?lián)舸﹫?chǎng)強(qiáng)，則加強(qiáng)的幅度為V/E。這時(shí)電樞和定子線圈沒(méi)有幾何接觸但電接觸存在[7]。發(fā)生在定子線圈和電樞表面突起的每一次擊穿都使得包含在這個(gè)體積內(nèi)的磁通損失。引起的磁通損失速度為[3]：

Freeman估算擊穿等效電阻為Rvb[8]：

4 結(jié)語(yǔ)

在RF MFCG裝置運(yùn)行過(guò)程中，趨膚效應(yīng)、跳匝、電擊穿引起磁通損耗是不可避免的。提高炸藥爆速可以減少磁通壓縮時(shí)間，從而減小因趨膚效應(yīng)引起的磁通損失，后續(xù)工作應(yīng)致力于此。電樞與定子的不對(duì)稱度越大，跳匝引起的磁通損耗越多?？梢栽诠こ躺媳M量做到同心度好。由于電擊穿(特別是空腔擊穿)引起的磁通損耗非常大，因而在裝置工作過(guò)程中擊穿現(xiàn)象必須盡力排除。實(shí)驗(yàn)中通常以加大導(dǎo)線絕緣層厚度的方法來(lái)加以解決，但是導(dǎo)線絕緣層厚度增加勢(shì)必加大接觸電阻值，從而導(dǎo)致磁通損耗加大，所以裝置設(shè)計(jì)時(shí)必須在保證不擊穿條件下盡量減小導(dǎo)線絕緣層厚度。

通過(guò)對(duì)磁通損失的分析，減小或避免以上情況可以有效地減少磁通損失，從而提高RF MFCG的能量轉(zhuǎn)換效率。

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