線圈型電磁發(fā)射器換向過程分析

侯炎磐，劉振祥，楊麗佳，沈 志，歐陽建明，楊 棟，蔣雅琴

(國防科技大學(xué) 理學(xué)院，長沙 410073)

線圈型電磁發(fā)射器與導(dǎo)軌型電磁發(fā)射器相比有諸多優(yōu)點:電感梯度大，這樣就避免了大電流工作，有效避免了對炮管及導(dǎo)軌的燒蝕;能量轉(zhuǎn)換效率高，降低了發(fā)射器對脈沖功率電源的要求;利于實現(xiàn)大尺寸載荷的發(fā)射1-3］。然而線圈發(fā)射器同步技術(shù)相對復(fù)雜，尤其是使彈丸在加速過程中始終處于最大加速位置比較難于實現(xiàn)［4］，并且彈丸在炮管中運動過程中，容易出現(xiàn)能量在炮管線圈中的惡性積累，導(dǎo)致驅(qū)動線圈匝間電弧持續(xù)放電現(xiàn)象。

匝間電弧不僅造成了能量的浪費，并且對發(fā)射器電刷、驅(qū)動線圈等結(jié)構(gòu)造成了燒蝕［5-6］。匝間電弧的產(chǎn)生是由于換向過程中換向匝的能量不能有效轉(zhuǎn)移至激勵線圈并轉(zhuǎn)化為彈丸線圈的動能，造成了炮管線圈中能量的累積，在匝間形成換向電壓所導(dǎo)致的。所以研究發(fā)射器換向過程中的能量轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)化有利于提高發(fā)射器工作效率并且有效抑制匝間電弧的產(chǎn)生，提高發(fā)射器壽命。

1 理論分析

換向的過程是能量轉(zhuǎn)移的過程，能量的來源是驅(qū)動線圈換向匝(commutator)從發(fā)射器系統(tǒng)電路中斷開。

圖1 中，驅(qū)動線圈首尾部分為換向匝，為了比較清晰地分析問題，在繪制模型過程中，將換向匝與激勵線圈部分留出間隔，并進行不同的著色。實際中的換向匝與激勵線圈是連接的，并且材料等線圈參數(shù)完全相同。彈丸向前運動的過程中，在前換向匝內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電壓，并通過短路將其孤立出炮管系統(tǒng)，使之進入換向電路;同時短路向前移動，換向電路舍去后換向匝，使之重新進入炮管線圈系統(tǒng)，完成了一次換向過程。

圖1 線圈型電磁發(fā)射器換向單元模型

實際上，換向過程中，后換向匝退出換向電路與前換向匝進入換向電路是同時進行的，然而在分析問題時，本文將該過程分解成兩個步驟:第一步，后換向匝斷開，換向匝的能量大部分轉(zhuǎn)移到驅(qū)動-彈丸線圈系統(tǒng)，使得系統(tǒng)電流增大;第二步，彈丸向前運動，前換向匝進入換向電路，能量回歸驅(qū)動線圈系統(tǒng)，驅(qū)動-彈丸線圈系統(tǒng)電流降低，完成換向過程。

首先可以將驅(qū)動線圈激勵部分看成載流螺線管(solenoid)，換向匝斷開之后載流螺線管電流發(fā)生變化，設(shè)定螺線管電流的初始值為I?？蓪椡?projectile)線圈與激勵線圈看做整體，根據(jù)磁通守恒原理有

式中:Lp，Ls分別為彈丸線圈與激勵線圈自感;Mcs和Mcp分別為換線匝與激勵線圈之間和與彈丸線圈之間的互感;Mps為彈丸線圈與激勵線圈之間的互感。

換向匝斷開后驅(qū)動-彈線圈系統(tǒng)電流為

其次為驅(qū)動-彈丸線圈系統(tǒng)與前換向匝的連接，同樣運用磁通守恒原理

則

其中M'cs與M'cp分別為換向之后前換線匝與激勵線圈之間和與彈丸線圈之間的互感。I?為換向之后驅(qū)動-彈丸線圈系統(tǒng)的電流。

換向過程中彈丸動能增量可表示為換向前后驅(qū)動-彈丸線圈系統(tǒng)的磁能之差

而換向過程中，后換向匝從換向電路中斷開，轉(zhuǎn)移至整個系統(tǒng)的能量為

換向過程中，發(fā)射器的能量轉(zhuǎn)換效率為

2 仿真設(shè)計

線圈型電磁發(fā)射器的Ansoft 仿真模型如圖2 所示。由于發(fā)射器及彈丸為軸對稱結(jié)構(gòu)，故使用二維求解器分析。在建立模型過程中，為了簡化模型，舍去了導(dǎo)軌及電刷，并且炮管也未進行徑向切割處理，而是進行了參數(shù)重新設(shè)置，盡量符合實際的發(fā)射器情況。

首先在Define model 模塊下繪制發(fā)射器模型，之后在Setup Materials 以及Setup Boundaries /Sources 設(shè)定驅(qū)動線圈材料為紫銅，彈丸材料為鑄鐵，并且將其電導(dǎo)率設(shè)定為0，對應(yīng)于實際設(shè)計中將彈丸鐵芯部分進行徑向切割以避免渦電流的產(chǎn)生;將邊界條件設(shè)定為balloon。

在電流激勵區(qū)，驅(qū)動線圈電阻設(shè)定為實際值，然而在電流激勵區(qū)以外，則將其設(shè)定為∞，近似于斷路。

在Setup Solution 模塊下設(shè)定網(wǎng)格劃分，各項設(shè)定完成之后，運用Nominal Problem 工具進行數(shù)值運算。

設(shè)定單線匝厚度為2 mm，寬度為3 mm，線匝內(nèi)部電流為1 200 A，驅(qū)動線圈材料為紫銅，彈丸線圈材料為鋁。

在仿真過程中，將驅(qū)動線圈與彈丸線圈層數(shù)分別設(shè)為ls、lp，二維軸對稱模型如圖2 所示。

圖2 線圈型電磁發(fā)射器二維模型

圖3 中可以看出，能量主要集中于驅(qū)動-彈丸線圈系統(tǒng)中心位置，中心磁能達到2.88 ×107J/m3，在軸線方向能量分層密集，說明能量梯度較大，彈丸總是朝著磁能減小的方向運動。定量的結(jié)果見表1。

表1 仿真結(jié)論

圖3 線圈發(fā)射過程中能量分布

對于結(jié)構(gòu)確定的線圈型電磁發(fā)射器，每個線圈的自感及之間的互感都是確定的，并可以用數(shù)值計算的方法求解，表1中，通過改變ls、lp的值進行分析，線圈系統(tǒng)的自感與自身匝數(shù)的平方呈正比，而兩線圈系統(tǒng)的互感，與二者匝數(shù)的乘積成正比。將求解所得的電感值代入理論推導(dǎo)公式(5)～式(7)，就可以求解出換向過程中磁能轉(zhuǎn)化為彈丸動能的部分，以及發(fā)射器的能量轉(zhuǎn)換效率。

圖4 (a)中為驅(qū)動線圈為單層，彈丸線圈在1 ～5 層之間變化時，換向過程中的電流分布，由圖可知:后換向匝從換向電路斷匝的過程為電流增大的過程，此時斷匝的能量大部分轉(zhuǎn)移至驅(qū)動-彈丸線圈系統(tǒng)，前換向匝進入換向電路的過程為電流減小的過程，即驅(qū)動-彈丸線圈系統(tǒng)能量有部分轉(zhuǎn)移至發(fā)射器系統(tǒng)，其中驅(qū)動-彈丸線圈系統(tǒng)磁能之差為彈丸動能的增量;當(dāng)驅(qū)動線圈層數(shù)固定時，換向的2 個步驟之間電流變化程度隨著彈丸線圈層數(shù)的增大而變小，然而后換向匝斷開產(chǎn)生電流變化的趨勢更明顯。圖4 (b)中為驅(qū)動線圈為5 層，彈丸線圈在1 ～5 層之間變化時換向過程中的電流分布，可知:當(dāng)彈丸線圈層數(shù)固定時，換向的2 個步驟之間電流變化程度隨著驅(qū)動線圈層數(shù)的增大而增大，同樣是后換向匝斷開產(chǎn)生電流變化的趨勢更明顯，定量結(jié)論見表2。

圖4 換向過程中的電流分布

表2 為表1 中電感計算數(shù)值代入理論推導(dǎo)公式所得結(jié)論?？芍?驅(qū)動線圈厚度固定時，增大彈丸線圈厚度可極大提高發(fā)射器效率;彈丸線圈厚度固定時，驅(qū)動線圈厚度增大會減小發(fā)射器效率;當(dāng)驅(qū)動線圈與彈丸線圈層數(shù)達到15 層時，即厚度達到3 cm 時，彈丸每前進一個換向單元(約1 cm)動能增加710 J，然而后換向匝轉(zhuǎn)移至驅(qū)動-彈丸線圈系統(tǒng)能量為3 405 J，其余的能量大部分轉(zhuǎn)移至前換向匝，然而對于彈丸出炮口的情況，這部分能量會以炮口電弧形式釋放。

表2 數(shù)值結(jié)論

3 結(jié)束語

本文對線圈型電磁發(fā)射器換向過程進行了理論分析與仿真計算，得出以下結(jié)論:①換向過程中，驅(qū)動線圈層數(shù)固定時，彈丸線圈層數(shù)增大導(dǎo)致磁能轉(zhuǎn)化為動能的效率增大;②彈丸線圈層數(shù)固定時，驅(qū)動線圈層數(shù)增大在一定程度上會降低發(fā)射器能量轉(zhuǎn)換效率;③當(dāng)驅(qū)動線圈與彈丸線圈層數(shù)較大時，換向之后儲存在炮管線圈中的巨大能量會在炮口處以炮口電弧的形式釋放，所以對于線圈型電磁發(fā)射器可以在炮口處外接高阻抗工質(zhì)將剩余能量消耗，以提高炮管使用壽命。

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