HEML換向過程的續(xù)流回路設計

謝 騰，劉少克，劉振祥

(國防科學技術大學 a.機電工程與自動化學院;b.理學院，長沙 410073)

傳統(tǒng)的導軌型電磁發(fā)射器具有結構簡單的優(yōu)點，但是驅動磁場不夠集中，存在效率不高，需要大電流驅動，易燒蝕等問題［1-2］。HEML的電感梯度較同尺寸的傳統(tǒng)導軌型電磁發(fā)射器可以大兩個數(shù)量級，加速力大，能在較短的炮管達到更高速;這種結構發(fā)射器的彈丸與加速線圈相對位置固定不變，始終具有最大加速力，相比導軌型電磁發(fā)射器效率高，降低了對電源的要求［3］。

HEML采用電刷換向的結構，換向中能量轉化越充分，系統(tǒng)的效率就越高，同時越能抑制匝間電弧的產(chǎn)生。換向中存在的問題，麻省理工大學的 W.R.Snow曾做過相關研究［4］;P.P.Mongeau曾提出一種換向過程中理想的無能量損耗的發(fā)射器模型，并做了理論分析［5］;密蘇里大學的T.G.Engel提出了一種新的換向策略，可以使系統(tǒng)的效率提高［6］。

本文從HEML換向過程等效電路的角度，建立了PSpice模型，計算了后換向匝中剩余能量所占比例;在此基礎上，設計了2種續(xù)流回路，并分析了加入續(xù)流回路對系統(tǒng)的影響。

1 HEML的運行機理及換向過程

HEML發(fā)射主體(圖1)由2條饋電導軌及驅動線圈和彈丸線圈組成，通過饋電電刷和換向電刷使得驅動線圈和彈丸線圈攜帶大小相等、方向相反的電流，以此驅動彈丸前進［7］。

圖1 HEML結構簡圖

電刷換向過程機理如下:在換向中，每一后電刷后沿起斷路開關作用，將后換向匝與激勵區(qū)斷開;每一前電刷前沿起閉合開關作用，將前換向匝并入激勵區(qū)。彈丸線圈向前運動的同時，可以在驅動線圈的換向匝內(nèi)感應出電壓。前、后彈丸線圈的電流方向相反，彈丸線圈前部對前換向匝感應出的電壓使前換向匝的電流上升，彈丸線圈尾部對后換向匝感應出的電壓使后換向匝的電流下降。后換向電刷后沿在電路被斷開的瞬間，一部分能量會通過磁通耦合進入彈丸線圈與激勵區(qū)，由于耦合得不充分，以及換向匝電感使得電流不能瞬間降為零，會有一部分能量剩余。

假定在彈丸運行過程中，驅動線圈和彈丸線圈都不發(fā)生形變，并忽略趨膚效應，則可得到HEML換向過程的等效電路［7］，如圖2 所示。

圖2 HEML換向過程等效電路

2 HEML換向過程的PSpice模型

本文主要針對后換向匝斷開后能量轉化進行研究，因此在HEML換向過程等效電路的基礎上，省略前換向匝的部分建立PSpice仿真模型(圖3)。

L1為彈丸線圈已經(jīng)通過驅動線圈的部分，等效為一個電感;L2為后換向匝(此處認為后換向線圈為一匝);L3為驅動線圈激勵區(qū)及彈丸線圈;R1為系統(tǒng)內(nèi)阻;R2為模擬斷路匝與空氣之間的電阻;V1為系統(tǒng)電源;K1、K2、K3分別為 L1、L2、L3之間的互感系數(shù);U1為閉合開關，U2為斷開開關，某一時刻U1閉合的同時U2斷開，以模擬電刷滑過后換向匝L2。

圖3 換向過程PSpice仿真模型

3 后換向匝能量轉化分析

以系統(tǒng)在12 kA電流驅動情況下運行為例，分析該情況下后換向匝的能量轉化情況。

設置開關時間1 μs，激勵區(qū)初始電流12 kA，后換向匝線圈電感2 μH。通過仿真，可以得到后換向匝的功率-時間曲線，如圖4所示。

圖4 后換向匝的功率-時間曲線

計算功率對時間的積分，即可得到仿真時間內(nèi)后換向匝的能量變化量:

后換向匝電感為2 μH，初始時刻電流為12 kA，可得后換向匝初始時刻儲存的能量:

通過計算可知，此時后換向匝釋放的能量約占后換向匝總能量的77.8%，即剩余的能量約占后換向匝總能量的22.2%。這部分能量如果以電弧的形式釋放，對系統(tǒng)會造成很大的破壞。為了給剩余能量找到合適的釋放途徑，應對其進行續(xù)流設計。

4 換向過程續(xù)流方案研究

系統(tǒng)設計時采用兩套方案，方案1是將二極管反接在后換向匝兩端;方案2是將剩余能量前饋到激勵區(qū)。

4.1 二極管反接在后換向匝兩端

將續(xù)流二極管反接在儲能電感兩端，在電感斷開時與之形成回路，達到將剩余的能量逐步釋放的目的。

在后換向匝兩端反接一個二極管，二極管的導通方向與后換向匝中電流方向相同。此時，二極管可以在后換向匝與激勵區(qū)斷開后，為后換向匝中的剩余電流提供釋放通路，將其中能量在二極管中消耗。該結構下的PSpice模型如圖5，二極管D1的功率-時間如圖6。

圖5 方案1模型

圖6 二極管D1的功率-時間曲線

通過研究二極管D1的功率-時間曲線可得:在換向結束即1 μs時刻后，后換向匝L2在二極管D1上均勻放電，L2的中的剩余能量逐步被消耗。續(xù)流二極管的加入為高電勢提供了放電通路，可以有效地抑制電弧產(chǎn)生。

4.2 剩余能量前饋到激勵區(qū)

如果能將后換向匝中的剩余能量重新利用起來，則可以提高系統(tǒng)的效率，因此，考慮加入續(xù)流回路將后換向匝中的能量前饋到激勵區(qū)。利用二極管將后換向匝L2與激勵區(qū)尾端相連，二極管導通方向為L2的電流方向，PSpice模型如圖7所示。

圖7 方案2模型

圖8為后換向匝的功率-時間曲線，求此時后換向匝的能量變化量可得:

此時后換向匝釋放能量占初始儲能的92.95%，即剩余能量為7.05%。可見，該結構的續(xù)流回路可以有效地將后換向匝中的能量前饋到激勵區(qū)，對轉移后換向匝剩余能量有顯著的效果。

圖8 后換向匝的功率-時間曲線

5 結束語

HEML采用電刷換向的結構，由于換向過程中后換向匝的電流不能瞬間降為零，因此導致剩余能量的存在。剩余能量的存在，降低了系統(tǒng)的效率，同時會導致電弧的產(chǎn)生，對系統(tǒng)造成一定程度的破壞。本文從HEML的等效電路角度，使用PSpice進行仿真，估算出了剩余能量的比例，即占換向匝能量的22.2%。在此基礎上，初步設計了2種結構的續(xù)流回路:第一種可以將后換向匝中剩余能量緩慢的在二極管上釋放，起到保護系統(tǒng)的作用，結構簡單，易于實際測試;第二種是將后換向匝中剩余能量通過二極管前饋到激勵區(qū)，可以起到將剩余能量進一步利用的效果。

［1］Engel T，Neri J，Nunnally W.Efficiency and scaling of constant inductance gradient DC electromagnetic launcher［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2006，42(8)：2043-2051.

［2］Engel T，Neri J，Nunnally W.A same-scale comparison of electromagnetic launcher［C］//Conference Record of the 2006 Twenty-Seventh International Power Modulator Symposium.Arlington VA，2006.

［3］Engel T.Medium-bore helical-coil electromagnetic launcher with liquid nitrogen cooled armature［C］//15thIEEE International Pulsed Power Conference.Monterey CA，2005.

［4］Snow W，Willig R.Design criteria for brush commutation in highspeed travelling wave coilguns［J］.IEEE Transactions on Magnetics，1991，27(1)：654-659.

［5］Mongeau P.Analysis of helical brush commutation［J］.IEEE Transactions on Magnetics，1984，20(2)：231-234.

［6］Engel T，Neri J，Veracka M.Solid-Projectile helical electromagnetic launcher［J］.IEEE Transactions on Plasma Science，2009，37(4)：603-607.

［7］王瑩，肖峰.電炮原理［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1995.