單級(jí)直流電機(jī)在電磁彈射器的應(yīng)用原理

王智圣

(濟(jì)南市新技術(shù)研究所，山東濟(jì)南 250000）

單級(jí)直流電機(jī)在電磁彈射器的應(yīng)用原理

王智圣

(濟(jì)南市新技術(shù)研究所，山東濟(jì)南 250000）

提出將單級(jí)直流電機(jī)展成直線電機(jī)應(yīng)用于電磁彈射器(EMALS），給出構(gòu)成方案，初步探討設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算方法。與現(xiàn)有的EMALS進(jìn)行了比較，證明本文方案效率高而溫升低。

單級(jí)直流電機(jī);直線電機(jī);電磁彈射器

0 引言

現(xiàn)在已投入試驗(yàn)或正在研制的電磁彈射器(EMALS）有直線感應(yīng)電機(jī)和永磁直線同步電機(jī)2種類(lèi)型［1］。美軍在20世紀(jì)40年代已經(jīng)試驗(yàn)了用直線感應(yīng)電機(jī)彈射飛機(jī)，1978年后年又重新對(duì)EMALS進(jìn)行開(kāi)發(fā)，至2005年已開(kāi)始在航母上試用。目前，EMALS的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于直線同步電機(jī)［2］。

直線同步、感應(yīng)電機(jī)都是由相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)展開(kāi)而成，二者的共同點(diǎn)是:都有用以產(chǎn)生移動(dòng)磁場(chǎng)的定子線圈。而圖1所示單級(jí)直流電機(jī)［3］與此原理完全不同，具有如下特點(diǎn):一是無(wú)需定子線圈用以產(chǎn)生移動(dòng)磁場(chǎng);二是轉(zhuǎn)子電流的方向始終不變;三是氣隙磁場(chǎng)在整個(gè)轉(zhuǎn)子圓周上是同極性的;四是在轉(zhuǎn)子電流的回路中僅有一條直線邊位于氣隙磁場(chǎng)中，其余部分都在氣隙磁場(chǎng)外。這種電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)容易、效率較高的優(yōu)點(diǎn)。若將這種旋轉(zhuǎn)電機(jī)展成直線電機(jī)應(yīng)用于EMALS，其優(yōu)點(diǎn)應(yīng)能繼續(xù)保持。

本文據(jù)上述設(shè)想提出構(gòu)成方案，初步探討主要設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算方法，并與現(xiàn)有的EMALS進(jìn)行比較。

圖1 單級(jí)直流電機(jī)Fig.1 Homopolarmachine

1 構(gòu)成方案

1.1 結(jié)構(gòu)原理

圖2是構(gòu)成方案原理圖。圖2(a）是其主視圖:含定子與動(dòng)子兩大部分。其中定子由圖1之轉(zhuǎn)子展開(kāi)而成，但在本方案中固定不動(dòng)。定子1由基座及一些相互獨(dú)立的定子回路組成，這些回路沿z向(見(jiàn)圖2(b））相互平行，由定子的始點(diǎn)沿x向依次排列至終點(diǎn)，各回路間、以及回路與基座間用絕緣層相互隔絕。而動(dòng)子由永磁體、磁軛及磁屏蔽 (圖中未示出）等附件構(gòu)成，永磁體產(chǎn)生平行于y向的氣隙磁場(chǎng)Bg，當(dāng)定子回路中導(dǎo)通電流時(shí)，可使動(dòng)子平行于x向作直線運(yùn)動(dòng)。

1.2 磁路與電路

如圖2(b）和圖2(a）所示，在定子、動(dòng)子中形成磁路與電路。

磁路由釹鐵硼材料制成的多塊永磁體、氣隙、載流體、基座及磁軛形成。永磁體可分為nm組，每組中含2塊極性互為反向的磁體，這2塊相對(duì)于磁軛的中心線對(duì)稱(chēng)安裝，從而形成左右2個(gè)氣隙，2個(gè)氣隙磁場(chǎng)方向相反。這nm組永磁體之間都相互隔開(kāi)，且都以軟磁材料制成的磁軛為磁力線通道，因此形成nm個(gè)并列磁路。

載流體和基座采用高磁導(dǎo)率、高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度且低電阻率的軟磁材料 (如鐵鈷釩軟磁合金1J22）制成;而導(dǎo)流體由銅制成。由于銅的磁導(dǎo)率很低，因此磁力線穿過(guò)氣隙后經(jīng)載流體透過(guò)絕緣層2直接進(jìn)入基座1而不被導(dǎo)流體分流。

電路即定子迴路，每個(gè)迴路含左右2個(gè)子回路，每個(gè)子回路都由引流體 (銅制）、導(dǎo)流體、載流體和外電路 (銅導(dǎo)體）組成。流經(jīng)載流體9的電流I平行于z向，但I(xiàn)在左、右子回路中的流向相反。另外，左右子回路并非相對(duì)于磁軛的中心線對(duì)稱(chēng)布置，而是或左偏置、或右偏置，并且左偏定子回路與右偏定子回路相鄰排列(見(jiàn)圖2(c）），如此使得磁力線流經(jīng)基座時(shí)有足夠?qū)挼耐ǖ馈?/p>

由于導(dǎo)流體、載流體采用不同材料制成，二者連接處若接觸不良會(huì)損耗大量電能，甚至?xí)l(fā)熱燒蝕。二者間須采用焊接法連接，例如可采用擴(kuò)散焊或閃光對(duì)焊技術(shù)［4］，回路中其他部位的連接，如引流體與導(dǎo)流體，皆可采用上述技術(shù)。

永磁體6之極性相對(duì)于流經(jīng)子回路的電流I是不變的。

電流I與磁力線在載流體中交匯，Bg垂直于I，從而使得每個(gè)被Bg覆蓋的載流體都受到電磁作用力f。雖然左、右氣隙磁場(chǎng)方向相反，但左、右子回路中的電流方向亦相反，因此左、右力f方向相同。如圖2(a），Bg覆蓋著n個(gè)載流體，而且這些回路中的電流值都相等，則所生合力F=2nf的反作用力作用于動(dòng)子，由于定子1固定不動(dòng)，因此動(dòng)子將被驅(qū)動(dòng)前進(jìn)。

圖2 結(jié)構(gòu)原理Fig.2 Stucture principle

若在由起點(diǎn)至終點(diǎn)的所有定子回路中同時(shí)通以直流電流，則動(dòng)子將受到連續(xù)力的驅(qū)動(dòng)由始點(diǎn)加速前進(jìn)至終點(diǎn)。但這種同時(shí)通電的方式耗能很大，因?yàn)樵谖幢籅g覆蓋的定子回路中電能都消耗于電阻。因此應(yīng)僅對(duì)Bg運(yùn)動(dòng)所至區(qū)域的各定子回路通以定流向的脈沖電流，而其他未被Bg覆蓋的定子回路予以斷電。為此須設(shè)置位置傳感器判定動(dòng)子的瞬時(shí)位置，以控制回路的饋電。這與永磁直線同步電機(jī)的定子繞組激勵(lì)方式相似，但應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是，這二者有本質(zhì)的不同:永磁直線同步電機(jī)的激勵(lì)方式是為了形成移動(dòng)磁場(chǎng)以驅(qū)動(dòng)定子，但本文所述饋電方式是為了節(jié)能而非形成移動(dòng)磁場(chǎng)。

1.3 磁屏蔽

另外，如圖2(b）所示，定子基座1中的磁場(chǎng)作用于引流體中的電流也會(huì)產(chǎn)生力f'，該力f'與力f方向相反，削弱了對(duì)動(dòng)子的驅(qū)動(dòng)作用。為此在引流體外加裝用軟磁材料制成的磁屏蔽，使永磁體發(fā)出的磁力線在定子基座內(nèi)繞行于銅制引流體(見(jiàn)圖2(c）），從而使得基座中的磁場(chǎng)與引流體隔絕。此外，在永磁體和磁軛外也加裝用軟磁材料制成的磁屏蔽 (圖中未示出），目的是為了避免外界磁場(chǎng)干擾主磁路，或引起永磁體退磁。

1.4 等效電路圖

圖3為定子回路之子回路的等效電路圖，各子迴路都并聯(lián)在同一充電總線上。每個(gè)子迴路的外電路中都有獨(dú)立的電源和開(kāi)關(guān)裝置，用以在適當(dāng)時(shí)刻提供定流向的脈沖電流－最理想是方波脈沖電流。電源可參考電磁發(fā)射器 (電炮）中的各種適用電源，例如可采用“鋰金屬硫化物蓄電池－雙電層電容器聯(lián)合電源”［5］。另外，由圖2(b）可知，由于磁力線都集中在基座中通過(guò)，因此外電路位于磁場(chǎng)之外。

圖3 等效電路Fig.3 Equivalent circuit

綜上可知，圖2所示方案具備引言中所提關(guān)于單級(jí)直流電機(jī)的4個(gè)特點(diǎn)。

2 比較與分析

目前，美國(guó)海軍的直線同步電機(jī)EMALS之設(shè)計(jì)效率為70%［2］。至于直線感應(yīng)電機(jī)EMALS，由于其動(dòng)子須用鋁、銅等非鐵磁性材料制成，使其氣隙及漏磁通都較大，因此效率要低于前者。而本文所提基于單級(jí)直流電機(jī)原理的EMALS，理論上其電機(jī)效率可超過(guò)80%，系統(tǒng)效率可超過(guò)75%，而且若采用性能更好的釹鐵硼材料以提高磁感強(qiáng)度，并設(shè)法增大永磁體的體積，且減小磁軛的質(zhì)量，則效率還可進(jìn)一步提高。

本文方案之EMALS無(wú)須使用緊密纏繞且用環(huán)氧樹(shù)脂澆鑄密封的定子線圈，而是采用大截面積的單根導(dǎo)體構(gòu)成定子回路，使其具有如下優(yōu)點(diǎn):

1）由于大截面積的導(dǎo)體電阻小而熱容量大，因此與線圈相比，在通以相同脈沖長(zhǎng)度及相同幅值的電流時(shí)，前者溫升較小。在本文實(shí)例中，單個(gè)子回路的溫升最大值僅為0.366℃。

2）大截面積的導(dǎo)體表面積大，而且這些導(dǎo)體構(gòu)成的定子回路都排列在同一平面內(nèi)，導(dǎo)體間無(wú)纏繞和疊壓，也無(wú)須密封，因此散熱條件良好。

3）大截面積的導(dǎo)體有較高的強(qiáng)度和剛性，因此有較強(qiáng)的抗沖擊能力，使得整個(gè)定子系統(tǒng)緊湊且具良好力學(xué)特性。

由于本文方案EMALS的特有結(jié)構(gòu)，使得可能生成的3種渦流中，前2種或是可以設(shè)法消除，或是很微弱，而第3種渦流發(fā)生于基座中，但基座由厚重的金屬構(gòu)成，因此由此產(chǎn)生的溫升亦很微弱，且散熱條件良好。

本方案EMALS的定子迴路由單根導(dǎo)體構(gòu)成，因此很容易實(shí)現(xiàn)模塊化制造與裝配。動(dòng)子僅由永磁體、磁軛、磁屏蔽、滾輪等少數(shù)元件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)捷。因此使得整體構(gòu)成簡(jiǎn)單緊湊，易于制造、裝配、調(diào)試與維護(hù)。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，EMALS方案具有效率高、溫升低、散熱容易、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等特點(diǎn)，因此在未來(lái)的EMALS設(shè)計(jì)與研制中，將會(huì)發(fā)揮很大作用。

［1］王福金，姚智慧.艦載機(jī)的電磁彈射器設(shè)計(jì)探討［J］.電子工業(yè)專(zhuān)用設(shè)備，2009(9）:59－64.

［2］吳始棟.電磁彈射器(EMALS）及其材料［J］.中外船舶科技，2010(3）:23－29.

［3］許實(shí)章.電機(jī)學(xué)(上冊(cè)）［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1984.

［4］吳濤，田鵬.銅與鋼的異種材料擴(kuò)散焊接技術(shù)［J］.黑龍江冶金，2007(4）:30－32.

［5］王瑩，肖峰.電炮原理［M］.北京:國(guó)防工業(yè)版社，1995.

［6］空氣阻力公式的推導(dǎo)與證明(EB/OL）.http://zangxf1962.bokee.com/viewdiary.222826446.htm l.2010 － 5－1.

［7］北京盈科宏業(yè)科技有限責(zé)任公司.釹鐵硼磁鐵介紹及性能 表 ［EB/OL］.http://www.sina.com.cn/s/blog 721c407e0100ry97.htm l，2011 －07 －01.

［8］李文堯，武中華.瞬變電磁法矩形線圈自感的精確表達(dá)式［J］.地質(zhì)與勘探，2010，46(1）:160 －164.

［9］林其壬，趙佑民.磁路設(shè)計(jì)原理［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

［10］漁翁.航空母艦用的高技術(shù)彈射系統(tǒng)－直線感應(yīng)電機(jī)將代替蒸汽彈射器［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2005，27(1）.

The homopolar machine princip le applied in electromagnetic aircraft launch system

WANG Zhi-sheng
(Jinan Institute of New Technology，Jinan 250000，China）

The paper put forward the homopolar machine may be unfolded into linear motor and applied in the electromagnetic aircraft launch system(EMALS），gave a structure scheme，discussed the calculation of design parameters，and with the existing EMALSwere compared.

homopolarmachine;linearmotor;electromagnetic aircraft launch system

TM359.2，TM359.4

A

1672－7649(2014）09－0150－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.09.032

2012－12－24;

2014－07－28

王智圣(1947－），男，高級(jí)工程師，主要從事機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)與研發(fā)。