引信用磁耦合諧振系統(tǒng)復(fù)雜環(huán)境能量損耗分析

李長(zhǎng)生,李煒昕,2,張合,丁立波

(1.南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210094;2.上海無(wú)線電設(shè)備研究所,上海 200090)

引信用磁耦合諧振系統(tǒng)復(fù)雜環(huán)境能量損耗分析

李長(zhǎng)生1,李煒昕1,2,張合1,丁立波1

(1.南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210094;2.上海無(wú)線電設(shè)備研究所,上海 200090)

針對(duì)復(fù)雜鐵磁環(huán)境中磁耦合諧振裝定系統(tǒng)無(wú)法有效工作的問(wèn)題,基于電磁準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)基本理論,推導(dǎo)磁耦合諧振裝定系統(tǒng)渦流損耗解析表達(dá)式,分析該系統(tǒng)能量傳輸?shù)挠绊懸蛩?。?duì)不同介質(zhì)環(huán)境中的裝定系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究,研究結(jié)果表明:理論分析與數(shù)值計(jì)算、實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨于一致;渦流損耗為該系統(tǒng)不能正常工作的主要原因,且與系統(tǒng)的諧振頻率、介質(zhì)材料的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率相關(guān);若在鋼介質(zhì)的開槽間隙中加入鐵氧體磁環(huán),裝定系統(tǒng)20 ms后可以正常工作,能滿足引信的裝定要求;該結(jié)論對(duì)磁耦合諧振裝定系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的工程化設(shè)計(jì)提供參考。

兵器科學(xué)與技術(shù);磁耦合諧振;引信;裝定系統(tǒng);復(fù)雜鐵磁環(huán)境;能量傳輸;渦流損耗

0 引言

隨著武器系統(tǒng)信息化的發(fā)展,小口徑彈藥電子引信得到了廣泛的應(yīng)用,如美國(guó)的理想單兵作戰(zhàn)武器、瑞士的“空中衛(wèi)士”AHEAD彈、單兵空炸火箭彈等。為了提高武器系統(tǒng)的毀傷性能,引信的無(wú)線裝定技術(shù)成為能量和信息同步傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù),現(xiàn)階段各國(guó)普遍采用并得到廣泛應(yīng)用的是電磁感應(yīng)裝定技術(shù)。但是,由于電磁感應(yīng)基于變壓器松耦合作用機(jī)理,裝定系統(tǒng)存在初次級(jí)耦合線圈的有效工作距離較近、線圈匝數(shù)多、傳輸功率小及傳輸效率低等缺點(diǎn),在一些特殊場(chǎng)合無(wú)法滿足引信與火控系統(tǒng)之間的動(dòng)態(tài)、快速信息交聯(lián)。

磁諧振式無(wú)線能量傳輸技術(shù)因其具有近場(chǎng)傳輸非輻射性、高效性,能夠進(jìn)行較遠(yuǎn)距離能量傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn),在植入式醫(yī)療器件、電動(dòng)汽車充電及武器系統(tǒng)等領(lǐng)域進(jìn)行了相關(guān)研究[1]。對(duì)于武器系統(tǒng)平臺(tái),裝定系統(tǒng)周圍存在復(fù)雜的鐵磁環(huán)境,金屬介質(zhì)在發(fā)送和接收模塊形成的交變磁場(chǎng)中會(huì)改變諧振線圈的電路參數(shù)及產(chǎn)生功率損耗[2-3]。磁耦合諧振能量傳輸?shù)奶攸c(diǎn)決定了其損耗具有一定的特殊性,因受到松耦合、諧振作用等因素的影響[4],具有諧振線圈中諧振電壓高、諧振電流大、諧振頻率高等特點(diǎn)。因此,分析其損耗原因和研究其損耗特性,對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)磁耦合諧振裝定系統(tǒng),提高抗干擾性具有一定的研究意義。

目前,國(guó)內(nèi)外大量文獻(xiàn)[5-7]對(duì)磁耦合諧振無(wú)線能量傳輸?shù)膫鬏斝屎蛡鬏敼β实葌鬏斕匦赃M(jìn)行了深入的分析,提出了提高傳輸質(zhì)量的優(yōu)化方法。但是,對(duì)于復(fù)雜環(huán)境中磁耦合諧振系統(tǒng)的功率損耗和傳輸規(guī)律的研究還未深入開展,針對(duì)此部分的研究還較少,未檢索到相關(guān)文獻(xiàn)。本文針對(duì)小口徑引信,基于電磁準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)等理論,建立了磁耦合諧振裝定系統(tǒng)功率損耗數(shù)學(xué)模型,分析了磁耦合諧振能量傳輸?shù)挠绊懸蛩?并提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

1 磁耦合諧振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

根據(jù)電磁諧振耦合式能量傳輸原理[1,4],建立如圖1的磁耦合諧振裝定系統(tǒng)電路拓?fù)淠Ｐ?包括初級(jí)發(fā)射模塊(由驅(qū)動(dòng)線圈A和諧振電路S組成)和次級(jí)接收模塊(由諧振耦合電路D和接收線圈B組成)。初級(jí)發(fā)射模塊通過(guò)高頻信號(hào)發(fā)生電路、功率放大電路在驅(qū)動(dòng)線圈A周圍產(chǎn)生具有一定頻率f0的磁場(chǎng);諧振電路S通過(guò)電磁感應(yīng)接收驅(qū)動(dòng)電路的能量信號(hào),引信體上的諧振電路D與諧振電路S具有相同的諧振頻率而發(fā)生諧振從而實(shí)現(xiàn)能量傳輸,拾取線圈B通過(guò)感應(yīng)從D中獲取能量。該能量一方面經(jīng)過(guò)信息解調(diào)電路將裝定信息記錄在微處理器中,一方面經(jīng)過(guò)后續(xù)整流電路將能量?jī)?chǔ)存在電容C中。對(duì)于諧振電路S和D的工作頻率可以通過(guò)接入外部電容(CS、CD)調(diào)節(jié)到相同的頻率f0.

圖1 磁耦合諧振電路拓?fù)淠Ｐ虵ig.1 Model of resonant coupling circuits based on magnetic resonant coupling

磁耦合諧振裝定系統(tǒng)耦合結(jié)構(gòu)即傳輸通道如圖2所示,主要分為初級(jí)骨架、次級(jí)磁芯、初級(jí)發(fā)射模塊、次級(jí)接收模塊和引信電路,圖中金屬介質(zhì)為武器平臺(tái)供彈通道校正體的材料。磁耦合諧振裝定系統(tǒng)由信號(hào)發(fā)生電路、功率放大電路在初級(jí)發(fā)射模塊周圍產(chǎn)生周期變化的電磁場(chǎng),向周圍金屬介質(zhì)和次級(jí)接收模塊進(jìn)行電磁擴(kuò)散;同時(shí)次級(jí)接收模塊通過(guò)電磁諧振產(chǎn)生諧振電壓,在次級(jí)磁芯中也會(huì)感應(yīng)渦流。

圖2 磁耦合諧振系統(tǒng)耦合結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.2 The cutaway view of magnetic resonant coupling system

上述電磁諧振耦合式裝定方式具有以下優(yōu)越性:傳輸效率高,可在較遠(yuǎn)距離進(jìn)行能量和信息的傳輸;與電磁感應(yīng)裝定方式相比,能量激活速度快、線圈匝數(shù)少;與炮口感應(yīng)裝定相比,裝定時(shí)間窗口長(zhǎng),初級(jí)發(fā)射模塊使用壽命長(zhǎng),提高了引信裝定信息的可靠性和裝定系統(tǒng)的使用壽命。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 渦流場(chǎng)計(jì)算模型

式中:ω為電磁場(chǎng)角頻率;γ為電導(dǎo)率;λ為電磁場(chǎng)波長(zhǎng);ε為身管的介電常數(shù)。(1)式可看作導(dǎo)體內(nèi)磁準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)近似成立的條件。

對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng),可忽略位移電流?D/?t,得

根據(jù)相應(yīng)的邊界條件和(4)式的二階微分方程,可計(jì)算其渦流場(chǎng)[8-10]的分布。

2.2 磁芯分析

對(duì)于磁芯,如圖3所示,假設(shè)電磁諧振系統(tǒng)次級(jí)接收模塊的磁芯介質(zhì)磁導(dǎo)率為μ,電導(dǎo)率為γ,為簡(jiǎn)化分析磁芯可看作為圓柱形,長(zhǎng)度可看作為無(wú)限長(zhǎng);設(shè)細(xì)長(zhǎng)磁芯的半徑為R,接收模塊中交變電流的角頻率為ω.采用圓柱坐標(biāo),按軸對(duì)稱場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算[10],假設(shè)磁芯無(wú)限長(zhǎng),磁場(chǎng)只有軸向方向z分量,且只與半徑有關(guān),感應(yīng)渦流僅有周向分量Jθ.

圖3 磁芯的模型Fig.3 Model of core

由貝塞爾函數(shù)的遞推公式,可得

2.3 鐵磁環(huán)境分析

對(duì)于初級(jí)耦合結(jié)構(gòu),如圖4所示,假設(shè)發(fā)射模塊中交變電流的角頻率為ω,初級(jí)骨架為非金屬材料,外圍校正體為金屬介質(zhì),金屬介質(zhì)的內(nèi)徑為Ri,外徑為Ro.仍為解電磁擴(kuò)散方程(4)式的問(wèn)題,同樣采用圓柱坐標(biāo),按軸對(duì)稱場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。該問(wèn)題的邊界條件為

圖4 初級(jí)耦合結(jié)構(gòu)的模型Fig.4 Model of primary coupling structure

金屬介質(zhì)在無(wú)限遠(yuǎn)處的磁場(chǎng)強(qiáng)度H應(yīng)為0,即當(dāng)kr→∞時(shí),H(r)→0,根據(jù)貝塞爾函數(shù)的性質(zhì),可得

由此,可計(jì)算單位長(zhǎng)度內(nèi)金屬介質(zhì)的渦流損耗為

2.4 損耗的優(yōu)化措施

由磁耦合諧振系統(tǒng)渦流損耗(13)式、(17)式可知,功率損耗的大小與磁耦合諧振系統(tǒng)的諧振頻率、介質(zhì)材料的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率相關(guān)。引信信息交聯(lián)系統(tǒng)的工作頻率主要由裝定數(shù)據(jù)傳輸速率和初次級(jí)模塊耦合時(shí)間窗口決定,這里假設(shè)系統(tǒng)諧振頻率1 MHz.初級(jí)耦合結(jié)構(gòu)校正體需要承受彈丸和自動(dòng)機(jī)后坐力等強(qiáng)大的沖擊,一般采用高強(qiáng)度鋼材料或者鈦合金材料。因此,只能通過(guò)改變磁路和介質(zhì)材料來(lái)減少裝定系統(tǒng)的功率損耗。

磁耦合諧振能量耦合屬于近場(chǎng)耦合,是電磁耦合的一種特殊形式。因此,依據(jù)磁屏蔽基本原理,可選用高磁導(dǎo)率材料作為次級(jí)接收模塊的磁芯,使次級(jí)接收模塊可以更多地得到初級(jí)發(fā)射模塊產(chǎn)生的磁場(chǎng)。由于磁耦合諧振系統(tǒng)的特殊性及渦流損耗的存在,磁芯介質(zhì)應(yīng)選用低電導(dǎo)率材料。同理,初級(jí)發(fā)射模塊應(yīng)該盡量遠(yuǎn)離金屬介質(zhì)(渦流損耗)和高磁導(dǎo)率介質(zhì)(磁路)。該系統(tǒng)可對(duì)校正體結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)拈_槽處理,增大初級(jí)發(fā)射模塊與金屬介質(zhì)的距離,為了簡(jiǎn)化計(jì)算這里僅對(duì)耦合窗口進(jìn)行圓形方式開槽;考慮到渦流損耗的影響遠(yuǎn)大于磁路對(duì)能量傳輸損耗的影響,可在發(fā)射模塊與金屬介質(zhì)的間隙間加入高磁導(dǎo)率、低電導(dǎo)率材料介質(zhì)。

由安培環(huán)路定律和電感定義,可得到有介質(zhì)存在的電感值

式中:μ0為真空中的磁導(dǎo)率;la為氣隙長(zhǎng)度;μr為相對(duì)磁導(dǎo)率;lm為介質(zhì)磁路長(zhǎng)度;S為磁路平均截面積。

諧振線圈在介質(zhì)環(huán)境的影響下,將改變固有的電路諧振參數(shù),根據(jù)磁耦合諧振能量傳輸?shù)奶卣?非輻射諧振通道參數(shù)的改變將會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。因此,諧振系統(tǒng)在加入優(yōu)化措施后,諧振線圈的諧振頻率仍需匹配至系統(tǒng)諧振頻率。

3 仿真分析

為簡(jiǎn)化仿真模型,減少計(jì)算時(shí)間,將驅(qū)動(dòng)線圈A和接收線圈B的電參數(shù)分別映射至諧振電路S和諧振電路D中,利用二端口網(wǎng)絡(luò)原理及磁諧振原理,基于HFSS軟件建立兩諧振電路仿真模型,根據(jù)上述分析的優(yōu)化措施分別進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,初次級(jí)模塊的磁場(chǎng)強(qiáng)度散布如圖5所示。仿真參數(shù):發(fā)射功率2 W,初次級(jí)諧振線圈半徑15 mm,諧振電感24.7 μH,諧振電容1 nF,耦合距離15 mm.

圖5 磁場(chǎng)強(qiáng)度散布圖Fig.5 Scatter plot of magnetic field strength

由圖5可以看出:磁耦合諧振裝定系統(tǒng)在周圍沒(méi)有介質(zhì)影響的空氣條件下,次級(jí)諧振電路可以正常獲得初級(jí)電路發(fā)送的磁場(chǎng)能量;接收模塊加入鋁介質(zhì)磁芯,由于介質(zhì)的渦流損耗,接收模塊僅能接收到較少的磁場(chǎng)能量;接收模塊加入鐵氧體磁芯,介質(zhì)的高磁導(dǎo)率使次級(jí)獲得到更多的磁通量,介質(zhì)的低電導(dǎo)率降低了渦流損耗,接收模塊獲得比正常情況下更多的磁場(chǎng)能量;初級(jí)發(fā)射模塊周圍加入鋼介質(zhì),由于鋼的渦流損耗及對(duì)磁路的影響(磁屏蔽)使得接收模塊幾乎接收不到磁場(chǎng)能量;初級(jí)介質(zhì)做開槽處理,雖然較多的磁場(chǎng)被介質(zhì)束縛,但仍有較少磁場(chǎng)能量被接收模塊獲得;初級(jí)發(fā)射模塊與鋼介質(zhì)的間隙加入鐵氧體,雖然減少了大量的渦流損耗,但是高磁導(dǎo)率的鐵氧體束縛了磁場(chǎng),接收模塊只可以獲得發(fā)射模塊的部分能量。

圖6為初次級(jí)模塊距離30 mm,不同介質(zhì)環(huán)境下的負(fù)載功率隨工作頻率變化的仿真與實(shí)驗(yàn)曲線。從圖6可以看出:收發(fā)端均在空氣中時(shí)傳輸效率最高;在發(fā)射模塊被鋼介質(zhì)包裹和接收模塊磁芯為鋁介質(zhì)情況下,接收模塊僅能接收到微弱的能量;發(fā)射模塊加入鐵氧體磁環(huán)后,傳輸效率較開槽方案?jìng)鬏敼β矢?仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較一致,存在的誤差與線圈損耗、諧振頻率的偏移等相關(guān)。

圖6 負(fù)載功率隨工作頻率的變化曲線Fig.6 Variation curves of load power with frequency

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證理論分析與仿真計(jì)算的正確性,設(shè)計(jì)了不同介質(zhì)環(huán)境條件下裝定系統(tǒng)的能量傳輸實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。實(shí)驗(yàn)優(yōu)化參數(shù):發(fā)射功率2 W,驅(qū)動(dòng)線圈和接收線圈5 μH,兩諧振線圈26 μH,諧振電容1 nF,負(fù)載無(wú)感電阻50 Ω,發(fā)射模塊和接收模塊線圈半徑為15 mm.

由于理論計(jì)算僅考慮系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)的能量損耗,因此無(wú)法計(jì)算非諧振狀態(tài)下的能量損耗,這里給出了諧振狀態(tài)下負(fù)載功率隨耦合系數(shù)的變化曲線,如圖8所示。不同耦合結(jié)構(gòu)的負(fù)載功率變化規(guī)律不一致,最優(yōu)負(fù)載接收功率分別在不同的耦合系數(shù)處獲得;鐵磁材料會(huì)影響傳輸通道電路工作狀態(tài),改變諧振電路能量傳輸特性;理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性,開槽和鐵氧體優(yōu)化措施可以較好地提高系統(tǒng)傳輸功率。

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.7 Experimental equipment

圖8 負(fù)載功率隨耦合系數(shù)的變化曲線Fig.8 Variation curves of load power with coupling coefficient

表1為不同磁芯材料、空氣環(huán)境、無(wú)感電阻條件下,接收線圈的輸出電壓值和傳輸通道的傳輸效率。從表1可以看出,由于鋁磁芯渦流損耗的存在,接收線圈只能獲得很低的電壓,而經(jīng)過(guò)處理后的薄片鋁磁芯阻斷了渦電流的形成,但是仍有較大的功率損耗;鐵氧體磁芯較空氣環(huán)境有較明顯的優(yōu)勢(shì)。

采用不同優(yōu)化措施對(duì)裝定系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)實(shí)驗(yàn),引信儲(chǔ)能電容47 μF的充電曲線如圖9所示。在發(fā)射模塊周圍包裹鋼介質(zhì),磁芯介質(zhì)為鋁等金屬介質(zhì)情況下,接收線圈接收到較少的能量,且充電速度較慢,不能滿足引信裝定的要求。對(duì)初級(jí)鋼介質(zhì)校正體進(jìn)行開槽處理,儲(chǔ)能電容充電電壓可以有效提高,但是充電速度依然較慢。若在鋼介質(zhì)的開槽間隙中加入鐵氧體磁環(huán),裝定系統(tǒng)20 ms后即能正常工作,滿足該引信的裝定要求。

表1 不同磁芯材料下接收線圈的輸出電壓Table 1 Output voltages of receiving coils with different material cores

圖9 儲(chǔ)能電容充電曲線Fig.9 The charging curves of energy storage capacitor

5 結(jié)論

本文基于電磁準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)理論,建立了磁耦合諧振裝定系統(tǒng)渦流損耗數(shù)學(xué)模型,分析了磁耦合諧振能量傳輸影響因素,并通過(guò)仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出以下結(jié)論:

1)影響磁耦合諧振系統(tǒng)正常工作的原因是渦流損耗和磁路,其中渦流損耗起著主要作用。

2)渦流損耗的大小與磁耦合諧振系統(tǒng)的諧振頻率、介質(zhì)材料的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率相關(guān)。

3)由于磁耦合諧振原理的特殊性,諧振系統(tǒng)在加入介質(zhì)或優(yōu)化措施后,諧振線圈的諧振頻率仍需匹配至系統(tǒng)諧振頻率。

4)若在鋁介質(zhì)的開槽間隙中加入鐵氧體磁環(huán),裝定系統(tǒng)可以正常工作,可以滿足引信的裝定要求。

5)理論分析與數(shù)值計(jì)算、實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性,這對(duì)磁耦合諧振裝定系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的工程化設(shè)計(jì)提供參考。

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Research on Energy Loss of Fuze Setting System Based on Magnetic Resonant Coupling in Complex Environment

LI Chang-sheng1,LI Wei-xin1,2,ZHANG He1,DING Li-bo1
(1.ZNDY of Ministerial Key Laboratory,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,Jiangsu,China; 2.Shanghai Institute of Radio Equipment,Shanghai 200090,China)

In order to solve the problem of that magnetic resonant coupling setting system can not work effectively in complex ferromagnetic environment,an analytical expression of eddy current losses of magnetic resonant coupling setting system is derived based on the basic theory of the electromagnetic quasi-static field,and the influence factors of the energy transmission system are analyzed.Numerical simulation and experiment study are conducted on the fuze setting system in different environments.The results show that theoretical analysis results are consistent with the numerical calculation and experimental results.The system is not working properly mainly due to eddy current loss,which is related to the resonant frequency of the system,and the permeability and conductivity of dielectric material.When ferrite bead is added in slot gap of steel media,the fuze setting system can work effectively after 20 ms,and can meet the requirement.The conclusion on magnetic resonant coupling setting system is helpful to engineering design in complex environment.

ordnance science and technology;magnetic resonance coupling;fuze;setting system;complex ferromagnetic environment;wireless power transmission;eddy current loss

TJ43

:A

:1000-1093(2014)08-1137-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.08.001

2013-04-28

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61104185、61403201)

李長(zhǎng)生(1984—),男,講師。E-mail:lichangsheng1984@163.com;李煒昕(1986—),男,博士研究生。E-mail:weixin_li@126.com;張合(1957—),男,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail:hezhangz@mail.njust.edu.cn