發(fā)電儲能接電一體的熱電池激活裝置

張美絨，楊振興，李福松

(西安機電信息技術(shù)研究所，陜西 西安　710065)

?

發(fā)電儲能接電一體的熱電池激活裝置

張美絨，楊振興，李福松

(西安機電信息技術(shù)研究所，陜西 西安710065)

針對雙磁鋼單繞組磁電機不能激活使用較鈍感電火工品熱電池的問題，設計了發(fā)電儲能接電一體的雙繞組熱電池激活裝置。該裝置為雙繞組的雙磁鋼磁電機，通過儲能電容器對所發(fā)電能存儲，并利用磁電機磁芯部件的慣性運動接電。實驗室靜態(tài)和靶場動態(tài)試驗結(jié)果表明，該激活裝置能可靠激活熱電池內(nèi)阻2～4 Ω的電火工品。

引信；熱電池；激活裝置；磁電機；儲能電路；接電機構(gòu)

0　引言

熱電池的激活方式主要有擊針-火帽機械激活和外電源激活兩種[1]。利用外電源引爆電點火頭發(fā)火而引燃加熱片激活，具有作用迅速、準確，所需起始沖能小，并且由于電點火頭裝藥成份比較單純，對電解質(zhì)影響小，有輸出噪聲小等優(yōu)點。但是引信因為沒有電源才配置電池，電池還要電源激活，是個難題。航空炸彈等彈藥可以由載機提供電源，但是要涉及多個系統(tǒng)，很麻煩。因此機械激活一直是引信熱電池的主要激活方式。磁電機由于具有反應時間快、抗過載能力強、高低溫特性好、成本低、體積小、可百分之百無損檢測等特點[2-4]，但是其輸出能量較低，難以可靠點燃常用電點火頭。我國國防專利ZL93112262.7(引信用雙磁鋼聚磁結(jié)構(gòu)磁電機)[5]中公開的雙磁鋼單繞組結(jié)構(gòu)解決了此問題，因此電激活裝置也越來越受到業(yè)內(nèi)人士的重視和推廣，已成為引信熱電池激活的首選方式[1]。

目前引信熱電池多采用該專利的磁電機電激活裝置的結(jié)構(gòu)，其輸出直接引發(fā)內(nèi)阻10 Ω左右的電點火頭很可靠。但是隨著引信安全性要求的提高，要求安全電流成倍提高，使用內(nèi)阻3 Ω左右的電點火頭已經(jīng)提上日程，現(xiàn)有電激活裝置已無法可靠激活電池。針對此問題，設計了發(fā)電儲能接電一體的雙繞組熱電池激活裝置。

1　雙磁鋼單繞組磁電機電激活方案

圖1所示為現(xiàn)有雙磁鋼單繞組磁電機結(jié)構(gòu)，該磁電機可以直接作為電池用激活裝置，主要由磁芯部件和電樞部件組成。在發(fā)射過載作用下，磁芯部件剪切斷剪切銷或支耳片并克服磁阻力在電樞中心孔內(nèi)運動，電樞部件產(chǎn)生電能并通過引出線提供給熱電池，從而將熱電池激活，點火電路如圖2所示。該種磁電機的輸出電壓可按式(1)計算[6]。

圖1　結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Magnetic generator profile

(1)

考慮到剪切銷或支耳片剪斷到電機發(fā)電結(jié)束這段時間很短，將這段發(fā)射過載進行線性擬合且忽略磁場阻力，則可得：

(2)

(3)

式(1)—式(3)中：URL為負載RL兩端的電壓(V)；Rs、RL為磁電機內(nèi)阻、電點火頭的電阻(Ω)；L為磁電機的電感(H)；N為磁電機的線圈匝數(shù)；h為磁電機單個磁鋼的高度(m)；φm為磁電機單個磁鋼的磁通(Wb)；a為磁芯部件運動的加速度(與發(fā)射過載和剪切銷或支耳片被剪切斷時的過載值有關(guān))(m/s2)；K1d為磁芯部件剪切斷剪切銷或支耳片時對應的發(fā)射過載值；K2q為電機發(fā)電結(jié)束時對應的發(fā)射過載值；T為電機發(fā)電持續(xù)時間(s)。

按照參考文獻[7]最大功率傳輸理論，對于一個具有參數(shù)Vs和Rs的實際電源來說，當RL=Rs時，傳送到電阻性負載的功率最大，其值為：

(4)

即當磁電機的內(nèi)阻與電火工品內(nèi)阻相等時，其輸送給電火工品的功率最大。而電火工品的內(nèi)阻為2～4Ω的低電阻，為了與其匹配，則應選擇較粗的漆包線繞制線圈。根據(jù)式(4),在確定的空間尺寸條件下，磁電機的機械結(jié)構(gòu)和磁路結(jié)構(gòu)確定了線圈的空間尺寸，選用的漆包線越粗，磁電機線圈匝數(shù)就會減少，輸出電壓和輸出能量降低。由式(2)知，對于確定的配用產(chǎn)品而言，磁電機持續(xù)工作時間由預置的解保過載確定而變化不大，決定了磁電機與鈍感型電火工品直接連接使用，其輸出能量難以提高。

圖1所示臺階圓柱體磁電機，為雙磁鋼單繞組，外露電樞部件之外的磁芯部件周圍環(huán)形圓臺空間沒有利用，用裝配工藝件填充。如果利用工藝件填充空間，將磁電機做成單繞組線圈的結(jié)構(gòu)，線圈匝數(shù)得到提高，但此種結(jié)構(gòu)只能采用單磁鋼，我國國防專利ZL93112262.7(引信用雙磁鋼聚磁結(jié)構(gòu)磁電機)[5]已經(jīng)明確了在給定體積條件下，雙磁鋼單繞組磁電機的輸出能量明顯優(yōu)于單磁鋼單繞組的磁電機。

從式(2)和式(4)還可看出，采用單磁鋼單繞組的結(jié)構(gòu)，在增加繞線空間的同時，將會增加磁鋼的高度、線圈的內(nèi)阻與電感，線圈空間增加一倍，磁鋼的高度也會相應增加一倍、線圈的內(nèi)阻也會增加一倍，導致磁電機的輸出反而降低，得不償失。

根據(jù)式(3)可計算出，當磁芯部件剪切斷剪切銷或支耳片時對應的發(fā)射過載值K1d大于1100時，該種磁電機在發(fā)射過載直線慣性力作用下工作，其工作持續(xù)時間低于1ms。一般K1d不小于2500，磁電機工作持續(xù)時間低于0.64ms。此外，磁電機工作前段和末段的輸出電壓低于火工品的可靠發(fā)火電壓，使得可靠發(fā)火電壓供電時間進一步縮短，直接使用就會造成電火工品難以起爆。

2　發(fā)電/貯能/接電一體雙繞組激活機構(gòu)

高能激活方案采用發(fā)電、貯能和接電一次完成的結(jié)構(gòu)，包括高能磁電機、儲能電路、剪切銷、接電開關(guān)和外殼，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖3，激活電路原理圖見圖4。高能磁電機采用雙繞組雙磁鋼結(jié)構(gòu)，由磁芯部件和電樞部件組成；儲能電路由磁電機電樞部件、二極管和儲能電容組成，接電開關(guān)由絕緣件、接電片一、接電片二組成。

圖3　雙繞組激活裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3　constructed profile of the device with dual-windings

圖4　雙繞組激活裝置電路原理圖 Fig.4　schematic of the device

如圖3、圖4所示，通過剪切銷和支撐體限位了的高能磁電機、接電開關(guān)、儲能電路依次裝入外殼，并通過滾邊成為一體。其中，高能磁電機電樞部件繞組1和繞組2的正極引出線分別通過儲能電路中的整流二極管VD2、VD1與儲能電容器C1及接電片1聯(lián)接，負極引出線與儲能電容器C1的另一端聯(lián)接并作為激活機構(gòu)的一個輸出端，接電片2的一端作為激活機構(gòu)的另一個輸出端；兩個接電簧片通過銷釘對稱固定在兩個絕緣件端面之間。平時，由于剪切銷和支撐體鎖定了磁芯部件，磁芯部件與電樞部件不會發(fā)生相對運動，磁電機不發(fā)電，激活裝置無電能輸出。在彈丸發(fā)射環(huán)境下，當發(fā)射過載大于預定的閾值時，剪切銷被剪切斷，磁芯部件與電樞部件間產(chǎn)生相對運動，與單繞組比，雙繞組在不加大繞組阻抗或線徑的前提下增加了繞組匝數(shù)，加長了上磁芯穿過繞組的距離，提高了發(fā)電量；電樞部件的繞組1、繞組2輸出的電能分別通過整流二極管VD2、VD1儲存在儲能電容器C1上；當磁芯部件運動到末端與兩個接電簧片都接觸時，即開關(guān)S1閉合，電路接通并使電容器上的能量輸出。

首先根據(jù)熱電池所用電點火頭的100%可靠起爆的能量確定相應的儲能電容C1(也可叫起爆/發(fā)火電容)；其次，再優(yōu)化繞組2和雙磁鋼磁芯部件，使繞組2給儲能電容C1的充電電壓最大；最后，優(yōu)化繞組1，繞組1是新增加的，使其在規(guī)定的雙磁鋼磁芯部件工作時，產(chǎn)生的空載電壓與繞組2的相當，這樣即可避免兩者互為負載，通過增加繞組匝數(shù)提高輸出電壓，增大磁電機的輸出能量，這樣的結(jié)構(gòu)，理論上可使磁電機的輸出最大提高25%。

電容器作為中間過程儲能元件，將發(fā)電機的輸出能量儲存在其中，其具有充放點時間時間快、響應速度快的優(yōu)點，在此使用電容器進行儲能的另一個優(yōu)點是避免了磁電機繞組內(nèi)阻受到負載電阻的限制，也就是說繞組與電容的匹配參數(shù)不受負載電阻的影響，克服了磁電機直接連接點火頭造成對繞組參數(shù)限制的缺點。使用接電開關(guān)的優(yōu)點是將電容器積攢的電能，以瞬間放電方式完成，對火工品的放電峰值功率得到了提高，同時，進行電壓快速釋放，又降低了點火頭對其周圍環(huán)境的熱量散失，提高了能量使用效率。

接電開關(guān)有機械和電子兩類：機械開關(guān)不僅需要較大的空間，而且還存在與磁電機工作之間的時差問題，機械控制較復雜；電子開關(guān)可以解決其與磁電機工作之間的時差問題，但需要增加電路元件來控制，既要消耗電能，又要增加成本。本方案在磁電機下方，設置一對如圖3中接電片1、接電片2，磁芯部件運動到此位置，與一對接電片組合成圖4中的接電開關(guān)，實現(xiàn)了發(fā)電、儲能、接電一體化。

3　驗證

3.1能量匹配對比驗證

對經(jīng)負載匹配設計的單繞組磁電機按照圖2工作電路、雙繞組磁電機按照圖4工作電路進行了場路耦合仿真計算，兩種磁電機的初始狀態(tài)云圖和磁力線圖分別如圖5和圖6，單繞組磁電機的負載電壓曲線及能耗曲線如圖7，雙繞組磁電機對20 μF電容器輸出電壓及能量曲線如圖8。圖7中電阻負載峰值電壓為5.8 V，總能耗為4.4 mJ；圖8中穩(wěn)定后的電容電壓為27.5V，儲能7.5 mJ。

圖5　單繞組磁電機優(yōu)化仿真圖Fig.5　Result of magnetic generator with single-winding by FAE

圖6　雙繞組磁電機優(yōu)化仿真圖Fig.6　Result of magnetic generator with dual-windings by FAE

圖7　單繞組磁電機輸出電壓及能量仿真曲線Fig.7　Output voltage and power by magnetic generator with single-winding

圖8　雙繞組磁電機對電容負載輸出電壓仿真曲線Fig.8　Output voltage and power by magnetic generator with dual-windings

3.2實驗室驗證

為了進一步驗證仿真計算結(jié)果，在實驗室進行了測試和點火試驗，測試采用磁電機專用檢測裝置，該裝置已通過兵科院主持的技術(shù)鑒定，其工作沖擊速度在10 m/s左右，以經(jīng)驗判定，磁芯部件獲得的沖擊力相當于大約3 500g過載值。

1)在實驗室進行優(yōu)化后單繞組磁電機對模擬電火品內(nèi)阻輸出電性能測試試驗，測試曲線見圖9。

從測試曲線可以得知，單繞組磁電機直接對模擬負載電阻輸出電壓最大值為4.57 V，輸出總能量為2.57 mJ。

3)實驗室進行了點火測試，單繞組磁電機無法直接起爆鈍感火工品，雙繞組磁電機起爆測試曲線見圖11。

圖9　實驗室輸出測試曲線Fig.9　Test result in laboratory

圖10　實驗室輸出測試曲線Fig.10　Test result in laboratory

圖11　實驗室點火測試曲線圖Fig.11　Ignition test result in laboratory

4)單繞組最大輸出能量2.57 mJ，雙繞組磁電機電性能測試曲線可以得到的電容器上的電壓在31 V，從起爆測試點火曲線可以得到上電的最大電壓為27.92 V，計算其輸出能量為7.8 mJ；點火曲線上的兩處出現(xiàn)的毛刺為電點火頭起爆的特征，起爆后的電壓14.52 V，即剩余能量2.1 mJ，火工品消耗的能量為5.7 mJ。

3.3動態(tài)驗證

產(chǎn)品經(jīng)實驗室驗證后，在靶場進行了實彈射擊試驗。該次試驗共裝配激活裝置4發(fā)，編號分別為：0#、6#、4# 、H1。將4發(fā)有部件搭載的試驗彈全部發(fā)射后，在試驗場回收到兩只電激活裝置。電激活裝置的編號為4#和6#。對試驗彈的黑匣子讀出完整、理想的電信號，由此可以判定熱電池和電激活裝置工作正常。對其中4#電激活裝置進行了解剖，觀察工作完成后作用狀態(tài)。4#電激活裝置解剖后的狀態(tài)見圖12。

圖12　試驗后解剖圖Fig.12　Postmortem after testby shoot

4　結(jié)論

本文提出了發(fā)電儲能接電一體的雙繞組熱電池激活裝置。該裝置為雙繞組的雙磁鋼磁電機，在不加大繞組阻抗或線徑的前提下增加了繞組匝數(shù)，加長了上磁芯穿過繞組的距離，提高了發(fā)電量，通過儲能電容器存儲電能，并利用磁芯部件的慣性運動接電。實驗室靜態(tài)和靶場動態(tài)試驗結(jié)果表明，該激活裝置能可靠激活熱電池內(nèi)阻2～4 Ω的電火工品。

實驗室采用磁電機專用測試裝置進行測試，模擬條件在3 500g，動態(tài)試驗產(chǎn)品保險解除過載預置在5 000g,對于更高過載條件的輸出情況需要進一步研究。

[1]王勝華. 熱電池激活方式綜述[J]. 探測與控制學報，2011，33(4)：51-55.

[2]程順，劉飄楚，崔占忠.適合電子時間引信用新型電源[J].探測與控制學報,2004,26(2):21-23.

[3]Pergolizzi A，Ward D.Design and Development of a New Electronic Time(ET)Fuze for Mortars(XM784/XM785)[R].Dover：Army Armament Research，Development and Engineering Center, ADA393881,2001.

[4]Oberlin Richard P.One-Shot High-Output Piezoid Power Supply:USP,6198205[P].2001-03-06.

[5]薛維清.引信用雙磁鋼聚磁結(jié)構(gòu)磁電機：中國，931122627[P].1993.

[6]Li Fusong, Zhang Meirong, Yang Zhengxing，et al. The output voltage’s analytical calculation of the dual-magnet setback generator used in a fuse[C]//中國兵工學會第十六屆引信學術(shù)年會.西安：引信專業(yè)委員會，2009.

[7]鮑勃羅.線形電路分析基礎[M].北京：高等教育出版社，1985.

Thermal Battery Activator Consisting of Generator,Power Storage and Contact Switch

ZHANG Meirong, YANG Zhenxing, LI Fusong

(Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi’an 710065, China)

Aiming at the problem that the relatively insensitive electric explosive devices(EED)in thermal battery could not be activated by the magnetic generator of dual-magnet and single-winding, a device block with dual-windings combined of generator, power storage circuit and contact swith was designed. This device contained a dual-magnet dual-windings magnetic generator, electric power in capacitor, the contact swith by inertial movement of magnetic generator’s component. Static test in laboratory and shoot test results showed that the activation device could activate the EED with internal resistance 2-4 ohm in thermal battery.

fuze; thermal battery;activation device;magnetic generator;power storage circuit; contact switch

2016-03-17

張美絨(1963—)，女，陜西咸陽人，高工，研究方向：引信專用物理電源。E-mail:1174658748@qq.com。

TJ430

A

1008-1194(2016)04-0067-05