同步感應線圈發(fā)射器電磁場研究

曲東森，王成學，王慧錦，劉海洋

（海軍航空工程學院a.研究生管理大隊；b.指揮系，山東煙臺264001）

同步感應線圈發(fā)射器電磁場研究

曲東森a，王成學b，王慧錦b，劉海洋a

（海軍航空工程學院a.研究生管理大隊；b.指揮系，山東煙臺264001）

同步感應線圈發(fā)射器（Synchronous Induction Coil launcher，SICL）具有驅動線圈與發(fā)射載荷無機械接觸、推力大，適合發(fā)射大質量物體等特點，具有良好的軍事應用前景。在電磁發(fā)射過程中，SICL的驅動線圈將產生脈沖強電磁場，當磁場強度超過某一閾值時，會干擾發(fā)射載荷及周圍的電子設備的正常工作，甚至使其損壞。文章分析了SICL的工作原理，建立了其電磁場的數(shù)學模型；編制仿真程序分析了SICL的電磁發(fā)射過程，得到了放電回路的電流波形、SICL電磁場的強度及分布規(guī)律；利用搭建的電磁發(fā)射系統(tǒng)，進行了電磁發(fā)射實驗，測量了SICL的磁場分布，對比仿真結果與實驗數(shù)據(jù)，結果表明：仿真結果正確可信，研究結論對SICL的結構設計和工程發(fā)展具有一定的理論指導意義和參考使用價值。

同步感應線圈發(fā)射器；電磁場；驅動線圈；發(fā)射載荷；脈沖電流

同步感應線圈發(fā)射器（Synchronous Induction Coil Launcher，SICL），具有驅動線圈與發(fā)射載荷無機械接觸，發(fā)射推力大，適合發(fā)射大質量物體等特點，在導彈垂直發(fā)射、電磁迫擊炮及裝甲車輛防護方面有較好的應用前景，已得到了世界軍事強國的重視［1-3］。在電磁發(fā)射過程中，SICL的驅動線圈將產生脈沖強磁場，當磁場強度超過某一閾值時，會干擾發(fā)射載荷及周圍武器系統(tǒng)電子設備的正常工作，甚至使其損壞。因此，有必要對SICL發(fā)射過程中產生的電磁場進行研究。

本文以三級SICL為例，分析SICL的工作原理，建立描述SICL電磁場的數(shù)學模型和仿真模型，并進行數(shù)值仿真計算和電磁發(fā)射磁場強度測量實驗，為SICL電磁場的屏蔽防護提供參考［4-6］。

1　同步感應線圈發(fā)射器組成及工作原理

SICL主要由高功率脈沖電源、驅動線圈、觸發(fā)控制開關、電樞及發(fā)射載荷（即發(fā)射組件）組成，圖1所示為三級SICL的結構原理示意圖。

從圖1可以看出，SICL的每級驅動線圈均與相互獨立的高功率脈沖電源、觸發(fā)控制開關相連接。工作時，發(fā)射組件（由電樞和發(fā)射載荷組成）位于第一級驅動線圈的初始觸發(fā)位置時，閉合觸發(fā)控制開關，驅動線圈內有脈沖電流通過，則驅動線圈周圍將產生變化脈沖強磁場，電樞中將產生感應電流（即渦流），渦流與磁場相互作用，推動發(fā)射組件向前做加速運動，當發(fā)射組件分別到達第二、三級驅動線圈的觸發(fā)位置時，依次閉合開關，發(fā)射組件將被連續(xù)加速，直至脫離發(fā)射裝置。

圖1　同步感應線圈發(fā)射裝置組成示意圖Fig.1 Components of SICL

2　SICL電磁場的數(shù)學模型

2.1等效電路方程

圖2為三級SICL的等效電路。放電回路中，除電源、開關、電阻、電感、線圈外，加裝了續(xù)流硅堆［7-8］，主要目的是避免放電過程中放電回路的反向電流損害脈沖功率電源（圖中為脈沖電容器組），提高SICL的發(fā)射效率。

式（1）～（5）中：ia，m、id，m、ib，m分別為第m級電容器回路電流、驅動線圈回路電流和續(xù)流回路電流；Ld，m、Rd，m和Ld，m、Rm分別為第m級放電回路的自感和電阻，包括驅動線圈、連接導線、電容器組、開關的電感和電阻；Lb，m、Rb，m分別為第m級續(xù)流硅堆的電感和電阻；Mdp，m為第m級驅動線圈與電樞之間的互感；ip為電樞感應電流；Lp和Rp為電樞的電感和電阻；vp為電樞運動速度；Cm、Um0分別為第m（m=1，2，3）級放電回路的脈沖電容器電容、初始充電電壓。

圖2　SICL等效電路Fig.2 Equivalent loop circuits for SICL

2.2電磁場控制方程

由于SICL的驅動線圈與電樞均選用導電性能良好的金屬材料，可以認為其為各向同性的勻質線性材料［9］。SICL發(fā)射過程中產生的瞬態(tài)電磁場滿足Maxwell方程組，在忽略位移電流情況下，將SICL求解區(qū)域分為渦流區(qū)域（V1）與非渦流區(qū)域（V2）兩部分。其中，電樞部分屬于V1，驅動線圈、絕緣體與部分空氣屬于V2。

在V1內電磁場控制方程可表示為：

式（6）中：?表示標量電位；A表示矢量磁位；v表示磁導率；JS表示源電流密度，JS=σv×?×A。

在V2內電磁場控制方程可表示為：

等效電路方程和電磁場控制方程構成了SICL電磁場的數(shù)學模型。由于數(shù)學模型中包含矢量方程，求這些方程進行解析求解困難度很大，可采用數(shù)值方法來進行求解。

3　數(shù)值仿真

3.1物理與仿真模型

SICL的物理模型（剖視圖）如圖3所示。驅動線圈采用銅質導線密繞成多層，層與層之間用高強度絕緣彈性體澆注，以防止放電回路的脈沖電流損壞線圈；電樞為柱狀圓筒，材料為鋁合金，發(fā)射載荷選用非金屬絕緣材料制成，其重量按與發(fā)射物體的一定比例配重［10-11］。

圖3　SICL模型結構Fig.3 Structure of the SICL model

表1給出了SICL物理模型的參數(shù)和放電回路的電參數(shù)。

利用有限元分析軟件（如ANSYS），建立SICL的場路耦合分析模型，如圖4所示。

表1　SICL模型物理模型參數(shù)Tab.1 Structure parameters of the SICL model

圖4　三級SICL場路耦合模型Fig.4 Field-circuit coupling model of three-stage SICL

3.2仿真結果分析及討論

三級SICL發(fā)射過程中回路的脈沖電流見圖5。

圖5　三級回路電流隨時間變化曲線Fig.5 Loop current vs.time

從圖5可看出，每一級放電回路的放電時間很短，總時間約為6ms，而從放電開始到電流峰值的時間約為0.8ms。電流先增大后減小，波形與衰減正弦波近似。由于放電回路中增加了續(xù)流硅堆，反向電流被再次利用，回路電流的衰減較慢，有利用提高系統(tǒng)的發(fā)射效率。三級放電回路的電流峰值分別為3.72 kA、3.64 kA、3.51 kA。同時，放電過程中驅動線圈級與級之間一定程度上會相互影響，回路電流受到的干擾逐漸累積、增大，而回路電流的峰值也逐級減小。

由于驅動線圈產生的磁場與電樞渦流產生的磁場相互影響，SICL放電過程中，最大磁場時刻滯后于最大電流時刻。圖6所示為SICL最大磁場時刻2.0ms時的磁密矢量分布情況。

圖6　SICL的磁密矢量分布Fig.6 Magnetic field vector distributions of SICL

從圖6可以看出，由于SICL的結構對稱，其產生的磁場也呈對稱性分布，磁場主要集中于驅動線圈內側及上下兩端面處；2.0ms時刻磁密矢量的最大峰值為18.5 mT。

圖7所示為2.0ms時刻，電樞內部渦流分布情況。

圖7　電樞內部渦流分布Fig.7 Eddy current distributions in the armature

由圖7可知，電樞內的渦流分布不均勻，最大渦流峰值出現(xiàn)在2.0ms時刻，最大渦流位于電樞底部邊緣外側，渦流峰值為2.2×109mA/m2。電樞所受電磁力的最大部位集中于渦流密度最大處，即電樞底部受力最大，容易發(fā)生變形，應采取必要加固措施。

電磁發(fā)射過程中，SICL產生的脈沖磁場將向周圍空間擴散，磁場的強弱在徑向上與離驅動線圈中心的距離密切有關。從理論上講，離線圈中心越遠，磁場越弱［12-13］。為了分析磁場對線圈周圍電子設備的影響，需對磁場沿線圈徑向的分布情況進行定量計算。選取第1級驅動線圈底面中心為原點O，建立空間直角坐標系Oxyz（單位：mm）進行分析，如圖8所示。

圖8　磁場監(jiān)測點位置示意圖Fig.8 Location diagram of the monitoring points

以第1級放電時驅動線圈產生的電磁場為例，研究線圈的磁場強度沿線圈徑向的分布。SICL驅動線圈產生的磁場呈現(xiàn)軸對稱分布，研究其磁感應強度沿徑向的分布時，只需沿線圈徑向選取不同位置的點，通過計算（或測量）的方式，得到該點的電磁場強度即可。計算中，以驅動線圈軸向中心點所在平面z=58，與直線x=500、x=1 000、x=1 500、x=2 000的4個交：A （500，0，58）、B （1 000，0，58）、C （1 500，0，58）、D （2 000，0，58）為例，計算線圈磁場的大小。圖9所示為SICL最大磁場時刻外部磁場的分布情況。

圖9　磁場峰值時刻SICL驅動線圈與電樞外部磁場分布圖Fig.9 Magnetic field distributions of the dr ive coils and armature of SICL in magnetic peak moment

從圖9可看出，在SICL線圈徑向上，隨著徑向距離的增大，磁感應強度逐步減小。A、B、C、D四點在磁場峰值時刻的磁感應強度最大值分別為17.80 mT、8.90 mT、1.35 mT、0.09 mT。根據(jù)現(xiàn)行《電磁輻射防護規(guī)定》（GB8702-88）對低頻磁場的要求，常規(guī)電子設備正常工作的安全磁場限值為0.1 mT［14-16］。在A、B、C三點處的磁場強度均超出了電子設備的磁場安全限值，D點剛好滿足安全要求。因此，在A、B、C三點處的電子設備的正常工作將會受到嚴重影響，需要采取相應屏蔽措施。

4　模型實驗驗證

為驗證仿真結果，利用SICL實驗系統(tǒng)，研究其磁場分布情況。實驗選用測量精度較高的SC-Ⅰ型三維磁場測試儀和Rogowski線圈對SICL線圈外部磁場和放電回路的脈沖電流進行測量［17-19］（如圖10所示），得到SICL電磁發(fā)射過程中放電回路的電流波形如圖11所示，表2、3所示為A、B、C、D4個測量點磁感應強度的仿真結果與實測數(shù)據(jù)。

圖10　實驗測量儀器圖Fig.10 Measuring instruments of the experiment

圖11　回路電流實驗測量值Fig.11 Loop current measured in experiment

表2　放電回路電流仿真與實驗結果Tab.2 Comparison of results between simulation and experiment of the current peak of SICL

表3　監(jiān)測點磁感應強度的仿真與實驗結果Tab.3 Comparison of the magnetic induction intensity between simulation and experiment in magnetic peak moment

由表2、3可以看出，SICL放電回路脈沖電流的仿真結果與實驗測量數(shù)據(jù)的最大誤差為9.8%；而線圈周圍磁感應強度的仿真結果與測量數(shù)據(jù)的最大誤差為11.8%，兩者的最大誤差都在15%以內，可判定仿真結果與實驗數(shù)據(jù)吻合較好，采用的仿真方法和建立的SICL仿真模型正確可信。

5　結論

本文以三級SICL為例，介紹了SICL的工作原理，建立了其發(fā)射過程中電磁場的數(shù)學模型，編制仿真程序分析了SICL的電磁發(fā)射過程，得到了放電回路的電流波形、SICL電磁場的強度及分布規(guī)律。利用搭建的電磁發(fā)射裝置，進行了電磁發(fā)射實驗，測量了SICL的磁場分布，對比仿真結果與實驗數(shù)據(jù)，結果表明：由于驅動線圈產生的磁場呈軸對稱性分布，該磁場與電樞渦流產生的磁場相互影響，使SICL發(fā)射過程中的最大磁場時刻滯后于最大電流時刻；沿SICL的徑向，隨著離線圈中心距離的增大，磁感應強度逐步減??；當電容器的充電電壓一定時，應根據(jù)電子設備的位置，分析判斷線圈產生的電磁場對電子設備的影響，必要時需采取屏蔽措施。研究成果對于SICL的結構設計和工程應用具有一定的理論指導意義和參考使用價值。

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Research on Electromagnetic Field of Synchronous Induction Coil Launcher

QU Dongsena，WANG Chengxueb，WANG Huijinb，LIU Haiyanga
（Naval Aeronautical and Astronautical University a.Graduate Students'Brigade；b.Department of Command，Yantai Shandong 264001，China）

Synchronous induction coil launcher（SICL），having a good military application prospect，is taken widely attention with no mechanical contact between drive coil and armature，high thrust，appropriate for launching heavy loads.The electromagnetic interference（EMI）which is generated by high EM field on launching load and the surrounding electronic instruments will affect their normal operation and the electronic instruments will be damaged them when the magnetic filed intensity going beyond the limit.So the magnetic field of SICL should be studied.The transient pulsed current and the EM field of coil launcher and launching load were obtained by modeling and simulation of SICL with simulation software.By using the experimental system，the measured pulsed current value and the magnetic induction intensity value of SICL were got，which were close to the simulation results.So it is showed that the simulation results were reliable and the conclusion could provide theoretical direction and reference value for research on the structure design and engineering application of SICL.

SICL；electromagnetic field；drive coil；launching load；pulsed current

TJ768

A

1673-1522（2016）05-0567-06

10.7682/j.issn.1673-1522.2016.05.012

2016-05-16；

2016-07-19

曲東森（1988-），男，碩士生。