感應電磁推進器繞組電磁設計

李貞昕，熊 玲，程軍勝，王秋良

(1.中國科學院電工研究所，北京 100190； 2.中國科學院大學，北京 100049)

感應線圈型電磁推進裝置是一種重要的電磁推進方式，具有推力大、加速快、非接觸等特點[1]。同步線圈推進器一般采用分立的多級驅動線圈，單相激勵工作，該種線圈推進器需要開關動作與次級精確同步，控制和功率調節(jié)系統(tǒng)較為復雜[2]。且同步線圈推進器加速度小，不利于短程加速。傳統(tǒng)的異步線圈型推進器使用圓筒形線圈作為其激勵線圈，該種全封閉式的激勵線圈限制了動子形狀，迫使動子必須也為圓筒形。對一些大型非圓筒狀的拋體，比如無人機、艦載戰(zhàn)斗機等電磁推進，需要對傳統(tǒng)的圓筒型線圈推進器的初級結構進行改良。由雙邊直線感應電動機驅動的軌道交通車輛多采用短初級結構，其制造成本低但推進速度小[3]，在電磁推進系統(tǒng)中，由于要采用大功率脈沖的方式供電，采用短初級結構在高速運行的初級繞組必須通過滑動電刷或者移動電纜饋電，成本高，可靠性和安全性低[4]，而長初級結構不存在這種問題。美國艦載的電磁炮裝置就使用了雙邊直線結構，2015年，美國海軍在福特號航母上面進行了電磁彈射實驗，成功彈射出一個重量超過36噸的物體，同年11月，美國裝載有電磁推進裝置的驅逐艦成功下水。標志著電磁推進技術正式在軍事領域得到應用[4]。

在電磁推進器電磁結構設計方面，中科院電工所閆萍教授等[5]以及南京理工大學等均對軌道式推進器炮管形狀進行研究，西南交通大學王豫教授等[4，17]則對多極距型推進器的炮管構型進行結構參數分析。而基于上文闡述的各類原因，本文將開展對感應電磁推進器初級繞組形狀的優(yōu)化設計，滿足對不規(guī)則拋體的短程高速推進要求[6]?；陔p邊電機的結構形式[8，15]，有一種將封閉的圓筒型改為一組兩邊相對的開放式雙邊結構[3]。在此基礎上，本文提出了一種不同于雙邊型與圓筒型的半開放式初級線圈結構，該結構彌補了雙邊型漏磁大與圓筒型動子結構單一的不足[9-11]。對“T”字型和“U”字型的推進器在繞線方式、電磁場分布、動子推進方向受力、出口速度、推進效率等方面進行比較分析。本文僅研究兩種結構的推進器在推進方向上的性能指標，未涉及垂直推進方向上相關參量的優(yōu)化與分析。

1 物理模型

1.1 推力方程

本文所介紹的感應電磁推進器中，鋁制的次級線圈置于初級線圈內部，受到初級線圈的磁場激勵而感生渦流，繼而受力運動。由于驅動線圈固定不動，次級受到推進方向的推力而前進，現用有限元割分的方法將次級劃分為多個小的導體片，先計算出每個小導體片上的推力，然后進行疊加，從而求出整個次級所受到的推進力[13-15]。

根據安培力定律，次級線圈的推進方向受力為

(1)

對該模型進行有限元分析，該模型如圖1所示。

圖1 次級導體分片示意圖

根據磁通連續(xù)的原理，體磁通Φt為

Φt=∮A1B·dS+∮A2B·dS+∮ArB·dS

(2)

則可以得出驅動線圈在次級線圈上產生磁場的徑向分量：

(3)

若含有由Nd個初級線圈和Np個次級導體片，則次級沿推進方向所受到的合力為

(4)

1.2 推進效率方程

推進效率η為次級線圈的動能增量與系統(tǒng)總輸入能量的比值，本文只針對第一段加速進行研究，次級在開始第一段瞬間表面還沒有產生感應電流，因此次級此時儲能Wm=0。

推進效率η：

(5)

2 系統(tǒng)構成

2.1 脈沖電源和驅動線圈連接方式

本文所提到的電磁推進器使用電容器儲能式脈沖功率電源供電，利用脈沖電容器的大功率輸出特性，滿足電磁推進的高功率要求。采用3組脈沖電源模塊配合工作，為異步控制電磁推進器供電。每組脈沖電源模塊由脈沖電容器組、大功率晶閘管放電開關、續(xù)流二極管、觸發(fā)與保護系統(tǒng)、電流測量系統(tǒng)等構成。

由式(4)可知，次級所受推力與初、次級的電流有關，因此初級線圈的連接方式將會影響次級受力。驅動線圈的連接方式分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種，圖2、圖3所示為單段6個驅動線圈的系統(tǒng)電路模型。

圖2 電容式電磁推進器并聯(lián)供電電路示意圖[12]

圖3 電容式電磁推進器串聯(lián)供電電路示意圖[12]

本文的兩種驅動線圈結構分別采用串聯(lián)和并聯(lián)兩種方式供電并進行仿真模擬。

2.2 初級繞組模型建立

本文基于雙邊電機的結構形式，借鑒了可以搭載拋體的 “T”字型次級結構，但該種T字結構與傳統(tǒng)的圓筒形電磁推進器相比，磁路開放性較強，漏磁大，因此在雙邊“T”字型推進器的基礎上加以優(yōu)化，提出了一種半封閉式的“U”字型結構。根據預設的1 kg、100 m/s的推進要求，核算能量利用率，從而得出電壓與電容值范圍，并估算出脈沖電源的峰值電流，由該電流推導出初級繞組的匝數，計算出初級的線寬以及極矩等參數?，F對“T”字型推進器與“U”字型推進器進行建模仿真。

如圖4所示為一種“T”字型的雙邊電磁推進裝置[16-17]，其中兩邊深色部分為其銅制的初級繞組線圈，銅線圈使用環(huán)氧FR4材料做為骨架，起到支撐、絕緣的作用。

圖4中淺色“T”字型裝置為帶有裝載平臺的動子，其豎直部分在定子(激勵線圈)產生的磁場中受到洛倫茲力作用而向前運動，水平的裝載平臺可以用來裝載不同形狀的拋體，使拋體與動子(感應線圈)一起運動。

如圖5所示為一種“U”字型的電磁推進裝置，其中深色部分為其初級繞組線圈，淺色“U”字型裝置為帶有裝載平臺的動子，其各部分作用以及推進機理均與“T”字型推進器相同。四種推進器的結構參數見表1。

圖4 “T”字型電磁推進器模型圖(不含骨架)

圖5 “U”字型電磁推進器模型圖(不含骨架)

3 建模仿真與對比分析

基于以上分析，結合預設指標估算出電容與電壓的取值范圍，在此范圍內對兩種結構的推進器進行了大量的計算仿真，表2中列出了最優(yōu)組合值。通過對比發(fā)現推進1 kg動子時，兩種推進器在5 000 V左右的電壓下可獲得最優(yōu)的速度曲線?，F對本文的4種推進器的推進效率進行計算、比較，本文推進器繞組匝數均設置為14匝，通過調整匝數可增加其推進效率。

表1 四種推進器結構參數

其中，a為銅線圈高度，b為銅線圈寬度，c為動子高度。

表2 推進器電參數

對比表格數據：串聯(lián)式繞組的推進效率明顯高于并聯(lián)式繞組，說明串聯(lián)式繞組的能量利用率高；由于串聯(lián)分流，使串聯(lián)式推進器的峰值電流明顯小于并聯(lián)式，脈沖電容供電的電磁推進器對大功率放電開關的要求很高，電流峰值越小，開關的可靠性就越高，因此在運行可靠性上，串聯(lián)式推進器優(yōu)勢更明顯；“U”字型推進器的效率和出口速度均高于“T”字型；串聯(lián)式推進器所需的電容容量小于并聯(lián)式，由于脈沖電容的體積大質量重，所需電容量越少的推進器的實用性更強。綜上，“U”字型串聯(lián)式電磁推進器更具有優(yōu)勢。

3.1 “T”字型推進器仿真分析

對兩種T字型的電磁推進器進行建模仿真，感應型電磁推進裝置的推進原理與感應電機類似，驅動線圈產生的磁場與感應線圈中的感生磁場所圍成的平行四邊形面積即為轉矩，電磁推進器中驅動線圈被固定，轉矩即為感應線圈所受到的推力。選取推進過程中磁場最大與最小時刻的磁場云圖，如圖6所示。并聯(lián)與串聯(lián)式推進器在推進過程中的推力曲線如圖7所示。

圖6 “T”字型電磁推進器動子磁場云圖

1.5 ms時，“T”字型并聯(lián)推進器動子受到的感應磁場與激勵磁場的矢量平行四邊形面積最大，沿推進方向向前，此時動子的感應磁場為推進過程中的最大值，結合推力曲線可以看出，此時動子的推進力也為最大值。0.5 ms處，雖然動子的感應磁場模值高于1.5 ms處的磁場模，但它與激勵磁場的叉乘積方向為推進方向的反方向，因此此處的推力為負值，這與并聯(lián)繞組的排布有關。

對于串聯(lián)式推進器，電源系統(tǒng)爆發(fā)式地向驅動線圈提供一個脈沖大電流，而后此電流又迅速衰減，于是在1ms時動子內迅速感生出了推進過程中的最大磁場，隨后各相脈沖電流注入驅動線圈，但此時動子內已經有了感生渦流，所以第一次磁場峰值過后，第二次的峰值將低于第一次，在推力曲線中也可以看出這種走勢。磁場與推力曲線的走勢還與繞組的排布有很大的關系，現結合速度曲線對其進行分析比較?！癟”字型串聯(lián)與并聯(lián)推進器速度曲線如圖8所示。

圖7 “T”字型電磁推進器推力曲線

圖8 “T”字型電磁推進器速度曲線

通過對比發(fā)現，串聯(lián)與并聯(lián)式推進器動子受力曲線走勢明顯不同，因為串并聯(lián)三相繞組的排列方式不同，見表1。

結合磁場云圖與推力曲線可以看出，“T”字型并聯(lián)推進器動子在推進初期所受到感應磁場與激勵磁場所組成的矢量力方向沿推進方向的負方向，即并聯(lián)繞組排列方式使并聯(lián)式推進器在推進初期存在一個反向推力。在脈沖電源激勵下，A、B、C三相按照預先設置好的脈沖時序依次通入電流，推進開始時，動子在受到A+相產生的推力時，同時受到A-相的拉力，脈沖電源的爆發(fā)式放電導致動子在推進開始時受到的拉力大于推力，合力為負。隨著ABC三相均通入電流之后，系統(tǒng)能量逐步轉換為動子的動能，使動子前進。 串聯(lián)繞組激勵下的動子經過兩段加速，在1.8 ms左右勻速前進，因為此時動子尾部離開了C+相，動子不再受A+、B-、C+相的磁場，且C+與A-的距離大于三相之間的距離，此時動子所受推力急劇下降。而進入到下一段加速段內，動子再次受到與第一段相同的推力作用，加上動子此時儲存了部分動能，第二段加速度更高，最終加速至出口速度。從速度曲線圖中可以看出串聯(lián)式推進器速度曲線較并聯(lián)繞組的速度曲線平緩，且其最終的出口速度高。

3.2 “U”字型推進器仿真分析

對兩種“U”字型的電磁推進器進行建模仿真，其推力產生原理與“T”字型相同，選取推進過程中磁場最大與最小時刻的磁場云圖，如圖9所示。

圖9 “U”字型電磁推進器動子磁場云圖

由式(3)、式(4)得：動子磁場與推力均與電感梯度和電流有關，電源電壓相同時，串聯(lián)繞組的互感梯度高于并聯(lián)繞組，對比上圖可得，串聯(lián)式推進器的磁場明顯強于并聯(lián)式，串聯(lián)式推進器的動子在推進初期感生的磁場明顯高于并聯(lián)式。兩種繞組形式的推力曲線如圖10所示。

圖10 “U”字型電磁推進器推力曲線

通過式(1)，動子所受推力的模值正比于動子中的感生磁場，串聯(lián)式推力曲線與磁場云圖對比可以看出，串聯(lián)式推進器在1.4 ms處為磁場的一個峰值，此時的推力也達到一極大值，2 ms左右磁場進入低谷，此時的推力也達到極小值。對比上示兩圖，并聯(lián)式推進器的推力震蕩很大，原因與“T”字型相同，是由并聯(lián)繞組排列方式造成的，這將導致動子的加速度時正時負，速度不斷震蕩。串聯(lián)與并聯(lián)式推進器的推進速度曲線如圖11所示。

圖11 “U”字型電磁推進器速度曲線

通過對比速度曲線可以發(fā)現，“U”字型電磁推進器并聯(lián)繞組的速度曲線震蕩很大，與上文的分析相吻合。串聯(lián)式推進器對動子有兩個推力峰值，因此串聯(lián)繞組激勵下的動子經歷了兩段近似恒加速度加速，在推力極小值附近加速度幾乎為零，動子做近勻速運動。綜上，串聯(lián)繞組的速度曲線較并聯(lián)繞組的速度曲線平緩，無震蕩，且其最終的出口速度高。

3.3 兩種結構串聯(lián)式繞組對比分析

上述證明在兩種結構的推進器中，串聯(lián)式推進器的推進性能優(yōu)于并聯(lián)式，對比圖8與圖11中兩種結構的串聯(lián)速度曲線可以看出，“U”字型串聯(lián)式推進器的最終推進效果優(yōu)于“T”字型；且“U”字型的電磁利用率高。沿動子尾部，在垂直推進方向取一截面，分別選取動子開始運動的時刻，繪制兩種結構的串聯(lián)式推進器的電磁線分布，如圖12所示。

圖12 兩種串聯(lián)式推進器磁場等值線分布

圖12中已標出串聯(lián)式初級繞組高度。從圖12可以清楚地看出，“T”字型推進器的漏磁大于“U”字型?！癠”字型推進器的半封閉結構可以將驅動線圈所產生的磁場禁錮在其內部，而“T”字型推進器的開放式結構在驅動線圈端部產生大量漏磁，且由于驅動線圈端部的曲率高，使得端部的磁場高于兩平板之間的有效磁場，造成了能量損失。

綜上，“U”字型串聯(lián)式推進器的漏磁小，能量利用率高。

4 結論

1) 對驅動線圈采用串聯(lián)的方式供電時，推進速度為并聯(lián)式供電的2～3倍，推進效率為并聯(lián)式13～25倍，且推進穩(wěn)定性強，推進速度曲線無明顯波動。

2) “U”字型驅動線圈在推進拋體時，與“T”字型驅動線圈相比，推進磁場強，推進效果好，能量利用率高。

3) “U”字型推進器的初級繞組漏磁少，可以將磁場禁錮在初級繞組內部。而“T”字型推進器在初級繞組端部漏磁現象嚴重，使得其有效磁場小。

4) 電壓相同的情況下，串聯(lián)式推進器所需的電容容量低于并聯(lián)式，但串聯(lián)式推進器的最終出口速度反而高于并聯(lián)式推進器。說明串聯(lián)式推進器的經濟性和實用性均優(yōu)于并聯(lián)式推進器。