基于磁耦合諧振式的非接觸點(diǎn)火技術(shù)研究

劉雙慶，楊 臻，方 煒，王永艷,李 印

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051；2.中北大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，太原 030051;3.四川華川工業(yè)股份有限公司，成都 610105)

1 引言

點(diǎn)火機(jī)構(gòu)是身管武器的重要組成部分，傳統(tǒng)底火點(diǎn)火方式是將機(jī)械能或者電能通過(guò)接觸的方式將能量直接作用于底火來(lái)點(diǎn)燃發(fā)射藥，隨著彈藥技術(shù)的發(fā)展某些新型彈藥提出底火安裝在彈藥中間的要求以及新型火炮對(duì)密閉性要求的提高和無(wú)后坐力火炮的發(fā)展，火炮的擊發(fā)機(jī)構(gòu)與底火并不能直接接觸，所以通過(guò)接觸將能量作用在底火上的傳統(tǒng)點(diǎn)火方式并不能滿足上述需求，因此需要發(fā)展一種非接觸式底火點(diǎn)火技術(shù)。電磁感應(yīng)式無(wú)線能量傳輸技術(shù)在大間隙的條件下，兩線圈耦合系數(shù)較低，傳輸距離較近，但自2007年美國(guó)麻省理工學(xué)院Matin Soljacic教授及其團(tuán)隊(duì)成功點(diǎn)亮了2 m外60 W的燈泡[1-2]，無(wú)線能量傳輸技術(shù)在醫(yī)療、汽車、引信等領(lǐng)域掀起了研究熱潮，當(dāng)兩電線圈和補(bǔ)償電容組成諧振回路時(shí)傳輸距離可以達(dá)到米級(jí)[3-6]，這為無(wú)線能量傳輸技術(shù)在非接觸式點(diǎn)火方式的應(yīng)用帶來(lái)了可能，但由于武器身管大多數(shù)為金屬材料，所以國(guó)內(nèi)鮮有學(xué)者對(duì)非接觸式點(diǎn)火技術(shù)進(jìn)行研究。

1997年“金屬風(fēng)暴”武器系統(tǒng)亮相，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多學(xué)者對(duì)超高射頻武器系統(tǒng)的點(diǎn)火方式展開(kāi)研究，文獻(xiàn)[7-9]研究了超高射頻武器系統(tǒng)的點(diǎn)火方式，該系統(tǒng)采用串聯(lián)預(yù)裝填彈藥結(jié)構(gòu)，底火按照順序安裝在身管上，通過(guò)軟件和硬件控制點(diǎn)火順序依次將能量作用于底火，屬于接觸式點(diǎn)火方式。文獻(xiàn)[10]中對(duì)感應(yīng)點(diǎn)火技術(shù)的基本原理與構(gòu)成進(jìn)行了研究，其中初級(jí)線圈與次級(jí)線圈直接耦合，并未加入補(bǔ)償電容使兩線圈進(jìn)入諧振狀態(tài)，其缺點(diǎn)是傳輸距離較近。文獻(xiàn)[11]中通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型分析了鈦合金炮管內(nèi)的電磁場(chǎng)穿透特性，得出了諧振頻率只有小于特定頻率時(shí)滿足引信充電的要求，并沒(méi)有進(jìn)行詳細(xì)分析骨架材料的電導(dǎo)率和相對(duì)磁導(dǎo)率對(duì)穿透的特性的影響。

本文中建立了磁耦合諧振式點(diǎn)火系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分別從骨架材料的電導(dǎo)率和相對(duì)磁導(dǎo)率以及磁芯厚度對(duì)互感的影響進(jìn)行了分析，完成了基于磁耦合諧振式的非接觸點(diǎn)火系統(tǒng)在身管武器上原理樣機(jī)試驗(yàn)。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)身管武器的特點(diǎn)，非接觸式點(diǎn)火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其特點(diǎn)是，不需要改動(dòng)武器的結(jié)構(gòu)，只需通過(guò)合理的設(shè)計(jì)在骨架繞上一定匝數(shù)的初級(jí)線圈和在底火上纏繞一定匝數(shù)的次級(jí)線圈即可實(shí)現(xiàn)非接觸式點(diǎn)火功能。

圖1 非接觸式點(diǎn)火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the non-contact ignition system

本文中設(shè)計(jì)的非接觸式點(diǎn)火系統(tǒng)電路如圖2所示，主要包括直流電源、逆變器、補(bǔ)償電容、初級(jí)線圈、次級(jí)線圈、整流電路和底火，當(dāng)初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間的耦合距離較大時(shí)，漏磁較為嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸性能降低，因此采用磁耦合諧振式的無(wú)線能量傳輸方案，通過(guò)補(bǔ)償電容使兩電路發(fā)生諧振，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量的傳輸[12-15]。

圖2 非接觸式點(diǎn)火系統(tǒng)電路框圖Fig.2 Circuit block diagram of the non-contact ignition system

3 系統(tǒng)工作原理

圖3 系統(tǒng)耦合諧振電路圖Fig.3 System coupling resonance circuit diagram

根據(jù)基爾霍夫定律：

(1)

式中：

(2)

根據(jù)式(1)求得，可得回路中的電流關(guān)系：

(3)

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生諧振時(shí)，發(fā)射回路和接收回路線圈電壓與串聯(lián)的諧振電容電壓矢量和為0，即感抗和容抗相互抵消，此時(shí)電路中的電流達(dá)到最大值，則：

(4)

此時(shí)傳輸效率為：

(5)

由式(5)可知，系統(tǒng)傳輸效率不僅與底火電阻阻值有關(guān)，而且與系統(tǒng)的諧振頻率、初級(jí)線圈和次級(jí)線圈互感、線圈內(nèi)阻密切相關(guān)。

醫(yī)院管理者與財(cái)務(wù)會(huì)計(jì)人員應(yīng)積極重視當(dāng)前醫(yī)院財(cái)務(wù)會(huì)計(jì)內(nèi)部控制存在的問(wèn)題，從提高重視程度，加強(qiáng)人員培訓(xùn)出發(fā)，建立健全科學(xué)的內(nèi)控機(jī)制與體系，確保醫(yī)院內(nèi)部審計(jì)部門發(fā)揮更重要的作用，進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)內(nèi)部的監(jiān)督與核查，對(duì)現(xiàn)存不足加以改進(jìn)，才能全面提高醫(yī)院的綜合實(shí)力，推動(dòng)醫(yī)院的經(jīng)營(yíng)與發(fā)展。

計(jì)算分析得出傳輸效率的大小由底火電阻阻值和互感決定。針對(duì)本文中研究的諧振電路，諧振頻率f=100 kHz，R1=0.15 Ω，R2=0.09 Ω，底火阻值為1～3 Ω，互感為0.1～0.3 μH，則傳輸效率與互感、底火電阻的關(guān)系如圖4所示。

圖4 傳輸效率與互感、底火電阻關(guān)系圖Fig.4 Diagram of transmission efficiency with mutual inductance and primer resistance

由圖4可知，當(dāng)固定初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的互感M，底火電阻RL從3 Ω遞減到1 Ω時(shí)，傳輸效率η0增幅并不明顯，但當(dāng)固定底火電阻RL，兩線圈互感M從0.1 μH增加到0.3 μH時(shí)，傳輸效率η0增幅明顯。分析結(jié)果表明傳輸效率η0受互感M的影響更為明顯。

4 影響系統(tǒng)互感主要特征參數(shù)研究

4.1 骨架材料對(duì)互感的影響

該系統(tǒng)通過(guò)初級(jí)線圈和次級(jí)線圈間的電磁耦合實(shí)現(xiàn)非接觸式能量的傳輸，初級(jí)線圈纏繞在骨架上，所以需要研究骨架材料對(duì)系統(tǒng)互感的影響。根據(jù)電磁學(xué)方程，骨架材料的電導(dǎo)率σ和相對(duì)磁導(dǎo)率μr是影響互感的2個(gè)重要因素。

為了分析骨架材料的電導(dǎo)率和相對(duì)磁導(dǎo)率對(duì)互感的影響程度，在Maxwell軟件中建立三維仿真模型如圖5所示，初級(jí)線圈匝數(shù)和次級(jí)線圈匝數(shù)均為5匝。

圖5 仿真模型圖Fig.5 Simulation model diagram

令骨架相對(duì)磁導(dǎo)率為1，當(dāng)骨架材料電導(dǎo)率σ為1 000 S/m、10 000 000 S/m，磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖如圖6所示。

圖6 骨架不同電導(dǎo)率磁場(chǎng)分布情況Fig.6 Magnetic field distribution of different conductivity of skeleton

由圖6可知，當(dāng)電導(dǎo)率為1 000 S/m，磁感線穿透了骨架，當(dāng)電導(dǎo)率達(dá)到10 000 000 S/m時(shí)，已無(wú)磁感線穿透骨架。

為進(jìn)一步探究骨架電導(dǎo)率σ對(duì)系統(tǒng)互感的影響關(guān)系，以骨架材料的電導(dǎo)率σ為變量，得到兩線圈互感M與電導(dǎo)率σ的關(guān)系如圖7所示，其中橫坐標(biāo)電導(dǎo)率采用的是對(duì)數(shù)形式。

圖7 互感與骨架電導(dǎo)率關(guān)系圖Fig.7 Diagram of mutual inductance and skeleton conductivity

圖8 骨架電流密度云圖Fig.8 Skeleton current density nephogram

為了分析骨架相對(duì)磁導(dǎo)率對(duì)互感的影響，根據(jù)對(duì)骨架電導(dǎo)率的分析可知，獲得較大的互感值，需要選擇電導(dǎo)率較小的材料，令骨架材料的電導(dǎo)率為10 S/m，當(dāng)骨架材料相對(duì)磁導(dǎo)率μr分別為1、4 000時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖如圖9所示。

圖9 骨架不同相對(duì)磁導(dǎo)率磁場(chǎng)分布情況Fig.9 Magnetic field distribution of different relative permeability of skeleton

由圖9可知，當(dāng)相對(duì)磁導(dǎo)率μr為1時(shí)，磁感線可以穿透骨架，當(dāng)相對(duì)磁導(dǎo)率μr為4 000時(shí)，磁感線不能穿透金屬骨架，且大多數(shù)磁感線主要集中在骨架上。

為進(jìn)一步探究骨架相對(duì)磁導(dǎo)率μr對(duì)系統(tǒng)互感的影響關(guān)系，以骨架材料的相對(duì)磁導(dǎo)率μr為變量，可以得到互感M與相對(duì)磁導(dǎo)率μr的關(guān)系如圖10所示。

圖10 互感與骨架相對(duì)磁導(dǎo)率關(guān)系圖Fig.10 Diagram of mutual inductance and relative permeability of skeleton

由圖10可知，隨著金屬管相對(duì)磁導(dǎo)率的增加，線圈間的互感會(huì)減小，在骨架相對(duì)磁導(dǎo)率從1遞增到100時(shí)，互感M由118.76 nH減少到52.55 nH，減小了55.75%，當(dāng)骨架相對(duì)磁導(dǎo)率超過(guò)200之后，隨著骨架相對(duì)磁導(dǎo)率的增大，兩線圈互感減少的速度開(kāi)始緩慢下降，當(dāng)增大到一定數(shù)值后，線圈互感基本保持不變。主要原因是骨架的相對(duì)磁導(dǎo)率越高，在磁場(chǎng)中磁阻越小，使得空間中的磁場(chǎng)將被約束到骨架中，造成初級(jí)線圈和次級(jí)線圈互感降低。

根據(jù)對(duì)骨架電導(dǎo)率和相對(duì)磁導(dǎo)率的分析可知骨架電導(dǎo)率和相對(duì)磁導(dǎo)率的差異，是影響互感的重要因素，因此骨架要選擇電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率較低的材料，身管武器常用材料電導(dǎo)率和相對(duì)磁導(dǎo)率如表1所示，只有鈦合金電導(dǎo)率相對(duì)較小，但與絕緣介質(zhì)相比還是較大。小口徑身管武器膛壓一般不超過(guò)500 MPa，目前隨著高強(qiáng)度陶瓷技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可采用陶瓷作為骨架材料提升兩線圈之間的互感。

表1 不同骨架材料的電導(dǎo)率和相對(duì)磁導(dǎo)率Table 1 Conductivity and relative permeability of different skeleton materials

4.2 不同磁芯厚度對(duì)互感的影響

初級(jí)線圈和次級(jí)線圈有較大的間隙，需要在次級(jí)線圈中間加入鐵氧體作為磁芯，由于鐵氧體的磁導(dǎo)率較高，所以在加入磁芯后兩線圈的互感會(huì)增大。TDK公司生產(chǎn)的PC95在100 kHz頻率時(shí)有較好的溫度穩(wěn)定性[17]，因此本文中以PC95磁性材料作為磁芯，磁芯厚度會(huì)對(duì)兩線圈的互感產(chǎn)生一定的影響，仿真模型如圖11所示。

圖11 帶磁芯三維仿真模型Fig.11 Three-dimensional simulation model with magnetic core

互感M與磁芯厚度d的關(guān)系如圖12所示，磁芯厚度d從0.7 mm遞增到2.7 mm時(shí)，隨著磁芯厚度的增加，互感增幅明顯，當(dāng)磁芯厚度d超過(guò)2.7 mm后隨著磁芯厚度d的增加，互感增加速度開(kāi)始變緩。過(guò)多的增加磁芯厚增大了體積和質(zhì)量，因此在選擇磁芯厚度的時(shí)要考慮彈藥的尺寸及質(zhì)量。

圖12 互感與磁芯厚度關(guān)系圖Fig.12 Diagram of mutual inductance and core thickness

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于上述分析，為了驗(yàn)證非接觸點(diǎn)火技術(shù)的可靠性，初級(jí)線圈纏繞到陶瓷骨架上裝入到金屬身管內(nèi)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖13所示。

圖13 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.13 Experimental platform

將底火放入到身管內(nèi)，該裝置工作頻率為100 kHz，底火等效發(fā)火電阻為1.2 Ω，測(cè)得底火端電壓如圖14所示，峰值可達(dá)到11 V，將底火安裝到密閉爆發(fā)室中，其中示波器CH1通道與密閉爆發(fā)器的壓力傳感器連接，CH2通道與底火連接，均為上升沿觸發(fā)，測(cè)得底火發(fā)火延遲時(shí)間為0.2～0.7 ms；為了進(jìn)一步驗(yàn)證陶瓷骨架方案的可行性，在某型身管武器上進(jìn)行了多次內(nèi)彈道試驗(yàn)，底火均可靠發(fā)火，內(nèi)彈道試驗(yàn)后陶瓷骨架肉眼觀察無(wú)變形，無(wú)破損，強(qiáng)度可靠，如圖15所示。結(jié)果表明，本文中所研究的基于磁耦合諧振式的非接觸點(diǎn)火技術(shù)可行。

圖14 底火端電壓曲線圖Fig.14 Primer terminal voltage curve

圖15 內(nèi)彈道試驗(yàn)后陶瓷骨架Fig.15 Ceramic skeleton after interior ballistic tests

6 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了一種非接觸點(diǎn)火系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于磁耦合諧振原理，通過(guò)建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，分析了傳輸效率與互感、點(diǎn)火電阻之間的關(guān)系，針對(duì)系統(tǒng)骨架材料的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率及磁芯厚度對(duì)骨架的影響進(jìn)行了三維電磁場(chǎng)仿真分析比較，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了采用陶瓷作為骨架的非接觸點(diǎn)火技術(shù)的可行性，這為非接觸式底火的設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。結(jié)合理論分析及仿真結(jié)果，得到結(jié)論如下：

1) 本文中設(shè)計(jì)的非接觸式點(diǎn)火系統(tǒng)，其傳輸效率受互感影響較大；

2) 非接觸式感應(yīng)點(diǎn)火系統(tǒng)的互感會(huì)受到骨架電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率的影響，應(yīng)選擇電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率較小的材料作為骨架，本研究中選擇的是高強(qiáng)度陶瓷；

3) 在次級(jí)線圈中間加入鐵氧體磁芯會(huì)提高兩線圈之間的互感，隨著磁芯厚度增加，互感先增大后趨于不變。