張 濤 蘇子舟 國(guó) 偉 任 人 岳娟娟

（西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099）

1 引言

電磁發(fā)射是將電能通過電磁力轉(zhuǎn)化為機(jī)械能實(shí)現(xiàn)將拋體發(fā)射的過程。與傳統(tǒng)的發(fā)射技術(shù)相比，電磁發(fā)射具有較高的出口速度和較強(qiáng)的毀傷力，能源的轉(zhuǎn)化效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全性能優(yōu)良，隱蔽性好，綜合價(jià)格也更加低廉。正是由于具有這些化學(xué)能發(fā)射無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，電磁發(fā)射的應(yīng)用也更加的廣泛，不僅應(yīng)用于超高速發(fā)射，還應(yīng)用于其他領(lǐng)域，例如電磁裝甲，無人機(jī)彈射等[1]。

電磁發(fā)射按照其原理可以分為線圈炮、軌道炮和重接炮。較之于其他的發(fā)射方式，同步感應(yīng)線圈炮具有彈丸加速力大，驅(qū)動(dòng)電流相對(duì)較小，

不與驅(qū)動(dòng)線圈直接接觸，避免了摩擦和導(dǎo)軌燒蝕，利用效率較高，壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，應(yīng)用前景非常廣闊。但是驅(qū)動(dòng)線圈的結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)也更加復(fù)雜，同步性要求比較高，高速時(shí)彈丸線圈的電流比較大，需要考慮熱力學(xué)問題[2]。

對(duì)于同步感應(yīng)線圈炮而言，相同的定子線圈和彈丸的結(jié)構(gòu)，由于觸發(fā)位置的不同，出口速度和效率也不一樣，這樣就存在一個(gè)最佳觸發(fā)位置的問題。對(duì)于相同的定子線圈，不同結(jié)構(gòu)的彈丸在最佳觸發(fā)位置、出口速度、效率等方面也有所差異。本文利用Ansoft公司的大型磁場(chǎng)分析軟件Maxwell對(duì)圓筒型和繞線型兩種結(jié)構(gòu)的彈丸進(jìn)行了定量分析，為同步感應(yīng)線圈炮實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供了理論參考。

2 同步感應(yīng)線圈炮工作原理

2.1 原理分析

同步感應(yīng)線圈炮的工作原理類似于圓筒型直線異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，定子線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)因施加的脈沖電流而發(fā)生變化時(shí)，拋體線圈產(chǎn)生感生電流，拋體線圈電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與定子線圈的磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生軸向的力推動(dòng)拋體前進(jìn)，產(chǎn)生的徑向力使彈丸懸浮。單級(jí)感應(yīng)線圈炮的工作原理，如圖1所示。

圖1 單級(jí)感應(yīng)線圈炮工作原理

感應(yīng)線圈炮的電源目前多選取具有高儲(chǔ)能密度的電容器，通過放電開關(guān)控制向驅(qū)動(dòng)線圈供電，驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生圓環(huán)電流C1，變化的電流在炮管內(nèi)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，從而金屬性質(zhì)的彈丸產(chǎn)生了與驅(qū)動(dòng)線圈同軸的環(huán)形電流C2，圓環(huán)電流C1和C2產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，從而推動(dòng)彈丸前進(jìn)。

多級(jí)感應(yīng)線圈炮利用脈沖功率電源依次對(duì)多個(gè)串列的線圈進(jìn)行放電，實(shí)現(xiàn)多級(jí)加速。多個(gè)線圈采用相同的內(nèi)徑，炮管采用非導(dǎo)磁材料。彈丸依次經(jīng)過多級(jí)線圈的逐級(jí)加速，最終將彈丸加速到發(fā)射速度。

2.2 電路模型

線圈炮的工作工程比較復(fù)雜，電、磁、機(jī)械聯(lián)系比較緊密，影響的因素比較多，為了簡(jiǎn)化分析，做了如下的簡(jiǎn)化：忽略了彈丸與炮管之間的摩擦；忽略了彈丸的空氣阻力；忽略了回路的固有電感；忽略了線圈發(fā)熱引起的結(jié)構(gòu)變化等。

在上述的簡(jiǎn)化條件下單級(jí)感應(yīng)線圈炮的電路模型如圖2所示。

圖2 單級(jí)感應(yīng)線圈炮電路模型

圖中，U0為儲(chǔ)能電容器C的初始電壓，Rd為放電回路的總電阻，Ld為驅(qū)動(dòng)線圈的電感，Lp為彈丸的總電感，Rp為彈丸的總電阻，M為驅(qū)動(dòng)線圈和彈丸之間的互感，是位置的函數(shù)。

通過以下兩個(gè)方程將兩個(gè)閉合回路聯(lián)系起來[1]。

由初始條件可得

運(yùn)動(dòng)方程

通過聯(lián)立以上的方程組，就可以得到所要求的結(jié)果，但是，互感和互感梯度是包括三階橢圓積分的復(fù)雜函數(shù)，橢圓積分是無法用初等函數(shù)表示的，這就是說方程組無法得到解析解，但是，用有限元仿真就可以得到比較好的近似結(jié)果，特別是用商用軟件，可以很輕易的求解復(fù)雜的電磁耦合問題。

3 單級(jí)感應(yīng)線圈炮有限元分析

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

本文選取了圖2所示的電路結(jié)構(gòu)，不同的是在線圈兩端反向并聯(lián)了一個(gè)二極管，以作續(xù)流之用。電容器、定子線圈參數(shù)見表1～2。

表1 電容器參數(shù)

表2 驅(qū)動(dòng)線圈參數(shù)

彈丸結(jié)構(gòu)對(duì)單級(jí)感應(yīng)線圈炮的發(fā)射有著重要影響，本文選取兩種彈丸結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，一種是圓筒型彈丸，另外一種是繞線型彈丸[7]，分別如圖3～4所示，圓筒型彈丸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，而繞線型彈丸結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，需要形成閉合回路，首尾導(dǎo)線需要經(jīng)過焊接，而且在外部需要加固裝置，以保證在高速時(shí)承受應(yīng)力作用。

圖3 圓筒型彈丸結(jié)構(gòu)

圖4 繞線型彈丸結(jié)構(gòu)

為了方便比較，選擇兩種彈丸的外形尺寸一致，內(nèi)徑均為47mm，外徑均為60mm，長(zhǎng)度均為80mm，選取的材質(zhì)也都為銅，不同的是圓筒型的彈丸為厚銅片，繞線型彈丸為200砸導(dǎo)線密繞的螺線管，首尾通過焊接短路，兩種彈丸配重后均為1kg。

3.2 仿真結(jié)果與分析

對(duì)于同一彈丸，不同的觸發(fā)位置對(duì)彈丸的出口速度影響很大，所以首先要找到這兩種彈丸的最佳觸發(fā)位置，得到最大的出口速度。以線圈的軸向中心和彈丸的軸向中心重合為中心距的零點(diǎn)，以彈丸發(fā)射方向的為正方向，利用Maxwell仿真軟件建立系統(tǒng)的仿真模型，調(diào)節(jié)彈丸的位置，計(jì)算結(jié)果分別見表3和表4。5所示，可以看出當(dāng)中心距由5mm增大到45mm時(shí)，兩種彈丸的出口速度都是先增大后減小，這表明存在一個(gè)最佳的觸發(fā)位置，使整個(gè)系統(tǒng)的效率最高。對(duì)于圓筒型的彈丸，最佳位置出現(xiàn)在中心距為30mm處，出口速度為83.9m/s，對(duì)于繞線式的彈丸，最佳位置出現(xiàn)在中心距為16mm處，出口速度為104.7m/s，可見，兩種彈丸的最佳觸發(fā)位置并不重合，最大的出口速度也不相等。在最佳的中心距周圍，速度相差不大，這樣對(duì)于觸發(fā)控制很有利。

表3 圓筒型彈丸仿真結(jié)果

表4 繞線型彈丸仿真結(jié)果

圖5 觸發(fā)位置與出口速度曲線兩種彈丸的觸發(fā)位置與出口速度曲線關(guān)系如圖

單級(jí)感應(yīng)線圈炮的最佳效率可由彈丸獲得的最大出口動(dòng)能與系統(tǒng)的初始總能量的比值定義，即

可得圓筒型彈丸的效率為11.0%，繞線型彈丸的效率為17.1%。

兩種彈丸結(jié)構(gòu)的不同，感生電流的分布也有所差異，特選定在最佳觸發(fā)位置下某一時(shí)刻，彈丸單側(cè)剖面電流密度分布如圖6所示。

圖6 電流密度分布

由圖6可以看出，圓筒型彈丸的電流分布不均勻，主要集中在底部，而且電流密度很高，上端電流密度很小，彈丸底部溫升增大，效率降低。電流的分布不均，導(dǎo)致只有中心距相差比較大時(shí)才能得到最佳的出口速度。而繞線式彈丸由于多砸密繞，電流分布均勻，溫升相對(duì)較小，效率相對(duì)較高，只要相差較小的中心距就可以得到最佳的出口速度。

4 結(jié)論

單級(jí)感應(yīng)線圈炮的仿真對(duì)于多級(jí)同步感應(yīng)線圈炮的設(shè)計(jì)具有重要的參考意義。本文利用Ansoft公司的Maxwell 2D瞬態(tài)求解器對(duì)單級(jí)感應(yīng)線圈炮進(jìn)行了仿真分析，重點(diǎn)討論了兩種彈丸的異同，仿真結(jié)果表明，兩種彈丸都存在一個(gè)最佳的觸發(fā)位置，且并不重合，繞線型彈丸的最佳觸發(fā)中心距相對(duì)較小，出口速度較高。通過對(duì)電流密度的分析可知，圓筒型線圈的電流分布不均勻，底部電流密度大，發(fā)熱會(huì)更嚴(yán)重，將影響電源能量轉(zhuǎn)換為彈丸動(dòng)能的效率；繞線型的彈丸電流密度分布均勻，效率較高，但是，繞線式彈丸的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要多砸線圈密繞且要形成一個(gè)閉合的回路。以上結(jié)果可為彈丸設(shè)計(jì)提供參考。

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