趙科義 張千帆 李治源 程樹康

（1.軍械工程學院彈藥工程系，石家莊 050003；2.哈爾濱工業(yè)大學電磁與電磁技術研究所，哈爾濱 150080）

1 引言

同軸感應型線圈發(fā)射器是感應線圈發(fā)射器中的一種，其突出的特點在于驅(qū)動線圈和電樞同軸[1]。同軸感應性線圈發(fā)射器主要包括同步感應型同軸線圈發(fā)射器[2-3]和異步感應型同軸線圈發(fā)射器[4-5]。不論是同步感應型同軸線圈發(fā)射器，還是異步感應型同軸線圈發(fā)射器，如何提高其發(fā)射效率是研究者努力追尋的重要目標[6-9]。文獻[10]利用Matlab對同軸同步感應線圈發(fā)射器的性能進行了仿真研究。為了獲得的更高的發(fā)射效率，本文對三種不同結(jié)構的同軸感應型線圈發(fā)射器的加速特性進行研究。

2 三種不同結(jié)構同軸感應型線圈發(fā)射器的結(jié)構及特點

2.1 三種不同結(jié)構的同軸感應線圈發(fā)射器的結(jié)構模型

根據(jù)驅(qū)動線圈和電樞之間的位置關系可將同軸感應型線圈發(fā)射器分為三類：即外驅(qū)動型、內(nèi)驅(qū)動型和內(nèi)-外驅(qū)動型。這三種不同結(jié)構的同軸感應型線圈發(fā)射器的結(jié)構模型見圖1。其中，圖1（a）表示外驅(qū)動型同軸感應線圈發(fā)射器的結(jié)構模型，圖1（b）表示內(nèi)驅(qū)動型同軸感應線圈發(fā)射器的結(jié)構模型，圖1（c）表示內(nèi)-外驅(qū)動型同軸感應線圈發(fā)射器的結(jié)構模型。

圖1 三種不同結(jié)構的同軸感應線圈發(fā)射器

2.2 三種不同結(jié)構同軸感應線圈發(fā)射器的特點及分析

對于外驅(qū)動型同軸感應線圈發(fā)射器而言，被加速的電樞在驅(qū)動線圈內(nèi)且沿驅(qū)動線圈的軸線方向運動，因此被加速有效載荷的幾何形狀受驅(qū)動線圈的限制。對于內(nèi)驅(qū)動型同軸感應線圈發(fā)射器而言，被加速的電樞在驅(qū)動線圈的外部運動，因此被加速的有效載荷的幾何形狀可不受驅(qū)動線圈的限制。對于內(nèi)-外驅(qū)動型同軸感應線圈發(fā)射器而言，電樞的幾何形狀受內(nèi)、外驅(qū)動線圈的限制，因此電樞及被加速的有效載荷只能呈圓筒狀。

3 三種不同結(jié)構同軸感應線圈發(fā)射器的加速特性研究

3.1 基本假定

為了便于比較和分析上述三種結(jié)構形式的同軸感應線圈發(fā)射器的加速特性，首先假定以下幾個方面：①這三種結(jié)構形式的同軸感應線圈發(fā)射器工作時，均由同一組儲能電容器驅(qū)動，且儲能電容器的初始工作電壓相同；②這三種結(jié)構形式的同軸感應線圈發(fā)射器工作時所采用的電樞材料（鋁）及相關結(jié)構參數(shù)完全相同；③這三種結(jié)構形式的同軸感應線圈發(fā)射器中，驅(qū)動線圈的軸向長度相同，對于外驅(qū)動型和內(nèi)驅(qū)動型同軸感應發(fā)射器中的驅(qū)動線圈的徑向厚度相同，而內(nèi)-外驅(qū)動型結(jié)構中，內(nèi)驅(qū)動線圈和外驅(qū)動線圈的徑向厚度之和等于外驅(qū)動或內(nèi)驅(qū)動時驅(qū)動線圈的徑向厚度；④這三種結(jié)構形式的同軸感應線圈發(fā)射器工作時，電樞末端的初始位置均處于Z=5的平面上，且初始速度為零。

3.2 相關參數(shù)

這三種結(jié)構形式的同軸感應線圈發(fā)射器的相關參數(shù)見表1。

表1 三種結(jié)構同軸感應線圈發(fā)射器的相關參數(shù)

3.3 加速特性研究及分析

采用有限元分析方法對上述三種結(jié)構形式的同軸感應線圈發(fā)射器的加速特性進行研究?？紤]到同軸感應線圈發(fā)射器滿足軸對稱條件，所以研究過程采用了2維RZ平面模型，驅(qū)動線圈的中心處在Z=0的平面上，Z軸與驅(qū)動線圈的軸線重合。研究過程中，儲能電容器的容量為1000μF，初始工作電壓為5kV。

（1）磁場及渦流場的分布

同軸感應線圈發(fā)射器工作時是通過驅(qū)動線圈產(chǎn)生的脈沖強磁場與電樞內(nèi)感應渦流的相互作用而加速電樞，因此研究其內(nèi)部磁場及渦流場的分布對于弄清其加速特性具有很重要的意義。

內(nèi)驅(qū)動型、外驅(qū)動型和內(nèi)-外驅(qū)動型同軸感應線圈發(fā)射器分別約在 t=0.00012s、t=0.00033s和t=0.00021s時，驅(qū)動電流達到其峰值，對應的峰值電流分別約為 19.86kA、9.176kA和 15.371kA。峰值電流作用時刻，這三種結(jié)構同軸感應線圈發(fā)射器內(nèi)的磁場分布見圖 2。其中圖 2（a）、（b）和（c）分別給出了內(nèi)驅(qū)動型、外驅(qū)動型和內(nèi)-外驅(qū)動型同軸感應線圈發(fā)射器內(nèi)的磁場分布。峰值電流作用時刻，對應的電樞所受的加速力分別約為 14.2kN、76kN和90.5kN。

圖2 三種不同結(jié)構同軸感應線圈發(fā)射器內(nèi)的磁場分布

從圖2（a）中可以看出：峰值電流作用時刻，內(nèi)驅(qū)動型同軸感應線圈發(fā)射器驅(qū)動線圈內(nèi)部的磁場非常強，其磁場強度約 30T，而驅(qū)動線圈與電樞之間的間隙磁場很小，約在7-8T。從圖2（b）中可以看出：峰值電流作用時刻，外驅(qū)動型同軸感應線圈發(fā)射器中驅(qū)動線圈與電樞之間的間隙磁場較強，可達 12-13T。 從圖 2（c）中可以看出：內(nèi)、外驅(qū)動線圈產(chǎn)生的磁場在電樞尾部實現(xiàn)了重接，并且在峰值電流作用時刻電樞外表面與外驅(qū)動線圈內(nèi)表面之間間隙磁場也較強，可達12T。此外，由圖2（c）中的磁場分布可知，內(nèi)-外驅(qū)動線圈中流過的驅(qū)動電流的方向是相同的，即內(nèi)-外驅(qū)動線圈中驅(qū)動電流的方向均垂直紙面向內(nèi)。由于內(nèi)驅(qū)動型同軸感應線圈發(fā)射器中驅(qū)動線圈和電樞之間的間隙磁場最小，所以這在一定程度上意味著其加速特性最差。

內(nèi)-外驅(qū)動時，欲使內(nèi)、外線圈產(chǎn)生的磁場重接，則內(nèi)、外驅(qū)動線圈之間需采用反向串接結(jié)構。如果內(nèi)驅(qū)動線圈的自感為 L1，外驅(qū)動線圈的自感為 L2，且內(nèi)、外驅(qū)動線圈之間的互感為M12，則內(nèi)、外驅(qū)動線圈反向串接之后，驅(qū)動線圈的總電感L=L1+L2-2M12。顯然，驅(qū)動線圈的總電感小于內(nèi)、外驅(qū)動線圈的電感之和。

此外，研究表明：對于內(nèi)-外驅(qū)動型同軸感應線圈發(fā)射器而言，當內(nèi)、外驅(qū)動線圈中的驅(qū)動電流的方向相反時，盡管在一定程度上可增強內(nèi)、外驅(qū)動線圈之間的磁場，但是內(nèi)、外驅(qū)動線圈產(chǎn)生磁場不能實現(xiàn)重接。因此，當采用這種驅(qū)動或激勵方式時，并不能獲得較好的加速性能。

圖3給出了峰值電流作用時刻，電樞內(nèi)感應渦流的云圖分布。其中，圖3（a）表示外驅(qū)動型同軸感應線圈發(fā)射器工作時電樞內(nèi)的渦流分布，而圖 3（b）表示內(nèi)-外驅(qū)動的同軸感應線圈發(fā)射器工作時電樞內(nèi)的渦流分布。比較發(fā)現(xiàn)：內(nèi)-外驅(qū)動時，電樞內(nèi)的渦流不僅分布在電樞的尾部和外表面外，而且還分布在電樞的內(nèi)表面；而外驅(qū)動時，電樞內(nèi)的渦流主要集中在電樞的尾部和外表面。由此可見，內(nèi)-外驅(qū)動時，電樞的受力相對更為均勻。

圖3 電樞內(nèi)的渦流分布

（2）加速特性分析

同軸感應線圈發(fā)射器的加速特性主要體現(xiàn)在電樞的運動特性上，即在發(fā)射工作中，電樞的受力情況、運動的位移和速度等。圖4～6分別給出了加速過程中電樞受力、位移和速度曲線。

圖4 加速力特性曲線

從圖4中可以看出，內(nèi)驅(qū)動型同軸感應線圈發(fā)射器發(fā)射過程中電樞所受的加速力遠小于外驅(qū)動型和內(nèi)-外驅(qū)動型同軸感應線圈發(fā)射器中電樞受到的加速力。內(nèi)-外驅(qū)動型同軸感應線圈發(fā)射器工作過程中，電樞受到的峰值加速力最大（91.156kN），但加速力的作用時間較短（0＜t＜0.54ms）。外驅(qū)動型同軸感應線圈發(fā)射工作過程中，不僅電樞受到的峰值加速力較大（76kN），而且加速力作用的時間較長（0＜t＜0.75ms）。內(nèi)驅(qū)動型同軸感應線圈發(fā)射器工作時，電樞受到的峰值加速力最?。ǎ?0kN）。

加速力對時間的積分反映了同軸感應線圈發(fā)射器對電樞加速貢獻的大小。如果加速力對時間的積分用G(F)表示，則

G(F)越大，即加速力與時間軸之間所包圍的面積越大，則加速特性越好。

從圖5中可以看出，在上述給定條件下，內(nèi)驅(qū)動時電樞運動的位移非常小。驅(qū)動電流峰值作用時刻（t=0.00012s），電樞運動的位移僅約0.15mm；電樞速度最大時刻（t=0.00075s），電樞運動位移僅6.95mm，電樞末端未脫離驅(qū)動線圈；t=0.00159s時，電樞末端脫離驅(qū)動線圈，即電樞運動位移大于17mm。

圖5 電樞運動位移曲線

此外，在加速過程中，內(nèi)-外驅(qū)動時電樞運動的位移比外驅(qū)動時電樞運動的位移稍快。外驅(qū)動型和內(nèi)-外驅(qū)動型結(jié)構中，驅(qū)動電流達到其峰值時間分別約為 t=0.00033s和 t=0.00021s，相應的電樞運動的位移分別約為5.75mm和4.17mm。這即意味著驅(qū)動電流達到其峰值時，電樞尾部沒有脫離驅(qū)動線圈。電樞的運動位移最終為150mm，即動態(tài)仿真過程中所設定的運動極限位置。

從圖6中可以看出，在上述給定條件下，內(nèi)驅(qū)動時電樞獲得的發(fā)射速度很小，最大發(fā)射速度僅約12.33m/s；外驅(qū)動時，電樞可獲得最大的發(fā)射速度，最大發(fā)射速度約為110m/s；內(nèi)-外驅(qū)動時，電樞也可獲得較高的發(fā)射速度，且最大發(fā)射速度約為103.4m/s。內(nèi)-外驅(qū)動的同軸感應線圈發(fā)射器與外驅(qū)動的同軸感應線圈發(fā)射器相比，加速的初始階段電樞速度增加的更快。

圖6 電樞運動速度曲線

4 結(jié)論

在上述三種結(jié)構的同軸感應線圈發(fā)射器中，內(nèi)驅(qū)動型同軸感應線圈發(fā)射器的加速特性最差。加速特性最差原因在于驅(qū)動線圈內(nèi)的磁場要遠大于驅(qū)動線圈外的磁場。但是內(nèi)驅(qū)動型同軸線圈發(fā)射器所發(fā)射的電樞及載荷不受驅(qū)動線圈結(jié)構的限制，因而可利用這種結(jié)構來研制發(fā)射大質(zhì)量的電磁彈射裝置。外驅(qū)動型同軸感應線圈發(fā)射器具有較好的加速特性，但是其電樞及載荷的形狀受驅(qū)動線圈的限制，適合將小質(zhì)量的載荷加速到高速。內(nèi)-外驅(qū)動型同軸感應線圈發(fā)射器，特別磁場重接式的內(nèi)-外同軸感應線圈發(fā)射器也具有較好的加速特性，且其加速過程中電樞的受力更為均勻，但是其結(jié)構復雜，被加速的載荷受驅(qū)動線圈結(jié)構限制。

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