吳峻，楊宇，趙宏濤，鄧志雄(國(guó)防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410073)

無(wú)人機(jī)電磁彈射器的綜合制動(dòng)方法*

吳峻，楊宇，趙宏濤，鄧志雄
(國(guó)防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410073)

利用直線電機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)在短距離內(nèi)可控地加速起飛已是固定翼無(wú)人機(jī)彈射起飛一種新的發(fā)展方向。為了使飛機(jī)分離后彈射臺(tái)能在較短距離里完成制動(dòng)，提出了直線電機(jī)彈射軌道末段定子實(shí)鐵心渦流制動(dòng)、運(yùn)用Halbach永磁體陣列的渦流制動(dòng)和橡膠阻尼制動(dòng)等三種方式的綜合方案，并分別對(duì)它們進(jìn)行了分析計(jì)算。當(dāng)彈射臺(tái)的速度大于10m/s時(shí)，定子實(shí)鐵心產(chǎn)生的渦流制動(dòng)效果明顯，當(dāng)彈射臺(tái)的速度低于3m/s時(shí)，定子實(shí)鐵心渦流制動(dòng)產(chǎn)生的制動(dòng)力將迅速下降。Halbach永磁體陣列的渦流制動(dòng)方式在飛機(jī)分離點(diǎn)開(kāi)始實(shí)施，可以增加30%以上的制動(dòng)效果。通過(guò)模型分析和碰撞試驗(yàn)，橡膠阻尼制動(dòng)作為最后一級(jí)制動(dòng)方式，能夠有效吸收能量，實(shí)現(xiàn)在較短距離里的制動(dòng)。

電磁彈射器；永磁直線電機(jī)；渦流制動(dòng)；Halbach排列；橡膠阻尼制動(dòng)

無(wú)人機(jī)電磁彈射器是利用直線電機(jī)產(chǎn)生電磁力將飛機(jī)在短距離內(nèi)推進(jìn)至起飛速度的裝備，它具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)方便、彈射全程速度可控等優(yōu)點(diǎn)，是固定翼無(wú)人機(jī)發(fā)射起飛的一個(gè)新方向［1-4］。為了適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，彈射電機(jī)長(zhǎng)度和重量都必須有限制。在設(shè)計(jì)中，彈射軌道被分配為飛機(jī)彈射加速段和起飛后的制動(dòng)段，通常優(yōu)先考慮延長(zhǎng)加速段來(lái)增大彈射起飛速度。在電機(jī)整體長(zhǎng)度受限的情況下，制動(dòng)段距離必然受到進(jìn)一步限制。因此，必須加強(qiáng)研究短行程電磁彈射系統(tǒng)的制動(dòng)問(wèn)題，在不影響無(wú)人機(jī)彈射起飛的前提下，使彈射臺(tái)的制動(dòng)距離越短越好。

電機(jī)系統(tǒng)通常采用反接制動(dòng)、再生制動(dòng)、電阻制動(dòng)等方式，直線電機(jī)系統(tǒng)也有采用渦流制動(dòng)方式的。渦流制動(dòng)方式對(duì)電磁彈射器結(jié)構(gòu)改動(dòng)小，容易實(shí)現(xiàn)，文獻(xiàn)［5］針對(duì)電磁彈射的制動(dòng)特性，提出制動(dòng)段采用非疊片定子鐵心加強(qiáng)渦流制動(dòng)力的方法，給出了計(jì)算制動(dòng)力的數(shù)值擬合公式，并對(duì)電機(jī)的制動(dòng)性能進(jìn)行了仿真，但該方法所提供的制動(dòng)力有限，難以完全滿足實(shí)際需求；橡膠阻尼制動(dòng)方式成本低，制動(dòng)效果好，但動(dòng)子末速度較大時(shí)，單一的橡膠阻尼制動(dòng)方式制動(dòng)效果欠佳，容易對(duì)動(dòng)子造成損壞。文獻(xiàn)［6］針對(duì)雙邊型直線永磁無(wú)刷直流電機(jī)的電磁制動(dòng)方法展開(kāi)研究，比較分析了幾種電磁制動(dòng)方案，并給出了仿真結(jié)果，但幾種方法單獨(dú)使用，制動(dòng)效果仍有限。吳峻等提出的綜合方法是在原有采用非疊片定子鐵心加強(qiáng)渦流制動(dòng)的基礎(chǔ)上，另外獨(dú)立增加Halbach永磁體陣列渦流輔助制動(dòng)裝置，并在軌道末端應(yīng)用橡膠阻尼方式來(lái)實(shí)現(xiàn)最終制動(dòng)，這種方法能避免出現(xiàn)單一方式制動(dòng)能力不夠且有可能造成動(dòng)子碰撞損壞的問(wèn)題。

1 無(wú)人機(jī)電磁彈射器模型及制動(dòng)方法的描述

無(wú)人機(jī)電磁彈射器主要包括控制系統(tǒng)、儲(chǔ)能模塊、電力電子模塊、直線電機(jī)四個(gè)部分。直線電機(jī)作為電磁彈射器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，要求推力大、機(jī)械性能優(yōu)。由于永磁無(wú)刷直流直線電機(jī)(Linear Permanent Magnet Brushless Direct Current Motors，LPMBLDCM)具有類(lèi)似交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，又具有類(lèi)似直流電機(jī)調(diào)速性能好、效率高、單位出力大的特點(diǎn)，因此，采用一種對(duì)稱(chēng)雙邊結(jié)構(gòu)的LPMBLDCM。如圖1所示，它的定子采用短距集中型繞組，直線電機(jī)的定子構(gòu)成了彈射軌道，彈射平臺(tái)是直線電機(jī)的動(dòng)子。飛機(jī)起飛后，彈射平臺(tái)須制動(dòng)，因此，在電機(jī)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，還需考慮設(shè)計(jì)相關(guān)的制動(dòng)措施。

圖1 電磁彈射器的直線電機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of linearmotor in EM launcher

現(xiàn)有的電制動(dòng)有能耗制動(dòng)、再生制動(dòng)、反接制動(dòng)以及渦流制動(dòng)等。其中，能耗制動(dòng)在低速時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效制動(dòng)，且能量全部以熱能形式消耗，這就要求電機(jī)具有良好的散熱特性；再生制動(dòng)則須增加功率器件，能量回饋到主回路技術(shù)復(fù)雜；反接制動(dòng)能夠產(chǎn)生較大的制動(dòng)力，但控制時(shí)機(jī)比較重要，易導(dǎo)致器件過(guò)載；渦流制動(dòng)，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，它利用在電磁場(chǎng)中做切割磁力線運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體所產(chǎn)生的電渦流與其自身電阻共同作用生成熱，使運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。因此，電磁彈射器的電制動(dòng)主要采用渦流制動(dòng)方式，并以橡膠阻尼制動(dòng)作為輔助。

根據(jù)直線電機(jī)的特點(diǎn)，末段的定子鐵心采用實(shí)心方式以增加渦流效應(yīng)，不僅如此，在制動(dòng)末段兩側(cè)還布置了永磁體陣列來(lái)增強(qiáng)渦流制動(dòng)效果。最后，在軌道的尾端增加了橡膠阻尼來(lái)提供足夠的制動(dòng)力使彈射臺(tái)停止。因此，彈射臺(tái)的綜合制動(dòng)過(guò)程表現(xiàn)為:無(wú)人機(jī)飛離后，定子線圈停止供電，彈射臺(tái)進(jìn)入定子鐵心實(shí)心區(qū)域，運(yùn)動(dòng)的永磁體動(dòng)子由于在定子鐵心中產(chǎn)生的渦流而產(chǎn)生制動(dòng)力，彈射臺(tái)的速度降低；同時(shí)，兩側(cè)布置的永磁渦流制動(dòng)裝置進(jìn)一步使彈射臺(tái)速度降低；彈射臺(tái)進(jìn)入制動(dòng)段末端時(shí)，與橡膠阻尼器碰撞接觸，橡膠阻尼吸能可將彈射臺(tái)完全制動(dòng)。

2 直線電機(jī)末段實(shí)鐵心渦流制動(dòng)方式的分析計(jì)算［5］

將直線電機(jī)末段定子鐵心結(jié)構(gòu)改為非疊片的實(shí)心形式，目的是在不改動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)的前提下，增加定子鐵心的渦流損耗，提升渦流制動(dòng)力。如圖2所示，視定子鐵心為無(wú)限大的金屬平面，滿足p2?1，p?μr時(shí)，動(dòng)子產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)切割實(shí)心鐵心而產(chǎn)生的渦流損耗可以表示為［7］:

其中，Pe是實(shí)心鐵心中的渦流損耗，p定義為τ/δ，q定義為π/τ，τ是行波磁場(chǎng)等效極距，δ是實(shí)心鐵心的集膚深度，σ是實(shí)心鐵心的電導(dǎo)率，μr是實(shí)心鐵心的相對(duì)磁導(dǎo)率，Kz是行波磁場(chǎng)等效電流層的線密度，b是電流層到實(shí)心鐵心的距離。

相應(yīng)地，渦流損耗產(chǎn)生的制動(dòng)力為:

圖2 磁場(chǎng)中的厚金屬板Fig.2 Thickmetal plate in magnetic

鐵心的磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率以及動(dòng)子極距都為常數(shù)，所以式(1)可以簡(jiǎn)化為渦流損耗與動(dòng)子速度v之間的函數(shù)關(guān)系，并且考慮到實(shí)際的定子鐵心表面為周期變化的齒槽結(jié)構(gòu)，式(1)近似簡(jiǎn)化為:

表1為利用有限元計(jì)算得到的渦流損耗結(jié)果，利用這些數(shù)據(jù)可以進(jìn)行結(jié)果擬合，得到多項(xiàng)式的四個(gè)系數(shù)大小，它們分別為:a3=540 500，a2=868 900，a1=-2 368 500，a0=0。圖3所示為多項(xiàng)式計(jì)算結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比，兩者基本吻合，式(3)的準(zhǔn)確性得到驗(yàn)證，式(3)的計(jì)算結(jié)果可以用來(lái)分析實(shí)鐵心渦流制動(dòng)方式的制動(dòng)效果。

表1 用于計(jì)算多項(xiàng)式系數(shù)的數(shù)據(jù)Tab.1 Data for calculation in polynomials

由圖3可知，當(dāng)彈射臺(tái)的速度大于10m/s時(shí)，定子實(shí)鐵心渦流制動(dòng)產(chǎn)生的制動(dòng)效果明顯，當(dāng)彈射臺(tái)的速度低于3m/s時(shí)，定子實(shí)鐵心渦流制動(dòng)產(chǎn)生的制動(dòng)力將迅速下降，此時(shí)效果不明顯，需要增加其他的輔助制動(dòng)措施。

圖3 簡(jiǎn)化多項(xiàng)式計(jì)算結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison between polynomials and FEM

3 運(yùn)用Halbach永磁陣列的渦流制動(dòng)方式的分析計(jì)算

在直線電機(jī)末段飛機(jī)分離點(diǎn)的兩側(cè)布置永磁陣列，并在動(dòng)子上相應(yīng)地增加次級(jí)導(dǎo)體板，利用永磁陣列與運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體板之間的渦流作用來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。它的特點(diǎn)是不需外加勵(lì)磁電源，不存在斷電失效情況。如圖4所示，當(dāng)金屬板以一定速度通過(guò)永磁體陣列所形成的交變磁場(chǎng)時(shí)，金屬板內(nèi)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)和渦流，渦流磁場(chǎng)與永磁體磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生水平方向的制動(dòng)力，從而達(dá)到制動(dòng)效果。Halbach結(jié)構(gòu)具有“磁單極子”的特性，能夠讓陣列一側(cè)的磁場(chǎng)很強(qiáng)，另一側(cè)的磁場(chǎng)很弱，這樣既可以增強(qiáng)制動(dòng)裝置在磁場(chǎng)強(qiáng)側(cè)的制動(dòng)力，又可以解決磁場(chǎng)弱側(cè)的磁屏蔽問(wèn)題，因此，永磁體陣列采用了Halbach結(jié)構(gòu)形式［8-11］。

為簡(jiǎn)化分析做如下假設(shè):導(dǎo)體板與永磁體在X方向均無(wú)限延伸；導(dǎo)體板材料電導(dǎo)率為常數(shù)，不受溫度影響；導(dǎo)體板材料的磁導(dǎo)率為常數(shù)；磁感應(yīng)強(qiáng)度在Z方向恒定。通過(guò)引入假設(shè)條件，將三維場(chǎng)問(wèn)題簡(jiǎn)化為YOZ平面上的二維場(chǎng)問(wèn)題。

圖4 單邊型永磁渦流制動(dòng)裝置示意Fig.4 Sketch map of one side permanent eddy current brake

渦流制動(dòng)力的公式為:

其中，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，J導(dǎo)體板中的電流密度。低速時(shí)不考慮集膚效應(yīng)，制動(dòng)力公式可寫(xiě)為:

其中，L為導(dǎo)體板與永磁體相對(duì)面長(zhǎng)度，H為導(dǎo)體板與永磁體相對(duì)面寬度，D為導(dǎo)體板厚度，σ1為導(dǎo)體板的電導(dǎo)率，B為導(dǎo)體板中磁感應(yīng)強(qiáng)度平方均值。

由式(5)可知，制動(dòng)力與Ba2成正比。

當(dāng)永磁體總體積確定時(shí)，選擇不同的排列方式，得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度不同。Halbach陣列的結(jié)構(gòu)參數(shù)有:極距τ，Z方向充磁塊長(zhǎng)度與極距之比α。稱(chēng)α為極弧系數(shù)。永磁體與導(dǎo)體板間距為5mm時(shí)與τ，α的關(guān)系如圖5所示。

圖5 磁感應(yīng)強(qiáng)度平方均值隨極距、極弧系數(shù)變化曲面Fig.5 Variations ofmagnetic flux density square with polar distance and magnet duty

由圖5可知，極弧系數(shù)α=0.5時(shí)B2a最大。永磁體與導(dǎo)體板間距為5mm時(shí)，極距τ=40mm時(shí)，B2a最大。實(shí)際中，磁感應(yīng)強(qiáng)度在Z方向上呈指數(shù)遞減。但是在高速時(shí)，由于集膚效應(yīng)，導(dǎo)體板電流集中在表面，可以等效為面電流層，因此只考慮永磁體在導(dǎo)體板表面處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度。為了在高速時(shí)獲得更大的制動(dòng)力，應(yīng)選擇永磁體極距為40mm。利用Ansoft Maxwell12進(jìn)行有限元仿真，不同極距下制動(dòng)力隨速度變化曲線如圖6所示，高速段極距為40mm時(shí)，制動(dòng)力更大。

圖6 不同極距下的制動(dòng)力曲線Fig.6 Brake force curve with different polar distance

根據(jù)表2中的參數(shù)，仿真計(jì)算條件為:質(zhì)量為50kg，初速速度為28m/s。渦流制動(dòng)力與速度曲線如圖7、圖8所示，通過(guò)渦流制動(dòng)，可以看到，速度由28m/s減為22.7m/s，消耗了34.3%的動(dòng)能。

表2 渦流制動(dòng)裝置的參數(shù)Tab.2 Parameters of eddy current brake system

4 橡膠阻尼制動(dòng)的分析計(jì)算

橡膠阻尼制動(dòng)具有效果好、成本低、制動(dòng)距離短的優(yōu)點(diǎn)［12-14］，它可以作為彈射臺(tái)的最后一級(jí)制動(dòng)方式。根據(jù)表3中的橡膠海綿板的參數(shù)特性，利用ANSYS進(jìn)行仿真分析，設(shè)定條件為:開(kāi)始沖擊速度為30m/s，接觸類(lèi)型為表面接觸，接觸剛度因子為0.5，背向動(dòng)子面為全節(jié)點(diǎn)約束(以保證海綿板受到撞擊時(shí)位置不變)，設(shè)置求解時(shí)間為0.5s，文件輸出步數(shù)為20。選用LS-DYNA材料庫(kù)中的2參數(shù)Mooney-Rivlin材料模型，定義接觸類(lèi)型為自動(dòng)單面接觸。

圖7 渦流制動(dòng)力隨時(shí)間變化曲線Fig.7 Simulation result of eddy current brake force

圖8 速度隨時(shí)間變化曲線Fig.8 Simulation result of speed ofmotion

表3 三元乙丙(EPDM)橡膠海綿板參數(shù)特性Tab.3 Parameters of EPDM rubber damping

利用后處理器LS-PERPOST查看仿真結(jié)果，橡膠阻尼在碰撞過(guò)程中三個(gè)時(shí)刻的壓縮變形情況如圖9所示，圖下方顏色條由右至左代表應(yīng)力由大變小。

圖9(a)為t1=0.05s時(shí)橡膠阻尼的碰撞變形情況，此時(shí)最大應(yīng)力為525 054N；圖9(b)為t2=0.1s時(shí)橡膠阻尼的碰撞變形情況，最大應(yīng)力為258 718N；圖9(c)為t3=0.2s時(shí)橡膠阻尼的碰撞變形情況，此時(shí)最大應(yīng)力為246 335N。從圖9中可以看出，隨著碰撞深度的增加，最大應(yīng)力值不斷減小，動(dòng)能被橡膠阻尼吸收，制動(dòng)效果明顯。制動(dòng)速度曲線如圖10所示，在t=0.404 2s時(shí)，速度為0。此時(shí)，橡膠阻尼達(dá)到最大壓縮行程43.896mm，平均應(yīng)力值為256 290N。

圖10 碰撞過(guò)程中速度隨時(shí)間變化曲線Fig.10 Collision simulation result of speed ofmotion

5 試驗(yàn)

利用綜合制動(dòng)方法實(shí)施制動(dòng)，制動(dòng)裝置實(shí)物如圖11所示，利用霍爾測(cè)速裝置對(duì)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)子實(shí)時(shí)速度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖12所示。可以看到，在電機(jī)運(yùn)行的加速段，動(dòng)子速度迅速加速至100km/h，采用吳峻等提出的綜合制動(dòng)方法，動(dòng)子速度在0.3m制動(dòng)距離內(nèi)迅速降為0，達(dá)到預(yù)期要求。

圖11 綜合制動(dòng)示意圖Fig.11 Diagram of hybrid brake experiment system

圖12 綜合制動(dòng)方案下的速度曲線Fig.12 Speed ofmotion using hybrid break method

6 結(jié)論

1)當(dāng)彈射臺(tái)速度大于10m/s時(shí)，定子實(shí)鐵心渦流制動(dòng)產(chǎn)生的制動(dòng)效果明顯；當(dāng)彈射臺(tái)的速度低于3m/s時(shí)，定子實(shí)鐵心渦流制動(dòng)產(chǎn)生的制動(dòng)力將迅速下降。

2)Halbach永磁體陣列的渦流制動(dòng)方式在飛機(jī)分離點(diǎn)開(kāi)始實(shí)施，可以增加30%以上的制動(dòng)效果。

3)模型分析和碰撞試驗(yàn)結(jié)果表明，橡膠阻尼制動(dòng)作為最后一級(jí)制動(dòng)方式，能夠有效吸收能量，實(shí)現(xiàn)較短距離內(nèi)的制動(dòng)。

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Hybrid brakemethod for electromagnetic launcher of unmanned aerial vehicle

WU Jun，YANGYu，ZHAO Hongtao，DENG Zhixiong
(College of Mechatronics Engineering and Automation，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China)

Electromagnetic launcher for unmanned aerial vehicle(UAV)which utilizes linearmotor to accelerate in short distance is already a new trend for launching fixed-wing UAV.To brake shuttle in shorter distancewhen aircraft taking off，a hybrid brakemethod including solid stator eddy current brake，eddy currentbrake based on Halbach permanentarrays and rubber damping brakewas proposed and analyzed.When the speed of shuttle is above 10 m/s，it is notable for the brake bymeans of solid stator eddy current brake.In addition，when the speed of shuttle is below 3 m/s，the brake force induced by solid stator eddy current is decreased greatly.It can increase 30%brake force by Halbach permanent arrays eddy current brake.Bymodel analysis and collision experiments，rubber damping brake can absorb kinetic energy to brake shuttle in short distance as the final stage brake.

electromagnetic launcher；permanentmagnet linearmotor；eddy current brake；Halbach arrays；rubber damping brake

TM351；TM359

A

1001-2486(2015)05-061-06

10.11887/j.cn.201505010

http://journal.nudt.edu.cn

2014-12-06

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012BAG07B01)

吳峻(1973—)，男，江西玉山人，研究員，博士，E-mail:junwu209@aliyun.com