曲東森，王成學(xué)，王慧錦，劉海洋

（海軍航空工程學(xué)院a.研究生管理大隊(duì)；b.指揮系，山東煙臺(tái)264001）

同步感應(yīng)線圈發(fā)射器電磁場(chǎng)研究

曲東森a，王成學(xué)b，王慧錦b，劉海洋a

（海軍航空工程學(xué)院a.研究生管理大隊(duì)；b.指揮系，山東煙臺(tái)264001）

同步感應(yīng)線圈發(fā)射器（Synchronous Induction Coil launcher，SICL）具有驅(qū)動(dòng)線圈與發(fā)射載荷無機(jī)械接觸、推力大，適合發(fā)射大質(zhì)量物體等特點(diǎn)，具有良好的軍事應(yīng)用前景。在電磁發(fā)射過程中，SICL的驅(qū)動(dòng)線圈將產(chǎn)生脈沖強(qiáng)電磁場(chǎng)，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度超過某一閾值時(shí)，會(huì)干擾發(fā)射載荷及周圍的電子設(shè)備的正常工作，甚至使其損壞。文章分析了SICL的工作原理，建立了其電磁場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型；編制仿真程序分析了SICL的電磁發(fā)射過程，得到了放電回路的電流波形、SICL電磁場(chǎng)的強(qiáng)度及分布規(guī)律；利用搭建的電磁發(fā)射系統(tǒng)，進(jìn)行了電磁發(fā)射實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了SICL的磁場(chǎng)分布，對(duì)比仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：仿真結(jié)果正確可信，研究結(jié)論對(duì)SICL的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程發(fā)展具有一定的理論指導(dǎo)意義和參考使用價(jià)值。

同步感應(yīng)線圈發(fā)射器；電磁場(chǎng)；驅(qū)動(dòng)線圈；發(fā)射載荷；脈沖電流

同步感應(yīng)線圈發(fā)射器（Synchronous Induction Coil Launcher，SICL），具有驅(qū)動(dòng)線圈與發(fā)射載荷無機(jī)械接觸，發(fā)射推力大，適合發(fā)射大質(zhì)量物體等特點(diǎn)，在導(dǎo)彈垂直發(fā)射、電磁迫擊炮及裝甲車輛防護(hù)方面有較好的應(yīng)用前景，已得到了世界軍事強(qiáng)國的重視［1-3］。在電磁發(fā)射過程中，SICL的驅(qū)動(dòng)線圈將產(chǎn)生脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度超過某一閾值時(shí)，會(huì)干擾發(fā)射載荷及周圍武器系統(tǒng)電子設(shè)備的正常工作，甚至使其損壞。因此，有必要對(duì)SICL發(fā)射過程中產(chǎn)生的電磁場(chǎng)進(jìn)行研究。

本文以三級(jí)SICL為例，分析SICL的工作原理，建立描述SICL電磁場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型和仿真模型，并進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算和電磁發(fā)射磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量實(shí)驗(yàn)，為SICL電磁場(chǎng)的屏蔽防護(hù)提供參考［4-6］。

1　同步感應(yīng)線圈發(fā)射器組成及工作原理

SICL主要由高功率脈沖電源、驅(qū)動(dòng)線圈、觸發(fā)控制開關(guān)、電樞及發(fā)射載荷（即發(fā)射組件）組成，圖1所示為三級(jí)SICL的結(jié)構(gòu)原理示意圖。

從圖1可以看出，SICL的每級(jí)驅(qū)動(dòng)線圈均與相互獨(dú)立的高功率脈沖電源、觸發(fā)控制開關(guān)相連接。工作時(shí)，發(fā)射組件（由電樞和發(fā)射載荷組成）位于第一級(jí)驅(qū)動(dòng)線圈的初始觸發(fā)位置時(shí)，閉合觸發(fā)控制開關(guān)，驅(qū)動(dòng)線圈內(nèi)有脈沖電流通過，則驅(qū)動(dòng)線圈周圍將產(chǎn)生變化脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)，電樞中將產(chǎn)生感應(yīng)電流（即渦流），渦流與磁場(chǎng)相互作用，推動(dòng)發(fā)射組件向前做加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)發(fā)射組件分別到達(dá)第二、三級(jí)驅(qū)動(dòng)線圈的觸發(fā)位置時(shí)，依次閉合開關(guān)，發(fā)射組件將被連續(xù)加速，直至脫離發(fā)射裝置。

圖1　同步感應(yīng)線圈發(fā)射裝置組成示意圖Fig.1 Components of SICL

2　SICL電磁場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型

2.1等效電路方程

圖2為三級(jí)SICL的等效電路。放電回路中，除電源、開關(guān)、電阻、電感、線圈外，加裝了續(xù)流硅堆［7-8］，主要目的是避免放電過程中放電回路的反向電流損害脈沖功率電源（圖中為脈沖電容器組），提高SICL的發(fā)射效率。

式（1）～（5）中：ia，m、id，m、ib，m分別為第m級(jí)電容器回路電流、驅(qū)動(dòng)線圈回路電流和續(xù)流回路電流；Ld，m、Rd，m和Ld，m、Rm分別為第m級(jí)放電回路的自感和電阻，包括驅(qū)動(dòng)線圈、連接導(dǎo)線、電容器組、開關(guān)的電感和電阻；Lb，m、Rb，m分別為第m級(jí)續(xù)流硅堆的電感和電阻；Mdp，m為第m級(jí)驅(qū)動(dòng)線圈與電樞之間的互感；ip為電樞感應(yīng)電流；Lp和Rp為電樞的電感和電阻；vp為電樞運(yùn)動(dòng)速度；Cm、Um0分別為第m（m=1，2，3）級(jí)放電回路的脈沖電容器電容、初始充電電壓。

圖2　SICL等效電路Fig.2 Equivalent loop circuits for SICL

2.2電磁場(chǎng)控制方程

由于SICL的驅(qū)動(dòng)線圈與電樞均選用導(dǎo)電性能良好的金屬材料，可以認(rèn)為其為各向同性的勻質(zhì)線性材料［9］。SICL發(fā)射過程中產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁場(chǎng)滿足Maxwell方程組，在忽略位移電流情況下，將SICL求解區(qū)域分為渦流區(qū)域（V1）與非渦流區(qū)域（V2）兩部分。其中，電樞部分屬于V1，驅(qū)動(dòng)線圈、絕緣體與部分空氣屬于V2。

在V1內(nèi)電磁場(chǎng)控制方程可表示為：

式（6）中：?表示標(biāo)量電位；A表示矢量磁位；v表示磁導(dǎo)率；JS表示源電流密度，JS=σv×?×A。

在V2內(nèi)電磁場(chǎng)控制方程可表示為：

等效電路方程和電磁場(chǎng)控制方程構(gòu)成了SICL電磁場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型。由于數(shù)學(xué)模型中包含矢量方程，求這些方程進(jìn)行解析求解困難度很大，可采用數(shù)值方法來進(jìn)行求解。

3　數(shù)值仿真

3.1物理與仿真模型

SICL的物理模型（剖視圖）如圖3所示。驅(qū)動(dòng)線圈采用銅質(zhì)導(dǎo)線密繞成多層，層與層之間用高強(qiáng)度絕緣彈性體澆注，以防止放電回路的脈沖電流損壞線圈；電樞為柱狀圓筒，材料為鋁合金，發(fā)射載荷選用非金屬絕緣材料制成，其重量按與發(fā)射物體的一定比例配重［10-11］。

圖3　SICL模型結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the SICL model

表1給出了SICL物理模型的參數(shù)和放電回路的電參數(shù)。

利用有限元分析軟件（如ANSYS），建立SICL的場(chǎng)路耦合分析模型，如圖4所示。

表1　SICL模型物理模型參數(shù)Tab.1 Structure parameters of the SICL model

圖4　三級(jí)SICL場(chǎng)路耦合模型Fig.4 Field-circuit coupling model of three-stage SICL

3.2仿真結(jié)果分析及討論

三級(jí)SICL發(fā)射過程中回路的脈沖電流見圖5。

圖5　三級(jí)回路電流隨時(shí)間變化曲線Fig.5 Loop current vs.time

從圖5可看出，每一級(jí)放電回路的放電時(shí)間很短，總時(shí)間約為6ms，而從放電開始到電流峰值的時(shí)間約為0.8ms。電流先增大后減小，波形與衰減正弦波近似。由于放電回路中增加了續(xù)流硅堆，反向電流被再次利用，回路電流的衰減較慢，有利用提高系統(tǒng)的發(fā)射效率。三級(jí)放電回路的電流峰值分別為3.72 kA、3.64 kA、3.51 kA。同時(shí)，放電過程中驅(qū)動(dòng)線圈級(jí)與級(jí)之間一定程度上會(huì)相互影響，回路電流受到的干擾逐漸累積、增大，而回路電流的峰值也逐級(jí)減小。

由于驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)與電樞渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互影響，SICL放電過程中，最大磁場(chǎng)時(shí)刻滯后于最大電流時(shí)刻。圖6所示為SICL最大磁場(chǎng)時(shí)刻2.0ms時(shí)的磁密矢量分布情況。

圖6　SICL的磁密矢量分布Fig.6 Magnetic field vector distributions of SICL

從圖6可以看出，由于SICL的結(jié)構(gòu)對(duì)稱，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)也呈對(duì)稱性分布，磁場(chǎng)主要集中于驅(qū)動(dòng)線圈內(nèi)側(cè)及上下兩端面處；2.0ms時(shí)刻磁密矢量的最大峰值為18.5 mT。

圖7所示為2.0ms時(shí)刻，電樞內(nèi)部渦流分布情況。

圖7　電樞內(nèi)部渦流分布Fig.7 Eddy current distributions in the armature

由圖7可知，電樞內(nèi)的渦流分布不均勻，最大渦流峰值出現(xiàn)在2.0ms時(shí)刻，最大渦流位于電樞底部邊緣外側(cè)，渦流峰值為2.2×109mA/m2。電樞所受電磁力的最大部位集中于渦流密度最大處，即電樞底部受力最大，容易發(fā)生變形，應(yīng)采取必要加固措施。

電磁發(fā)射過程中，SICL產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)將向周圍空間擴(kuò)散，磁場(chǎng)的強(qiáng)弱在徑向上與離驅(qū)動(dòng)線圈中心的距離密切有關(guān)。從理論上講，離線圈中心越遠(yuǎn)，磁場(chǎng)越弱［12-13］。為了分析磁場(chǎng)對(duì)線圈周圍電子設(shè)備的影響，需對(duì)磁場(chǎng)沿線圈徑向的分布情況進(jìn)行定量計(jì)算。選取第1級(jí)驅(qū)動(dòng)線圈底面中心為原點(diǎn)O，建立空間直角坐標(biāo)系Oxyz（單位：mm）進(jìn)行分析，如圖8所示。

圖8　磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖Fig.8 Location diagram of the monitoring points

以第1級(jí)放電時(shí)驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)為例，研究線圈的磁場(chǎng)強(qiáng)度沿線圈徑向的分布。SICL驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)呈現(xiàn)軸對(duì)稱分布，研究其磁感應(yīng)強(qiáng)度沿徑向的分布時(shí)，只需沿線圈徑向選取不同位置的點(diǎn)，通過計(jì)算（或測(cè)量）的方式，得到該點(diǎn)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度即可。計(jì)算中，以驅(qū)動(dòng)線圈軸向中心點(diǎn)所在平面z=58，與直線x=500、x=1 000、x=1 500、x=2 000的4個(gè)交：A （500，0，58）、B （1 000，0，58）、C （1 500，0，58）、D （2 000，0，58）為例，計(jì)算線圈磁場(chǎng)的大小。圖9所示為SICL最大磁場(chǎng)時(shí)刻外部磁場(chǎng)的分布情況。

圖9　磁場(chǎng)峰值時(shí)刻SICL驅(qū)動(dòng)線圈與電樞外部磁場(chǎng)分布圖Fig.9 Magnetic field distributions of the dr ive coils and armature of SICL in magnetic peak moment

從圖9可看出，在SICL線圈徑向上，隨著徑向距離的增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度逐步減小。A、B、C、D四點(diǎn)在磁場(chǎng)峰值時(shí)刻的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值分別為17.80 mT、8.90 mT、1.35 mT、0.09 mT。根據(jù)現(xiàn)行《電磁輻射防護(hù)規(guī)定》（GB8702-88）對(duì)低頻磁場(chǎng)的要求，常規(guī)電子設(shè)備正常工作的安全磁場(chǎng)限值為0.1 mT［14-16］。在A、B、C三點(diǎn)處的磁場(chǎng)強(qiáng)度均超出了電子設(shè)備的磁場(chǎng)安全限值，D點(diǎn)剛好滿足安全要求。因此，在A、B、C三點(diǎn)處的電子設(shè)備的正常工作將會(huì)受到嚴(yán)重影響，需要采取相應(yīng)屏蔽措施。

4　模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真結(jié)果，利用SICL實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究其磁場(chǎng)分布情況。實(shí)驗(yàn)選用測(cè)量精度較高的SC-Ⅰ型三維磁場(chǎng)測(cè)試儀和Rogowski線圈對(duì)SICL線圈外部磁場(chǎng)和放電回路的脈沖電流進(jìn)行測(cè)量［17-19］（如圖10所示），得到SICL電磁發(fā)射過程中放電回路的電流波形如圖11所示，表2、3所示為A、B、C、D4個(gè)測(cè)量點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖10　實(shí)驗(yàn)測(cè)量儀器圖Fig.10 Measuring instruments of the experiment

圖11　回路電流實(shí)驗(yàn)測(cè)量值Fig.11 Loop current measured in experiment

表2　放電回路電流仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Comparison of results between simulation and experiment of the current peak of SICL

表3　監(jiān)測(cè)點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Comparison of the magnetic induction intensity between simulation and experiment in magnetic peak moment

由表2、3可以看出，SICL放電回路脈沖電流的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的最大誤差為9.8%；而線圈周圍磁感應(yīng)強(qiáng)度的仿真結(jié)果與測(cè)量數(shù)據(jù)的最大誤差為11.8%，兩者的最大誤差都在15%以內(nèi)，可判定仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，采用的仿真方法和建立的SICL仿真模型正確可信。

5　結(jié)論

本文以三級(jí)SICL為例，介紹了SICL的工作原理，建立了其發(fā)射過程中電磁場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，編制仿真程序分析了SICL的電磁發(fā)射過程，得到了放電回路的電流波形、SICL電磁場(chǎng)的強(qiáng)度及分布規(guī)律。利用搭建的電磁發(fā)射裝置，進(jìn)行了電磁發(fā)射實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了SICL的磁場(chǎng)分布，對(duì)比仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：由于驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)呈軸對(duì)稱性分布，該磁場(chǎng)與電樞渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互影響，使SICL發(fā)射過程中的最大磁場(chǎng)時(shí)刻滯后于最大電流時(shí)刻；沿SICL的徑向，隨著離線圈中心距離的增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度逐步減小；當(dāng)電容器的充電電壓一定時(shí)，應(yīng)根據(jù)電子設(shè)備的位置，分析判斷線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)電子設(shè)備的影響，必要時(shí)需采取屏蔽措施。研究成果對(duì)于SICL的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用具有一定的理論指導(dǎo)意義和參考使用價(jià)值。

［1］MICHAEL PADILLA，Sandia Lockheed.Martin develop electromagnetic missile launcher for naval shipboard operations［J］.Sandia Lab News，2005，52（2）：1-5.

［2］武新，王曉，苗成，等.國外坦克主動(dòng)防護(hù)技術(shù)進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)［J］.兵器材料科學(xué)與工程，2013，36（2）：133-137. WU XIN，WANG XIAO，MIAO CHENG，et al.Development and trend of active protection technology in foreign combat tank［J］.Ordnance Material Science and Engineering，2013，36（2）：133-137.（in Chinese）

［3］LI JUN，CAO RONGGANG，LI SHIZHONG.The development of EML technology in China［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2013，41（5）：1029-1033.

［4］AUBUCHON M S，LOCKNER T R，KAYE R J，et al. Study of coilgun performance and comments on powered armatures［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2004，40（1）：141-144.

［5］FAIR H D.Advances in electromagnetic launch science and technology and its applications［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2009，45（1）：225-230.

［6］SUBRAMANIAN R，KAYE R，REUTH E V，et al.Development and testing for an electromagnetic mortar［C］// Mortars Conference.2007：23-24.

［7］KAYE，RONALD J，et al.Application of coilgun electromagnetic propulsion technology［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2013，39（1）：703-707.

［8］CRAVEY W R，DEVLIN G L，LOREE E L，et al.Design and testing of a 25-stage electromagnetic coil gun［J］. IEEE Transactions on Magnetics，1995，31（1）：1323-1328.

［9］雷銀照.軸對(duì)稱線圈磁場(chǎng)計(jì)算［M］.北京：中國計(jì)量出版社，1991：101-103. LEI YINZHAO.Calculation of axisymmetric coil magnetic field［M］.Beijing：Chinese Metrology Press，1991：101-103.（in Chinese）

［10］LIU WENBIAO，CAO YANJIE，ZHANG YUAN，et al. Parameters optimization of synchronous induction coilgun based on ant colony algorithm［J］.IEEE Transactions on Plasma Science，2011，39（1）：100-104.

［11］王釗，金洪波，鄒本貴，等.電磁線圈發(fā)射器垂直發(fā)射過程建模與仿真［J］.海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，28（3）：271-275. WANG ZHAO，JIN HONGBO，ZOU BENGUI，et al. Modeling and simulation of electromagnetic coil launcher for vertical launching process［J］.Journal of Naval Aeronautical and Astronautical，2013，28（3）：271-275.（in Chinese）

［12］YANJIE C，WENBIAO L，RUIFENG L，et al.Study of discharge position in multi-stage synchronous induction coilgun［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2009，45（1）：518-521.

［13］劉書蒙，雷彬，李治源，等.同步感應(yīng)線圈炮磁場(chǎng)分布研究［J］.微電機(jī)，2011，44（11）：18-21. LIU SHUMENG，LEI BIN，LI ZHIYUAN，et al.Study on synchronous induction coil gun magnetic field distribution［J］.Micromotors，2011，44（11）：18-21.（in Chinese）

［14］林福昌，李化.電磁兼容原理及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：130-131. LIN FUCHANG，LI HUA.The principle and application of electromagnetic compatibility［M］.Beijing：China Machine Press，2009：130-131.（in Chinese）

［15］王曉輝，唐露新，李運(yùn)智，等.電磁屏蔽技術(shù)及材料應(yīng)用研究動(dòng)向［J］.材料開發(fā)與應(yīng)用，2008，23（2）：67-71. WANG XIAOHUI，TANG LUXIN，LI YUNZHI，et al. Electrical-magnetic filed shield technology and material development［J］.Development and Application of Materials，2008，23（2）：67-71.（in Chinese）

［16］CHRISTOPOULOS C.Principles and techniques of electromagnetic compatibility［M］.New York，USA：Taylor& Francis Group，2007：103-109.

［17］馮霈，雷彬，李治源，等.5級(jí)同步感應(yīng)線圈發(fā)射試驗(yàn)裝置及控制系統(tǒng)研究［J］.軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，19（1）：42-44. FENG PEI，LEI BIN，LI ZHIYUAN，et al.5-stage electromagnetic coil for launch experiment device and its control system［J］.Journal of Ordnance Engineering College，2007，19（1）：42-44.（in Chinese）

［18］WANG HUIJIN，HUANG YONGFANG，LI RUIFENG，et al.Structural optimization of electromagnetic launcher in active electromagnetic armor［J］.IEEE Transactions on Plasma Science，2011，39（1）：90-94.

［19］王釗，曹延杰，王旻，等.三級(jí)電磁線圈垂直發(fā)射器工作過程仿真［J］.高壓電器，2014，50（1）：14-18. WANG ZHAO，CAO YANJIE，WANG MIN，et al.Simulation of working process of three-stage electromagnetic coil vertical launcher［J］.High Voltage Apparatus，2014，50（1）：14-18.（in Chinese）

Research on Electromagnetic Field of Synchronous Induction Coil Launcher

QU Dongsena，WANG Chengxueb，WANG Huijinb，LIU Haiyanga
（Naval Aeronautical and Astronautical University a.Graduate Students'Brigade；b.Department of Command，Yantai Shandong 264001，China）

Synchronous induction coil launcher（SICL），having a good military application prospect，is taken widely attention with no mechanical contact between drive coil and armature，high thrust，appropriate for launching heavy loads.The electromagnetic interference（EMI）which is generated by high EM field on launching load and the surrounding electronic instruments will affect their normal operation and the electronic instruments will be damaged them when the magnetic filed intensity going beyond the limit.So the magnetic field of SICL should be studied.The transient pulsed current and the EM field of coil launcher and launching load were obtained by modeling and simulation of SICL with simulation software.By using the experimental system，the measured pulsed current value and the magnetic induction intensity value of SICL were got，which were close to the simulation results.So it is showed that the simulation results were reliable and the conclusion could provide theoretical direction and reference value for research on the structure design and engineering application of SICL.

SICL；electromagnetic field；drive coil；launching load；pulsed current

TJ768

A

1673-1522（2016）05-0567-06

10.7682/j.issn.1673-1522.2016.05.012

2016-05-16；

2016-07-19

曲東森（1988-），男，碩士生。