張紅旭，張 軍，董健年

(南京理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 南京 210094)

電磁發(fā)射器是利用電磁技術(shù)提升和推動物體或者把物體加速到超高速的裝置，與常規(guī)的化學(xué)發(fā)射方式相比具有明顯優(yōu)勢，電磁發(fā)射能夠提供較大的動能，速度可以任意調(diào)整，精度高、射程遠，發(fā)射過程不易受到干擾，無噪聲無煙霧效應(yīng)產(chǎn)生，因此該技術(shù)在未來軍事及民用等相關(guān)領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用潛力[1]。

文獻[2]對比分析了斷路法和限流電阻法對削弱電磁制動力，提高彈丸出口速度的效果；文獻[3]重點對彈丸形位參數(shù)對單級磁阻型線圈發(fā)射器性能的影響進行了研究；文獻[4]利用maxwell對三級線圈電磁炮進行了仿真；文獻[5]提出了減小鐵磁彈丸的電導(dǎo)率和對彈丸進行開槽處理來提高彈丸的炮口初速度。本文作者主要對磁阻型的電磁發(fā)射器進行研究，采用前段直流吸引加速和后段放電的模式，分析發(fā)射器在安裝軛鐵和沒安裝軛鐵情況下彈丸的炮口初速，并且在此基礎(chǔ)上，改變軛鐵的安裝方式，利用電磁仿真軟件Ansoft Maxwell對兩種軛鐵的添加方式進行仿真分析。

1 系統(tǒng)工作原理及組成

磁阻型電磁發(fā)射裝置由儲能電源、驅(qū)動線圈、鐵磁材料彈丸、開關(guān)組成，如圖1所示。其工作原理為：儲能電源向驅(qū)動線圈放電，激發(fā)產(chǎn)生磁場，將鐵磁材料制作成的彈丸磁化，磁場與彈丸的磁化電流耦合產(chǎn)生安培力，使彈丸前進。磁路的磁通較容易通過鐵磁體，線圈磁路的磁阻變化將吸引彈丸運動。根據(jù)磁阻最小原理，當(dāng)彈丸運動時，環(huán)繞線圈磁路的磁阻發(fā)生變化，對彈丸產(chǎn)生作用力。彈丸向前運動到線圈中心，由于磁路的氣隙變小，磁路的磁阻也減小，此時的磁通較容易形成和通過，對彈丸的作用力最小。彈丸運動過線圈中心后，向前的電磁力變?yōu)槔瓘椡柘蚝蟮淖枇?，所以?yīng)該采取措施使驅(qū)動線圈的電流迅速下降為0[6]。

假設(shè)螺線管的長度為l，線圈的匝數(shù)為N，其中通有恒定的電流I,橫截面積A,沿著螺線管的軸線方向插入具有恒定磁導(dǎo)率μ的彈丸。根據(jù)虛功原理可以求出彈丸在螺線管中的受力為

(1)

彈丸的加速度為：

(2)

通過式(2)可知：彈丸的材料以及彈丸和線圈的結(jié)構(gòu)確定時，加速度a僅和磁場強度H有關(guān)[7]。

2 有限元仿真分析

為了方便分析，假設(shè)放電電流在驅(qū)動線圈導(dǎo)線截面上均勻分布，并且不考慮彈丸的軸線偏離驅(qū)動線圈軸線，這樣就可以把磁阻發(fā)射器和彈丸結(jié)構(gòu)看作軸對稱模型，然后利用ansoft Maxwell二維瞬態(tài)求解器的R-Z平面進行仿真。

2.1 無軛鐵仿真模型建立

圖2為二級無軛鐵的磁阻發(fā)射器仿真模型，包括彈丸、線圈、運動區(qū)域和求解區(qū)域。

彈丸采用Φ=9 mm,l=80 mm的圓柱形彈丸，材料選Steel_1010；驅(qū)動線圈的內(nèi)徑為10 mm，徑向厚度為8 mm，長度與彈丸長度相同，第一級線圈匝數(shù)為300，第二級線圈匝數(shù)為300，材料選擇銅。

驅(qū)動線圈的激勵源采用外電路供電的方式，圖2只給出一級電路，二級電路與一級電路除參數(shù)相同。由文獻[8]可知，電容驅(qū)動型和電池驅(qū)動型對比，在相同的加速距離與出口動能下，電池驅(qū)動型磁阻發(fā)射器能量轉(zhuǎn)化率較高，本文采用電池型驅(qū)動，電源電壓為200 V，限流電阻為20 Ω，回路等效電阻0.017 Ω。外電路模型如圖3，D1是續(xù)流二極管，起保護電池的作用，否則電池會被關(guān)斷反向電動勢反向充電，破壞電池，續(xù)流回路中加入消耗電阻，可以使續(xù)流電流迅速下降到0。

為了保證計算精度，對鐵磁彈丸、驅(qū)動線圈及運動區(qū)域劃分的網(wǎng)格比較密集，求解域處的網(wǎng)格比較稀疏。選擇運動區(qū)域和驅(qū)動線圈，設(shè)定剖分類型為Inside Selection，單元網(wǎng)格的最大尺寸為2 mm，彈丸的剖分類型Inside Selection，單元網(wǎng)格的最大尺寸為1 mm，求解區(qū)域的單元網(wǎng)格最大尺寸為8 mm。

求解區(qū)域的邊界條件設(shè)置為氣球邊界條件，初始位置為彈丸頭部距線圈端部5 mm。設(shè)定數(shù)值仿真計算時間為6 ms，時間步長為0.006 ms，設(shè)置結(jié)束后仿真計算。

2.2 添加軛鐵仿真模型

添加軛鐵后的磁阻發(fā)射器模型如圖4所示。分別給驅(qū)動線圈添加兩個材料為steel_1008的軛鐵，軛鐵的厚度為5 mm。設(shè)定軛鐵的剖分類型為Inside Selection,單元網(wǎng)格的最大尺寸為4 mm。其他條件不變，仿真分析。

2.3 發(fā)射系統(tǒng)仿真分析

圖5給出了二級磁阻型發(fā)射線圈加軛鐵和不加軛鐵兩種情況下彈丸速度隨時間的變化曲線，在不加軛鐵的情況下，經(jīng)過二級線圈加速以后，彈丸的炮口初速為78 m/s，而將線圈分別添加軛鐵以后，炮口初速為85 m/s。從圖5中可以看出，線圈添加軛鐵以后，初始的彈丸加速度要小于一整塊軛鐵的情況，但是隨著彈丸前進，加速度在變大，并且彈丸的加速時間較長，得到的炮口速度要大于不加軛鐵的情況；圖6 給出的是兩種情況下不同時刻的彈丸的電磁力曲線，從圖6中可以看出，在添加軛鐵的情況下，彈丸起始運動受到的電磁力要小于不加軛鐵的情況，但是當(dāng)彈丸運動到線圈內(nèi)部時，彈丸的受力變大，并且在一級和二級線圈所受到的最大的電磁力分別為2.21 kN和0.31 kN，而不加軛鐵時一級和二級線圈所受到的最大電磁力分別為1.9 kN和0.27 kN。

圖7給出了電磁發(fā)射模型在某一位置處兩種情況下的磁力線分布，可以看出：添加軛鐵以后，線圈周圍產(chǎn)生的磁力線被更多封閉在軛鐵的內(nèi)部，可以使驅(qū)動線圈產(chǎn)生的磁能充分利用。

3 改變添加軛鐵方式

改變添加軛鐵的方式，添加方式如圖8所示，給整個二級發(fā)射器添加一整塊軛鐵，仿真分析兩種不同的添加方式。

圖9為兩種情況下速度隨位置變化的曲線，驅(qū)動線圈分別安裝軛鐵以后，彈丸的炮口初速度為79 m/s，而僅安裝一整塊軛鐵的情況下，炮口的初速為75 m/s，可以看出，相比較安裝一整塊軛鐵，兩個線圈分別安裝軛鐵可以使彈丸獲得更高的炮口初速度。

4 結(jié)論

利用ansoft仿真軟件中的2D瞬態(tài)求解器仿真研究了添加軛鐵對二級線圈發(fā)射器炮口初速度的影響，并且對比兩種不同的軛鐵安裝方法下彈丸炮口初速，結(jié)果表明：

1) 添加軛鐵以后，磁力線被軛鐵封閉在內(nèi)，彈丸的炮口初速得到了明顯的提升，所受的最大的電磁力大于不加軛鐵；

2) 采用分別裝夾軛鐵的方式，要比只裝夾一塊軛鐵更能有效提高彈丸的炮口初速。

相比較傳統(tǒng)的提高炮口初速度的方法，對磁阻型發(fā)射器安裝軛鐵提高彈丸炮口初速的方式更加方便，驅(qū)動線圈產(chǎn)生的磁能更能夠被充分利用，仿真結(jié)果將為后期的多級磁阻型線圈發(fā)射器的設(shè)計與實驗提供指導(dǎo)。