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        火炮用直線發(fā)電機性能研究

        2019-09-23 12:32:58郭保全昝博勛毛虎平
        火炮發(fā)射與控制學報 2019年3期
        關(guān)鍵詞:電動勢火炮磁感應

        黃 通,郭保全,張 彤,昝博勛,毛虎平

        (1.中北大學 機電工程學院,山西 太原 030051;2.中北大學 儀器與電子學院,山西 太原 030051; 3.中北大學 能源動力工程學院,山西 太原 030051)

        隨著火炮信息化的不斷發(fā)展,越來越多的電子元件被應用于火炮系統(tǒng)當中,火炮對電能的需求日益增加。直線發(fā)電機是一種將機械能轉(zhuǎn)化為電能輸出的裝置[1-4],其主要是利用磁芯與繞組發(fā)生直線相對運動產(chǎn)生感應電動勢,其相對運動的產(chǎn)生主要是由外力推動,現(xiàn)代火炮后坐部分的運動方式大多是直線運動,這與直線發(fā)電機中磁芯的運動方式是相同的,因此可以將火炮后坐能量作為直線發(fā)電機的動力源,利用直線發(fā)電機將火炮后坐能量轉(zhuǎn)化為電能再利用,這樣能夠提高火炮能量利用率,進而提高火炮系統(tǒng)的整體性能。

        目前,國內(nèi)外學者從不同的動力源出發(fā)已經(jīng)將直線發(fā)電機應用于許多領(lǐng)域并做出了深入的研究。文獻[5]將直線發(fā)電機應用于航天新能源開發(fā)領(lǐng)域,建立了自由活塞式直線發(fā)電機的控制系統(tǒng)模型并驗證了控制策略的可行性。文獻[6]提出了一種圓筒永磁直線發(fā)電機用于將波浪能轉(zhuǎn)化為電能,通過對海浪發(fā)電的直線發(fā)電機性能進行分析發(fā)現(xiàn)該型發(fā)電機具有較好的研究前景。文獻[7]設(shè)計了一種外置式直線振動發(fā)電機,建立了感應電動勢離散求解公式,并通過實驗驗證了計算的準確性。文獻[8]分析了磁懸浮列車用直線發(fā)電機的相關(guān)計算,建立了感應電動勢的解析公式,并通過二維有限元法分析了系統(tǒng)主要參數(shù)對感應電動勢的影響,得出了一系列重要的結(jié)論。文獻[9]闡述了直線發(fā)電機應用于火工品充當物理電源,并通過實驗分析了永磁鐵結(jié)構(gòu)和線圈繞制方式對磁后坐發(fā)電效率的影響。以上文獻均是將直線發(fā)電機與不同的動力源相結(jié)合進行研究,分析了在不同動力源激勵下直線發(fā)電機的運動特性,為直線發(fā)電機在不同領(lǐng)域的應用奠定了基礎(chǔ)。

        筆者以直線發(fā)電機為基礎(chǔ),結(jié)合火炮后坐運動規(guī)律,提出了一種火炮用直線發(fā)電機設(shè)計方案,與自由活塞式直線發(fā)電機等不同的是,由于火炮后坐速度較大,后坐時間較短,因此直線發(fā)電機采用火炮后坐能量作為動力源將會帶有較強的脈沖特點。通過建立發(fā)電機運行數(shù)學模型,分析了火炮用直線發(fā)電機運行特性。

        1 基本結(jié)構(gòu)

        扁平型直線發(fā)電機應用十分廣泛,主要是因為結(jié)構(gòu)簡單便于裝配,但從結(jié)構(gòu)對稱性上考慮,圓筒型卻有著更多的好處,特別是橫向邊端效應較小,徑向電磁力較小等優(yōu)點,更有利于火炮的射擊穩(wěn)定;從激勵方式上看,與動圈式相比,動磁式結(jié)構(gòu)緊湊,效率更高,從火炮設(shè)計角度考慮,動磁式能夠增加火炮后坐部分的質(zhì)量,更有利于減小火炮后坐力。因此筆者選擇了一種圓筒型直線發(fā)電機作為火炮用直線發(fā)電機方案基礎(chǔ)模型。其結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

        火炮用直線發(fā)電機主要由線圈繞組、定子鐵心、永磁鐵組和牽連桿組成,線圈繞組放置在定子鐵心的凹槽內(nèi),各槽繞組依次相連,永磁鐵組嵌套在牽連桿上與后坐部分固連,定子鐵心固連在火炮搖架上。其在火炮上的安裝位置如圖2所示。在后坐過程中,與后坐部分固連的永磁鐵組隨后坐部分向后運動,與搖架固連在一起的定子鐵心產(chǎn)生了相對運動,在線圈繞組中激發(fā)出感應電動勢,經(jīng)過整流濾波電路處理之后儲存到儲能電容當中;在復進過程中,永磁鐵組跟隨后坐部分向前運動,再次與線圈繞組產(chǎn)生相對運動并激發(fā)出感應電動勢,形成復進過程中的能量轉(zhuǎn)換。

        2 火炮用直線發(fā)電機數(shù)學模型

        在火炮用直線發(fā)電機中,后坐運動帶動永磁鐵與線圈繞組產(chǎn)生相對運動,使得穿過線圈繞組的磁通量變化,進而產(chǎn)生感應電動勢,感應電動勢引起的感應電流會在線圈中產(chǎn)生一定的渦流阻力,阻滯永磁鐵的相對運動,進而影響火炮后坐運動速度。因此磁后坐發(fā)電機主要包含著兩個子模型,電磁學和動力學模型。

        2.1 電磁學模型

        根據(jù)法拉第電磁感應定律可知,任意一匝閉合線圈在變化磁場中產(chǎn)生的感應電動勢為

        (1)

        式中:e為單匝線圈繞組產(chǎn)生的感應電動勢;emf為單匝線圈的感生電動勢;edf為單匝線圈的動生電動勢;B為該匝線圈處的磁感應強度;v為激勵磁棒的速度;S為磁通面積;L為單匝線圈長度。

        在空間磁場中,任意一匝線圈處的磁感應強度為

        B=Brer+Bτeτ+Bzez,

        (2)

        式中:Br,Bτ,Bz分別為磁感應強度的徑向、切向和軸向分量;er,eτ,ez為分別為徑向、切向和軸向矢量。

        線圈長度微元為

        dL=rdφeτ,

        (3)

        式中,r為閉合線圈半徑。

        磁通面積微元為

        dS=dL·dr=rdφeτ·dr.

        (4)

        火炮用直線發(fā)電機的動力源是火炮后坐動能,永磁鐵的運動速度即為火炮后坐運動速度,同時火炮后坐運動是在軸向方向上產(chǎn)生的,火炮后坐運動速度是與后坐行程相關(guān)的量,則

        (5)

        式中,x為后坐行程。

        將式(2)~(5)代入式(1),得

        ∮φ[vez×(Brer+Bτeτ+Bzez)]·r·dφeτ.

        (6)

        火炮后坐計算中通常以后坐行程作為自變量,為方便與后坐計算結(jié)合,令

        (7)

        且有vez×Bzez=0,則式(6)可簡化為

        (8)

        顯然,火炮用直線發(fā)電機的感應電動勢與火炮后坐速度,磁感應強度的軸向變化率,線圈直徑以及徑向和切向磁感應強度有關(guān)。

        2.2 動力學模型

        根據(jù)電磁感應定律可知,當永磁鐵進入感應線圈時會產(chǎn)生感應磁場,該磁場總是阻礙著永磁鐵的相對運動。感應磁場的產(chǎn)生是由回路中的感應電流引起的,根據(jù)歐姆定律,有

        (9)

        式中:I為回路的感應電流;N為線圈匝數(shù);R為發(fā)電機回路等效總阻值。

        設(shè)RL為線圈阻值,假設(shè)線圈繞制工藝穩(wěn)定,則線圈阻值為

        (10)

        式中:ρ為線圈材料電阻率;l為內(nèi)圈單匝線圈周長;A為線圈截面積;λ為線圈填充系數(shù);b為線圈槽寬度。

        感應電流在線圈中所產(chǎn)生的功率為

        P=I2RL.

        (11)

        線圈電磁阻力為

        (12)

        通過將永磁鐵與后坐部分相連實現(xiàn)能量傳輸與轉(zhuǎn)換,給火炮后坐運動引入了電磁阻力,根據(jù)牛頓第二定律可建立火炮制退后坐運動方程為

        (13)

        式中:mh為后坐部分質(zhì)量;Fpt為炮膛合力;Fφh為火炮液壓阻力;Ff為復進機力;F為密封裝置摩擦力;FT為搖架導軌摩擦力;θ為火炮射角。

        3 仿真分析

        筆者以某型火炮為研究對象,忽略渦流對磁場的去磁效應,在已知火炮后坐運動規(guī)律的條件下,對火炮用直線發(fā)電機進行分析?;鹋谟弥本€發(fā)電機結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

        表1 火炮用直線發(fā)電機結(jié)構(gòu)參數(shù)

        3.1 空載磁場分析

        對于發(fā)電機磁場的求解,通常有解析法和數(shù)值法兩種,解析法可以明顯地看出各參量之間的相互關(guān)系,但在邊界處理和諧波等問題上大都采取等效近似的辦法,因此計算精度不高。筆者采用MAXWELL電磁場分析軟件,選用二維有限元方法對磁后坐發(fā)電機磁場進行模擬分析。為使求解域不過于龐大,減小計算內(nèi)存,對求解區(qū)域施加氣球邊界條件,火炮用直線發(fā)電機網(wǎng)格剖分模型如圖3所示?;鹋谟弥本€發(fā)電機中,磁場源為釹鐵硼永磁鐵,永磁鐵的陣列排布方式采用常規(guī)軸向陣列。利用MAXWELL軟件分析火炮用直線發(fā)電機磁場,分析結(jié)果如圖4所示。

        由式(8)可知,感應電動勢與后坐速度和磁感應強度變化率均成正比,由于火炮后坐速度的變化規(guī)律一般變化不大,因此磁感應強度變化率對感應電動勢的變化有著重要的影響。由圖4可知,火炮用直線發(fā)電機的磁感應強度變化率具有一定的脈沖特性。

        3.2 感應電動勢計算分析

        采用MATLAB/Simulink對火炮用直線發(fā)電機感應電動勢進行計算,計算結(jié)果如圖5、6所示。其中,圖5為感應電動勢隨時間的變化規(guī)律,顯然,火炮用直線發(fā)電機產(chǎn)生的感應電動勢沿時間軸正向呈現(xiàn)脈沖波動,結(jié)合圖4可知,其脈沖頻率與磁感應強度變化率規(guī)律相同。圖6為整流后的感應電動勢變化規(guī)律,由圖6可知,感應電動勢脈沖幅值與后坐速度變化規(guī)律相同。

        為了提高火炮用直線發(fā)電機的能量轉(zhuǎn)化效率,需要減小磁感應強度變化率的脈沖特點。磁感應強度變化率與永磁鐵結(jié)構(gòu)尺寸和極距有著直接的關(guān)系,同時氣隙寬度和永磁鐵陣列方式也會對磁感應強度變化率產(chǎn)生一定的影響??紤]到火炮上的安裝方式對火炮用直線發(fā)電機徑向尺寸有一定的約束,主要對永磁鐵的長度和極距對感應電動勢的影響進行分析,結(jié)果如圖7、8所示。

        由圖7可知,永磁鐵長度不僅影響著感應電動勢幅值,同時也影響著感應電動勢的頻率。當永磁鐵越長時,磁感應強度越大,感應電動勢的幅值越大,同時在整個后坐行程中所需永磁鐵數(shù)量較小,感應電動勢頻率減小。

        由圖8可知,磁極距離影響著磁感應強度的軸向變化率,適當?shù)卦龃蟠艠O距離能夠增大磁感應強度的變化率,而過大的磁極距離又會導致磁場強度減小,使得感應電動勢減小。

        3.3 電能后處理

        火炮用直線發(fā)電機的脈沖特性使得其產(chǎn)生的電能難以直接被電力系統(tǒng)所利用,因此必須對電能進行后處理。首先對火炮用直線發(fā)電機產(chǎn)生的電能進行整流處理,將其產(chǎn)生的脈沖交流電變?yōu)閱蜗虻拿}沖直流電;然后進行濾波穩(wěn)壓處理。筆者對整流輸出電壓信號進行頻域分析,根據(jù)幅頻特性對其整流輸出電壓進行濾波處理。頻域分析如圖9所示。

        由圖9可知,在高頻段,電壓幅值較小,電壓幅值較大的頻段主要集中在低頻段,因此利用Simulink選擇低通濾波器模塊對濾波電路進行仿真分析,通過截取整流輸出電壓信號的低頻段,去除高頻段的電壓波動,得到濾波輸出結(jié)果如圖10所示。這一能量將被提供于火炮系統(tǒng)的電力部分,用于電擊發(fā)火、內(nèi)能源自動輸彈等裝置。

        4 結(jié)論

        筆者將直線發(fā)電機與火炮后坐結(jié)合,提出了一種火炮用直線發(fā)電機設(shè)計方案,并對其發(fā)電特性進行分析,得出以下結(jié)論:

        1)火炮用直線發(fā)電機能夠?qū)⒒鹋诤笞芰哭D(zhuǎn)化為電能進行儲存,有利于提高火炮能量利用率。

        2)磁感應強度的軸向變化率對火炮用直線發(fā)電機的感應電動勢影響較大,從火炮設(shè)計角度考慮,可以通過控制永磁鐵的結(jié)構(gòu)尺寸和極距進行調(diào)整。

        3)火炮用直線發(fā)電機直接輸出電壓為高頻脈沖電壓,必須進行電能后處理。

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