朱良材，張 亞，李世中，韓成輝，龐海濤

(1.中北大學 機電工程學院， 太原 030051； 2.寧波軍鴿防務科技有限公司產(chǎn)品中心， 浙江 寧波 315000)

1 引言

隨著信息技術(shù)迅猛發(fā)展，高新技術(shù)的不斷滲透，要求新型武器具有更高的智能化水平[1]，以滿足不同背景下的作戰(zhàn)需求，顯而易見，在武器平臺上加裝信息設(shè)備[2-3]，可以在很大程度上提高武器的安全性和可靠性。傳統(tǒng)槍械已經(jīng)不能很好的滿足信息化的需要，現(xiàn)代槍械武器的擊發(fā)控制逐漸朝著數(shù)字信息化轉(zhuǎn)變[4]。

當前，我國社會治安總體形勢不容樂觀，涉槍涉暴案件時有發(fā)生。雖然我國一直嚴格執(zhí)行槍支管制政策，但仍有不法分子通過各種非法途徑獲取槍支彈藥，進行違法犯罪活動，極大地危害了社會公共安全，不利于社會的長治久安[5]。在開發(fā)新型警用手槍的過程中，需要考慮手槍的可控性和安全性[2]。國內(nèi)目前還處于起步階段，僅在第八屆中國國際警用裝備博覽會上，湖南兵器工業(yè)集團展出了一款智能手槍，通過手槍內(nèi)置電池供電，手槍握把處可以感知到使用者所配戴的指環(huán)并開啟擊發(fā)系統(tǒng)。國外也采用安裝電池的方式，使用電子嵌入式技術(shù)去實現(xiàn)手槍的安全管理。使槍只能由授權(quán)人員使用，而非授權(quán)人員即便是拿到了手槍也無法擊發(fā)。但都因安裝電池體積過大，采用外部構(gòu)件方式使用。因此在不破壞手槍整體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對手槍進行機電化改造，實現(xiàn)槍械的智能化、信息化[7]，提高手槍的可控性、安全性，提出一種自發(fā)電裝置創(chuàng)新設(shè)計，為智能手槍工作提供部分能源。

2 自發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)

直線發(fā)電機[8]根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同可以劃分為圓筒型直線發(fā)電機以及平板型發(fā)直線電機。永磁直線電機在力密度、效率以及功率因數(shù)等性能指標上要優(yōu)于直線感應電機[9]，且圓筒型永磁直線電機比單邊平板型或者雙邊平板型永磁直線電機的空間利用率高[10]，性能優(yōu)良，本文中智能手槍的自發(fā)電裝置采用圓筒型永磁直線電機，其在手槍上的安裝位置如圖1所示。

圖1 自發(fā)電裝置安裝位置

自發(fā)電裝置分為線圈組件、活塞組件。線圈組件包含線圈、工字線圈筒、筒芯、線圈外筒；活塞組件包含永磁體、純鐵墊片、磁鐵筒。電機的三維結(jié)構(gòu)及重要部件如圖2所示。

圖2 自發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)

此發(fā)電裝置在手槍上替代擊發(fā)部分，工作原理為手槍在拉動套筒或者套筒后坐時,活塞組件伴隨套筒運動，復進到位時，活塞組件的掛鉤壓縮彈簧并掛住扳機連桿等待及擊發(fā)；當扣動扳機后，活塞組件受到壓縮彈簧的推力運動，根據(jù)法拉第電磁感應原理，線圈組件切割永磁體磁力線，產(chǎn)生感應電動勢。

3 自發(fā)電裝置數(shù)學模型及動力學模型

3.1 自發(fā)電裝置數(shù)學模型

智能手槍自發(fā)電裝置內(nèi)的電磁場具有軸對稱性，可將三維電磁場結(jié)構(gòu)簡化為二維電磁場分析，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 自發(fā)電裝置2D模型

引入磁矢位A，并定義B=▽·A，在電機磁場分析中，一般選取垂直與電機軸的平行平面場分析，此時電流密度和磁矢量只有Z軸方向分量。結(jié)合麥克斯韋方程組在穩(wěn)態(tài)情況平面場域Ω上的磁場問題可表示成邊值問題[11]為:

(1)

式中：Г1、Г2分別為第一、第二類邊界條件。

將偏微分方程的邊值問題等價為條件變分問題即能量泛函的極值問題，對應的條件變分問題為：

(2)

式中：M為永磁體磁化矢量。

采用有限元法求解上述方程組，在求解時把求解區(qū)域剖分為一系列的有限單元網(wǎng)格，在各單元網(wǎng)格中構(gòu)造插值函數(shù)，把插值函數(shù)再代到能量泛函式子里面，再把泛函離散成多元函數(shù)方程，通過多元函數(shù)求極值的方法變換成為代數(shù)方程組，對此方程組進行求解即可得到最終的數(shù)值解。

3.2 動力學模型

根據(jù)自發(fā)電裝置的工作原理，當手槍扣動扳機后活塞組件受到彈簧的推力向前運動。則活塞組件的運動方程為：

(3)

式中：k為彈簧的勁度系數(shù)；m為活塞組件的質(zhì)量；p為壓縮彈簧的運動距離；v為活塞組件的速度；Fz為活塞組件受到的電磁力。

4 仿真分析

通過COMSOL軟件進行智能手槍自發(fā)電裝置的活塞組件動力學仿真，并分析永磁體不同充磁方式、純鐵墊片厚度以及磁鐵筒壁厚對線圈感應電壓的影響。

4.1 活塞組件運動曲線

根據(jù)上述動力學方程組，經(jīng)過仿真分析，計算得到活塞組件從初始狀態(tài)到運動停止共位移28 mm，用時4.9 ms，活塞位移曲線如圖4(a)所示。活塞組件因與線圈組件碰撞停止，其速度曲線如圖4(b)所示?；钊M件加速度曲線如圖4(c)所示。

4.2 永磁體充磁方式對電壓影響

受限于手槍套筒空間，永磁體選用圓柱體結(jié)構(gòu)。其中永磁體充磁方式主要有3種：徑向充磁；軸向充磁；Halbach結(jié)構(gòu)[12]。因自發(fā)電裝置所用永磁體數(shù)目較少[13]，只考慮徑向、軸向充磁方式對線圈感應電壓的影響，其永磁體的充磁方向如圖5所示。

經(jīng)過仿真分析得到永磁體不同充磁方式條件下線圈的感應電壓，如圖6所示。

從圖中可以看出，永磁體軸向充磁結(jié)構(gòu)下4組線圈產(chǎn)生的感應電壓峰值都明顯大于永磁體徑向充磁結(jié)構(gòu)下線圈的電壓峰值，所以自發(fā)電裝置的永磁體采用軸向充磁方式充磁。

圖4 活塞組件運動曲線

圖5 永磁體充磁結(jié)構(gòu)

4.3 純鐵墊片厚度對電壓影響

因選用永磁體的結(jié)構(gòu)為圓柱型，自發(fā)電裝置采用軸向充磁方式充磁的情況下，相鄰永磁體之間會相互排斥，所以在永磁體之間加入純鐵墊片。其他條件不變的情況下純鐵墊片的尺寸對感應電壓的影響如圖7所示。

圖6 不同充磁方式4組線圈的感應電壓

圖7 不同墊片厚度下4組線圈感應電壓

從圖7(d)可以看出線圈4感應電壓隨純鐵墊片厚度的增加而增加，其中純鐵墊片厚度為1 mm時線圈4感應電壓最大值為1.42 V，與在純鐵厚度為2、3 mm情況下線圈4產(chǎn)生的感應電壓相比，其電壓太低。從圖7(a)、(b)、(c)中得到線圈1、2、3在純鐵墊片厚度為變化的情況下產(chǎn)生的感應電壓峰值差距不大，所以純鐵墊片厚度可選用為2 mm以上，但基于套筒內(nèi)空間及工程應用考慮，純鐵墊片厚度應選用2 mm。

4.4 磁鐵筒壁厚影響

根據(jù)智能手槍感應擊發(fā)原理，扣動扳機活塞組件受彈簧推力運動，線圈切割磁感線產(chǎn)生感應電壓。但永磁體磁感應線穿過磁鐵筒，使永磁體周圍磁場強度減弱，導致感應電壓的降低。通過仿真得到不同磁鐵筒厚度下線圈的感應電壓如圖8所示。

圖8 不同壁厚條件下4組線圈感應電壓

從圖8(d)中得到線圈4在磁鐵筒厚度為0.5 mm產(chǎn)生的感應電壓僅小于厚度為0.1 mm時的感應電壓，其他壁厚條件下4組線圈產(chǎn)生的感應電壓都隨著磁鐵筒壁厚的增加而降低，但磁鐵筒壁厚越薄，強度越低，在碰撞過程中可能變形，為保證磁鐵筒具有一定強度，磁鐵筒壁厚應選用0.5 mm。

5 電路仿真

智能手槍采用自發(fā)電裝置的目的是為電子電路正常工作提供穩(wěn)定的電壓[14-15]，但自發(fā)電裝置的線圈組件切割永磁體磁力線產(chǎn)生感應電壓會隨著活塞組件運動速度的變化而變化，因此需要對得到的感應電壓進行整流穩(wěn)壓處理。從圖6可以看出永磁體軸向充磁方式下4個線圈產(chǎn)生的感應電壓正半周波形優(yōu)于負半周電壓波形，所以濾去線圈感應電壓負半周波形，電路原理如圖9所示。

圖9 線圈外接整流電路

在COMSOL中導入元器件的Spice圖，其中IO1、IO2連接線圈導線，肖特基二極管對感應電壓進行整流、鉭電容儲存電路中的能量。四組線圈產(chǎn)生的感應電壓波形經(jīng)整流存儲后如圖10所示。

圖10 4組線圈整流后感應電壓

線圈1外接電路鉭電容兩端峰值電壓為14 V，線圈2外接電路鉭電容兩端峰值電壓為11.6 V，線圈3外接電路鉭電容兩端峰值電壓為12.48 V，線圈4外接電路鉭電容兩端電壓峰值為6.43 V。根據(jù)設(shè)計需求，輸入的電壓峰值要大于11 V，在活塞組件位移28 mm情況下，線圈1、線圈2、線圈3產(chǎn)生的感應電壓經(jīng)整流穩(wěn)壓后滿足要求，但按設(shè)計要求外電路需要兩個輸入端口，滿足輸入要求的線圈組件有3個端口，其端口的利用率不高。而且整個裝置從活塞組件起始狀態(tài)計算長度為55 mm，考慮到手槍套筒部分可利用空間位置有限，需要進一步縮短活塞組件行程。但縮短活塞組件行程導致各個線圈產(chǎn)生的感應電壓降低，為保證具有足夠電壓的輸出，將線圈1、線圈2電路中的鉭電容串聯(lián)，線圈3、線圈4執(zhí)行同樣操作，改進電路如圖11所示。

圖11 改進電路原理圖

通過COMSOL仿真得到線圈1、線圈2在活塞組件不同行程下的電壓峰值與充電時間如表1所示，線圈3、線圈4在活塞組件不同行程下的電壓峰值與充電時間如表2所示。

表1 線圈1、線圈2外接電路數(shù)據(jù)Table 1 Coil 1 and 2 external circuit data

表2 線圈3、線圈4外接電路數(shù)據(jù)Table 2 Coil 3 and 4 external circuit data

從表1表2中看出隨著行程的減少鉭電容兩端電壓下降。線圈1、線圈2外接電路中，串聯(lián)的鉭電容電壓充電時間從28 mm到行程18 mm時隨著行程的縮短而增加，到18 mm以下時充電時間隨著行程的減小而減少；線圈3、線圈4外接電路中，串聯(lián)的鉭電容電壓充電時間隨著行程的減小而增加。根據(jù)設(shè)計需求單片機供電的鉭電容充電時間應小于3 ms的，擊發(fā)儲能電路因在單片機供電后判斷是否擊發(fā)，所以充電時間不做要求，同時鉭電容兩端的電壓峰值要大于11 V，活塞組件位移距離盡可能的小，則根據(jù)表中數(shù)據(jù)，線圈3、線圈4外接電路鉭電容串聯(lián)方式應選用為單片機供電電路的輸入端口，線圈1、線圈2外接電路鉭電容串聯(lián)方式選用為擊發(fā)儲能電路輸入端口。

6 結(jié)論

根據(jù)圓筒型永磁直線電機特性，結(jié)合手槍機械撞擊原理，設(shè)計了一套智能手槍自發(fā)電裝置。該裝置可以在活塞組件行程為14 mm的情況下產(chǎn)生大于12.21 V，鉭電容充電時間為2.1 ms的電壓，可供智能手槍自發(fā)電裝置創(chuàng)新研制參考。