一種新型同步線圈型電磁發(fā)射器研究
魏登武，劉少克
(國(guó)防科技大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙410073)
摘要：基于電磁場(chǎng)有限元分析軟件，對(duì)同步線圈電磁發(fā)射器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果和相關(guān)理論，設(shè)計(jì)了一種新型發(fā)射器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能使彈丸在整個(gè)發(fā)射過(guò)程中，一直處于電磁加速力****的相對(duì)位置。
關(guān)鍵詞：電磁發(fā)射；磁場(chǎng)分析；仿真
中圖分類號(hào)：TM35 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018f2008)08—0005—03
0引 言
同步線圈電磁發(fā)射器是由兩種線圈構(gòu)成的，一種是固定的驅(qū)動(dòng)線圈，另一種是被驅(qū)動(dòng)的彈丸線圈。彈丸線圈中的電流可以是被感應(yīng)出的，也可以是外部提供的。
本文設(shè)計(jì)的發(fā)射器驅(qū)動(dòng)線圈和彈丸線圈由外部同一電源供電。電流在一對(duì)相互連接的線圈中產(chǎn)生吸引或排斥的磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生彈丸加速力。理論上，精確的解析方法求解加速力有一定的困難，因?yàn)槠渲杏袡E圓積分的計(jì)算，故必須采用基于有限元的數(shù)值計(jì)算方法。
1理論分析
同步線圈發(fā)射器一般采用分立的驅(qū)動(dòng)線圈，單相激勵(lì)工作．如圖l所示，當(dāng)彈丸到達(dá)某驅(qū)動(dòng)線圈的特定位囂時(shí)，使該線圈和彈丸線圈同步放電，以此產(chǎn)生加速力。這種線圈炮的明顯特點(diǎn)是，需要開(kāi)關(guān)動(dòng)作與彈丸位置精確的同步，這就增加了控制和功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的復(fù)雜性。
新型同步線圈發(fā)射器的結(jié)構(gòu)如圖2所示[1]，彈丸和驅(qū)動(dòng)線圈同軸排列，彈丸在驅(qū)動(dòng)線圈的外面。外部電源通過(guò)導(dǎo)軌和電刷1～3給驅(qū)動(dòng)線圈和彈丸線圈供電，電刷1、2與驅(qū)動(dòng)線圈滑動(dòng)接觸，且相對(duì)位置關(guān)系不變；通過(guò)電刷2將驅(qū)動(dòng)線圈與彈丸線圈電路上串聯(lián)在一起。在彈丸發(fā)射過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)線圈與電刷滑動(dòng)接觸，故驅(qū)動(dòng)線圈的通電部分是不斷變化的。如果把兩個(gè)線圈看成是單一導(dǎo)體，那么其工作原理類似于傳統(tǒng)的導(dǎo)軌炮[1]。
忽略電阻壓降損失，假設(shè)驅(qū)動(dòng)線圈和彈丸線圈中的電流為I，發(fā)射囂中的感應(yīng)電勢(shì)為：
式中：Le為發(fā)射器總的等效電感。
式(1)中的第一項(xiàng)是與機(jī)械運(yùn)動(dòng)有關(guān)的動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)，第二項(xiàng)為感生電動(dòng)勢(shì)。發(fā)射器總的等效電感是彈丸位置的函數(shù)，可以表示為：
式中：Lr(x)為導(dǎo)軌自感，La為彈丸線圈自感，Ls為驅(qū)動(dòng)線圈自感，時(shí)(x)為驅(qū)動(dòng)線圈和彈丸線圈之間的互感。
由圖l結(jié)構(gòu)可知，La和Ls為常數(shù)。如果驅(qū)動(dòng)線圈和彈丸線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)是相加的，互感項(xiàng)M(x) 為正；如果驅(qū)動(dòng)線圈和彈丸線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)是相減的，互感項(xiàng)M(x)為負(fù)。
式中：v為彈丸(線圈)速度，L(x)為導(dǎo)軌的電感梯度，M(x)為驅(qū)動(dòng)線圈和彈丸線圈的互感梯度。
可以用如下公式估算兩線圈之間的互感[2]：
式中：n1、n2為兩線圈的匝密度；rn、Bn是與兩線圈的形狀和相對(duì)位置有關(guān)的參數(shù)，n=1，2，3，4。
加速?gòu)椡璧牧κ前l(fā)射器電感儲(chǔ)存能量的梯度，可以表示為[4]：
由式(5)可看出，在電流一定的條件下，增大導(dǎo)軌的自感梯度或者驅(qū)動(dòng)線圈和彈丸線圈的互感梯度，能夠提高彈丸的加速力。在實(shí)際中Lr(x)要比M(x)小得多，故此由導(dǎo)軌自感梯度引起的作用力遠(yuǎn)小于由驅(qū)動(dòng)線圈和彈丸線圈的互感梯度引起的作用力[4]。
2仿真與設(shè)計(jì)
2．1仿真模型的建立
考慮發(fā)射器主體為圓柱形，用二維R-Z柱坐標(biāo)系進(jìn)行分析較為合適。由圖2可知在發(fā)射的過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)線圈只 |
