| 電磁驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)線圈內(nèi)部溫度測(cè)量試驗(yàn)研究
韓偉，雷彬，李治源，關(guān)曉存
(軍械工程學(xué)院三系新概念武器研究所，石家莊050003)
摘要：高壓帶電環(huán)境下測(cè)量溫度是一項(xiàng)既園難又危險(xiǎn)的試驗(yàn)。本文介紹了使用熱電偶對(duì)電磁發(fā)射囂驅(qū)動(dòng)線圈內(nèi)部溫度的測(cè)量過程，并利用應(yīng)變片及壓力表對(duì)線圈的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以防止發(fā)生爆裂現(xiàn)象。本文還簡述了線圈內(nèi)部平均溫度的計(jì)算過程，將測(cè)量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相比對(duì)并進(jìn)行了誤差析。
關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)線圈；溫度；熱電偶；電磁驅(qū)動(dòng)囂；測(cè)量；試驗(yàn)；直線電機(jī)
O引 言
電磁發(fā)射器本質(zhì)上是一臺(tái)直線電動(dòng)機(jī)，它由若干個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈(一般固定不動(dòng)，相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)中的定子)和一個(gè)或多個(gè)發(fā)射線圈(相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)子)組成。電磁發(fā)射器由一系列國定的電流激勵(lì)線圈組成。電樞置于線圈的內(nèi)部并與有效載荷固連。當(dāng)激勵(lì)線圈饋入強(qiáng)脈沖電流時(shí)，形成變化的磁場(chǎng)；激勵(lì)線圈和電樞之間將產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁力，以此加速電樞超高速飛出。電磁場(chǎng)變化過程中的熱損耗主要由驅(qū)動(dòng)線圈、電樞及彈丸和炮管之間的摩擦所引起。其后果不僅對(duì)初始能量的消耗、更重要的是對(duì)電磁發(fā)射器本身帶來影響。長期工作中，導(dǎo)線內(nèi)電阻損耗均轉(zhuǎn)換成熱能，引起自身和其他部分的溫升。嚴(yán)重時(shí)會(huì)使線圈燒壞，甚至造成重大事故。所以分析驅(qū)動(dòng)線圈內(nèi)的溫度場(chǎng)及建立冷卻系統(tǒng)是非常必要的，而關(guān)鍵是要了解驅(qū)動(dòng)線圈內(nèi)溫度場(chǎng)分布、平均溫升、各點(diǎn)溫升，以便進(jìn)行下一步計(jì)算和試驗(yàn)。
1熱電偶及測(cè)量原理
常用的測(cè)量溫度儀器有玻璃管液體溫度計(jì)、電阻型溫度計(jì)、熱電偶溫度計(jì)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，熱電偶已成為溫度測(cè)量領(lǐng)域中應(yīng)用****泛的感溫元件之一，可以在一270℃～2 800℃的溫區(qū)內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。它性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確可靠、熱質(zhì)性小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，且結(jié)構(gòu)簡單、維修方便。
熱電偶的測(cè)量原理基于熱電效應(yīng)。將兩種不同的導(dǎo)體，一端焊接，另一端連成閉合回路，當(dāng)兩端有溫差時(shí)，回路就產(chǎn)生熱電勢(shì)。由溫差產(chǎn)生熱電勢(shì)的現(xiàn)象稱為“熱電效應(yīng)”，而這兩種不同導(dǎo)體的組合稱為熱電偶。根據(jù)以上敘述原理，熱電偶產(chǎn)生熱電勢(shì)必須具備以下條件：①必須由兩種性質(zhì)不同但符合一定要求的導(dǎo)體材料構(gòu)成；②工作端和參考端之間必須有溫差。
2驅(qū)動(dòng)線圈結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
我國當(dāng)前驅(qū)動(dòng)線圈的外形為兩層的平面螺旋形狀，線圈材質(zhì)為紫銅。由于在工作中磁發(fā)射器系統(tǒng)是在高功率脈沖電源的作用下進(jìn)行，
所以瞬間形成的電流強(qiáng)度很大，導(dǎo)致瞬間放出的熱量也很多，溫升很高，而且散熱能力的大小與線圈結(jié)構(gòu)及材料有很大關(guān)系。圖1為線圈結(jié)構(gòu)模型。
感應(yīng)線圈發(fā)射器一般由儲(chǔ)能電源(多為電容器組)、開關(guān)、驅(qū)動(dòng)線圈和電樞組成。為了保證磁耦合緊密，驅(qū)動(dòng)線圈和電樞通常是同軸等直徑的。當(dāng)脈沖電流加到驅(qū)動(dòng)線圈時(shí)，電樞交鏈磁通感應(yīng)出一方向相反的環(huán)形電流。該環(huán)形電流與驅(qū)動(dòng)電流反向產(chǎn)生相互排斥的安培力推動(dòng)電樞向前運(yùn)動(dòng)。若設(shè)驅(qū)動(dòng)線圈中電流為i1，自感為L1，電樞電流為I2，自感為L2，兩者互感為M，則驅(qū)動(dòng)線圈和電樞總的磁能為：
作用于單位線圈上的驅(qū)動(dòng)力為：
式中M1(x)為電感梯度。
當(dāng)兩線圈從相互接近到遠(yuǎn)離時(shí)，電感梯度正負(fù)變化，力的方向也發(fā)生變化。當(dāng)環(huán)形電流i1，i2反向，彈丸位于驅(qū)動(dòng)線圈1中心右邊時(shí)，驅(qū)動(dòng)線圈
2先不通電，當(dāng)彈丸剛向右越過驅(qū)動(dòng)線圈2中心后，再讓驅(qū)動(dòng)線圈2通以和i1反向的電流，以此類推彈丸被一系列驅(qū)動(dòng)線圈加速。
驅(qū)動(dòng)線圈的發(fā)射特性和結(jié)構(gòu)特性使得溫度測(cè)量更加困難，厚厚的尼龍外殼使探針無法深入高脈沖電流使測(cè)量的危險(xiǎn)系數(shù)增加，饋電時(shí)周圍的強(qiáng)電磁場(chǎng)嚴(yán)重影響了測(cè)量結(jié)果。
3驅(qū)動(dòng)線圈平均溫度計(jì)算
任何發(fā)熱體在其溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之前，它將以其中部分熱量用來升高本身的溫度，而另一部分熱量散到周圍介質(zhì)中去。這兩個(gè)部分的比值由許多因素決定，且整個(gè)發(fā)熱過程中它們是相互變化的。當(dāng)發(fā)熱達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之前，在無限小時(shí)間間隔內(nèi)的熱平衡關(guān)系可表示為：
式中，P為發(fā)熱體的電阻損耗功率；出為發(fā)熱時(shí)間；c為發(fā)熱體的比熱；G為發(fā)熱體的重量；dt為在出時(shí)間內(nèi)物體較以前狀態(tài)升高的溫度；u為散熱系數(shù)(瓦厘米)；s為散熱面積；r為物體超過周圍介質(zhì)的溫度。
式(3)中，cGdr是用來提高本身溫度的熱量部分；μst出是發(fā)散到周圍介質(zhì)去掉熱量部分。由式中可以看出，在發(fā)熱過程中，如所有輸入的功率等于發(fā)散的功率時(shí)，即發(fā)熱體本身的溫度將停止上升。在這種情況下，出現(xiàn)了熱點(diǎn)穩(wěn)定狀態(tài)(實(shí)際上它是不穩(wěn)定的一種特殊狀態(tài))，此時(shí)：
在這種情況下的溫升如以ty來代表，那么，
P=μsty (5)
這就是牛頓公式。
另一種極限情況，即當(dāng)發(fā)熱體把所有的輸入功率都用在自身溫度的升高時(shí)．式(3)就變?yōu)椋?/DIV>
Pdt=CGdt+O，積分化簡后，得：
在計(jì)算驅(qū)動(dòng)線圈溫度時(shí)，假設(shè)電阻熱功率均勻分布；由于發(fā)熱時(shí)間短，可以忽略線圈表面向周圍散熱。線圈炮發(fā)射過程的時(shí)間極短�？梢约俣�，發(fā)射瞬間線圈發(fā)熱過程類似于絕熱過程，因此對(duì)式(5)積分得：
4測(cè)量過程
4．1實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图皽y(cè)量儀器
模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示。被研究的對(duì)象為外形為兩層繞線的平面螺旋形狀驅(qū)動(dòng)線圈。當(dāng)電源系統(tǒng)向驅(qū)動(dòng)線圈饋人電流時(shí)，發(fā)熱導(dǎo)線就會(huì)生熱，線圈內(nèi)溫度升高。由于電磁力驅(qū)動(dòng)電樞向前運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致有很強(qiáng)的徑向力，所以要監(jiān)測(cè)孔內(nèi)的壓力保持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，否則會(huì)使線圈崩裂，造成事故。實(shí)驗(yàn)儀器包括壓力傳感器、熱電偶、屏蔽線及顯示溫度分布的數(shù)據(jù)采集顯示儀。
4．2操作過程
為了測(cè)得驅(qū)動(dòng)線圈的局部溫度，可以在制作線棒時(shí)將測(cè)溫元件埋設(shè)于股線上待測(cè)點(diǎn)處，然后包扎絕緣、浸膠熱壓并作防暈處理。制作過程中，要求線棒的幾何尺寸，絕緣性能、防暈?zāi)芰M足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)要保護(hù)測(cè)溫元件的完好無損。埋設(shè)熱電偶時(shí)要避開冷風(fēng)易漏入的位置，以免影響測(cè)量精度。
①在驅(qū)動(dòng)線圈上打一個(gè)大約4 mm深度合適的孔，可以固定熱電偶和應(yīng)變片。
②把屏蔽線裝在熱電偶上，以防止測(cè)量時(shí)電磁干擾，雖則如此，電磁干擾也不能完全避免，只能盡量減少。
③將測(cè)壓計(jì)的應(yīng)變片置人孔內(nèi)合適位置并固定好。固定時(shí)用強(qiáng)力膠粘好，否則會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。
④將熱電偶保護(hù)管去除，以便能提高傳感器反應(yīng)時(shí)間更精確測(cè)量。將剝?nèi)ケＷo(hù)管的熱電偶探針固定在孔內(nèi)，使能接觸到銅線的絕緣皮。絕緣皮不能弄破，否則就會(huì)發(fā)生漏電漏磁現(xiàn)象。
⑤熱電偶與顯示儀接好線，應(yīng)變片與顯示儀也接好線。接線的時(shí)候注意連接線盡量短，以免誤差太大。安裝前對(duì)顯示儀進(jìn)行校正。
⑥進(jìn)行發(fā)射準(zhǔn)備。檢查各種接線柱是否牢固，接地情況，攝像頭的位置。發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)杜絕人員走動(dòng)。
4．3測(cè)量結(jié)果
通過上述測(cè)量過程可以得到在某一電壓值下溫度變化計(jì)溫升情況如下表所示。
5誤差分析
①測(cè)溫點(diǎn)的選擇引起的誤差。因?yàn)槭瞧茐男栽囼?yàn)，所以對(duì)測(cè)溫點(diǎn)的選擇要格外小心。首先要盡量遠(yuǎn)離高壓電接入端。根據(jù)尺寸結(jié)構(gòu)，不要偏離內(nèi)部線圈，否則就不能準(zhǔn)確測(cè)量。
②插入深度引起的誤差。為了保證熱電偶能真實(shí)地反映驅(qū)動(dòng)線圈內(nèi)部的溫度，熱電偶必須有足夠的深度，一般規(guī)定不得小于其保護(hù)管外徑的10倍。在保證插入深度的同時(shí)，還要考慮其冷端溫度的穩(wěn)定。探頭要貼近線圈絕緣皮。
③響應(yīng)時(shí)間的影響。熱響應(yīng)時(shí)間主要取決于傳感器的結(jié)構(gòu)及測(cè)量條件。對(duì)于氣體介質(zhì)，至少應(yīng)保持30min以上才能達(dá)到熱平衡。對(duì)于液體介質(zhì)，最快也要在5 min以上，對(duì)于溫度不斷變化的被測(cè)環(huán)境，尤其是瞬間變化過程，全過程不到1秒鐘，則要求傳感器的響應(yīng)時(shí)間在毫秒級(jí)。普通溫度傳感器跟不上被測(cè)對(duì)象的溫度變化速度而出現(xiàn)滯后，因而達(dá)不到熱平衡而產(chǎn)生測(cè)量誤差。
6結(jié)語
強(qiáng)電磁場(chǎng)下的溫度測(cè)量需要考慮很多因素要時(shí)刻注意測(cè)量過程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)。帶電高壓測(cè)量必須注意以下幾點(diǎn)：①做好充分的準(zhǔn)備工作，并詳細(xì)比對(duì)每一步驟，所有的高壓接線必須牢固可靠；②所有設(shè)備應(yīng)置于絕緣臺(tái)上，所用試驗(yàn)用具在耐壓測(cè)試后方可使用；③嚴(yán)格遵守帶電操作規(guī)程，不允許單人操作，必須指定專人值班，設(shè)立觀察員。
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