尹艷超， 郝永平， 劉雙杰， 梁東升

(沈陽理工大學(xué) CAD/CAM技術(shù)研究與開發(fā)中心， 沈陽 110159)

三磁鋼磁電機發(fā)電及其過載脈寬影響分析

尹艷超， 郝永平， 劉雙杰， 梁東升

(沈陽理工大學(xué) CAD/CAM技術(shù)研究與開發(fā)中心， 沈陽 110159)

根據(jù)現(xiàn)代智能微型火工品對電源的需求，設(shè)計了三磁鋼單繞組磁電動機結(jié)構(gòu)。針對模型進行Ansoft仿真計算，并通過沖擊試驗臺實驗，對比沖擊實驗與仿真計算結(jié)果：三磁鋼磁后坐電機在過載973g時，正向峰值電壓誤差小于7.8%，在工程誤差許可范圍內(nèi)；在過載961g、脈寬1.35 ms時，鉭電容器充電穩(wěn)定，電容電壓為2.28 V，其儲存能量為57 μJ；過載約2 135g時，三磁鋼較單磁鋼、雙磁鋼的繞組電壓都大；過載約535g時，脈沖寬度由1.10 ms增加到2.01 ms，繞組電壓增加了83.18%。

磁電機； 沖擊實驗； 仿真計算； 過載脈寬

自發(fā)電式發(fā)火機構(gòu)是利用碰擊目標時的物理效應(yīng)發(fā)電，從而起爆電火工品[1]。磁電效應(yīng)對應(yīng)的磁電發(fā)火機構(gòu)在后坐力的作用下，利用后坐力驅(qū)動磁芯做直線運動，使閉合的磁通發(fā)生變化，在線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，產(chǎn)生的電壓為脈沖電壓[2]。

磁后坐電動機輸出電能快、結(jié)構(gòu)簡單且便于密封，但不能連續(xù)長時間供電[3]。本文對磁后坐發(fā)電裝置進行結(jié)構(gòu)探索，使其與儲能電路結(jié)合使用后，可以為微小型的火工品提供激發(fā)能量或微功耗電子時間引信及近炸引信使用。由于磁后坐發(fā)電裝置模型結(jié)構(gòu)的設(shè)計涉及動力學(xué)、電磁學(xué)以及電路計算，本文采用計算機進行瞬態(tài)磁場分析計算，提高了原始解析分析法對磁鋼變加速運動和非勻強磁場變化下的精度，并能夠分析出全部工作過程信息，縮短了設(shè)計時間。

1 磁電機原理

電磁式振動電源具有小體積、高感測頻率、工藝與半導(dǎo)體技術(shù)兼容、可適用于各種惡劣環(huán)境等優(yōu)點[4]。根據(jù)其振動部件的不同，可以把其分為磁鐵振動、線圈振動和磁鐵線圈共同振動3種類型[5]。本文設(shè)計的磁后坐直線發(fā)電機的永磁振子采用圓柱形釹鐵硼永磁鐵。振動式磁電機的工作機理依據(jù)電磁感應(yīng)原理[6]。

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)電動勢公式：

(1)

式中，E為線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢；N為組成閉合回路的線圈匝數(shù)；Φ為通過每匝線圈的磁通量；B為磁感應(yīng)強度；S為線圈的面積矢量。后坐力環(huán)境的振動引起線圈和磁場發(fā)生相對運動，從而導(dǎo)致穿過線圈的磁通量發(fā)生變化，在線圈中產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢[7]。

由于永磁鐵周圍的磁場分布是非均勻的，線圈和磁鐵之間又存在著相對運動，由法拉第電磁感應(yīng)定律分析可得，在電源產(chǎn)生能量的過程中，產(chǎn)生的電動勢不僅有感生電動勢，還有動生電動勢[8]。本文研究任何一匝線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為

(2)

i=1,2,…,N

式中，v、l分別為導(dǎo)體回路相對于磁場的運動速度、路徑；Em、Ei分別為感生電動勢、動生電動勢。

對于N匝線圈，產(chǎn)生的總感應(yīng)電動勢即為各單匝線圈感應(yīng)電動勢之和，即

(3)

在忽略導(dǎo)磁體的線性問題、不考慮磁漏影響的情況下[9]，可將磁電機用圖1(a)所示的二階機械系統(tǒng)表示，即由彈簧(剛度c)、質(zhì)量塊(質(zhì)量m)和阻尼器(阻尼系數(shù)b)3部分組成。由達朗貝爾原理可得，作用在質(zhì)量塊上的合力為零，即

Fm+Fc+Fb-F=0

其中，F(xiàn)m為慣性力；Fc為彈簧力；Fb為阻尼力。因此，

(4)

式中，F(xiàn)為后坐力；v為質(zhì)量塊速度。

圖1(b)所示為RLC串聯(lián)電路，根據(jù)回路電壓定律，其電壓方程為

(5)

式中，R、i、C、L分別為電阻、電流、電容、電感。

(a)二階機械系統(tǒng)(b)RLC串聯(lián)電路

圖1兩個相似系統(tǒng)

Fig.1 Two similar systems

比較式(4)、(5)可見，兩式的微分方程形式上是一致的，故圖1(a)、(b)所示系統(tǒng)可以相互模擬。

根據(jù)機電模擬關(guān)系，電阻抗

(6)

可直接寫為

Zm=b+j(ωm-c/ω)

(7)

式中，Zm為機械阻抗；ω為系統(tǒng)工作角頻率。

磁電機傳遞函數(shù)為

(8)

2 三磁鋼單繞組磁電動機

圖2所示為三磁鋼單繞組磁電機結(jié)構(gòu)。

圖2 三磁鋼單繞組磁電機結(jié)構(gòu)示意圖

該結(jié)構(gòu)磁電機采用三磁鋼單繞組彈簧阻尼的結(jié)構(gòu)。磁電機在炮彈發(fā)射的瞬間處于后坐力過載環(huán)境下，由于后坐力的作用，磁芯向下運動切割磁感線產(chǎn)生電壓；當后坐力小于彈簧抗力時，在彈簧彈力的作用下將磁鋼恢復(fù)原位，該過程磁鋼也切割磁感線產(chǎn)生反向電壓。而采用如圖3所示的全橋整流電路可防止反向電壓與正向電壓抵消，使電容儲存的電能得到提高，從而使磁電機的電能得到充分利用[10]。圖3也是磁電機運行過程中為C充電的電路原理圖[11]。

圖3 磁電機電容充電電路

三磁鋼單繞組磁電機在彈丸發(fā)射時，當過載達到一定大的情況下，磁鋼壓縮彈簧與繞組產(chǎn)生相對運動，故與單磁鋼和雙磁鋼的磁電機相比，其提高了發(fā)電量[12]。這是由于一方面彈簧阻尼具有安保功能，能保證磁電機在達到一定過載情況下才能產(chǎn)生額定電壓；另一方面，彈簧具有恢復(fù)力，能使磁鋼回復(fù)到初始位置，該過程同時產(chǎn)生一定的電壓，增加了磁電機產(chǎn)生電壓的時間，進而提高了磁電機的電能。

3 有限元耦合磁場分析計算及沖擊測試

3.1磁電機有限元耦合磁場分析計算

有限元耦合分析法是一種數(shù)值計算常用的軟件分析方法，其中，ANSOFT公司的Maxwell 2D/3D是一款電磁耦合分析軟件[13-15]。由于所研究的三磁鋼單繞組磁電機具有軸對稱結(jié)構(gòu)，故采用Maxwell 2D模型對z軸對稱進行瞬態(tài)分析磁場計算。

對所研究的磁電機在Ansoft中建立模型，選用牌號為N35H的釹鐵硼作為永磁鐵，單個磁鐵尺寸為φ5 mm×5 mm,繞組高度為8 mm、線徑為0.14 mm、500圈，R=14.7 Ω，c=4 N/mm，b=0.6，加載973g、脈寬1.35 ms的脈沖過載，對磁鋼進行瞬態(tài)二維軸對稱磁場耦合分析計算負載電容充電情況。計算、分析得到磁電機磁鋼初始位置及最大位移位置的磁力線如圖4所示。

(a)初始位置(b)最大位移位置

圖4磁鋼初始位置及最大位移位置磁力線

Fig.4 Flux lines of initial displacement position and maximum displacement position

圖5所示為三磁鋼單繞組磁電機在973g過載情況下，繞組電壓的實際測試結(jié)果與仿真結(jié)果。

由圖可見，實際測試中，磁電機繞組電壓能達到4.24 V，而仿真得到繞組電壓為4.57 V，比較兩者波形基本一致，其正向峰值電壓誤差小于7.8%，在工程誤差許可范圍內(nèi)。圖6所示為在過載961g、脈寬為1.35 ms情況下，對22 μf鉭電容器充電時電容電壓的實際測試結(jié)果。由圖可見，充電穩(wěn)定后的電容電壓為2.28 V；根據(jù)其輸出能量，電容存儲能量為

(a)實際測試結(jié)果

(b)仿真結(jié)果

Fig.5 Results of test and simulation for winding voltage under 973gload

圖6 961 g過載電容電壓-時間曲線

式中，UC為電容兩端電動勢。計算得到EC=57 μJ。

3.2磁后坐電機磁鋼選擇及脈寬分析

為使磁鋼能達到最大的發(fā)電效果，在實驗室條件下采用沖擊試驗臺進行實際過載測試。對三磁鋼單繞組磁電機與單磁鋼、雙磁鋼的發(fā)電性能進行對比試驗。表1所示為不同磁鋼過載產(chǎn)生的電壓。

表1 不同磁鋼過載產(chǎn)生的電壓值

由表1可見，隨著磁鋼數(shù)量的增加，過載產(chǎn)生的電壓也在逐漸增加。其中，雙磁鋼比單磁鋼產(chǎn)生的電壓平均值高出49.79%，三磁鋼比雙磁鋼產(chǎn)生的電壓平均值高出15.9%。由此可見，三磁鋼發(fā)電效果最好，故三磁鋼最適合單繞組磁電機發(fā)電。另外，由于磁電機空間高度有限，不能繼續(xù)增加磁鋼的個數(shù)，綜合考慮磁電機的磁鋼為3塊最佳。

試驗測試不同過載脈沖寬度對三磁鋼磁電機發(fā)電性能影響，得到不同過載脈沖寬度對應(yīng)的磁電機電壓如表2所示。

表2 不同脈寬過載產(chǎn)生的磁電機電壓

在實際試驗中，由于每次過載量都不可能完全相同，且過載量數(shù)值較大，故將相近的數(shù)值作為同一水平的過載量。由表2可見，在同一水平過載量情況下，隨著脈沖寬度的增加，過載產(chǎn)生的開路電壓也在逐漸增加，脈沖寬度由1.10 ms增加至2.01 ms，增加了82.73%，開路電壓隨之增加了83.18%。由此可見，過載脈沖寬度的增加對提高磁電機過載電壓有顯著影響。

4 結(jié) 語

本文通過對儲能電容的三磁鋼磁電機的數(shù)學(xué)模型分析，以及有限元模型分析計算，建立了磁電機模型并在實驗室測量其繞組電壓，得出的正向峰值電壓誤差小于7.8%，在工程誤差許可范圍內(nèi)，證明該磁電機設(shè)計合理。仿真實驗比較了三磁鋼、單磁鋼和雙磁鋼發(fā)電效果，三磁鋼發(fā)電效果最好。最后，試驗結(jié)果表明，同一過載情況下，脈沖寬度越寬，磁電機產(chǎn)生的電壓越大。

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Recoil Generator with Three Magnetic Cores and Influence of Overload Pulse Width

YINYanchao，HAOYongping，LIUShuangjie，LIANGDongsheng

(Technology Center of CAD/CAM, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China)

Taking into account the requirements of the demand of power supply for modern intelligent micro-initiating explosive device, a single-winding magnetor-generator with three magnets is designed. Using Ansoft and a shock test machine, a comparative study of impact is carried out. For the recoil generator with three magnets under 973g, the error of forward peak voltage is less than 7.8%, which is within the allowable range of engineering errors. With the tantalum capacitor steadily charged at a voltage of 2.28 V, the stored energy is 57 μJ under 961gand a pulse width of 1.35 ms. The voltage of winding with three magnets is higher than those with one or two magnets under 2 135g. Under 535g, the pulse width of 1.10 ms is increased to 2.01 ms, with winding voltage increased by 83.18%.

magnetor-generator; impact test; simulation; pulse width

2017 -07 -26

遼寧省自然科學(xué)基金項目資助(201705400791)

尹艷超(1990-)，男，碩士生，主要研究方向為引信微電源激活，E-mail：1145599654@qq.com

2095-0020(2017)05 -0259-05

TJ 450.6

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