郭 威，陳息坤，朱國慶，陳永健，張克松

(上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200444)

0 引 言

電磁發(fā)射裝置是通過電磁力來加速物體，即通過電磁能量轉換使彈丸達到高速的裝置。相比于傳統(tǒng)的化學發(fā)射裝置，電磁發(fā)射的顯著優(yōu)點在于污染小、重復性好、可控性好，因此應用前景廣闊。根據(jù)發(fā)射結構的差異，電磁發(fā)射可以分為軌道型、線圈型和重接型，其中線圈型發(fā)射依據(jù)加速對象的不同又分為感應型和磁阻型兩類[1]。文獻[2]研究了不同彈丸參數(shù)下磁阻型線圈發(fā)射器相關特性。文獻[3]對不同速度、不同驅(qū)動線圈電流條件下的減速力進行了研究。文獻[4-6]通過有限元仿真研究了發(fā)射過程中彈丸相關參數(shù)的影響。

本文主要利用兩種脈沖成型網(wǎng)絡模塊的不同放電特性，與電磁發(fā)射裝置結合進行整體設計和優(yōu)化，縮短了發(fā)射結構長度，實現(xiàn)了放電回路的過零后關斷，并且對后級觸發(fā)時序進行優(yōu)化調(diào)整，有效提升了發(fā)射彈丸的出口速度。

1 系統(tǒng)工作原理及組成

磁阻型線圈發(fā)射器主要由發(fā)射線圈、鐵磁材料制成的彈丸、電源以及相應放電回路、續(xù)流回路構成，基本結構如圖1所示。

圖1 電磁發(fā)射基本結構

電磁發(fā)射裝置的基本工作原理是：電路開關閉合后電源放電給線圈產(chǎn)生脈沖電流，驅(qū)動線圈受激勵產(chǎn)生感生磁場，鐵磁材料彈丸被磁化，由于被磁化后的彈丸磁阻遠小于空氣磁阻，根據(jù)磁阻最小原則，磁通總是趨向于沿磁導率最小的路徑閉合，所以彈丸會受到軸向的電磁力，向線圈中心即磁阻最小的方向移動[7-8]，會被加速發(fā)射出去。

2 放電電路與發(fā)射線圈設計分析

2.1 Ⅰ型、Ⅱ型脈沖成型網(wǎng)絡模塊放電拓撲

脈沖放電電路是磁阻電磁發(fā)射系統(tǒng)的主要組成部分，單個脈沖功率電源也稱作脈沖成型網(wǎng)絡(以下簡稱PFN)[9]，基本工作原理是將晶閘管作為開關，控制電容放電產(chǎn)生脈沖電流。圖2為兩種PFN模塊的電路拓撲，包括儲能電容C、續(xù)流二極管D、開關元件T、發(fā)射線圈L以及相應的等效電感與電阻。PFN模塊在放電過程中，當電容正向電流減小到零后，Ⅰ型電路中電容所在回路中斷，電容電流消失，不再產(chǎn)生能量損耗，而Ⅱ型電路存在反向充電電流，因此Ⅰ型PFN放電過程效率較高。但是由于Ⅱ型拓撲的晶閘管處于電感續(xù)流回路中，能夠?qū)崿F(xiàn)續(xù)流回路的過零后關斷，所以通過對發(fā)射線圈參數(shù)與Ⅰ型、Ⅱ型PFN模塊的整體設計，能實現(xiàn)最優(yōu)的發(fā)射過程，從而提升電磁發(fā)射效率。

圖2 兩種PFN模塊

2.2 線圈對發(fā)射過程的影響

利用虛位移的原理，可以近似計算得到鐵磁彈丸在發(fā)射線圈中的受力，位移前后磁能變化量：

(1)

從而得到彈丸所受的軸向電磁力：

(2)

式中：χm為鐵磁材料磁化率；μ0為真空磁導率；H為驅(qū)動線圈產(chǎn)生的磁場強度；A為驅(qū)動線圈的截面積。

對于兩級發(fā)射結構，兩級發(fā)射線圈的作用增加了彈丸的加速距離，并且抵消了部分電磁減速力，相比于單級發(fā)射結構，有效提升了發(fā)射效果。

3 兩種PFN結合電磁發(fā)射系統(tǒng)設計與優(yōu)化

3.1 結合Ⅰ型、Ⅱ型PFN模塊整體設計

在現(xiàn)有的兩級發(fā)射結構設計的基礎上，本文對發(fā)射結構與電路進行了整體的優(yōu)化設計，圖3為發(fā)射結構示意圖。

圖3 結合Ⅰ型、Ⅱ型PFN模塊設計的發(fā)射結構

在發(fā)射線圈方面，將前級線圈與后級線圈設計成間距為0的緊貼結構，利用前級線圈與后級線圈之間的互感，在后級線圈脈沖電流上升時，可使前級線圈的電感電流降低到零，并且縮短了發(fā)射結構長度。在電路設計方面，結合Ⅰ型、Ⅱ型PFN模塊，前級線圈采用Ⅱ型PFN拓撲實現(xiàn)續(xù)流回路過零關斷，能夠明顯降低電磁發(fā)射過程中的減速力作用效果；后級線圈采用Ⅰ型放電拓撲，可降低電容放電過程能耗。

該發(fā)射裝置的工作過程：當前級晶閘管T1觸發(fā)導通時，電容C1向前級線圈放電形成磁場，鐵磁彈丸加速運動。在T2觸發(fā)導通時，后級線圈產(chǎn)生脈沖電流與前級線圈互感，使得前級線圈電流快速衰減到零，之后Ⅱ型PFN模塊中T1過零后關斷，前級線圈所在回路斷開，對彈丸的減速力作用消失，而后級采用能耗較低的Ⅰ型PFN拓撲。

3.2 仿真模型搭建與參數(shù)設置

本文基于ANSYS Maxwell對發(fā)射裝置進行有限元仿真，發(fā)射裝置模型如圖4所示。前后級電容參數(shù)相同，電容容值3 300 μF,電容初始電壓400 V,前級驅(qū)動線圈匝數(shù)140匝，后級線圈匝數(shù)160匝,線圈材料為銅，線徑為1.5 mm,線圈內(nèi)半徑均為19 mm,線圈外半徑均為25 mm，彈丸半徑為18 mm,長度60 mm，材料為10號鋼。

圖4 兩級發(fā)射器仿真模型

3.3 優(yōu)化前后仿真對比

分別對整體優(yōu)化設計的前后兩級磁阻發(fā)射裝置進行有限元仿真，圖5為兩級線圈上的電流變化曲線與速度變化曲線?？梢钥闯觯O計優(yōu)化后的系統(tǒng)在線圈電流過零后電路關斷，不再產(chǎn)生對彈丸的減速力，對彈丸的動能損耗消失，磁場只產(chǎn)生于后級線圈，前級線圈不再對彈丸作功。最終出口速度由14.6 m/s提升到了16.5 m/s，動能提升了21.8%，有了顯著的提升。

圖5 優(yōu)化前后電感電流與彈丸速度變化曲線

3.4 前級過零關斷電路可行性驗證

對設計的發(fā)射裝置進行搭建，圖6為整體優(yōu)化設計后的兩級磁阻發(fā)射實驗平臺。圖7為整體優(yōu)化設計前后的電容放電與前級線圈電流波形。由實驗波形能夠看出，優(yōu)化后的前級線圈電流實現(xiàn)了過零后關斷，因此該設計方案具有可行性。

圖6 采用Ⅰ型、Ⅱ型PFN拓撲的電磁發(fā)射平臺

圖7 優(yōu)化前后電容電壓電流與前級線圈電流波形

3.5 后級線圈觸發(fā)時序優(yōu)化

在結合Ⅰ型、Ⅱ型PFN模塊所設計的發(fā)射裝置的基礎上，對后級線圈驅(qū)動電路觸發(fā)時間t0進行調(diào)整，使得在第二級電容放電的時間內(nèi)，彈丸所受軸向加速力作用時間長，而在彈丸所受電磁力變?yōu)榉聪驕p速力時，作用時間短，所受電磁力小，進一步提高發(fā)射彈丸的出口速度。

對第二級電路不同觸發(fā)時間的放電情況進行仿真計算，圖8為彈丸速度變化曲線。在其他參數(shù)保持不變，分析得出經(jīng)過第一級線圈加速后的速度基本相同，而第二級線圈在不同觸發(fā)時間下，彈丸最終出口速度v隨t0變化。

圖8 不同觸發(fā)時間下彈丸速度隨時間的變化曲線

表1為對比不同觸發(fā)時間下的彈丸出口速度和動能?？芍?，觸發(fā)時間過早或者過晚，出口速度都會下降，彈丸動能損耗增加，當t0=6 ms時,出口速度v0=17.6 m/s,此時發(fā)射裝置發(fā)出的彈丸動能達到最大,為76.8 J。

表1 不同觸發(fā)時間下彈丸出口速度及動能

4 結 語

本文基于ANSYS Maxwell仿真軟件建立的兩級磁阻發(fā)射裝置仿真模型，結合使用Ⅰ型、Ⅱ型PFN模塊對電磁發(fā)射系統(tǒng)進行整體優(yōu)化設計，利用前后兩級線圈的互感作用，實現(xiàn)了發(fā)射過程中放電電路的過零關斷，有效縮短了減速距離，顯著提升了發(fā)射彈丸的出口速度，并通過實驗對該設計可行性進行了驗證，最后在此基礎上對后級線圈的放電時序優(yōu)化調(diào)整，進一步提升了發(fā)射彈丸的出口速度。