劉雙慶，楊 臻，方 煒，王永艷,李 印

(1.中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，太原 030051；2.中北大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，太原 030051;3.四川華川工業(yè)股份有限公司，成都 610105)

1 引言

點火機構(gòu)是身管武器的重要組成部分，傳統(tǒng)底火點火方式是將機械能或者電能通過接觸的方式將能量直接作用于底火來點燃發(fā)射藥，隨著彈藥技術(shù)的發(fā)展某些新型彈藥提出底火安裝在彈藥中間的要求以及新型火炮對密閉性要求的提高和無后坐力火炮的發(fā)展，火炮的擊發(fā)機構(gòu)與底火并不能直接接觸，所以通過接觸將能量作用在底火上的傳統(tǒng)點火方式并不能滿足上述需求，因此需要發(fā)展一種非接觸式底火點火技術(shù)。電磁感應(yīng)式無線能量傳輸技術(shù)在大間隙的條件下，兩線圈耦合系數(shù)較低，傳輸距離較近，但自2007年美國麻省理工學(xué)院Matin Soljacic教授及其團隊成功點亮了2 m外60 W的燈泡[1-2]，無線能量傳輸技術(shù)在醫(yī)療、汽車、引信等領(lǐng)域掀起了研究熱潮，當(dāng)兩電線圈和補償電容組成諧振回路時傳輸距離可以達到米級[3-6]，這為無線能量傳輸技術(shù)在非接觸式點火方式的應(yīng)用帶來了可能，但由于武器身管大多數(shù)為金屬材料，所以國內(nèi)鮮有學(xué)者對非接觸式點火技術(shù)進行研究。

1997年“金屬風(fēng)暴”武器系統(tǒng)亮相，國內(nèi)越來越多學(xué)者對超高射頻武器系統(tǒng)的點火方式展開研究，文獻[7-9]研究了超高射頻武器系統(tǒng)的點火方式，該系統(tǒng)采用串聯(lián)預(yù)裝填彈藥結(jié)構(gòu)，底火按照順序安裝在身管上，通過軟件和硬件控制點火順序依次將能量作用于底火，屬于接觸式點火方式。文獻[10]中對感應(yīng)點火技術(shù)的基本原理與構(gòu)成進行了研究，其中初級線圈與次級線圈直接耦合，并未加入補償電容使兩線圈進入諧振狀態(tài)，其缺點是傳輸距離較近。文獻[11]中通過建立數(shù)學(xué)模型分析了鈦合金炮管內(nèi)的電磁場穿透特性，得出了諧振頻率只有小于特定頻率時滿足引信充電的要求，并沒有進行詳細分析骨架材料的電導(dǎo)率和相對磁導(dǎo)率對穿透的特性的影響。

本文中建立了磁耦合諧振式點火系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分別從骨架材料的電導(dǎo)率和相對磁導(dǎo)率以及磁芯厚度對互感的影響進行了分析，完成了基于磁耦合諧振式的非接觸點火系統(tǒng)在身管武器上原理樣機試驗。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)身管武器的特點，非接觸式點火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其特點是，不需要改動武器的結(jié)構(gòu)，只需通過合理的設(shè)計在骨架繞上一定匝數(shù)的初級線圈和在底火上纏繞一定匝數(shù)的次級線圈即可實現(xiàn)非接觸式點火功能。

圖1 非接觸式點火系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the non-contact ignition system

本文中設(shè)計的非接觸式點火系統(tǒng)電路如圖2所示，主要包括直流電源、逆變器、補償電容、初級線圈、次級線圈、整流電路和底火，當(dāng)初級線圈和次級線圈之間的耦合距離較大時，漏磁較為嚴(yán)重，會導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸性能降低，因此采用磁耦合諧振式的無線能量傳輸方案，通過補償電容使兩電路發(fā)生諧振，實現(xiàn)系統(tǒng)能量的傳輸[12-15]。

圖2 非接觸式點火系統(tǒng)電路框圖Fig.2 Circuit block diagram of the non-contact ignition system

3 系統(tǒng)工作原理

圖3 系統(tǒng)耦合諧振電路圖Fig.3 System coupling resonance circuit diagram

根據(jù)基爾霍夫定律：

(1)

式中：

(2)

根據(jù)式(1)求得，可得回路中的電流關(guān)系：

(3)

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生諧振時，發(fā)射回路和接收回路線圈電壓與串聯(lián)的諧振電容電壓矢量和為0，即感抗和容抗相互抵消，此時電路中的電流達到最大值，則：

(4)

此時傳輸效率為：

(5)

由式(5)可知，系統(tǒng)傳輸效率不僅與底火電阻阻值有關(guān)，而且與系統(tǒng)的諧振頻率、初級線圈和次級線圈互感、線圈內(nèi)阻密切相關(guān)。

醫(yī)院管理者與財務(wù)會計人員應(yīng)積極重視當(dāng)前醫(yī)院財務(wù)會計內(nèi)部控制存在的問題，從提高重視程度，加強人員培訓(xùn)出發(fā)，建立健全科學(xué)的內(nèi)控機制與體系，確保醫(yī)院內(nèi)部審計部門發(fā)揮更重要的作用，進一步強化對內(nèi)部的監(jiān)督與核查，對現(xiàn)存不足加以改進，才能全面提高醫(yī)院的綜合實力，推動醫(yī)院的經(jīng)營與發(fā)展。

計算分析得出傳輸效率的大小由底火電阻阻值和互感決定。針對本文中研究的諧振電路，諧振頻率f=100 kHz，R1=0.15 Ω，R2=0.09 Ω，底火阻值為1～3 Ω，互感為0.1～0.3 μH，則傳輸效率與互感、底火電阻的關(guān)系如圖4所示。

圖4 傳輸效率與互感、底火電阻關(guān)系圖Fig.4 Diagram of transmission efficiency with mutual inductance and primer resistance

由圖4可知，當(dāng)固定初級線圈和次級線圈的互感M，底火電阻RL從3 Ω遞減到1 Ω時，傳輸效率η0增幅并不明顯，但當(dāng)固定底火電阻RL，兩線圈互感M從0.1 μH增加到0.3 μH時，傳輸效率η0增幅明顯。分析結(jié)果表明傳輸效率η0受互感M的影響更為明顯。

4 影響系統(tǒng)互感主要特征參數(shù)研究

4.1 骨架材料對互感的影響

該系統(tǒng)通過初級線圈和次級線圈間的電磁耦合實現(xiàn)非接觸式能量的傳輸，初級線圈纏繞在骨架上，所以需要研究骨架材料對系統(tǒng)互感的影響。根據(jù)電磁學(xué)方程，骨架材料的電導(dǎo)率σ和相對磁導(dǎo)率μr是影響互感的2個重要因素。

為了分析骨架材料的電導(dǎo)率和相對磁導(dǎo)率對互感的影響程度，在Maxwell軟件中建立三維仿真模型如圖5所示，初級線圈匝數(shù)和次級線圈匝數(shù)均為5匝。

圖5 仿真模型圖Fig.5 Simulation model diagram

令骨架相對磁導(dǎo)率為1，當(dāng)骨架材料電導(dǎo)率σ為1 000 S/m、10 000 000 S/m，磁感應(yīng)強度云圖如圖6所示。

圖6 骨架不同電導(dǎo)率磁場分布情況Fig.6 Magnetic field distribution of different conductivity of skeleton

由圖6可知，當(dāng)電導(dǎo)率為1 000 S/m，磁感線穿透了骨架，當(dāng)電導(dǎo)率達到10 000 000 S/m時，已無磁感線穿透骨架。

為進一步探究骨架電導(dǎo)率σ對系統(tǒng)互感的影響關(guān)系，以骨架材料的電導(dǎo)率σ為變量，得到兩線圈互感M與電導(dǎo)率σ的關(guān)系如圖7所示，其中橫坐標(biāo)電導(dǎo)率采用的是對數(shù)形式。

圖7 互感與骨架電導(dǎo)率關(guān)系圖Fig.7 Diagram of mutual inductance and skeleton conductivity

圖8 骨架電流密度云圖Fig.8 Skeleton current density nephogram

為了分析骨架相對磁導(dǎo)率對互感的影響，根據(jù)對骨架電導(dǎo)率的分析可知，獲得較大的互感值，需要選擇電導(dǎo)率較小的材料，令骨架材料的電導(dǎo)率為10 S/m，當(dāng)骨架材料相對磁導(dǎo)率μr分別為1、4 000時，磁感應(yīng)強度云圖如圖9所示。

圖9 骨架不同相對磁導(dǎo)率磁場分布情況Fig.9 Magnetic field distribution of different relative permeability of skeleton

由圖9可知，當(dāng)相對磁導(dǎo)率μr為1時，磁感線可以穿透骨架，當(dāng)相對磁導(dǎo)率μr為4 000時，磁感線不能穿透金屬骨架，且大多數(shù)磁感線主要集中在骨架上。

為進一步探究骨架相對磁導(dǎo)率μr對系統(tǒng)互感的影響關(guān)系，以骨架材料的相對磁導(dǎo)率μr為變量，可以得到互感M與相對磁導(dǎo)率μr的關(guān)系如圖10所示。

圖10 互感與骨架相對磁導(dǎo)率關(guān)系圖Fig.10 Diagram of mutual inductance and relative permeability of skeleton

由圖10可知，隨著金屬管相對磁導(dǎo)率的增加，線圈間的互感會減小，在骨架相對磁導(dǎo)率從1遞增到100時，互感M由118.76 nH減少到52.55 nH，減小了55.75%，當(dāng)骨架相對磁導(dǎo)率超過200之后，隨著骨架相對磁導(dǎo)率的增大，兩線圈互感減少的速度開始緩慢下降，當(dāng)增大到一定數(shù)值后，線圈互感基本保持不變。主要原因是骨架的相對磁導(dǎo)率越高，在磁場中磁阻越小，使得空間中的磁場將被約束到骨架中，造成初級線圈和次級線圈互感降低。

根據(jù)對骨架電導(dǎo)率和相對磁導(dǎo)率的分析可知骨架電導(dǎo)率和相對磁導(dǎo)率的差異，是影響互感的重要因素，因此骨架要選擇電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率較低的材料，身管武器常用材料電導(dǎo)率和相對磁導(dǎo)率如表1所示，只有鈦合金電導(dǎo)率相對較小，但與絕緣介質(zhì)相比還是較大。小口徑身管武器膛壓一般不超過500 MPa，目前隨著高強度陶瓷技術(shù)的發(fā)展，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計可采用陶瓷作為骨架材料提升兩線圈之間的互感。

表1 不同骨架材料的電導(dǎo)率和相對磁導(dǎo)率Table 1 Conductivity and relative permeability of different skeleton materials

4.2 不同磁芯厚度對互感的影響

初級線圈和次級線圈有較大的間隙，需要在次級線圈中間加入鐵氧體作為磁芯，由于鐵氧體的磁導(dǎo)率較高，所以在加入磁芯后兩線圈的互感會增大。TDK公司生產(chǎn)的PC95在100 kHz頻率時有較好的溫度穩(wěn)定性[17]，因此本文中以PC95磁性材料作為磁芯，磁芯厚度會對兩線圈的互感產(chǎn)生一定的影響，仿真模型如圖11所示。

圖11 帶磁芯三維仿真模型Fig.11 Three-dimensional simulation model with magnetic core

互感M與磁芯厚度d的關(guān)系如圖12所示，磁芯厚度d從0.7 mm遞增到2.7 mm時，隨著磁芯厚度的增加，互感增幅明顯，當(dāng)磁芯厚度d超過2.7 mm后隨著磁芯厚度d的增加，互感增加速度開始變緩。過多的增加磁芯厚增大了體積和質(zhì)量，因此在選擇磁芯厚度的時要考慮彈藥的尺寸及質(zhì)量。

圖12 互感與磁芯厚度關(guān)系圖Fig.12 Diagram of mutual inductance and core thickness

5 實驗驗證

基于上述分析，為了驗證非接觸點火技術(shù)的可靠性，初級線圈纏繞到陶瓷骨架上裝入到金屬身管內(nèi)，實驗裝置如圖13所示。

圖13 實驗平臺Fig.13 Experimental platform

將底火放入到身管內(nèi)，該裝置工作頻率為100 kHz，底火等效發(fā)火電阻為1.2 Ω，測得底火端電壓如圖14所示，峰值可達到11 V，將底火安裝到密閉爆發(fā)室中，其中示波器CH1通道與密閉爆發(fā)器的壓力傳感器連接，CH2通道與底火連接，均為上升沿觸發(fā)，測得底火發(fā)火延遲時間為0.2～0.7 ms；為了進一步驗證陶瓷骨架方案的可行性，在某型身管武器上進行了多次內(nèi)彈道試驗，底火均可靠發(fā)火，內(nèi)彈道試驗后陶瓷骨架肉眼觀察無變形，無破損，強度可靠，如圖15所示。結(jié)果表明，本文中所研究的基于磁耦合諧振式的非接觸點火技術(shù)可行。

圖14 底火端電壓曲線圖Fig.14 Primer terminal voltage curve

圖15 內(nèi)彈道試驗后陶瓷骨架Fig.15 Ceramic skeleton after interior ballistic tests

6 結(jié)論

本研究設(shè)計了一種非接觸點火系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于磁耦合諧振原理，通過建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，分析了傳輸效率與互感、點火電阻之間的關(guān)系，針對系統(tǒng)骨架材料的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率及磁芯厚度對骨架的影響進行了三維電磁場仿真分析比較，并通過實驗驗證了采用陶瓷作為骨架的非接觸點火技術(shù)的可行性，這為非接觸式底火的設(shè)計提供了一種新的思路。結(jié)合理論分析及仿真結(jié)果，得到結(jié)論如下：

1) 本文中設(shè)計的非接觸式點火系統(tǒng)，其傳輸效率受互感影響較大；

2) 非接觸式感應(yīng)點火系統(tǒng)的互感會受到骨架電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率的影響，應(yīng)選擇電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率較小的材料作為骨架，本研究中選擇的是高強度陶瓷；

3) 在次級線圈中間加入鐵氧體磁芯會提高兩線圈之間的互感，隨著磁芯厚度增加，互感先增大后趨于不變。