三種同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器的加速特性研究

趙科義 張千帆 李治源 程樹(shù)康

（1.軍械工程學(xué)院彈藥工程系，石家莊 050003；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電磁與電磁技術(shù)研究所，哈爾濱 150080）

1 引言

同軸感應(yīng)型線圈發(fā)射器是感應(yīng)線圈發(fā)射器中的一種，其突出的特點(diǎn)在于驅(qū)動(dòng)線圈和電樞同軸[1]。同軸感應(yīng)性線圈發(fā)射器主要包括同步感應(yīng)型同軸線圈發(fā)射器[2-3]和異步感應(yīng)型同軸線圈發(fā)射器[4-5]。不論是同步感應(yīng)型同軸線圈發(fā)射器，還是異步感應(yīng)型同軸線圈發(fā)射器，如何提高其發(fā)射效率是研究者努力追尋的重要目標(biāo)[6-9]。文獻(xiàn)[10]利用Matlab對(duì)同軸同步感應(yīng)線圈發(fā)射器的性能進(jìn)行了仿真研究。為了獲得的更高的發(fā)射效率，本文對(duì)三種不同結(jié)構(gòu)的同軸感應(yīng)型線圈發(fā)射器的加速特性進(jìn)行研究。

2 三種不同結(jié)構(gòu)同軸感應(yīng)型線圈發(fā)射器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

2.1 三種不同結(jié)構(gòu)的同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器的結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)驅(qū)動(dòng)線圈和電樞之間的位置關(guān)系可將同軸感應(yīng)型線圈發(fā)射器分為三類(lèi)：即外驅(qū)動(dòng)型、內(nèi)驅(qū)動(dòng)型和內(nèi)-外驅(qū)動(dòng)型。這三種不同結(jié)構(gòu)的同軸感應(yīng)型線圈發(fā)射器的結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖1。其中，圖1（a）表示外驅(qū)動(dòng)型同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器的結(jié)構(gòu)模型，圖1（b）表示內(nèi)驅(qū)動(dòng)型同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器的結(jié)構(gòu)模型，圖1（c）表示內(nèi)-外驅(qū)動(dòng)型同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器的結(jié)構(gòu)模型。

圖1 三種不同結(jié)構(gòu)的同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器

2.2 三種不同結(jié)構(gòu)同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器的特點(diǎn)及分析

對(duì)于外驅(qū)動(dòng)型同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器而言，被加速的電樞在驅(qū)動(dòng)線圈內(nèi)且沿驅(qū)動(dòng)線圈的軸線方向運(yùn)動(dòng)，因此被加速有效載荷的幾何形狀受驅(qū)動(dòng)線圈的限制。對(duì)于內(nèi)驅(qū)動(dòng)型同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器而言，被加速的電樞在驅(qū)動(dòng)線圈的外部運(yùn)動(dòng)，因此被加速的有效載荷的幾何形狀可不受驅(qū)動(dòng)線圈的限制。對(duì)于內(nèi)-外驅(qū)動(dòng)型同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器而言，電樞的幾何形狀受內(nèi)、外驅(qū)動(dòng)線圈的限制，因此電樞及被加速的有效載荷只能呈圓筒狀。

3 三種不同結(jié)構(gòu)同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器的加速特性研究

3.1 基本假定

為了便于比較和分析上述三種結(jié)構(gòu)形式的同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器的加速特性，首先假定以下幾個(gè)方面：①這三種結(jié)構(gòu)形式的同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器工作時(shí)，均由同一組儲(chǔ)能電容器驅(qū)動(dòng)，且儲(chǔ)能電容器的初始工作電壓相同；②這三種結(jié)構(gòu)形式的同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器工作時(shí)所采用的電樞材料（鋁）及相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同；③這三種結(jié)構(gòu)形式的同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器中，驅(qū)動(dòng)線圈的軸向長(zhǎng)度相同，對(duì)于外驅(qū)動(dòng)型和內(nèi)驅(qū)動(dòng)型同軸感應(yīng)發(fā)射器中的驅(qū)動(dòng)線圈的徑向厚度相同，而內(nèi)-外驅(qū)動(dòng)型結(jié)構(gòu)中，內(nèi)驅(qū)動(dòng)線圈和外驅(qū)動(dòng)線圈的徑向厚度之和等于外驅(qū)動(dòng)或內(nèi)驅(qū)動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)線圈的徑向厚度；④這三種結(jié)構(gòu)形式的同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器工作時(shí)，電樞末端的初始位置均處于Z=5的平面上，且初始速度為零。

3.2 相關(guān)參數(shù)

這三種結(jié)構(gòu)形式的同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 三種結(jié)構(gòu)同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器的相關(guān)參數(shù)

3.3 加速特性研究及分析

采用有限元分析方法對(duì)上述三種結(jié)構(gòu)形式的同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器的加速特性進(jìn)行研究。考慮到同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器滿(mǎn)足軸對(duì)稱(chēng)條件，所以研究過(guò)程采用了2維RZ平面模型，驅(qū)動(dòng)線圈的中心處在Z=0的平面上，Z軸與驅(qū)動(dòng)線圈的軸線重合。研究過(guò)程中，儲(chǔ)能電容器的容量為1000μF，初始工作電壓為5kV。

（1）磁場(chǎng)及渦流場(chǎng)的分布

同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器工作時(shí)是通過(guò)驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生的脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)與電樞內(nèi)感應(yīng)渦流的相互作用而加速電樞，因此研究其內(nèi)部磁場(chǎng)及渦流場(chǎng)的分布對(duì)于弄清其加速特性具有很重要的意義。

內(nèi)驅(qū)動(dòng)型、外驅(qū)動(dòng)型和內(nèi)-外驅(qū)動(dòng)型同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器分別約在 t=0.00012s、t=0.00033s和t=0.00021s時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到其峰值，對(duì)應(yīng)的峰值電流分別約為 19.86kA、9.176kA和 15.371kA。峰值電流作用時(shí)刻，這三種結(jié)構(gòu)同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器內(nèi)的磁場(chǎng)分布見(jiàn)圖 2。其中圖 2（a）、（b）和（c）分別給出了內(nèi)驅(qū)動(dòng)型、外驅(qū)動(dòng)型和內(nèi)-外驅(qū)動(dòng)型同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器內(nèi)的磁場(chǎng)分布。峰值電流作用時(shí)刻，對(duì)應(yīng)的電樞所受的加速力分別約為 14.2kN、76kN和90.5kN。

圖2 三種不同結(jié)構(gòu)同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器內(nèi)的磁場(chǎng)分布

從圖2（a）中可以看出：峰值電流作用時(shí)刻，內(nèi)驅(qū)動(dòng)型同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器驅(qū)動(dòng)線圈內(nèi)部的磁場(chǎng)非常強(qiáng)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度約 30T，而驅(qū)動(dòng)線圈與電樞之間的間隙磁場(chǎng)很小，約在7-8T。從圖2（b）中可以看出：峰值電流作用時(shí)刻，外驅(qū)動(dòng)型同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器中驅(qū)動(dòng)線圈與電樞之間的間隙磁場(chǎng)較強(qiáng)，可達(dá) 12-13T。 從圖 2（c）中可以看出：內(nèi)、外驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)在電樞尾部實(shí)現(xiàn)了重接，并且在峰值電流作用時(shí)刻電樞外表面與外驅(qū)動(dòng)線圈內(nèi)表面之間間隙磁場(chǎng)也較強(qiáng)，可達(dá)12T。此外，由圖2（c）中的磁場(chǎng)分布可知，內(nèi)-外驅(qū)動(dòng)線圈中流過(guò)的驅(qū)動(dòng)電流的方向是相同的，即內(nèi)-外驅(qū)動(dòng)線圈中驅(qū)動(dòng)電流的方向均垂直紙面向內(nèi)。由于內(nèi)驅(qū)動(dòng)型同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器中驅(qū)動(dòng)線圈和電樞之間的間隙磁場(chǎng)最小，所以這在一定程度上意味著其加速特性最差。

內(nèi)-外驅(qū)動(dòng)時(shí)，欲使內(nèi)、外線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)重接，則內(nèi)、外驅(qū)動(dòng)線圈之間需采用反向串接結(jié)構(gòu)。如果內(nèi)驅(qū)動(dòng)線圈的自感為 L1，外驅(qū)動(dòng)線圈的自感為 L2，且內(nèi)、外驅(qū)動(dòng)線圈之間的互感為M12，則內(nèi)、外驅(qū)動(dòng)線圈反向串接之后，驅(qū)動(dòng)線圈的總電感L=L1+L2-2M12。顯然，驅(qū)動(dòng)線圈的總電感小于內(nèi)、外驅(qū)動(dòng)線圈的電感之和。

此外，研究表明：對(duì)于內(nèi)-外驅(qū)動(dòng)型同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器而言，當(dāng)內(nèi)、外驅(qū)動(dòng)線圈中的驅(qū)動(dòng)電流的方向相反時(shí)，盡管在一定程度上可增強(qiáng)內(nèi)、外驅(qū)動(dòng)線圈之間的磁場(chǎng)，但是內(nèi)、外驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)不能實(shí)現(xiàn)重接。因此，當(dāng)采用這種驅(qū)動(dòng)或激勵(lì)方式時(shí)，并不能獲得較好的加速性能。

圖3給出了峰值電流作用時(shí)刻，電樞內(nèi)感應(yīng)渦流的云圖分布。其中，圖3（a）表示外驅(qū)動(dòng)型同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器工作時(shí)電樞內(nèi)的渦流分布，而圖 3（b）表示內(nèi)-外驅(qū)動(dòng)的同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器工作時(shí)電樞內(nèi)的渦流分布。比較發(fā)現(xiàn)：內(nèi)-外驅(qū)動(dòng)時(shí)，電樞內(nèi)的渦流不僅分布在電樞的尾部和外表面外，而且還分布在電樞的內(nèi)表面；而外驅(qū)動(dòng)時(shí)，電樞內(nèi)的渦流主要集中在電樞的尾部和外表面。由此可見(jiàn)，內(nèi)-外驅(qū)動(dòng)時(shí)，電樞的受力相對(duì)更為均勻。

圖3 電樞內(nèi)的渦流分布

（2）加速特性分析

同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器的加速特性主要體現(xiàn)在電樞的運(yùn)動(dòng)特性上，即在發(fā)射工作中，電樞的受力情況、運(yùn)動(dòng)的位移和速度等。圖4～6分別給出了加速過(guò)程中電樞受力、位移和速度曲線。

圖4 加速力特性曲線

從圖4中可以看出，內(nèi)驅(qū)動(dòng)型同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器發(fā)射過(guò)程中電樞所受的加速力遠(yuǎn)小于外驅(qū)動(dòng)型和內(nèi)-外驅(qū)動(dòng)型同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器中電樞受到的加速力。內(nèi)-外驅(qū)動(dòng)型同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器工作過(guò)程中，電樞受到的峰值加速力最大（91.156kN），但加速力的作用時(shí)間較短（0＜t＜0.54ms）。外驅(qū)動(dòng)型同軸感應(yīng)線圈發(fā)射工作過(guò)程中，不僅電樞受到的峰值加速力較大（76kN），而且加速力作用的時(shí)間較長(zhǎng)（0＜t＜0.75ms）。內(nèi)驅(qū)動(dòng)型同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器工作時(shí)，電樞受到的峰值加速力最小（＜20kN）。

加速力對(duì)時(shí)間的積分反映了同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器對(duì)電樞加速貢獻(xiàn)的大小。如果加速力對(duì)時(shí)間的積分用G(F)表示，則

G(F)越大，即加速力與時(shí)間軸之間所包圍的面積越大，則加速特性越好。

從圖5中可以看出，在上述給定條件下，內(nèi)驅(qū)動(dòng)時(shí)電樞運(yùn)動(dòng)的位移非常小。驅(qū)動(dòng)電流峰值作用時(shí)刻（t=0.00012s），電樞運(yùn)動(dòng)的位移僅約0.15mm；電樞速度最大時(shí)刻（t=0.00075s），電樞運(yùn)動(dòng)位移僅6.95mm，電樞末端未脫離驅(qū)動(dòng)線圈；t=0.00159s時(shí)，電樞末端脫離驅(qū)動(dòng)線圈，即電樞運(yùn)動(dòng)位移大于17mm。

圖5 電樞運(yùn)動(dòng)位移曲線

此外，在加速過(guò)程中，內(nèi)-外驅(qū)動(dòng)時(shí)電樞運(yùn)動(dòng)的位移比外驅(qū)動(dòng)時(shí)電樞運(yùn)動(dòng)的位移稍快。外驅(qū)動(dòng)型和內(nèi)-外驅(qū)動(dòng)型結(jié)構(gòu)中，驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到其峰值時(shí)間分別約為 t=0.00033s和 t=0.00021s，相應(yīng)的電樞運(yùn)動(dòng)的位移分別約為5.75mm和4.17mm。這即意味著驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到其峰值時(shí)，電樞尾部沒(méi)有脫離驅(qū)動(dòng)線圈。電樞的運(yùn)動(dòng)位移最終為150mm，即動(dòng)態(tài)仿真過(guò)程中所設(shè)定的運(yùn)動(dòng)極限位置。

從圖6中可以看出，在上述給定條件下，內(nèi)驅(qū)動(dòng)時(shí)電樞獲得的發(fā)射速度很小，最大發(fā)射速度僅約12.33m/s；外驅(qū)動(dòng)時(shí)，電樞可獲得最大的發(fā)射速度，最大發(fā)射速度約為110m/s；內(nèi)-外驅(qū)動(dòng)時(shí)，電樞也可獲得較高的發(fā)射速度，且最大發(fā)射速度約為103.4m/s。內(nèi)-外驅(qū)動(dòng)的同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器與外驅(qū)動(dòng)的同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器相比，加速的初始階段電樞速度增加的更快。

圖6 電樞運(yùn)動(dòng)速度曲線

4 結(jié)論

在上述三種結(jié)構(gòu)的同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器中，內(nèi)驅(qū)動(dòng)型同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器的加速特性最差。加速特性最差原因在于驅(qū)動(dòng)線圈內(nèi)的磁場(chǎng)要遠(yuǎn)大于驅(qū)動(dòng)線圈外的磁場(chǎng)。但是內(nèi)驅(qū)動(dòng)型同軸線圈發(fā)射器所發(fā)射的電樞及載荷不受驅(qū)動(dòng)線圈結(jié)構(gòu)的限制，因而可利用這種結(jié)構(gòu)來(lái)研制發(fā)射大質(zhì)量的電磁彈射裝置。外驅(qū)動(dòng)型同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器具有較好的加速特性，但是其電樞及載荷的形狀受驅(qū)動(dòng)線圈的限制，適合將小質(zhì)量的載荷加速到高速。內(nèi)-外驅(qū)動(dòng)型同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器，特別磁場(chǎng)重接式的內(nèi)-外同軸感應(yīng)線圈發(fā)射器也具有較好的加速特性，且其加速過(guò)程中電樞的受力更為均勻，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，被加速的載荷受驅(qū)動(dòng)線圈結(jié)構(gòu)限制。

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