電容儲(chǔ)能式重接型電磁發(fā)射的仿真探究

唐 杰 周文祥 王明星 張 珹

（西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

電磁發(fā)射是把電磁能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的一種特殊驅(qū)動(dòng)形式，重接型電磁發(fā)射最早由美國的考恩等提出，以美國桑迪亞國立實(shí)驗(yàn)室為代表，已經(jīng)能把150g重的板狀彈丸加速到1km/s，將5kg的柱狀彈丸加速到335m/s。相對(duì)于其他電磁發(fā)射技術(shù)，重接型電磁發(fā)射具有無接觸、穩(wěn)定性好、適于發(fā)射大質(zhì)量載荷的優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于傳統(tǒng)的直線電機(jī)具有速度更快的優(yōu)點(diǎn)。這項(xiàng)技術(shù)有望用于軌道交通系統(tǒng)。

目前，研究重接型電磁發(fā)射主要方向有：

(1)依據(jù)受力方程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算、運(yùn)動(dòng)仿真。

(2)依據(jù)電磁場理論對(duì)線圈及鋁板周圍電磁場進(jìn)行有限元分析。這兩種仿真方法快速簡易，便于在Matlab中實(shí)現(xiàn)多級(jí)仿真，但都未考慮發(fā)射過程中電感梯度的動(dòng)態(tài)性能，導(dǎo)致其對(duì)發(fā)射體的受力和運(yùn)動(dòng)過程分析存有不足。為此，本文采用Ansoft三維動(dòng)態(tài)電磁場仿真，對(duì)電容儲(chǔ)能式重接型電磁發(fā)射的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了研究。

1 重接型電磁發(fā)射的動(dòng)態(tài)過程分析

重接型電磁發(fā)射的本質(zhì)是"磁力線的重接"[3]，重接型電磁發(fā)射體必須是實(shí)心非磁性的良導(dǎo)體。當(dāng)在線圈中通有電流時(shí)會(huì)產(chǎn)生隨電流變化的磁場，變化的磁場短時(shí)間內(nèi)不會(huì)穿透鋁板，而是在鋁板表面感生出渦流。渦流產(chǎn)生的磁場抵抗原有磁場的變化使得鋁板上下表面的磁場強(qiáng)度減弱。

如圖1，A區(qū)域和C區(qū)域的磁場強(qiáng)度比B區(qū)域的磁場強(qiáng)度弱很多。正是在鋁板表面感生的渦流與鋁板后沿（B區(qū)域）的磁場相互作用產(chǎn)生電磁力推進(jìn)鋁板向前運(yùn)動(dòng)。渦流與鋁板前沿（D區(qū)域）的磁場產(chǎn)生向后的電磁力，但是這個(gè)電磁力由于磁場強(qiáng)度非常小可忽略不計(jì)。可見重接型電磁發(fā)射的條件是鋁板后沿與線圈后沿拉開一定的間隙，使得鋁板后沿的磁場強(qiáng)度遠(yuǎn)大于鋁板前沿。

2 重接型電磁發(fā)射的電路系統(tǒng)

圖2為試驗(yàn)重接發(fā)射使用的脈沖電路。首先由單相交流電源經(jīng)過調(diào)壓器，調(diào)整電壓的幅值，而后經(jīng)過單相整流橋及限流電阻給電容充電，使電容電壓達(dá)到一定幅值并保持恒定。當(dāng)晶閘管開關(guān)開通后，電容向驅(qū)動(dòng)線圈放電，這時(shí)續(xù)流二極管未開通，放電電路為二階 串聯(lián)電路（包括電容器、驅(qū)動(dòng)線圈的電感和電阻），當(dāng)電路工作在欠阻尼狀態(tài)即：

驅(qū)動(dòng)線圈中會(huì)產(chǎn)生衰減的正弦電流

進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)磁場。其中 為電容充電后的初始電壓，為電路自由振蕩角頻率。

續(xù)流二極管開通時(shí)，電容電壓剛剛過0還未達(dá)到負(fù)值時(shí)，電流通過續(xù)流二極管和驅(qū)動(dòng)線圈續(xù)流，而且此時(shí)驅(qū)動(dòng)線圈中的電流由于電感和電阻的存在開始緩慢減小，這樣使得驅(qū)動(dòng)線圈中的電流保持在一定幅值而且保護(hù)了電解電容。

電源為220V單相交流電，經(jīng)變壓器變壓后電壓峰值接近1kV，限流電阻為200，電容為電解電容，電容量為500，平均電感值為65，電感的電阻值為60，由

可得到二階電路的振蕩周期為1.13ms，那么電流達(dá)到峰值的時(shí)間大概在1/4周期（0.28ms）。電流的峰值為2500A，大約在6ms衰減到零。

3 重接型電磁發(fā)射的Ansoft動(dòng)態(tài)模型仿真

Ansoft仿真的電路系統(tǒng)采用外接電路。電路與圖2所示一致從圖3可看到驅(qū)動(dòng)線圈電流開始下降時(shí)，鋁板上形成的渦流不會(huì)立即反向，鋁板受軸向力方向并未立即發(fā)生改變，只是逐漸減小。當(dāng)驅(qū)動(dòng)線圈電流下降到一定程度，軸向力才反向，有向后拉鋁板的趨勢(shì)，但是這時(shí)鋁板靠慣性完全可持續(xù)運(yùn)動(dòng)下去。產(chǎn)生這樣的效應(yīng)可歸結(jié)于鋁板可等效為電感，具有阻礙電流變化的作用。

驅(qū)動(dòng)線圈電流上升到峰值后迅速下降，在2ms左右時(shí)下降到0A，這就使得驅(qū)動(dòng)線圈中磁場存在時(shí)間太短，那么鋁板所受的軸向力時(shí)間過于短暫，加速效果并不明顯。

當(dāng)放電電流的峰值波動(dòng)微小時(shí)，放電電流的持續(xù)時(shí)間會(huì)更多地影響發(fā)射體受力的時(shí)間以及最終的出口速度。當(dāng)電路減小50電阻時(shí)，仿真結(jié)果如下。

從圖4可看到驅(qū)動(dòng)線圈中電流峰值與減小電阻之前相比變化很小，但放電時(shí)間得到大大延長，電流在20ms時(shí)才衰減到500A。放電時(shí)間的增長使得鋁板受軸向力的時(shí)間增長。這時(shí)所獲得的出口速度為0.6m/s。速度與減小電阻之前相比提高了2倍。弊端是鋁板所受的反向軸向力也會(huì)持續(xù)更久，使得減速效果也更為明顯。

結(jié)語

本文采用Ansoft三維動(dòng)態(tài)電磁場仿真，充分考慮了電感梯度的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)電容儲(chǔ)能式重接型電磁發(fā)射的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論：

（1）電容儲(chǔ)能式重接型發(fā)射的驅(qū)動(dòng)線圈電流開始下降時(shí)，在鋁板上形成的渦流不會(huì)立即反向，鋁板受軸向力方向并未立即發(fā)生改變。當(dāng)電流下降到一定程度時(shí)，鋁板所受軸向力才開始反向。

（2）盡可能減小放電回路電阻，可顯著提高鋁板的發(fā)射速度。

[1]Cowan M，Cnare E C，Duggin B W，et al.The reconnection gun [J].IEEE Transacion on Magnetics， 1986， 22(6):1429-1434.

[2]M.Cowan， M.Widner， E.C.Cnare， et al.Explo-ratory Development of the Reconnection Launcher 1986-1990[J].IEEE Transaction on Magnetic，1991，27(1):563-567.

[3]王瑩，肖峰編.電炮原理[M].北京:國防工業(yè)出版社，1995.

[4]趙純.三級(jí)重接式電磁發(fā)射系統(tǒng)的仿真與實(shí)驗(yàn)研究[D].大連：大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文，2006.

[5]趙純，鄒積巖，何俊佳，廖敏夫.三級(jí)重接式電磁發(fā)射系統(tǒng)的仿真與實(shí)驗(yàn) [J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，23(5):1-6.