電容儲能式重接型電磁發射的仿真探究

唐 杰 周文祥 王明星 張 珹

（西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031）

電磁發射是把電磁能轉化為動能的一種特殊驅動形式，重接型電磁發射最早由美國的考恩等提出，以美國桑迪亞國立實驗室為代表，已經能把150g重的板狀彈丸加速到1km/s，將5kg的柱狀彈丸加速到335m/s。相對于其他電磁發射技術，重接型電磁發射具有無接觸、穩定性好、適于發射大質量載荷的優點，相對于傳統的直線電機具有速度更快的優點。這項技術有望用于軌道交通系統。

目前，研究重接型電磁發射主要方向有：

(1)依據受力方程進行數值計算、運動仿真。

(2)依據電磁場理論對線圈及鋁板周圍電磁場進行有限元分析。這兩種仿真方法快速簡易，便于在Matlab中實現多級仿真，但都未考慮發射過程中電感梯度的動態性能，導致其對發射體的受力和運動過程分析存有不足。為此，本文采用Ansoft三維動態電磁場仿真，對電容儲能式重接型電磁發射的動態過程進行了研究。

1 重接型電磁發射的動態過程分析

重接型電磁發射的本質是"磁力線的重接"[3]，重接型電磁發射體必須是實心非磁性的良導體。當在線圈中通有電流時會產生隨電流變化的磁場，變化的磁場短時間內不會穿透鋁板，而是在鋁板表面感生出渦流。渦流產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度減弱。

如圖1，A區域和C區域的磁場強度比B區域的磁場強度弱很多。正是在鋁板表面感生的渦流與鋁板后沿（B區域）的磁場相互作用產生電磁力推進鋁板向前運動。渦流與鋁板前沿（D區域）的磁場產生向后的電磁力，但是這個電磁力由于磁場強度非常小可忽略不計。可見重接型電磁發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度遠大于鋁板前沿。

2 重接型電磁發射的電路系統

圖2為試驗重接發射使用的脈沖電路。首先由單相交流電源經過調壓器，調整電壓的幅值，而后經過單相整流橋及限流電阻給電容充電，使電容電壓達到一定幅值并保持恒定。當晶閘管開關開通后，電容向驅動線圈放電，這時續流二極管未開通，放電電路為二階 串聯電路（包括電容器、驅動線圈的電感和電阻），當電路工作在欠阻尼狀態即：

驅動線圈中會產生衰減的正弦電流

進而產生強磁場。其中 為電容充電后的初始電壓，為電路自由振蕩角頻率。

續流二極管開通時，電容電壓剛剛過0還未達到負值時，電流通過續流二極管和驅動線圈續流，而且此時驅動線圈中的電流由于電感和電阻的存在開始緩慢減小，這樣使得驅動線圈中的電流保持在一定幅值而且保護了電解電容。

電源為220V單相交流電，經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，那么電流達到峰值的時間大概在1/4周期（0.28ms）。電流的峰值為2500A，大約在6ms衰減到零。

3 重接型電磁發射的Ansoft動態模型仿真

Ansoft仿真的電路系統采用外接電路。電路與圖2所示一致從圖3可看到驅動線圈電流開始下降時，鋁板上形成的渦流不會立即反向，鋁板受軸向力方向并未立即發生改變，只是逐漸減小。當驅動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，但是這時鋁板靠慣性完全可持續運動下去。產生這樣的效應可歸結于鋁板可等效為電感，具有阻礙電流變化的作用。

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

當放電電流的峰值波動微小時，放電電流的持續時間會更多地影響發射體受力的時間以及最終的出口速度。當電路減小50電阻時，仿真結果如下。

從圖4可看到驅動線圈中電流峰值與減小電阻之前相比變化很小，但放電時間得到大大延長，電流在20ms時才衰減到500A。放電時間的增長使得鋁板受軸向力的時間增長。這時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持續更久，使得減速效果也更為明顯。

結語

本文采用Ansoft三維動態電磁場仿真，充分考慮了電感梯度的動態特性，對電容儲能式重接型電磁發射的動態過程進行了研究，得出如下結論：

（1）電容儲能式重接型發射的驅動線圈電流開始下降時，在鋁板上形成的渦流不會立即反向，鋁板受軸向力方向并未立即發生改變。當電流下降到一定程度時，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射速度。

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