彈簧驅(qū)動(dòng)非磁平衡直線發(fā)電機(jī)

雷軍命，林瑞娥，彭小麗，姚 文，朱雅鵬

（西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065）

0 引言

直線發(fā)電機(jī)是利用磁芯與電樞發(fā)生直線相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)發(fā)電的裝置，其驅(qū)動(dòng)方式有慣性力和彈簧力驅(qū)動(dòng)，典型的產(chǎn)品有磁后坐發(fā)電機(jī)和彈簧驅(qū)動(dòng)直線發(fā)電機(jī)。直線發(fā)電機(jī)只能輸出一個(gè)電脈沖，可以作為機(jī)電式觸發(fā)引信的發(fā)火電源，儲(chǔ)存在電解電容器上，供碰目標(biāo)時(shí)起爆電雷管，也可以供CMOS微功耗電子時(shí)間引信使用，甚至作為傳感器使用［1－2］。

彈簧驅(qū)動(dòng)直線發(fā)電機(jī)以壓縮彈簧為貯能元件，要求在引信體上設(shè)置檔銷(xiāo)。引信未作用時(shí)檔銷(xiāo)固定壓縮彈簧，作用時(shí)通過(guò)釋放機(jī)構(gòu)釋放檔銷(xiāo)，壓縮彈簧克服磁力驅(qū)動(dòng)磁芯運(yùn)動(dòng)。其輸出性能除與直線發(fā)電機(jī)參數(shù)有關(guān)外，與彈簧剛度及壓縮狀態(tài)下彈簧力的大小成正比關(guān)系。實(shí)際測(cè)試表明，檔銷(xiāo)釋放的越快，發(fā)電機(jī)的輸出電壓也就越高。在引信未作用時(shí)，彈簧驅(qū)動(dòng)直線發(fā)電機(jī)施加給檔銷(xiāo)的正壓力為彈簧力，而彈簧力越大，特別是在多路輸出時(shí)，由于磁芯所受磁力增大，要求彈簧力更大，對(duì)檔銷(xiāo)釋放機(jī)構(gòu)提出較高要求，表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是要提高檔銷(xiāo)的強(qiáng)度，二是要增大檔銷(xiāo)的釋放力。對(duì)體積有限的引信，要求電源體積小、輸出電壓高，特別是要求多路輸出時(shí)，就難以實(shí)現(xiàn)。為此，本文提出彈簧驅(qū)動(dòng)非磁平衡引信直線發(fā)電機(jī)。

1 彈簧驅(qū)動(dòng)直線發(fā)電機(jī)

彈簧驅(qū)動(dòng)直線發(fā)電機(jī)以壓縮彈簧為貯能元件，用設(shè)置在引信體上的檔銷(xiāo)卡住磁芯來(lái)固定壓縮彈簧，通過(guò)釋放機(jī)構(gòu)沿徑向釋放檔銷(xiāo)，如圖1所示。檔銷(xiāo)釋放后，壓縮彈簧釋放推動(dòng)磁芯穿過(guò)電樞，直線發(fā)電機(jī)就會(huì)輸出一個(gè)電脈沖。圖1中，為了能使磁芯的初始位置在磁平衡位置，在檔銷(xiāo)和磁芯之間安置了一個(gè)墊片。

圖1 彈簧驅(qū)動(dòng)磁平衡直線發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of spring activated equilibrium linear generator

在磁芯穿過(guò)電樞的過(guò)程中，穿過(guò)線圈的磁通量變化為Δφ，由法拉第電磁感應(yīng)有定理電樞繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。其電動(dòng)勢(shì)計(jì)算可以由式（1）粗略表達(dá)。

從式（1）可以看出，當(dāng)結(jié)構(gòu)一定時(shí)，n和ΔΦ為定值，影響電動(dòng)勢(shì)ε大小的只有Δt，Δt與磁芯運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，當(dāng)磁芯受到的作用力越大，Δt越小，電動(dòng)勢(shì)ε就越大。因此，要提高彈簧驅(qū)動(dòng)直線發(fā)電機(jī)電機(jī)的輸出，就要增大彈簧力。

圖1所示的彈簧驅(qū)動(dòng)直線發(fā)電機(jī)的初始狀態(tài)設(shè)置在的磁平衡位置，即彈簧驅(qū)動(dòng)磁平衡直線發(fā)電機(jī)，這時(shí)，檔銷(xiāo)所受壓力為彈簧力。當(dāng)直線發(fā)電機(jī)確定后，如果要提高磁電機(jī)的輸出，彈簧力就要求更大，而彈簧力越大，特別是在多路輸出時(shí)，由于磁芯所受磁力增大，要求彈簧力更大，對(duì)檔銷(xiāo)釋放機(jī)構(gòu)提出較高要求，表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是要提高檔銷(xiāo)的強(qiáng)度，二是要增大檔銷(xiāo)的釋放力。對(duì)體積有限的引信，要求電源體積小、輸出電壓高，特別是要求多路輸出時(shí)，就難以實(shí)現(xiàn)。

2 彈簧驅(qū)動(dòng)非磁平衡直線發(fā)電機(jī)原理

彈簧驅(qū)動(dòng)非磁平衡直線發(fā)電機(jī)的實(shí)施辦法如圖2所示，去掉了圖1中的墊片，將磁芯與電樞的位置錯(cuò)開(kāi)一定距離。在這個(gè)位置時(shí)，磁芯與電樞間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁吸力，方向與磁芯所受彈簧力的方向相反，兩個(gè)相抵，磁芯沿軸向受到的合力減小，因此施加給檔銷(xiāo)的正壓力也就減小。

圖2 彈簧驅(qū)動(dòng)非磁平衡直線發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Struture of spring activated non－subequilibrium linear qenerator

3 仿真驗(yàn)證

3.1 磁芯所受磁力仿真

直線發(fā)電機(jī)在工作過(guò)程中，磁芯從磁平衡位置開(kāi)始運(yùn)動(dòng)穿過(guò)電樞，隨著磁路變化，磁芯受到的磁力不斷變化，利用Ansoft仿真軟件對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行仿真［3］，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 磁芯所受磁力－時(shí)間曲線（N－s）Fig.3 Magnttism－time curve of magnetic core

從圖3可以看出，磁芯在磁平衡位置時(shí)所受的磁力為零，偏離開(kāi)磁平衡一段距離時(shí)，所受的磁力最大，方向與磁芯運(yùn)動(dòng)方向和磁芯所受彈簧力的方向相反。彈簧驅(qū)動(dòng)非磁平衡直線發(fā)電機(jī)的初始位置設(shè)置在磁芯所受磁力的最大位置，利用磁力抵消部分彈簧力，減小作用于檔銷(xiāo)的正壓力。

這樣的好處，可以提高磁芯磁能積，由于磁力的增大，可以相應(yīng)地提高彈簧力，不僅可以減小作用于檔銷(xiāo)的正壓力，同時(shí)可以提高發(fā)電機(jī)的輸出。在多路輸出時(shí)，磁芯所受磁力成倍增大，彈簧力也可成倍增加，而施加給檔銷(xiāo)的正壓力可以不增大。

對(duì)于圖1彈簧驅(qū)動(dòng)磁平衡直線發(fā)電機(jī)所示的直線發(fā)電機(jī)，其極靴厚度為0.6mm，永磁體為Φ8mm×4mm，材料釹鐵硼，利用Ansoft仿真軟件對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行仿真，實(shí)際計(jì)算中沒(méi)有彈簧。其工作過(guò)程中的磁芯所受磁力－時(shí)間曲線圖4所示，磁芯位移－時(shí)間曲線如圖5所示。

圖4 磁芯所受磁力－時(shí)間位移曲線（N－s）Fig.4 Displacement cruve of magnetism－time

圖5 磁芯位移－時(shí)間位移曲線Fig.5 Displacement－time curve of magnetic core

從圖4、圖5可以看出，圖1所示的磁芯位置磁芯所受磁力為零，圖2所示的磁芯位置磁芯所受磁力最大，約為12N。如果壓縮彈簧給磁芯的力為20N，在圖1中，磁芯所受磁力為零，檔銷(xiāo)所受正壓力為20N。而在圖2中，由于磁芯所受磁力為12 N，方向與彈簧力相反，檔銷(xiāo)所受正壓力為8N。

3.2 磁回路仿真

利用有限元電磁分析軟件Ansoft對(duì)磁力最大位置和平衡位置時(shí)的磁回路進(jìn)行了仿真，圖6（a）為磁平衡位置時(shí)的磁路，可以看出，其磁力線全部通過(guò)電樞外殼；圖6（b）為非磁平衡位置時(shí)的磁路，可以看出，其磁力線也基本全部通過(guò)電樞外殼。也就是說(shuō)，在這兩個(gè)狀態(tài)時(shí)電樞繞組內(nèi)部的磁通量絕對(duì)值基本相等。根據(jù)公式（1）可以得出，直線發(fā)電機(jī)的初始狀態(tài)在這兩個(gè)位置時(shí)，輸出電壓應(yīng)基本相等。

圖6 磁平衡位置和非磁平衡位置時(shí)的磁回路仿真結(jié)果Fig.6 Simulation of equilibrium and sub－equilibrium position

磁芯所受磁力和磁回路仿真結(jié)果表明，將彈簧驅(qū)動(dòng)直線發(fā)電機(jī)的初始位置設(shè)置在磁力最大位置，可以減小磁芯作用于檔銷(xiāo)的壓力，且對(duì)穿過(guò)電樞中的磁通變化量影響限小，不會(huì)降低直線發(fā)電機(jī)的輸出。

4 測(cè)試結(jié)果

對(duì)彈簧驅(qū)動(dòng)非磁平衡直線發(fā)電機(jī)的磁芯合力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。圖7為測(cè)得的磁芯合力－位移曲線。

圖7 彈簧驅(qū)動(dòng)直線式磁發(fā)電機(jī)磁芯合力－位移曲線圖Fig.7 Total force－qisplacement curve of spring activated linear magnetic generator

圖7中，在水平位置4.4mm處，磁芯所受合力最小約為8N，這也是非磁平衡直線式發(fā)電機(jī)的位置，此時(shí)檔銷(xiāo)所受的正壓力僅為8N，遠(yuǎn)小于20N的彈簧力。

用同一發(fā)彈簧驅(qū)動(dòng)直線發(fā)電機(jī)，利用專(zhuān)用釋放工裝進(jìn)行測(cè)試，圖8（a）為磁芯在圖1所示位置處開(kāi)始釋放時(shí)電機(jī)的輸出曲線，圖8（b）為磁芯在圖2所示位置處開(kāi)始釋放電機(jī)的輸出曲線。

從圖8（b）可以看出，非磁平衡時(shí)的電機(jī)輸出稍大，這是因?yàn)榇判緦?duì)檔的正壓力小，檔銷(xiāo)釋放速度較快的結(jié)果。比較圖8（a）和圖8（b），可以看出，同一發(fā)電機(jī)兩種初始位置時(shí)的輸出差別很小。

圖8 彈簧驅(qū)動(dòng)直線發(fā)電機(jī)輸出曲線Fig.8 Out－put of spring activated linear generator

5 結(jié)論

本文提出了彈簧驅(qū)動(dòng)非磁平衡引信直線發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)將磁芯與電樞的位置錯(cuò)開(kāi)一定距離。在這個(gè)位置時(shí)，磁芯與電樞間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁吸力，方向與磁芯所受彈簧力的方向相反，兩者相抵，磁芯沿軸向受到的合力減小。仿真和實(shí)驗(yàn)表明，該發(fā)電機(jī)的效果比較理想。具有施加給檔銷(xiāo)的壓力較小、體積小、輸出性能高的優(yōu)點(diǎn)，多路輸出時(shí)其優(yōu)點(diǎn)更加突出。

［1］王利.電引信設(shè)計(jì)及其應(yīng)用［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

［2］引信設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫(xiě)組.引信設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1978.

［3］楊振興，李福松，張美絨，等.磁后坐發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)的有限元分析［J］.探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2009，31（5）：56－59.YANG Zhenxing，LI Fusong，ZHANG Meirong，et al.A－nalysis of magnetic setback generator in fuze based on finite element method［J］.Journal of Detection ＆ Control，2009，31（5）：56－59.