徑向磁場與環(huán)向電流作用的電磁發(fā)射模式

朱英偉 雷 勇 周 群 姚 領(lǐng) 孫照華

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徑向磁場與環(huán)向電流作用的電磁發(fā)射模式

朱英偉 雷 勇 周 群 姚 領(lǐng) 孫照華

（四川大學(xué)電氣信息學(xué)院 成都 610065）

常規(guī)線圈型電磁發(fā)射器的徑向應(yīng)力遠(yuǎn)大于軸向加速力，因此構(gòu)建了徑向磁場與環(huán)向電流作用的多極矩場電磁發(fā)射模式；介紹了多極矩場電磁發(fā)射器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，分析了彈射部分和多級(jí)加速部分電磁力的產(chǎn)生，基于拋體電流絲法建立了發(fā)射系統(tǒng)的機(jī)電方程；采用電磁場有限元與瞬態(tài)電路耦合法，仿真分析了單級(jí)8極矩場電磁發(fā)射的瞬態(tài)過程；搭建原理性縮比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了多極矩場電磁發(fā)射模式的可行性。

電磁發(fā)射 多極矩場電磁發(fā)射器 電流絲法 電磁場有限元法

0 引言

當(dāng)前，常規(guī)電磁發(fā)射器遇到脈沖電源的限制、結(jié)構(gòu)材料等難題。在面向未來大質(zhì)量、大推力和超高速的發(fā)射要求下，需要對(duì)常規(guī)電磁發(fā)射模式進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新[1-8]。導(dǎo)軌型電磁發(fā)射器由于在MA級(jí)電流下進(jìn)行工作，導(dǎo)軌、電樞和開關(guān)等部件均承受極大的電磁應(yīng)力和熱應(yīng)力沖擊，易造成燒蝕、磨損和剝落，這些制約著導(dǎo)軌發(fā)射器的壽命和性能[9,10]。線圈型電磁發(fā)射器通常是利用一系列長直螺線管線圈產(chǎn)生的磁行波來順序加速拋體線圈。電磁力分析表明，通電直螺線管線圈對(duì)拋體線圈的徑向應(yīng)力遠(yuǎn)大于軸向加速力，因此，常規(guī)線圈發(fā)射模式的電磁力利用率不高，推進(jìn)效率較低[11-16]。

為了使線圈型電磁發(fā)射的軸向電磁加速力分量最大化，考慮電磁力的產(chǎn)生形式、作用大小、方向以及加速效果，本文構(gòu)建徑向磁場與環(huán)向電流相互作用產(chǎn)生最大軸向加速力，提出多極矩場電磁發(fā)射的概念，該發(fā)射模式的特點(diǎn)是軸向推力大、徑向懸浮穩(wěn)定，未來可以應(yīng)用在火箭發(fā)射、隧道掘進(jìn)、管道運(yùn)輸以及高速彈射等方面。

1 多極矩場電磁發(fā)射模式的構(gòu)建

1.1 徑向磁場與環(huán)向電流作用的思想

常規(guī)線圈型電磁發(fā)射器大多采用直螺線管線圈作為驅(qū)動(dòng)線圈，該線圈產(chǎn)生的磁場主要沿軸向以及拋體電樞的電流沿環(huán)向，這樣，軸向磁場與環(huán)向渦流作用產(chǎn)生的電磁力主要表現(xiàn)對(duì)拋體徑向的壓縮力，而軸向的加速力相對(duì)較小，因此，傳統(tǒng)線圈型發(fā)射器的電磁力利用率較低。為了使線圈型電磁發(fā)射的軸向電磁加速力最大化，探索構(gòu)造徑向磁場與環(huán)向電流相互作用產(chǎn)生軸向加速力的思想，如圖1所示。

圖1 徑向磁場與環(huán)向電流作用的示意圖

構(gòu)造一定排列形狀的驅(qū)動(dòng)線圈，可以產(chǎn)生指向圓心的徑向磁場，設(shè)拋體電樞攜載環(huán)向電流（或感應(yīng)渦流），那么，載流拋體電樞受到驅(qū)動(dòng)線圈的電磁力密度為

再將電磁力密度對(duì)拋體電樞進(jìn)行圓周積分或體積積分，可以得到拋體電樞受到的電磁力為

由于電流密度為環(huán)向，磁感應(yīng)強(qiáng)度為徑向，根據(jù)矢量叉乘公式，并考慮到圓柱對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可知電磁合力的方向?yàn)檩S向，且模值為最大值。

采用多極矩磁場線圈能夠產(chǎn)生徑向磁場構(gòu)型，多極矩場線圈一般常用在粒子加速和等離子體約束方面。在磁流體發(fā)電或磁流體推進(jìn)技術(shù)中，也有利于“鞍型”磁體產(chǎn)生2極矩磁場作用于等離子流體。圖2為8極矩線圈產(chǎn)生徑向磁場與拋體電樞環(huán)向渦流作用的示意圖。8極矩場線圈相鄰磁極方向相反，這是遵循多極矩磁場的定義，同時(shí)考慮到多極矩線圈兩兩磁通耦合，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

圖2 8極矩磁場與拋體渦流作用的示意圖

1.2 多極矩場電磁發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

多極矩場電磁發(fā)射器的模型如圖3所示，主要由渦流彈射線圈、多極矩場加速線圈和拋體電樞組成。彈射線圈為餅式螺旋線圈，加速線圈為8極矩磁場線圈陣列，拋體電樞為良導(dǎo)體鋁塊。該發(fā)射模式的原理基于電磁感應(yīng)渦流彈射和磁行波順序感應(yīng)加速。

圖3 多極矩場電磁發(fā)射器模型

多極矩場推進(jìn)整體系統(tǒng)框圖如圖4所示，彈射線圈設(shè)為初始級(jí)，多極矩線圈作為后續(xù)多級(jí)加速級(jí)，每一級(jí)有獨(dú)立的儲(chǔ)能電容器對(duì)線圈進(jìn)行脈沖放電，由傳感器檢測(cè)拋體位置，同步邏輯芯片控制電源開關(guān)導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)逐級(jí)脈沖電流感應(yīng)渦流加速。

圖4 多極矩場電磁發(fā)射器的系統(tǒng)框圖

2 多極矩場電磁發(fā)射過程的仿真分析

2.1 發(fā)射系統(tǒng)機(jī)電方程的建立

多極矩場電磁發(fā)射器的彈射部分和加速部分的工作機(jī)理基本一致，都是基于驅(qū)動(dòng)線圈與拋體電樞之間的磁耦合原理，將電磁能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能[17-19]。

由于拋體電樞上的感應(yīng)渦流分布不均勻，因此將拋體電樞劃分成許多獨(dú)立的電流絲，如圖5所示。根據(jù)驅(qū)動(dòng)線圈與電流絲之間的互感耦合關(guān)系，建立電路方程。再根據(jù)電流線圈之間的電磁力公式，綜合運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，可以得到發(fā)射系統(tǒng)的機(jī)電方程

式中，、是多極矩線圈和拋體電樞的自感與互感矩陣；是等效內(nèi)阻矩陣；是電容矩陣；是多極矩線圈和拋體電樞的電流矩陣；是電容電壓矩陣；p、p和p是拋體電樞的質(zhì)量、速度和位移。聯(lián)立式（3）～式（6），可得使用離散的四階龍格-庫塔迭代方法，可以求解每一時(shí)刻的電路參數(shù)和動(dòng)力學(xué)參量值。

圖5 多極矩場電磁發(fā)射系統(tǒng)的分析模型

2.2 單級(jí)8極矩場電磁發(fā)射的瞬態(tài)仿真

采用Ansoft Maxwell3D仿真分析單級(jí)8極矩場電磁發(fā)射器的瞬態(tài)過程，仿真模型如圖6所示，仿真電路如圖7所示。拋體為鋁套筒，質(zhì)量為200g。初始時(shí)刻拋體位于彈射線圈附近，初始速度為零。彈射線圈的供電電容為200mF、40kV，多極矩線圈的供電電容器組為400mF、50kV，由兩個(gè)高功率脈沖電容器串聯(lián)放電構(gòu)成。8極矩小線圈首尾串聯(lián)，由電容器組對(duì)其放電。設(shè)定8極矩線圈的觸發(fā)放電位置：拋體尾端底面剛好通過8極矩線圈起端截面2mm。

圖6 多極矩場電磁發(fā)射器的仿真模型

圖7 多極矩場電磁發(fā)射器的仿真電路

瞬態(tài)仿真計(jì)算結(jié)果如圖8所示，分別為拋體所受電磁力曲線和發(fā)射速度曲線。結(jié)果表明：200g拋體在0.327ms內(nèi)被加速到232.48m/s，峰值加速力為266kN，加速距離為40mm。電磁力曲線表明：拋體所受徑向力和的值趨近為零，而軸向加速力表現(xiàn)突出，說明此發(fā)射模式能夠?qū)崿F(xiàn)拋體徑向懸浮穩(wěn)定，且軸向電磁加速力的利用率高。

（a）拋體所受電磁作用力的變化曲線

（b）拋體速度與推進(jìn)距離之間的變化曲線

圖8 單級(jí)發(fā)射過程瞬態(tài)仿真的計(jì)算結(jié)果

Fig.8 Transient simulation results of single stage launch

3 多極矩場電磁發(fā)射模式的實(shí)驗(yàn)

考慮到高速發(fā)射的實(shí)驗(yàn)成本和系統(tǒng)裝置的復(fù)雜性，通過原理性縮比實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證多極矩場電磁發(fā)射的可行性。圖9為已有課題組搭建的6極矩場電磁發(fā)射器系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置[8]，其中，拋體電樞為鋁套筒，質(zhì)量為50.4g；6極矩線圈通過晶閘管連接脈沖電容器，脈沖電容器參數(shù)為200mF、3kV。

圖9 6極矩場電磁發(fā)射器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

多次成功發(fā)射實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1，拋體電樞的初始觸發(fā)位置不同，發(fā)射的出口速度不同。拋體電樞的初始位置為16mm時(shí)，存在最大的出口速度為13.3m/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，多極矩場電磁發(fā)射模式是可行的。

表1 多次推進(jìn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Tab.1 Experiment results

4 結(jié)論

多極矩場電磁發(fā)射模式基于徑向磁場與環(huán)向電流作用獲得最大電磁加速力的思想，利用渦流彈射和多極矩場逐級(jí)感應(yīng)加速，本文給出了多極矩場電磁發(fā)射系統(tǒng)的分析模型，仿真分析了多極矩場電磁發(fā)射系統(tǒng)的瞬態(tài)過程，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了多極矩場電磁發(fā)射模式的可行性。該發(fā)射模式的軸向加速力突出、徑向懸浮穩(wěn)定，適合向大質(zhì)量、大推力發(fā)展，在火箭發(fā)射、隧道掘進(jìn)、管道運(yùn)輸以及高速彈射領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用潛力。

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Multipole Field Electromagnetic Launch Model Based on Radial Magnetic Field Interact with Loop Eddy Current

（School of Electrical Engineering and Information Sichuan University Chengdu 610065 China）

The axial acceleration force of the conventional coil electromagnetic launcher is much less than the radial compression force. This paper presents a novel multipole field electromagnetic launcher based on the interaction of radial magnetic field and loop eddy current. The operation principle and conception model are introduced. The electromagnetic acceleration forces of eddy-current catapult and induction acceleration are analyzed. Based on the current filament method, the system dynamic equations are established. By electromagnetic field finite element analysis coupling with circuit, the transient launch process of single stage of octupole field coil electromagnetic launcher is simulated. The experiment results of the principle prototype indicate that the multipole field coil electromagnetic launcher is feasible.

Electromagnetic launch, multipole field electromagnetic launcher, current filament method, electromagnetic field finite element method

TM153

朱英偉 男，1982年生，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姶虐l(fā)射技術(shù)、電磁場仿真計(jì)算與分析。

E-mail: zhu-yingwei@163.com（通信作者）

雷 勇 男，1966年生，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾滦蛡鞲衅鞯臋z測(cè)與控制。

E-mail: yong.lei@163.com

2015-01-08 改稿日期 2015-07-06

國家自然科學(xué)基金（51207097）和教育部博士點(diǎn)基金（20120181120100）資助項(xiàng)目。