添加軛鐵對磁阻型電磁發射的影響

張紅旭，張 軍，董健年

(南京理工大學 能源與動力工程學院， 南京 210094)

電磁發射器是利用電磁技術提升和推動物體或者把物體加速到超高速的裝置，與常規的化學發射方式相比具有明顯優勢，電磁發射能夠提供較大的動能，速度可以任意調整，精度高、射程遠，發射過程不易受到干擾，無噪聲無煙霧效應產生，因此該技術在未來軍事及民用等相關領域有著很大的應用潛力[1]。

文獻[2]對比分析了斷路法和限流電阻法對削弱電磁制動力，提高彈丸出口速度的效果；文獻[3]重點對彈丸形位參數對單級磁阻型線圈發射器性能的影響進行了研究；文獻[4]利用maxwell對三級線圈電磁炮進行了仿真；文獻[5]提出了減小鐵磁彈丸的電導率和對彈丸進行開槽處理來提高彈丸的炮口初速度。本文作者主要對磁阻型的電磁發射器進行研究，采用前段直流吸引加速和后段放電的模式，分析發射器在安裝軛鐵和沒安裝軛鐵情況下彈丸的炮口初速，并且在此基礎上，改變軛鐵的安裝方式，利用電磁仿真軟件Ansoft Maxwell對兩種軛鐵的添加方式進行仿真分析。

1 系統工作原理及組成

磁阻型電磁發射裝置由儲能電源、驅動線圈、鐵磁材料彈丸、開關組成，如圖1所示。其工作原理為：儲能電源向驅動線圈放電，激發產生磁場，將鐵磁材料制作成的彈丸磁化，磁場與彈丸的磁化電流耦合產生安培力，使彈丸前進。磁路的磁通較容易通過鐵磁體，線圈磁路的磁阻變化將吸引彈丸運動。根據磁阻最小原理，當彈丸運動時，環繞線圈磁路的磁阻發生變化，對彈丸產生作用力。彈丸向前運動到線圈中心，由于磁路的氣隙變小，磁路的磁阻也減小，此時的磁通較容易形成和通過，對彈丸的作用力最小。彈丸運動過線圈中心后，向前的電磁力變為拉彈丸向后的阻力，所以應該采取措施使驅動線圈的電流迅速下降為0[6]。

假設螺線管的長度為l，線圈的匝數為N，其中通有恒定的電流I,橫截面積A,沿著螺線管的軸線方向插入具有恒定磁導率μ的彈丸。根據虛功原理可以求出彈丸在螺線管中的受力為

(1)

彈丸的加速度為：

(2)

通過式(2)可知：彈丸的材料以及彈丸和線圈的結構確定時，加速度a僅和磁場強度H有關[7]。

2 有限元仿真分析

為了方便分析，假設放電電流在驅動線圈導線截面上均勻分布，并且不考慮彈丸的軸線偏離驅動線圈軸線，這樣就可以把磁阻發射器和彈丸結構看作軸對稱模型，然后利用ansoft Maxwell二維瞬態求解器的R-Z平面進行仿真。

2.1 無軛鐵仿真模型建立

圖2為二級無軛鐵的磁阻發射器仿真模型，包括彈丸、線圈、運動區域和求解區域。

彈丸采用Φ=9 mm,l=80 mm的圓柱形彈丸，材料選Steel_1010；驅動線圈的內徑為10 mm，徑向厚度為8 mm，長度與彈丸長度相同，第一級線圈匝數為300，第二級線圈匝數為300，材料選擇銅。

驅動線圈的激勵源采用外電路供電的方式，圖2只給出一級電路，二級電路與一級電路除參數相同。由文獻[8]可知，電容驅動型和電池驅動型對比，在相同的加速距離與出口動能下，電池驅動型磁阻發射器能量轉化率較高，本文采用電池型驅動，電源電壓為200 V，限流電阻為20 Ω，回路等效電阻0.017 Ω。外電路模型如圖3，D1是續流二極管，起保護電池的作用，否則電池會被關斷反向電動勢反向充電，破壞電池，續流回路中加入消耗電阻，可以使續流電流迅速下降到0。

為了保證計算精度，對鐵磁彈丸、驅動線圈及運動區域劃分的網格比較密集，求解域處的網格比較稀疏。選擇運動區域和驅動線圈，設定剖分類型為Inside Selection，單元網格的最大尺寸為2 mm，彈丸的剖分類型Inside Selection，單元網格的最大尺寸為1 mm，求解區域的單元網格最大尺寸為8 mm。

求解區域的邊界條件設置為氣球邊界條件，初始位置為彈丸頭部距線圈端部5 mm。設定數值仿真計算時間為6 ms，時間步長為0.006 ms，設置結束后仿真計算。

2.2 添加軛鐵仿真模型

添加軛鐵后的磁阻發射器模型如圖4所示。分別給驅動線圈添加兩個材料為steel_1008的軛鐵，軛鐵的厚度為5 mm。設定軛鐵的剖分類型為Inside Selection,單元網格的最大尺寸為4 mm。其他條件不變，仿真分析。

2.3 發射系統仿真分析

圖5給出了二級磁阻型發射線圈加軛鐵和不加軛鐵兩種情況下彈丸速度隨時間的變化曲線，在不加軛鐵的情況下，經過二級線圈加速以后，彈丸的炮口初速為78 m/s，而將線圈分別添加軛鐵以后，炮口初速為85 m/s。從圖5中可以看出，線圈添加軛鐵以后，初始的彈丸加速度要小于一整塊軛鐵的情況，但是隨著彈丸前進，加速度在變大，并且彈丸的加速時間較長，得到的炮口速度要大于不加軛鐵的情況；圖6 給出的是兩種情況下不同時刻的彈丸的電磁力曲線，從圖6中可以看出，在添加軛鐵的情況下，彈丸起始運動受到的電磁力要小于不加軛鐵的情況，但是當彈丸運動到線圈內部時，彈丸的受力變大，并且在一級和二級線圈所受到的最大的電磁力分別為2.21 kN和0.31 kN，而不加軛鐵時一級和二級線圈所受到的最大電磁力分別為1.9 kN和0.27 kN。

圖7給出了電磁發射模型在某一位置處兩種情況下的磁力線分布，可以看出：添加軛鐵以后，線圈周圍產生的磁力線被更多封閉在軛鐵的內部，可以使驅動線圈產生的磁能充分利用。

3 改變添加軛鐵方式

改變添加軛鐵的方式，添加方式如圖8所示，給整個二級發射器添加一整塊軛鐵，仿真分析兩種不同的添加方式。

圖9為兩種情況下速度隨位置變化的曲線，驅動線圈分別安裝軛鐵以后，彈丸的炮口初速度為79 m/s，而僅安裝一整塊軛鐵的情況下，炮口的初速為75 m/s，可以看出，相比較安裝一整塊軛鐵，兩個線圈分別安裝軛鐵可以使彈丸獲得更高的炮口初速度。

4 結論

利用ansoft仿真軟件中的2D瞬態求解器仿真研究了添加軛鐵對二級線圈發射器炮口初速度的影響，并且對比兩種不同的軛鐵安裝方法下彈丸炮口初速，結果表明：

1) 添加軛鐵以后，磁力線被軛鐵封閉在內，彈丸的炮口初速得到了明顯的提升，所受的最大的電磁力大于不加軛鐵；

2) 采用分別裝夾軛鐵的方式，要比只裝夾一塊軛鐵更能有效提高彈丸的炮口初速。

相比較傳統的提高炮口初速度的方法，對磁阻型發射器安裝軛鐵提高彈丸炮口初速的方式更加方便，驅動線圈產生的磁能更能夠被充分利用，仿真結果將為后期的多級磁阻型線圈發射器的設計與實驗提供指導。