低速小過載異步感應(yīng)線圈炮的仿真研究

路梅 蔣麗萍

摘 要：感應(yīng)線圈炮分同步和異步感應(yīng)線圈炮兩大類。異步感應(yīng)線圈炮不存在需要開關(guān)動作與拋體精確同步的問題，具有更為廣闊的應(yīng)用前景。對異步感應(yīng)線圈炮進行仿真研究，主要有數(shù)值仿真和有限元仿真兩種方法。文章采用仿真軟件Ansoft對一種低速小過載（出口速度≥20m/s，過載<100g）的異步感應(yīng)線圈炮進行了有限元仿真分析，分析結(jié)果滿足設(shè)計要求，對異步感應(yīng)線圈炮的設(shè)計優(yōu)化及后期試驗具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：異步感應(yīng)線圈炮；低速小過載；有限元仿真；Ansoft

中圖分類號：TP391.9 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）02-0013-04

Abstract： Induction coilgun is divided into two categories： synchronous and asynchronous induction coilguns. The asynchronous induction coilgun does not have the problem of precise synchronization between the switching action and the projectile， so it has a wider application prospect. There are two methods to simulate asynchronous induction coilgun： numerical simulation and finite element simulation. In this paper， the finite element simulation analysis of an asynchronous induction coilgun with low speed and small overload （exit velocity ≥ 20m/s， overload <100g） is carried out using the simulation software Ansoft， and the analysis results meet the design requirements. It has certain guiding significance for the design optimization and later stage test of asynchronous induction coilgun.

Keywords： asynchronous induction coilgun； low speed and small overload； finite element simulation； Ansoft

引言

感應(yīng)線圈炮具有無機械接觸、推力大、效率高、壽命長等較多優(yōu)點，因而具有非常廣闊的應(yīng)用前景[1]。目前感應(yīng)線圈炮主要用于高速發(fā)射，應(yīng)用效果良好，但存在熱效應(yīng)大，沖擊力大等缺點，對結(jié)構(gòu)強度要求較高，且限制了系統(tǒng)的效率[5]。

感應(yīng)線圈炮分同步感應(yīng)線圈炮和異步感應(yīng)線圈炮兩大類。驅(qū)動線圈用脈沖電流分立激勵，電樞電流感應(yīng)而生，為同步感應(yīng)線圈炮。驅(qū)動線圈使用多相（常為三相）交流產(chǎn)生磁行波，借其滑差速度在電樞內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，為異步感應(yīng)線圈炮。二者的主要區(qū)別在于驅(qū)動線圈的電流輸入不同，電樞產(chǎn)生感應(yīng)電流的方式不同。同步感應(yīng)線圈炮的顯著缺點在于，控制驅(qū)動線圈電流輸入的開關(guān)動作必須與彈丸精確同步，方可持續(xù)加速電樞。異步感應(yīng)線圈炮驅(qū)動線圈產(chǎn)生的行波磁場速度高于電樞速度，靠滑差速度來產(chǎn)生感應(yīng)電流，拉動電樞加速前進，有效的降低了系統(tǒng)難度[1，9]。

本文針對一種用于低速小過載的異步感應(yīng)線圈炮進行仿真研究。系統(tǒng)設(shè)計要求：將總重8kg的拋體加速至≥20m/s，過載<100g。

1 系統(tǒng)原理及組成

異步感應(yīng)線圈炮系統(tǒng)包括驅(qū)動線圈、拋體（電樞和載荷）、供電儲能設(shè)備和測控系統(tǒng)組成。異步感應(yīng)線圈炮原理如圖1所示。驅(qū)動線圈通過一定的方式同軸纏繞到絕緣骨架上，供電儲能設(shè)備在開關(guān)控制下，以一定的相位差對驅(qū)動線圈進行放電。在磁耦合作用下，拋體線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流并被推動加速前進。測控系統(tǒng)實現(xiàn)整個系統(tǒng)的信號測量與控制。

2 仿真分析

對異步感應(yīng)線圈炮進行仿真分析，可以采用數(shù)值仿真和有限元仿真兩種方法。數(shù)值仿真基于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及系統(tǒng)參數(shù)的計算，通過對系統(tǒng)狀態(tài)方程組進行求解，得到電流、速度、推力等主要參數(shù)。有限元仿真則主要是利用仿真軟件進行分析，可以得到驅(qū)動線圈電流、拋體運動過程、拋體推力等。本文采用有限元仿真軟件Ansoft進行分析，同時列出數(shù)值仿真分析的數(shù)學(xué)模型，便于理解系統(tǒng)原理。

2.1 數(shù)值仿真分析數(shù)學(xué)模型

數(shù)字仿真分析基于數(shù)學(xué)模型的建立，異步感應(yīng)線圈炮的數(shù)學(xué)模型主要包括電路方程和運動學(xué)方程。

（1）電路方程

將電樞均勻分割為n個獨立的圓環(huán)線圈，驅(qū)動線圈為m 個。這里將電樞分割來計算和驅(qū)動線圈之間的電感參數(shù)。雖然增加了電樞分片之間的互感計算，增加了系統(tǒng)分析難度，但是可以使數(shù)值仿真的結(jié)果更接近實際。對驅(qū)動線圈和電樞進行網(wǎng)孔剖分，系統(tǒng)等效電路模型如圖2所示。

采用網(wǎng)孔回路法進行分析，針對等效電路模型，感應(yīng)線圈炮等效電路方程如下：

（2）運動學(xué)方程

2.2 Ansoft仿真分析

（1）模型及仿真參數(shù)

系統(tǒng)模型具有軸對稱結(jié)構(gòu)，故可以選擇二維幾何模型，簡化求解過程，并進一步提高求解速度。系統(tǒng)幾何模型主要包括驅(qū)動線圈、電樞、運動區(qū)域、求解域等，幾何模型見圖3所示。

仿真參數(shù)如表1、表2所示。異步感應(yīng)線圈炮每段驅(qū)動線圈繞法相同，截面尺寸相同，匝數(shù)不同。電樞結(jié)構(gòu)形式為筒型。電樞設(shè)計過程要同時兼顧系統(tǒng)設(shè)計總重要求，耦合性能及結(jié)構(gòu)強度要求。厚度應(yīng)與集膚深度接近，太厚不利于耦合。拋體長度管之間間隙1mm，壁厚5mm。

有限元仿真采用場路耦合協(xié)同仿真方式模擬感應(yīng)線圈炮工作過程[3]。這里采用外電路鏈接實現(xiàn)激勵源的添加，單段線圈炮外部加載電路如圖4所示，具體加載參數(shù)見表3。

（2）仿真結(jié)果

驅(qū)動線圈電流曲線，拋體推力、速度、位移曲線，分別如下圖5～圖8所示。

由圖可知，采用該異步感應(yīng)線圈炮可以在71ms內(nèi)將總重8kg的拋體（電樞和載荷）加速到24.5m/s。發(fā)射過程，拋體受最大推力為7.49kN，過載93.63g，滿足設(shè)計要求。

3 仿真結(jié)果分析

感應(yīng)線圈炮運行過程中，隨時間變化，加載電流不同，磁場強度變化，拋體位置不同，感應(yīng)電流大小也時刻變化，對驅(qū)動線圈和電樞磁場強度，及電樞感應(yīng)電流進行瞬態(tài)仿真分析，選取典型時刻如下：

圖9給出了4ms時刻磁場的分布情況及電樞的感應(yīng)電流分布，其中磁場強度最大值為1.65T，感應(yīng)電流最大1.96×108A/m2，拋體運動速度1.74m/s，位置基本沒有變化，電樞上磁場、感應(yīng)電流主要集中于中部及后端部。

圖10為12.9ms時刻瞬態(tài)情況，此時電樞位于兩段之間，磁場強度最大值為0.177T，感應(yīng)電流最大7.74×107A/m2，拋體運動速度12.91m/s。驅(qū)動線圈上磁場分布相對均勻，電樞上磁場主要集中于中部及后端部、感應(yīng)電流分布均勻。

圖11為70.7ms時，電樞尾部離開線圈，磁場強度最大為0.56T，感應(yīng)電流最大位于電樞尾部，達3.52×107A/m2，拋體運動速度24.5m/s。

4 結(jié)束語

針對低速小過載載荷需求，異步感應(yīng)線圈炮推力不能過大，故系統(tǒng)總長相對較長，驅(qū)動線圈級數(shù)會相應(yīng)增多，不利于系統(tǒng)放電控制。但驅(qū)動線圈加載過程中，電流變化率相對較為緩慢，驅(qū)動線圈受力發(fā)熱等狀況都會有所改善。此外，因磁耦合和集膚作用，系統(tǒng)工作過程中，電磁場主要集中在驅(qū)動線圈和電樞的外側(cè)間隙，電樞中部和尾部外側(cè)感應(yīng)電流最大、磁場最強，故會產(chǎn)生較大的發(fā)熱量和較高的溫升，針對此現(xiàn)象，可考慮采用電樞尾部加厚方式對結(jié)構(gòu)進行加強。

參考文獻：

[1]王瑩，肖峰.電炮原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，1995.

[2]李獻，王秋良，劉建華.直線感應(yīng)電磁發(fā)射器分析與優(yōu)化[J].電工電能新技術(shù)，2010，29（2）：43-46.

[3]趙科義，李治源，等.基于Ansoft的電磁彈射器的有限元仿真[J].計算機應(yīng)用與軟件，2006，23（4）：132-133.

[4]張亞東，張為杰，楊勝寬，等.電磁驅(qū)動線圈的力學(xué)特性及制作方法[J].高電壓技術(shù)，2014，40（4）：1186-1193.

[5]王釗，金洪波，鄒本貴，等.電磁線圈發(fā)射器垂直發(fā)射過程建模與仿真[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報，2013，28（3）：271-275.

[6]高俊山，楊晶，楊嘉祥.三級線圈發(fā)射模型研究[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2003，22（3）：42-44.

[7]王秋良，王厚生，李獻，等.同軸線圈電磁推進技術(shù)述評[J].高電壓技術(shù)，2015，41（8）：2489-2499.

[8]ZHAO KEYI，CHENG SHUKANG，ZHANG RUIPING.Influence of driving current' s wave on accelerative performance of induction coil launcher[J]. IEEE Transactions on Magnetics， 2008，44（1）：1-4.