智能手槍自發電裝置設計仿真

朱良材，張 亞，李世中，韓成輝，龐海濤

(1.中北大學 機電工程學院， 太原 030051； 2.寧波軍鴿防務科技有限公司產品中心， 浙江 寧波 315000)

1 引言

隨著信息技術迅猛發展，高新技術的不斷滲透，要求新型武器具有更高的智能化水平[1]，以滿足不同背景下的作戰需求，顯而易見，在武器平臺上加裝信息設備[2-3]，可以在很大程度上提高武器的安全性和可靠性。傳統槍械已經不能很好的滿足信息化的需要，現代槍械武器的擊發控制逐漸朝著數字信息化轉變[4]。

當前，我國社會治安總體形勢不容樂觀，涉槍涉暴案件時有發生。雖然我國一直嚴格執行槍支管制政策，但仍有不法分子通過各種非法途徑獲取槍支彈藥，進行違法犯罪活動，極大地危害了社會公共安全，不利于社會的長治久安[5]。在開發新型警用手槍的過程中，需要考慮手槍的可控性和安全性[2]。國內目前還處于起步階段，僅在第八屆中國國際警用裝備博覽會上，湖南兵器工業集團展出了一款智能手槍，通過手槍內置電池供電，手槍握把處可以感知到使用者所配戴的指環并開啟擊發系統。國外也采用安裝電池的方式，使用電子嵌入式技術去實現手槍的安全管理。使槍只能由授權人員使用，而非授權人員即便是拿到了手槍也無法擊發。但都因安裝電池體積過大，采用外部構件方式使用。因此在不破壞手槍整體結構基礎上，對手槍進行機電化改造，實現槍械的智能化、信息化[7]，提高手槍的可控性、安全性，提出一種自發電裝置創新設計，為智能手槍工作提供部分能源。

2 自發電裝置結構

直線發電機[8]根據結構的不同可以劃分為圓筒型直線發電機以及平板型發直線電機。永磁直線電機在力密度、效率以及功率因數等性能指標上要優于直線感應電機[9]，且圓筒型永磁直線電機比單邊平板型或者雙邊平板型永磁直線電機的空間利用率高[10]，性能優良，本文中智能手槍的自發電裝置采用圓筒型永磁直線電機，其在手槍上的安裝位置如圖1所示。

圖1 自發電裝置安裝位置

自發電裝置分為線圈組件、活塞組件。線圈組件包含線圈、工字線圈筒、筒芯、線圈外筒；活塞組件包含永磁體、純鐵墊片、磁鐵筒。電機的三維結構及重要部件如圖2所示。

圖2 自發電裝置結構

此發電裝置在手槍上替代擊發部分，工作原理為手槍在拉動套筒或者套筒后坐時,活塞組件伴隨套筒運動，復進到位時，活塞組件的掛鉤壓縮彈簧并掛住扳機連桿等待及擊發；當扣動扳機后，活塞組件受到壓縮彈簧的推力運動，根據法拉第電磁感應原理，線圈組件切割永磁體磁力線，產生感應電動勢。

3 自發電裝置數學模型及動力學模型

3.1 自發電裝置數學模型

智能手槍自發電裝置內的電磁場具有軸對稱性，可將三維電磁場結構簡化為二維電磁場分析，結構如圖3所示。

圖3 自發電裝置2D模型

引入磁矢位A，并定義B=▽·A，在電機磁場分析中，一般選取垂直與電機軸的平行平面場分析，此時電流密度和磁矢量只有Z軸方向分量。結合麥克斯韋方程組在穩態情況平面場域Ω上的磁場問題可表示成邊值問題[11]為:

(1)

式中：Г1、Г2分別為第一、第二類邊界條件。

將偏微分方程的邊值問題等價為條件變分問題即能量泛函的極值問題，對應的條件變分問題為：

(2)

式中：M為永磁體磁化矢量。

采用有限元法求解上述方程組，在求解時把求解區域剖分為一系列的有限單元網格，在各單元網格中構造插值函數，把插值函數再代到能量泛函式子里面，再把泛函離散成多元函數方程，通過多元函數求極值的方法變換成為代數方程組，對此方程組進行求解即可得到最終的數值解。

3.2 動力學模型

根據自發電裝置的工作原理，當手槍扣動扳機后活塞組件受到彈簧的推力向前運動。則活塞組件的運動方程為：

(3)

式中：k為彈簧的勁度系數；m為活塞組件的質量；p為壓縮彈簧的運動距離；v為活塞組件的速度；Fz為活塞組件受到的電磁力。

4 仿真分析

通過COMSOL軟件進行智能手槍自發電裝置的活塞組件動力學仿真，并分析永磁體不同充磁方式、純鐵墊片厚度以及磁鐵筒壁厚對線圈感應電壓的影響。

4.1 活塞組件運動曲線

根據上述動力學方程組，經過仿真分析，計算得到活塞組件從初始狀態到運動停止共位移28 mm，用時4.9 ms，活塞位移曲線如圖4(a)所示。活塞組件因與線圈組件碰撞停止，其速度曲線如圖4(b)所示。活塞組件加速度曲線如圖4(c)所示。

4.2 永磁體充磁方式對電壓影響

受限于手槍套筒空間，永磁體選用圓柱體結構。其中永磁體充磁方式主要有3種：徑向充磁；軸向充磁；Halbach結構[12]。因自發電裝置所用永磁體數目較少[13]，只考慮徑向、軸向充磁方式對線圈感應電壓的影響，其永磁體的充磁方向如圖5所示。

經過仿真分析得到永磁體不同充磁方式條件下線圈的感應電壓，如圖6所示。

從圖中可以看出，永磁體軸向充磁結構下4組線圈產生的感應電壓峰值都明顯大于永磁體徑向充磁結構下線圈的電壓峰值，所以自發電裝置的永磁體采用軸向充磁方式充磁。

圖4 活塞組件運動曲線

圖5 永磁體充磁結構

4.3 純鐵墊片厚度對電壓影響

因選用永磁體的結構為圓柱型，自發電裝置采用軸向充磁方式充磁的情況下，相鄰永磁體之間會相互排斥，所以在永磁體之間加入純鐵墊片。其他條件不變的情況下純鐵墊片的尺寸對感應電壓的影響如圖7所示。

圖6 不同充磁方式4組線圈的感應電壓

圖7 不同墊片厚度下4組線圈感應電壓

從圖7(d)可以看出線圈4感應電壓隨純鐵墊片厚度的增加而增加，其中純鐵墊片厚度為1 mm時線圈4感應電壓最大值為1.42 V，與在純鐵厚度為2、3 mm情況下線圈4產生的感應電壓相比，其電壓太低。從圖7(a)、(b)、(c)中得到線圈1、2、3在純鐵墊片厚度為變化的情況下產生的感應電壓峰值差距不大，所以純鐵墊片厚度可選用為2 mm以上，但基于套筒內空間及工程應用考慮，純鐵墊片厚度應選用2 mm。

4.4 磁鐵筒壁厚影響

根據智能手槍感應擊發原理，扣動扳機活塞組件受彈簧推力運動，線圈切割磁感線產生感應電壓。但永磁體磁感應線穿過磁鐵筒，使永磁體周圍磁場強度減弱，導致感應電壓的降低。通過仿真得到不同磁鐵筒厚度下線圈的感應電壓如圖8所示。

圖8 不同壁厚條件下4組線圈感應電壓

從圖8(d)中得到線圈4在磁鐵筒厚度為0.5 mm產生的感應電壓僅小于厚度為0.1 mm時的感應電壓，其他壁厚條件下4組線圈產生的感應電壓都隨著磁鐵筒壁厚的增加而降低，但磁鐵筒壁厚越薄，強度越低，在碰撞過程中可能變形，為保證磁鐵筒具有一定強度，磁鐵筒壁厚應選用0.5 mm。

5 電路仿真

智能手槍采用自發電裝置的目的是為電子電路正常工作提供穩定的電壓[14-15]，但自發電裝置的線圈組件切割永磁體磁力線產生感應電壓會隨著活塞組件運動速度的變化而變化，因此需要對得到的感應電壓進行整流穩壓處理。從圖6可以看出永磁體軸向充磁方式下4個線圈產生的感應電壓正半周波形優于負半周電壓波形，所以濾去線圈感應電壓負半周波形，電路原理如圖9所示。

圖9 線圈外接整流電路

在COMSOL中導入元器件的Spice圖，其中IO1、IO2連接線圈導線，肖特基二極管對感應電壓進行整流、鉭電容儲存電路中的能量。四組線圈產生的感應電壓波形經整流存儲后如圖10所示。

圖10 4組線圈整流后感應電壓

線圈1外接電路鉭電容兩端峰值電壓為14 V，線圈2外接電路鉭電容兩端峰值電壓為11.6 V，線圈3外接電路鉭電容兩端峰值電壓為12.48 V，線圈4外接電路鉭電容兩端電壓峰值為6.43 V。根據設計需求，輸入的電壓峰值要大于11 V，在活塞組件位移28 mm情況下，線圈1、線圈2、線圈3產生的感應電壓經整流穩壓后滿足要求，但按設計要求外電路需要兩個輸入端口，滿足輸入要求的線圈組件有3個端口，其端口的利用率不高。而且整個裝置從活塞組件起始狀態計算長度為55 mm，考慮到手槍套筒部分可利用空間位置有限，需要進一步縮短活塞組件行程。但縮短活塞組件行程導致各個線圈產生的感應電壓降低，為保證具有足夠電壓的輸出，將線圈1、線圈2電路中的鉭電容串聯，線圈3、線圈4執行同樣操作，改進電路如圖11所示。

圖11 改進電路原理圖

通過COMSOL仿真得到線圈1、線圈2在活塞組件不同行程下的電壓峰值與充電時間如表1所示，線圈3、線圈4在活塞組件不同行程下的電壓峰值與充電時間如表2所示。

表1 線圈1、線圈2外接電路數據Table 1 Coil 1 and 2 external circuit data

表2 線圈3、線圈4外接電路數據Table 2 Coil 3 and 4 external circuit data

從表1表2中看出隨著行程的減少鉭電容兩端電壓下降。線圈1、線圈2外接電路中，串聯的鉭電容電壓充電時間從28 mm到行程18 mm時隨著行程的縮短而增加，到18 mm以下時充電時間隨著行程的減小而減少；線圈3、線圈4外接電路中，串聯的鉭電容電壓充電時間隨著行程的減小而增加。根據設計需求單片機供電的鉭電容充電時間應小于3 ms的，擊發儲能電路因在單片機供電后判斷是否擊發，所以充電時間不做要求，同時鉭電容兩端的電壓峰值要大于11 V，活塞組件位移距離盡可能的小，則根據表中數據，線圈3、線圈4外接電路鉭電容串聯方式應選用為單片機供電電路的輸入端口，線圈1、線圈2外接電路鉭電容串聯方式選用為擊發儲能電路輸入端口。

6 結論

根據圓筒型永磁直線電機特性，結合手槍機械撞擊原理，設計了一套智能手槍自發電裝置。該裝置可以在活塞組件行程為14 mm的情況下產生大于12.21 V，鉭電容充電時間為2.1 ms的電壓，可供智能手槍自發電裝置創新研制參考。