三相异步感应线圈发射器适用的高功率脉冲电源性能分析

张国安 余明友 朱忠尼 夏敏学

（空军雷达学院，武汉 430019）

1 引言

电磁发射（electromagnetic launch——EML）技术就是用电磁力在较短的时间内把物体推进到超高速度的技术，具有反应速度快、出口速度高等优点，这使得它具有广阔的应用前景。随着脉冲功率技术和电磁发射技术的发展，电磁发射技术的应用研究越来越受到更广泛的关注。电磁发射装置被称为电磁发射器或电磁炮。根据结构和原理的不同，电磁发射器主要有三种形式：线圈型、轨道型和重接型[1]。而异步感应线圈发射器就是一种线圈型电磁发射器。由于存在磁悬浮作用，驱动线圈与弹丸线圈之间无接触、摩擦和烧蚀等，可以用于发射大型物体，因此越来越受到人们的重视。但是由于存在电源瓶颈和效率不高的原因，异步感应线圈发射器还不能投入实用。本文通过对异步感应线圈发射器结构和原理进行研究、分析，指出为提高发射效率，异步感应线圈发射器适用的激励电源是对称的三相或多相高功率交流电源。根据对称分量法，任意三相电流总可以分解成正序分量、负序分量和零序分量。实际上仅正序分量产生正向行波磁场加速弹丸做正功。本文对现在实验室常用的两种激励电源的性能进行了分析，指出由于参数不匹配和存在端部效应等原因，三相激励电流不对称，含有大量的负序分量和零序分量分别做负功和增加附加损耗，降低了发射器的转换效率。

2 异步感应线圈发射器基本结构

异步感应线圈发射器都是从普通异步感应电动机演变来的[2][3]。以三相异步感应线圈发射器为例进行说明。将普通旋转异步感应电动机AIM（图1a）从轴线沿径向剖开并拉直、展平，便成了平面异步感应直线电动机（图 1b），再把平面异步感应直线电动机沿纵向卷成圆筒状，便成为圆筒异步感应直线电动机AILM（图1c）。用于电磁发射时，前者也称为平板异步感应线圈发射器，后者又称为圆筒异步感应线圈发射器。可见异步感应线圈发射器有平板和圆筒两种形式。把图示磁极具体化后，原来旋转异步感应电动机的定子这里叫初级，或者异步感应线圈发射器的驱动线圈；原来旋转异步感应电动机的转子这里叫次级，或异步感应线圈发射器的弹丸线圈,又称为电枢。三相圆筒异步感应线圈发射器结构示意如图2a所示。

图l 由AIM演变到AILM的过程

用作电动机时，由于电流不是足够大，定子和转子都有铁心，可以增强磁场，减少绕组匝数。但用作异步感应线圈发射器时，由于发射时间短，电流足够大，初级、次级或驱动线圈、弹丸线圈都去掉铁磁材料成为空心的，这样可以避免铁心出现磁饱和，还可以减轻发射器重量。

另外，由于磁极出现断面而引起磁场不均匀，平板异步感应线圈发射器存在横向端部效应和纵向端部效应，而圆筒异步感应线圈发射器仅存在纵向端部效应[3][4]。

3 异步感应线圈发射器基本原理

三相异步感应电动机的工作原理是其定子绕组接通对称三相交流电就会产生旋转磁场拖动转子旋转。为保证三相异步感应电动机转速平稳，激励三相异步感应电动机的交流电源应是三相对称的，即

因此，三相异步感应线圈发射器的激励电源也应该是三相交流对称的。当三相激励电源是如式（1）所示的三相对称交流电流时，在驱动线圈中会产生行波电流[1]，在发射管内部会产生如图2b所示的行波磁场或磁行波（不再是旋转磁场了），该行波磁场就拉着弹丸线圈沿发射管轴线向前运动。该行波磁场B沿发射管近似正弦分布，可以分解为径向磁场Br和轴向磁场Bx。由于激励电流是随时间变化的，该行波磁场沿发射管以同步速度vs前进，而vs与电源频率f、极距τ有关

图2 异步感应线圈发射器工作原理

弹丸线圈是被行波磁场拉着前进的，因此弹丸线圈的速度不可能超过同步速度。如果弹丸线圈也以同步速度vs前进，即弹丸速度vp=vs，则弹丸线圈处于磁静止的环境，它与行波磁场无相对运动，不能感应出电流，就不会受到电磁力的作用。当弹丸线圈速度vp＜vs，滑差速度svs=vs-vp，弹丸线圈经受磁场B的变化，由于弹丸线圈电流J与磁场B作用，产生作用于弹丸线圈上的电磁力

该力的径向分量推斥弹丸悬浮居中，当弹丸线圈受扰动向某方向偏移时，两线圈间距变小，弹丸线圈在这一侧所受的推斥力比另一侧的大，这有助于弹丸线圈复位居中，使得弹丸位于发射管轴线运动，而与发射管之间无接触、摩擦[2]。

而该力的纵向分量则加速弹丸沿发射管x轴线正方向前进，其大小为[1-2]

式中，Id为驱动线圈的激励电流的有效值；α为弹丸线圈长度与驱动线圈激励部分长度之比；Rp为弹丸线圈电阻；Xm为驱动线圈绕组的电抗；s= (vs-vp)/vs= 1-vp/vs为滑差（率）；vs为行波磁场的同步波速；vp为弹丸线圈速度；svs=vs-vp为滑差速度；上式忽略了驱动线圈和输入导线的电阻以及端部效应的影响。

4 异步感应线圈发射器施加任意波形电流时的行波磁场

4.1 对称分量法

若对异步感应线圈发射器驱动线圈施加任意波形的三相电流源，根据对称分量法，任意的三相电流ik都可以分解为正序电流分量ikp、负序电流分量ikN和零序电流分量ik0（k=a,b,c）之和，即

假设三相负载为有中线的星形（Y0）连接方式，则

其中，三相正序分量是对称的，且相序为A-B-C-A，如公式（1）所示；三相负序分量也是对称的，但相序为A-C-B-A，与正序分量相序相反；三相零序分量相等，且均等于三相电流瞬时值代数和的1/3。

4.2 异步感应线圈发射器施加正序三相电流时产生正向行波磁场

图2（a）所示的异步感应线圈发射器的驱动线圈施加式（1）所示的三相对称的正序电流时，就会产生如图2（b）所示的正向行波磁场，对弹丸产生电磁推力（F），做正功，加速弹丸沿发射管轴线正方向运动。

4.3 异步感应线圈发射器施加负序三相电流时产生逆向行波磁场

和三相异步电动机一样，当图2（a）所示的驱动线圈通以A-C-B负序电流时，其产生的行波磁场方向是逆向运动的，这个逆向行波磁场对弹丸产生一个反向的电磁减速力（-F），该力对弹丸做负功。

4.4 异步感应线圈发射器施加零序电流的行波磁场

当A、B、C三相驱动线圈施加零序电流时，由于A、B、C为同类信号，它将在A、B、C线圈不同的空间位置产生上、下振动的脉振磁场。该磁场不能产生向前或向后的电磁力，它会增加弹丸的附加损耗。

4.5 多种电流成分的行波磁场

当三相异步感应电动机的对称三相绕组中有正序、负序和零序等多种电流成分时，电机气隙中的磁场为一椭圆磁场。根据电机学原理，椭圆磁场可以等同为两个正、反向的同步旋转的磁场的叠加。同样道理，当异步感应线圈发射器施加具有正序、负序和零序电流时，其行波磁场是一串幅值变化的行波磁场，它可以分解为一组正向行波磁场和反向行波磁场。正向行波磁场产生电磁推力加速弹丸前进，做正功；反向行波磁场产生电磁阻力阻止弹丸前进，做负功。

由此可以看出，要想提高异步感应线圈发射器的发射效率，就需要尽可能提供式（1）所示的三相对称正序电流对弹丸做正功，加速弹丸，避免存在负序电流做负功和零序电流增加附加损耗。

5 异步感应线圈发射器常用电源及其存在问题的分析

除了上述对三相电流对称性要求外，由于异步感应线圈发射器的特殊要求，其适用的电源应该还有下列几个特点：

（1）驱动线圈的阻抗较大，需要激励电源能提供高电压和大电流，能提供高功率和大能量。激励电源电压一般是数十千伏，电流也高达数十千安。

（2）由于电磁发射速度快，弹丸在发射管内运动时间短，因此希望激励电源是脉冲的，维持时间毫秒量级。

（3）希望弹丸及弹丸线圈所受的电磁力基本不变。这样保持弹丸的加速度基本不变，有助于弹丸不会因受极大力的作用而破碎。

（4）为减少欧姆损耗而又满足高出口速度的需要，往往做成多段异步感应线圈发射器形式。因此激励电源应该容易做成不同频率和容量。因为通过改变激励电源频率和驱动线圈的极距可以改变行波磁场的同步速度，提高激励电源电压或电流可以提高对弹丸线圈的加速力。

根据这些特点，目前最常用的脉冲电源是高压脉冲电容器和飞轮发电机两种。

5.1 电容器用作激励电源

高压脉冲电容器是实验室中进行电磁发射实验常用的激励电源之一，可以先小功率向高压脉冲电容器充电，然后高压脉冲电容器通过高功率开关向异步感应线圈发射器的驱动线圈放电。

用电容器向三相异步感应线圈发射器驱动线圈绕组供电的等效电路如图3所示。图中充电电路未画出。三组电容器CA、CB、CC分别向三相驱动绕组LA、LB、LC供电，三相驱动线圈Y0型连接，图3(b)中的L和R分别是其中一相驱动线圈绕组的等效电感和等效电阻（包括初级导线欧姆损耗、次级涡流损耗、弹丸获得的能量等），U0是电容C的充

图3 电容对三相驱动线圈绕组供电

根据图3（b）所示的其中一相等效电路可写出电路的电压微分方程

将上式微分，得二阶常系数微分方程

从式（9）可见，电容供电时每个驱动线圈绕组的相电流是正弦衰减电流，其自由振荡周期

用电容器供电的触发方式有两种，一种是120˚控制方式，另一种是60˚控制方式。

120˚控制方式

各相电流如式（9），其振荡周期为TC。在 t=0时刻，控制A相开关SA闭合，使A相电容放电；然后控制B相开关SB在Tc/3时刻（120˚）闭合，使B相电容放电；控制C相开关SC在2Tc/3时刻（240˚）闭合，使C相电容放电。则三相电流的仿真波形如图4所示。

图4 120˚控制方式三相电流波形

60˚控制方式

各相电流如式（9），其振荡周期为 TC。在t=0时刻，控制A相开关SA闭合，使A相电容放电；然后控制-C相开关SC在Tc/6时刻（60˚）闭合，使C相电容放电；控制B相开关SB在Tc/3时刻（120˚）闭合，使B相电容放电。则三相电流波形、弹丸速度和加速度分别如图5、7所示[6][7]。

图5 60˚控制方式三相电流波形

性能上，60˚控制方式优于120˚控制方式[7]。从图4和图5可以看出，不管是120˚控制方式，还是60˚控制方式，三相电流都不是对称的，特别是在B相和C相闭合之前，只有单相或两相电流，并且指数衰减规律不同，这样三相电流中存在大量的负序分量和零序分量。图6所示弹丸速度和加速度曲线可以看出在发射后期加速度出现负值，说明了电磁力在做负功，其结果将导致系统效率远低于理论值。

5.2 飞轮发电机用作激励电源

实验室中进行电磁发射实验的另一种常用的激励电源是飞轮发电机。文献[8]报道了用飞轮发电机激励8段异步感应线圈发射器的实验结果，其中第1段和第8段驱动电流波形如图6（a）、（b）所示，第8段发射管中弹丸所受电磁力波形如图6（c）所示。

图6 弹丸速度和加速度曲线

从图7可以看出飞轮发电机激励三相异步感应线圈发射器也是采用60˚控制方式，三相电流是不对称的，特别是在C相和B相接通之前，只有单相或两相电流，而在B相接通之后三相电流幅值也难以保持对称，因此也存在大量的负序分量和零序分量，甚至出现电磁力为负的情况，其结果将导致系统效率远低于理论值。

图7 飞轮发电机驱动8段三相异步

感应线圈发射器电流波形和电磁力波形

5.3 三相驱动电流不对称的原因分析

分析三相异步感应线圈发射器驱动线圈电流不对称的原因有三：

（1）端部效应

由于发射器有入口和出口，且存在磁场不均匀现象，就会产生损耗，引起端部效应。

（2）电路参数失配

在进行实验模型加工和实验时，难以保证电路参数匹配。

（3）延时控制

A、B、C三相依次延时导通，在B相和 C相导通之前，发射管中只有一相或两相电流，此时并没有产生行波磁场，相当于同步感应线圈发射器工作情形。在最后一相导通时开始产生行波磁场，但由于公式（9）所示的三相电流不对称，特别是三相电流幅值不相等和衰减规律不相同，甚至三相电流频率不相等，使得行波磁场发生畸变。

6 对异步感应线圈发射器常用电源的改进建议

对异步感应线圈发射器的电源，总是希望其驱动电流是三相对称的，只含有正序分量。为了尽可能减小三相异步感应线圈发射器驱动线圈的电流的负序分量和零序分量，通过分析行波磁场产生的原因，笔者提出两点建议：

一是针对高压脉冲电容用作激励电源，增加匹配网络使得各相包含端部效应在内的等效阻抗和谐振频率相等，精确计算各相电容充电电压和各相依次放电时间，确保最后一相导通后三相激励电流按指数规律衰减的幅值包络线相同，使得产生的行波磁场的幅度也按指数规律衰减。

二是研制新型的活塞驱动的逆线圈炮型三相脉冲直线发电机用作三相异步感应线圈发射器的激励电源，可以弥补端部效应的影响。

7 结论

电磁发射技术虽然具有美好的应用前景，但是仍然存在电源瓶颈问题。本文通过对异步感应线圈发射器的结构和工作原理进行分析，发现三相或多相异步感应线圈发射器适用的激励电源应是三相或多相对称的。只有对称的交流电源（正序分量）才能产生正向行波磁场加速弹丸。当电源不对称时，就可以分解出负序分量和零序分量，产生反向行波磁场（做负功）和脉振磁场（增加附加损耗），极大地降低了系统的效率。因此，理想的情况是研发能输出式（1）所示的三相对称电流的三相或多相脉冲交流电源。

用电容激励和飞轮发电机激励异步感应线圈发射器是现在实验室研究电磁发射实验常用的激励电源，但均因延时接通和电流不对称等，存在大量的负序分量和零序分量，使得系统效率远低于理论值，使得异步感应线圈发射器难以投入实用。

[1] 王莹,马富学.新概念武器原理[M].北京:兵器工业出版社,1997.

[2] 王莹,肖峰.电炮原理.北京:国防工业出版社,1995.

[3] 叶云岳等.直线电机技术手册.北京:机械工业出版社,2003.

[4] 任晋旗,李耀华,王珂.动态边端效应补偿的直线感应电机磁场定向控制.电工技术学报,Vol.22,No.12, Dec. 2007: 61-64.

[5] 王莹.高功率脉冲电源.北京:原子能出版社,1991.

[6] J. L. He, Z. Zabar, E. Levi and L. Birenbaum, “Transient Performance of Linear Induction Launchers Fed by Generations and by Capacitor Banks”, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 27, NO. 1, January 1991: 585-590.

[7] Seog-Whan Kim, Hyun-Kyo Jung, and Song-Yop Hahn, “An Optimal Design of Capacitor-Driven Coilgun”, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 30, No. 2. March 1994: 207-211.

[8] M. Liao, Z. Zabar, E. Levi, and L. Birenbaum.“Analysis of Generator-driven Linear Induction Launchers”, IEEE Transactions on Magnetics, Vol 33, No.1, January 1997: 184-189.