三种同轴感应线圈发射器的加速特性研究

赵科义 张千帆 李治源 程树康

（1.军械工程学院弹药工程系，石家庄 050003；2.哈尔滨工业大学电磁与电磁技术研究所，哈尔滨 150080）

1 引言

同轴感应型线圈发射器是感应线圈发射器中的一种，其突出的特点在于驱动线圈和电枢同轴[1]。同轴感应性线圈发射器主要包括同步感应型同轴线圈发射器[2-3]和异步感应型同轴线圈发射器[4-5]。不论是同步感应型同轴线圈发射器，还是异步感应型同轴线圈发射器，如何提高其发射效率是研究者努力追寻的重要目标[6-9]。文献[10]利用Matlab对同轴同步感应线圈发射器的性能进行了仿真研究。为了获得的更高的发射效率，本文对三种不同结构的同轴感应型线圈发射器的加速特性进行研究。

2 三种不同结构同轴感应型线圈发射器的结构及特点

2.1 三种不同结构的同轴感应线圈发射器的结构模型

根据驱动线圈和电枢之间的位置关系可将同轴感应型线圈发射器分为三类：即外驱动型、内驱动型和内-外驱动型。这三种不同结构的同轴感应型线圈发射器的结构模型见图1。其中，图1（a）表示外驱动型同轴感应线圈发射器的结构模型，图1（b）表示内驱动型同轴感应线圈发射器的结构模型，图1（c）表示内-外驱动型同轴感应线圈发射器的结构模型。

图1 三种不同结构的同轴感应线圈发射器

2.2 三种不同结构同轴感应线圈发射器的特点及分析

对于外驱动型同轴感应线圈发射器而言，被加速的电枢在驱动线圈内且沿驱动线圈的轴线方向运动，因此被加速有效载荷的几何形状受驱动线圈的限制。对于内驱动型同轴感应线圈发射器而言，被加速的电枢在驱动线圈的外部运动，因此被加速的有效载荷的几何形状可不受驱动线圈的限制。对于内-外驱动型同轴感应线圈发射器而言，电枢的几何形状受内、外驱动线圈的限制，因此电枢及被加速的有效载荷只能呈圆筒状。

3 三种不同结构同轴感应线圈发射器的加速特性研究

3.1 基本假定

为了便于比较和分析上述三种结构形式的同轴感应线圈发射器的加速特性，首先假定以下几个方面：①这三种结构形式的同轴感应线圈发射器工作时，均由同一组储能电容器驱动，且储能电容器的初始工作电压相同；②这三种结构形式的同轴感应线圈发射器工作时所采用的电枢材料（铝）及相关结构参数完全相同；③这三种结构形式的同轴感应线圈发射器中，驱动线圈的轴向长度相同，对于外驱动型和内驱动型同轴感应发射器中的驱动线圈的径向厚度相同，而内-外驱动型结构中，内驱动线圈和外驱动线圈的径向厚度之和等于外驱动或内驱动时驱动线圈的径向厚度；④这三种结构形式的同轴感应线圈发射器工作时，电枢末端的初始位置均处于Z=5的平面上，且初始速度为零。

3.2 相关参数

这三种结构形式的同轴感应线圈发射器的相关参数见表1。

表1 三种结构同轴感应线圈发射器的相关参数

3.3 加速特性研究及分析

采用有限元分析方法对上述三种结构形式的同轴感应线圈发射器的加速特性进行研究。考虑到同轴感应线圈发射器满足轴对称条件，所以研究过程采用了2维RZ平面模型，驱动线圈的中心处在Z=0的平面上，Z轴与驱动线圈的轴线重合。研究过程中，储能电容器的容量为1000μF，初始工作电压为5kV。

（1）磁场及涡流场的分布

同轴感应线圈发射器工作时是通过驱动线圈产生的脉冲强磁场与电枢内感应涡流的相互作用而加速电枢，因此研究其内部磁场及涡流场的分布对于弄清其加速特性具有很重要的意义。

内驱动型、外驱动型和内-外驱动型同轴感应线圈发射器分别约在 t=0.00012s、t=0.00033s和t=0.00021s时，驱动电流达到其峰值，对应的峰值电流分别约为 19.86kA、9.176kA和 15.371kA。峰值电流作用时刻，这三种结构同轴感应线圈发射器内的磁场分布见图 2。其中图 2（a）、（b）和（c）分别给出了内驱动型、外驱动型和内-外驱动型同轴感应线圈发射器内的磁场分布。峰值电流作用时刻，对应的电枢所受的加速力分别约为 14.2kN、76kN和90.5kN。

图2 三种不同结构同轴感应线圈发射器内的磁场分布

从图2（a）中可以看出：峰值电流作用时刻，内驱动型同轴感应线圈发射器驱动线圈内部的磁场非常强，其磁场强度约 30T，而驱动线圈与电枢之间的间隙磁场很小，约在7-8T。从图2（b）中可以看出：峰值电流作用时刻，外驱动型同轴感应线圈发射器中驱动线圈与电枢之间的间隙磁场较强，可达 12-13T。 从图 2（c）中可以看出：内、外驱动线圈产生的磁场在电枢尾部实现了重接，并且在峰值电流作用时刻电枢外表面与外驱动线圈内表面之间间隙磁场也较强，可达12T。此外，由图2（c）中的磁场分布可知，内-外驱动线圈中流过的驱动电流的方向是相同的，即内-外驱动线圈中驱动电流的方向均垂直纸面向内。由于内驱动型同轴感应线圈发射器中驱动线圈和电枢之间的间隙磁场最小，所以这在一定程度上意味着其加速特性最差。

内-外驱动时，欲使内、外线圈产生的磁场重接，则内、外驱动线圈之间需采用反向串接结构。如果内驱动线圈的自感为 L1，外驱动线圈的自感为 L2，且内、外驱动线圈之间的互感为M12，则内、外驱动线圈反向串接之后，驱动线圈的总电感L=L1+L2-2M12。显然，驱动线圈的总电感小于内、外驱动线圈的电感之和。

此外，研究表明：对于内-外驱动型同轴感应线圈发射器而言，当内、外驱动线圈中的驱动电流的方向相反时，尽管在一定程度上可增强内、外驱动线圈之间的磁场，但是内、外驱动线圈产生磁场不能实现重接。因此，当采用这种驱动或激励方式时，并不能获得较好的加速性能。

图3给出了峰值电流作用时刻，电枢内感应涡流的云图分布。其中，图3（a）表示外驱动型同轴感应线圈发射器工作时电枢内的涡流分布，而图 3（b）表示内-外驱动的同轴感应线圈发射器工作时电枢内的涡流分布。比较发现：内-外驱动时，电枢内的涡流不仅分布在电枢的尾部和外表面外，而且还分布在电枢的内表面；而外驱动时，电枢内的涡流主要集中在电枢的尾部和外表面。由此可见，内-外驱动时，电枢的受力相对更为均匀。

图3 电枢内的涡流分布

（2）加速特性分析

同轴感应线圈发射器的加速特性主要体现在电枢的运动特性上，即在发射工作中，电枢的受力情况、运动的位移和速度等。图4～6分别给出了加速过程中电枢受力、位移和速度曲线。

图4 加速力特性曲线

从图4中可以看出，内驱动型同轴感应线圈发射器发射过程中电枢所受的加速力远小于外驱动型和内-外驱动型同轴感应线圈发射器中电枢受到的加速力。内-外驱动型同轴感应线圈发射器工作过程中，电枢受到的峰值加速力最大（91.156kN），但加速力的作用时间较短（0＜t＜0.54ms）。外驱动型同轴感应线圈发射工作过程中，不仅电枢受到的峰值加速力较大（76kN），而且加速力作用的时间较长（0＜t＜0.75ms）。内驱动型同轴感应线圈发射器工作时，电枢受到的峰值加速力最小（＜20kN）。

加速力对时间的积分反映了同轴感应线圈发射器对电枢加速贡献的大小。如果加速力对时间的积分用G(F)表示，则

G(F)越大，即加速力与时间轴之间所包围的面积越大，则加速特性越好。

从图5中可以看出，在上述给定条件下，内驱动时电枢运动的位移非常小。驱动电流峰值作用时刻（t=0.00012s），电枢运动的位移仅约0.15mm；电枢速度最大时刻（t=0.00075s），电枢运动位移仅6.95mm，电枢末端未脱离驱动线圈；t=0.00159s时，电枢末端脱离驱动线圈，即电枢运动位移大于17mm。

图5 电枢运动位移曲线

此外，在加速过程中，内-外驱动时电枢运动的位移比外驱动时电枢运动的位移稍快。外驱动型和内-外驱动型结构中，驱动电流达到其峰值时间分别约为 t=0.00033s和 t=0.00021s，相应的电枢运动的位移分别约为5.75mm和4.17mm。这即意味着驱动电流达到其峰值时，电枢尾部没有脱离驱动线圈。电枢的运动位移最终为150mm，即动态仿真过程中所设定的运动极限位置。

从图6中可以看出，在上述给定条件下，内驱动时电枢获得的发射速度很小，最大发射速度仅约12.33m/s；外驱动时，电枢可获得最大的发射速度，最大发射速度约为110m/s；内-外驱动时，电枢也可获得较高的发射速度，且最大发射速度约为103.4m/s。内-外驱动的同轴感应线圈发射器与外驱动的同轴感应线圈发射器相比，加速的初始阶段电枢速度增加的更快。

图6 电枢运动速度曲线

4 结论

在上述三种结构的同轴感应线圈发射器中，内驱动型同轴感应线圈发射器的加速特性最差。加速特性最差原因在于驱动线圈内的磁场要远大于驱动线圈外的磁场。但是内驱动型同轴线圈发射器所发射的电枢及载荷不受驱动线圈结构的限制，因而可利用这种结构来研制发射大质量的电磁弹射装置。外驱动型同轴感应线圈发射器具有较好的加速特性，但是其电枢及载荷的形状受驱动线圈的限制，适合将小质量的载荷加速到高速。内-外驱动型同轴感应线圈发射器，特别磁场重接式的内-外同轴感应线圈发射器也具有较好的加速特性，且其加速过程中电枢的受力更为均匀，但是其结构复杂，被加速的载荷受驱动线圈结构限制。

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