电容储能式重接型电磁发射的仿真探究

唐 杰 周文祥 王明星 张 珹

（西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031）

电磁发射是把电磁能转化为动能的一种特殊驱动形式，重接型电磁发射最早由美国的考恩等提出，以美国桑迪亚国立实验室为代表，已经能把150g重的板状弹丸加速到1km/s，将5kg的柱状弹丸加速到335m/s。相对于其他电磁发射技术，重接型电磁发射具有无接触、稳定性好、适于发射大质量载荷的优点，相对于传统的直线电机具有速度更快的优点。这项技术有望用于轨道交通系统。

目前，研究重接型电磁发射主要方向有：

(1)依据受力方程进行数值计算、运动仿真。

(2)依据电磁场理论对线圈及铝板周围电磁场进行有限元分析。这两种仿真方法快速简易，便于在Matlab中实现多级仿真，但都未考虑发射过程中电感梯度的动态性能，导致其对发射体的受力和运动过程分析存有不足。为此，本文采用Ansoft三维动态电磁场仿真，对电容储能式重接型电磁发射的动态过程进行了研究。

1 重接型电磁发射的动态过程分析

重接型电磁发射的本质是"磁力线的重接"[3]，重接型电磁发射体必须是实心非磁性的良导体。当在线圈中通有电流时会产生随电流变化的磁场，变化的磁场短时间内不会穿透铝板，而是在铝板表面感生出涡流。涡流产生的磁场抵抗原有磁场的变化使得铝板上下表面的磁场强度减弱。

如图1，A区域和C区域的磁场强度比B区域的磁场强度弱很多。正是在铝板表面感生的涡流与铝板后沿（B区域）的磁场相互作用产生电磁力推进铝板向前运动。涡流与铝板前沿（D区域）的磁场产生向后的电磁力，但是这个电磁力由于磁场强度非常小可忽略不计。可见重接型电磁发射的条件是铝板后沿与线圈后沿拉开一定的间隙，使得铝板后沿的磁场强度远大于铝板前沿。

2 重接型电磁发射的电路系统

图2为试验重接发射使用的脉冲电路。首先由单相交流电源经过调压器，调整电压的幅值，而后经过单相整流桥及限流电阻给电容充电，使电容电压达到一定幅值并保持恒定。当晶闸管开关开通后，电容向驱动线圈放电，这时续流二极管未开通，放电电路为二阶 串联电路（包括电容器、驱动线圈的电感和电阻），当电路工作在欠阻尼状态即：

驱动线圈中会产生衰减的正弦电流

进而产生强磁场。其中 为电容充电后的初始电压，为电路自由振荡角频率。

续流二极管开通时，电容电压刚刚过0还未达到负值时，电流通过续流二极管和驱动线圈续流，而且此时驱动线圈中的电流由于电感和电阻的存在开始缓慢减小，这样使得驱动线圈中的电流保持在一定幅值而且保护了电解电容。

电源为220V单相交流电，经变压器变压后电压峰值接近1kV，限流电阻为200，电容为电解电容，电容量为500，平均电感值为65，电感的电阻值为60，由

可得到二阶电路的振荡周期为1.13ms，那么电流达到峰值的时间大概在1/4周期（0.28ms）。电流的峰值为2500A，大约在6ms衰减到零。

3 重接型电磁发射的Ansoft动态模型仿真

Ansoft仿真的电路系统采用外接电路。电路与图2所示一致从图3可看到驱动线圈电流开始下降时，铝板上形成的涡流不会立即反向，铝板受轴向力方向并未立即发生改变，只是逐渐减小。当驱动线圈电流下降到一定程度，轴向力才反向，有向后拉铝板的趋势，但是这时铝板靠惯性完全可持续运动下去。产生这样的效应可归结于铝板可等效为电感，具有阻碍电流变化的作用。

驱动线圈电流上升到峰值后迅速下降，在2ms左右时下降到0A，这就使得驱动线圈中磁场存在时间太短，那么铝板所受的轴向力时间过于短暂，加速效果并不明显。

当放电电流的峰值波动微小时，放电电流的持续时间会更多地影响发射体受力的时间以及最终的出口速度。当电路减小50电阻时，仿真结果如下。

从图4可看到驱动线圈中电流峰值与减小电阻之前相比变化很小，但放电时间得到大大延长，电流在20ms时才衰减到500A。放电时间的增长使得铝板受轴向力的时间增长。这时所获得的出口速度为0.6m/s。速度与减小电阻之前相比提高了2倍。弊端是铝板所受的反向轴向力也会持续更久，使得减速效果也更为明显。

结语

本文采用Ansoft三维动态电磁场仿真，充分考虑了电感梯度的动态特性，对电容储能式重接型电磁发射的动态过程进行了研究，得出如下结论：

（1）电容储能式重接型发射的驱动线圈电流开始下降时，在铝板上形成的涡流不会立即反向，铝板受轴向力方向并未立即发生改变。当电流下降到一定程度时，铝板所受轴向力才开始反向。

（2）尽可能减小放电回路电阻，可显著提高铝板的发射速度。

[1]Cowan M，Cnare E C，Duggin B W，et al.The reconnection gun [J].IEEE Transacion on Magnetics， 1986， 22(6):1429-1434.

[2]M.Cowan， M.Widner， E.C.Cnare， et al.Explo-ratory Development of the Reconnection Launcher 1986-1990[J].IEEE Transaction on Magnetic，1991，27(1):563-567.

[3]王莹，肖峰编.电炮原理[M].北京:国防工业出版社，1995.

[4]赵纯.三级重接式电磁发射系统的仿真与实验研究[D].大连：大连理工大学博士学位论文，2006.

[5]赵纯，邹积岩，何俊佳，廖敏夫.三级重接式电磁发射系统的仿真与实验 [J].电工技术学报，2008，23(5):1-6.