单级直流电机在电磁弹射器的应用原理

王智圣

(济南市新技术研究所，山东济南 250000）

单级直流电机在电磁弹射器的应用原理

王智圣

(济南市新技术研究所，山东济南 250000）

提出将单级直流电机展成直线电机应用于电磁弹射器(EMALS），给出构成方案，初步探讨设计参数的计算方法。与现有的EMALS进行了比较，证明本文方案效率高而温升低。

单级直流电机;直线电机;电磁弹射器

0 引言

现在已投入试验或正在研制的电磁弹射器(EMALS）有直线感应电机和永磁直线同步电机2种类型［1］。美军在20世纪40年代已经试验了用直线感应电机弹射飞机，1978年后年又重新对EMALS进行开发，至2005年已开始在航母上试用。目前，EMALS的设计重点在于直线同步电机［2］。

直线同步、感应电机都是由相应的旋转电机展开而成，二者的共同点是:都有用以产生移动磁场的定子线圈。而图1所示单级直流电机［3］与此原理完全不同，具有如下特点:一是无需定子线圈用以产生移动磁场;二是转子电流的方向始终不变;三是气隙磁场在整个转子圆周上是同极性的;四是在转子电流的回路中仅有一条直线边位于气隙磁场中，其余部分都在气隙磁场外。这种电机具有结构简单、维护容易、效率较高的优点。若将这种旋转电机展成直线电机应用于EMALS，其优点应能继续保持。

本文据上述设想提出构成方案，初步探讨主要设计参数的计算方法，并与现有的EMALS进行比较。

图1 单级直流电机Fig.1 Homopolarmachine

1 构成方案

1.1 结构原理

图2是构成方案原理图。图2(a）是其主视图:含定子与动子两大部分。其中定子由图1之转子展开而成，但在本方案中固定不动。定子1由基座及一些相互独立的定子回路组成，这些回路沿z向(见图2(b））相互平行，由定子的始点沿x向依次排列至终点，各回路间、以及回路与基座间用绝缘层相互隔绝。而动子由永磁体、磁轭及磁屏蔽 (图中未示出）等附件构成，永磁体产生平行于y向的气隙磁场Bg，当定子回路中导通电流时，可使动子平行于x向作直线运动。

1.2 磁路与电路

如图2(b）和图2(a）所示，在定子、动子中形成磁路与电路。

磁路由钕铁硼材料制成的多块永磁体、气隙、载流体、基座及磁轭形成。永磁体可分为nm组，每组中含2块极性互为反向的磁体，这2块相对于磁轭的中心线对称安装，从而形成左右2个气隙，2个气隙磁场方向相反。这nm组永磁体之间都相互隔开，且都以软磁材料制成的磁轭为磁力线通道，因此形成nm个并列磁路。

载流体和基座采用高磁导率、高饱和磁感应强度且低电阻率的软磁材料 (如铁钴钒软磁合金1J22）制成;而导流体由铜制成。由于铜的磁导率很低，因此磁力线穿过气隙后经载流体透过绝缘层2直接进入基座1而不被导流体分流。

电路即定子迴路，每个迴路含左右2个子回路，每个子回路都由引流体 (铜制）、导流体、载流体和外电路 (铜导体）组成。流经载流体9的电流I平行于z向，但I在左、右子回路中的流向相反。另外，左右子回路并非相对于磁轭的中心线对称布置，而是或左偏置、或右偏置，并且左偏定子回路与右偏定子回路相邻排列(见图2(c）），如此使得磁力线流经基座时有足够宽的通道。

由于导流体、载流体采用不同材料制成，二者连接处若接触不良会损耗大量电能，甚至会发热烧蚀。二者间须采用焊接法连接，例如可采用扩散焊或闪光对焊技术［4］，回路中其他部位的连接，如引流体与导流体，皆可采用上述技术。

永磁体6之极性相对于流经子回路的电流I是不变的。

电流I与磁力线在载流体中交汇，Bg垂直于I，从而使得每个被Bg覆盖的载流体都受到电磁作用力f。虽然左、右气隙磁场方向相反，但左、右子回路中的电流方向亦相反，因此左、右力f方向相同。如图2(a），Bg覆盖着n个载流体，而且这些回路中的电流值都相等，则所生合力F=2nf的反作用力作用于动子，由于定子1固定不动，因此动子将被驱动前进。

图2 结构原理Fig.2 Stucture principle

若在由起点至终点的所有定子回路中同时通以直流电流，则动子将受到连续力的驱动由始点加速前进至终点。但这种同时通电的方式耗能很大，因为在未被Bg覆盖的定子回路中电能都消耗于电阻。因此应仅对Bg运动所至区域的各定子回路通以定流向的脉冲电流，而其他未被Bg覆盖的定子回路予以断电。为此须设置位置传感器判定动子的瞬时位置，以控制回路的馈电。这与永磁直线同步电机的定子绕组激励方式相似，但应强调的是，这二者有本质的不同:永磁直线同步电机的激励方式是为了形成移动磁场以驱动定子，但本文所述馈电方式是为了节能而非形成移动磁场。

1.3 磁屏蔽

另外，如图2(b）所示，定子基座1中的磁场作用于引流体中的电流也会产生力f'，该力f'与力f方向相反，削弱了对动子的驱动作用。为此在引流体外加装用软磁材料制成的磁屏蔽，使永磁体发出的磁力线在定子基座内绕行于铜制引流体(见图2(c）），从而使得基座中的磁场与引流体隔绝。此外，在永磁体和磁轭外也加装用软磁材料制成的磁屏蔽 (图中未示出），目的是为了避免外界磁场干扰主磁路，或引起永磁体退磁。

1.4 等效电路图

图3为定子回路之子回路的等效电路图，各子迴路都并联在同一充电总线上。每个子迴路的外电路中都有独立的电源和开关装置，用以在适当时刻提供定流向的脉冲电流－最理想是方波脉冲电流。电源可参考电磁发射器 (电炮）中的各种适用电源，例如可采用“锂金属硫化物蓄电池－双电层电容器联合电源”［5］。另外，由图2(b）可知，由于磁力线都集中在基座中通过，因此外电路位于磁场之外。

图3 等效电路Fig.3 Equivalent circuit

综上可知，图2所示方案具备引言中所提关于单级直流电机的4个特点。

2 比较与分析

目前，美国海军的直线同步电机EMALS之设计效率为70%［2］。至于直线感应电机EMALS，由于其动子须用铝、铜等非铁磁性材料制成，使其气隙及漏磁通都较大，因此效率要低于前者。而本文所提基于单级直流电机原理的EMALS，理论上其电机效率可超过80%，系统效率可超过75%，而且若采用性能更好的钕铁硼材料以提高磁感强度，并设法增大永磁体的体积，且减小磁轭的质量，则效率还可进一步提高。

本文方案之EMALS无须使用紧密缠绕且用环氧树脂浇铸密封的定子线圈，而是采用大截面积的单根导体构成定子回路，使其具有如下优点:

1）由于大截面积的导体电阻小而热容量大，因此与线圈相比，在通以相同脉冲长度及相同幅值的电流时，前者温升较小。在本文实例中，单个子回路的温升最大值仅为0.366℃。

2）大截面积的导体表面积大，而且这些导体构成的定子回路都排列在同一平面内，导体间无缠绕和叠压，也无须密封，因此散热条件良好。

3）大截面积的导体有较高的强度和刚性，因此有较强的抗冲击能力，使得整个定子系统紧凑且具良好力学特性。

由于本文方案EMALS的特有结构，使得可能生成的3种涡流中，前2种或是可以设法消除，或是很微弱，而第3种涡流发生于基座中，但基座由厚重的金属构成，因此由此产生的温升亦很微弱，且散热条件良好。

本方案EMALS的定子迴路由单根导体构成，因此很容易实现模块化制造与装配。动子仅由永磁体、磁轭、磁屏蔽、滚轮等少数元件构成，结构非常简捷。因此使得整体构成简单紧凑，易于制造、装配、调试与维护。

3 结语

综上所述，EMALS方案具有效率高、温升低、散热容易、结构简单、维护方便等特点，因此在未来的EMALS设计与研制中，将会发挥很大作用。

［1］王福金，姚智慧.舰载机的电磁弹射器设计探讨［J］.电子工业专用设备，2009(9）:59－64.

［2］吴始栋.电磁弹射器(EMALS）及其材料［J］.中外船舶科技，2010(3）:23－29.

［3］许实章.电机学(上册）［M］.北京:机械工业出版社，1984.

［4］吴涛，田鹏.铜与钢的异种材料扩散焊接技术［J］.黑龙江冶金，2007(4）:30－32.

［5］王莹，肖峰.电炮原理［M］.北京:国防工业版社，1995.

［6］空气阻力公式的推导与证明(EB/OL）.http://zangxf1962.bokee.com/viewdiary.222826446.htm l.2010 － 5－1.

［7］北京盈科宏业科技有限责任公司.钕铁硼磁铁介绍及性能 表 ［EB/OL］.http://www.sina.com.cn/s/blog 721c407e0100ry97.htm l，2011 －07 －01.

［8］李文尧，武中华.瞬变电磁法矩形线圈自感的精确表达式［J］.地质与勘探，2010，46(1）:160 －164.

［9］林其壬，赵佑民.磁路设计原理［M］.北京:机械工业出版社，1985.

［10］渔翁.航空母舰用的高技术弹射系统－直线感应电机将代替蒸汽弹射器［J］.舰船科学技术，2005，27(1）.

The homopolar machine princip le applied in electromagnetic aircraft launch system

WANG Zhi-sheng
(Jinan Institute of New Technology，Jinan 250000，China）

The paper put forward the homopolar machine may be unfolded into linear motor and applied in the electromagnetic aircraft launch system(EMALS），gave a structure scheme，discussed the calculation of design parameters，and with the existing EMALSwere compared.

homopolarmachine;linearmotor;electromagnetic aircraft launch system

TM359.2，TM359.4

A

1672－7649(2014）09－0150－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.09.032

2012－12－24;

2014－07－28

王智圣(1947－），男，高级工程师，主要从事机电一体化产品设计与研发。