弧形轨道结构下电流分布特性的仿真研究

王盟，赵莹，袁伟群，严萍

(1．中国科学院大学，北京100049;2．中国科学院电工研究所，北京100190; 3．中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室，北京100190)

弧形轨道结构下电流分布特性的仿真研究

王盟1，2，3，赵莹2，3，袁伟群2，3，严萍2，3

(1．中国科学院大学，北京100049;2．中国科学院电工研究所，北京100190; 3．中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室，北京100190)

解决轨道烧蚀问题是电磁轨道发射技术走向实际应用的关键点之一，轨道和电枢中电流的分布均匀性是造成烧蚀的主要原因之一。本文试图通过增大轨道和电枢的接触面积以达到改善接触电流分布的目的，于是提出弧形轨道结构。在不考虑速度趋肤效应的条件下，利用有限元分析软件掌握了电流密度分布规律。结果表明:一弧和多弧轨道结构可以有效地改变轨道和电枢接触面上的电流密度分布，实际发射过程中加以利用可以更好地控制电流密度的分布，有效减少电枢尾部的烧蚀。

轨道发射器;弧形轨道;电流密度分布;有限元法;数值模拟

1 引言

电磁发射技术大体可以分为轨道发射技术、线圈发射技术和重接式发射技术［1-3］。其中电磁轨道发射的研究包含了电源技术［4，5］、开关技术、材料技术等众多技术领域，每一项技术的研究突破都对轨道发射技术产生重要的影响，因此，加强各项技术的研究对于促进轨道发射技术的发展有着十分重要的意义。轨道烧蚀问题严重制约了发射器的使用寿命，轨道烧蚀会引起轨道材料的剥落和摩擦阻力的增大，降低了轨道的发射效率和使用寿命［6］。

当固体电枢在轨道上运动时，由于轨道和电枢接触面的温升，电枢与轨道的接触会变为弧接触，温升会使金属熔融，相应的电阻率会增大，进一步加大了焦耳热的产生，接下来接触表面金属汽化蒸发到轨道上，在电枢和轨道间产生间隙，最终导致起弧和烧蚀。引起电枢接触面温升的主要原因是脉冲大电流的欧姆加热和摩擦生热。另外，由于发射过程极为短暂，只要几毫秒，所以相应的热传导和热辐射可以忽略不计，可以看作绝热过程。由于系统局部电流的过大，产生大量热量，引起轨道和电枢局部温度升高超过了材料的熔点，带来接触面温升的不均匀性，进而发生烧蚀现象。考虑到速度趋肤效应的影响，在发射的过程中，电流会聚集在电枢的尾部，引起烧蚀，本文研究弧形轨道和电枢结构对电流密度分布影响的规律，达到有效改善电流分布的不均匀性和减少烧蚀现象发生的目的［7-12］。

由于轨道发射器发射过程中脉冲电流幅值高，而且持续时间短，是一个复杂的电磁瞬态过程。所以在有限元分析中，使用时谐分析取代瞬态分析，这样在加载电流频率足够高时，可以很好地模拟瞬态情况下的电流趋肤效应［13］。

本文利用Ansoft Maxwell仿真软件中三维涡流场求解器，探究电枢在初始静止状态下，弧形轨道和U形电枢所形成导体回路中轨道和电枢接触面上的电流分布，探究在施加相同电流幅值时，弧形接触面在增大轨道和电枢之间的接触面积的情况下，是否可以改善接触面上电流密度分布的效果，达到减少导体回路局部欧姆热熔和局部放电烧蚀的目的，并求解了电枢受力。

2 仿真模型

模拟用轨道炮轨道截面模型如图1所示，本文针对几种不同的轨道-电枢结构模型进行仿真研究。为了降低欧姆损耗，轨道材料采用高电导率的铜，电枢材料为铝，轨道截面尺寸为15mm×40mm，在此基础上进行轨道凸凹弧的设计，可以不同程度地增加轨道和电枢的接触面积，轨道长1000mm，轨道间距30mm，口径30mm×30mm。

弧形的设计如图1所示，弧形半径为R，弦长为s，弦与弧形之间的距离为弧高d，可以通过改变弧高d和弦长s来调整弧形的形状，定义弧度向上凸出，d为正;弧度向下凹陷，d为负。

图1 仿真用轨道模型的六种轨道截面Fig．1Simulation model of six cross-sections of rail

电枢采用U形结构，加载频率为10kHz、幅值为300kA的交流电流源。

3 仿真结果及讨论

3.1 不同轨道截面对电流密度分布的影响

采用图1中六种截面的轨道，弧高d取±3mm，弦长s分别取10mm、15mm和30mm，对应的圆弧数目n为3、2、1。在加载300kA交流电流后，电流密度分布如图2所示。

由图2可以看出，在凸起圆弧型轨道中，随着弧形数目的增加，相应的最大电流密度有增大的趋势。由于导体内等电位分布，电流选择最短路径形成了电流集中在电枢的尾部和电枢边缘，电枢尾部的电流密度分布要大于电枢的中前部。由于采用弧形轨道，在电枢中后部形成一块明显的电流密度上升区。在凹圆弧型轨道中，同样是随着弧形数目的增加，相应的最大电流密度有增大的趋势，由于导体内等电位分布原则，在电枢尾部的边缘处有着最大的电流密度分布。

3.2 弧高对接触面电流密度分布的影响

以凸起和凹陷一圆弧轨道为例，不同弧高时其接触面电流密度分布如图3所示。很明显可以看出凸弧形中随着d的增加，会在电枢的中后部形成明显的电流密度上升区，相应地会造成电枢尾部边缘部分电流密度的下降;当d=3mm，最大电流密度低于一般型结构的最大电流密度。凹弧形电流密度分布比凸弧形有着更高的最大电流密度，相应地电流集中在电枢尾部，在d=2mm时有最大电流密度。

图2 不同轨道截面枢轨接触面电流密度图Fig．2Electric current density distribution on interface of rail and armature for different rails

图3 弧高对接触面上电流分布的影响Fig．3Influence of arc height on current distribution

3.3 弧高对电枢受力的影响

电流的分布必然会对电枢的受力F产生一定的影响，图4给出了凸起一圆弧和凹陷一圆弧轨道中，随弧高改变相应的电枢受力的趋势图。

图4 弧高对电枢受力的影响Fig．4Influence of arc height on armature force

在凸起的圆弧轨道中，随着弧高的增加，相应的电枢受力有减小的趋势，这与电流密度随着弧高的增加在电枢中后部出现聚集，且电枢中后部的磁场强度没有电枢尾部的磁场强度大有很大的关系。在凹陷圆弧轨道中，电流密度在电枢尾部边沿聚集，随着弧高的增加，最大电流密度相应增加，电枢尾部的磁场同样变大，相应的电枢受力逐渐增加。可以看出电枢的受力受接触表面电流密度分布的影响很大。

4 结论

本文研究六种弧形轨道结构，搭配U形电枢，通过3D涡流场求解器建立模型。在不考虑速度趋肤效应的条件下，对于不同凸弧形轨道，随着弧形数目的增加，最大电流密度有增大的趋势，且都会在电枢的中尾部有着相应电流密度增加的聚集区;凹弧形轨道随着弧形数目的增加在电枢尾部的边沿处出现电流密度升高的现象，且最大电流密度要大于凸弧形结构。

调整弧形轨道的弧高，凸弧形结构在电枢的中后部有电流的明显聚集情况，随着弧高的增加会出现局部的电流密度增加的现象，同时最大电流密度有减小的规律。凹弧形结构同样会有枢轨接触面上电流密度随着弧高增加而加大的趋势，且主要集中在电枢尾部，同时大于相同弧高的凸弧形结构。

电枢受力与轨道和电枢接触面上的电流分布有很大关系。对于凸弧形结构，随着在电枢中后部出现局部区域的电流聚集，相应的电枢受力会减少;对于凹弧形结构，由于电流密度主要在电枢尾部边沿聚集，凹弧形结构中电枢的受力要大于凸弧形结构的电枢受力。

本文提出的轨道结构，凸弧形结构可以实现枢轨接触面上更为均匀的电流密度分布，可以有效改善轨道和电枢接触面上电流密度的分布，有益于抑制轨道烧蚀、延长轨道使用寿命。凹弧形结构可以获得更大的电枢驱动力，在同样的加速时间内电枢可以获得更高的出口速度。多圆弧型相比一圆弧型轨道结构性能上并无突出的优势，且结构相对复杂，一圆弧型轨道结构更为实用。

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Simulation study on current distribution characteristics of arc rail structure

WANG Meng1，2，3，ZHAO Ying2，3，YUAN Wei-qun2，3，YAN Ping2，3
(1．University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China; 2．Institute of Electrical Engineering，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China; 3．Key Laboratory of Power Electronics and Electric Drive，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China)

To solve the problem of rail ablation is one of the key points in electromagnetic rail technology for its practical application．Rails and armature current distribution is one of the main factors of ablation．This paper attempts to increase the contact area between the rail and the armature to achieve the purpose of improving the current distribution，and puts forward to a curved rail structure．Without considering velocity skin effect，this paper studies the current density distribution by using the finite element method．The results showed that，a multi-arc and arc rail structure can effectively change the current density distribution on the contact surface between armature and rails，and in the actual launching process it can be used to reduce the erosion of armature rail effectively．

railgun;curved rail;current density distribution;finite element method;numerical simulation

TJ04

A

1003-3076(2015)08-0051-05

2014-12-03

国家自然科学基金重点项目(51237007)、国家自然科学基金青年基金资助项目(51207153)

王盟(1988-)，男，河南籍，硕士研究生，主要从事脉冲功率技术研究;赵莹(1979-)，女，北京籍，副研究员，主要从事脉冲功率技术研究。