载流电枢电磁线圈发射器运行特性分析

金洪波,曹延杰,王成学,王慧锦

(海军航空工程学院 五系,山东 烟台 264001)



载流电枢电磁线圈发射器运行特性分析

金洪波,曹延杰,王成学,王慧锦

(海军航空工程学院 五系,山东 烟台 264001)

摘要:电枢是电磁线圈发射器能量转换的关键部分,以此为研究对象,提出串联载流电枢发射器和并联载流电枢发射器的结构模型,通过分析2种载流电枢发射器的工作原理和结构特点,得到了系统微分方程,并利用MATLAB建立了载流电枢发射器的系统仿真模型,分析了发射器的运行特性。分析结果表明,载流电枢发射器发射过程无拖拽效应,串联载流电枢发射器适于载荷在20 m/s以下的加速段使用,适于选用低压的电容器电源;并联载流电枢发射器可用于载荷在50 m/s以上的加速段使用,适于选用高电压电容器。研究结果对电磁线圈发射器电枢结构设计具有一定的指导意义。

关键词:电磁线圈发射器;载流电枢;特性

电磁线圈发射器主要依靠电磁机构的能量转换作用,将脉冲功率源储能在短时迅速转换为发射载荷的动能,来实现改变发射载荷运动状态的目的。依据发射体运动方向和线圈轴线方向的异同分为同轴发射器和重接发射器[1]。电磁线圈发射器具有结构设计模块化、发射过程精确可控、能量转换效率高、易于实现平稳发射和共架发射等特点,可以用于小载荷的超高速发射和大质量载荷的低速发射,应用前景十分广阔[2-6]。

电枢是电磁线圈发射器能量转换过程的关键部分,文献[7～13]采用铝、铜等实体电枢来完成感应加速过程,这种实体结构感应电枢在多级超高速的加速过程中,为了获得较大的发射速度,需要驱动线圈产生较大的磁场和较大的磁通变化率,进而在电枢尾部产生较大的感应涡流和加速力,这样就会出现电枢尾部温升过高,应变过大,导致电枢结构变形而使结构功能失效;文献[12～13]采用闭合线圈电枢来克服实体电枢的不足;文献[14]通过线圈发射器中内置载流轨道与滑动电枢实时接触,来为电枢线圈提供电流,这种结构由于在驱动线圈内部增加了导轨和电枢,使得电枢的尺寸受到限制,削弱了互感线圈的耦合作用;文献[15]通过轨道发射器中内置滑动接触的电枢为驱动线圈和电枢线圈供电,这种结构发射器需要电刷连接轨道和线圈,而电刷的耐大电流能力和高压滑动电接触的可靠性,则成为影响发射器工作稳定性和发射能力的重要因素;文献[16]提出了电枢独立电源供电的舰载平台大载荷线圈发射器的发明专利。

本文提出了载流电枢发射器(current-carrying armature launcher,CCAL)结构模型,分析了串联载流电枢发射器(Series-connection current armature launcher,SCCAL)和并联载流电枢发射器(Parallel-connection current armature launcher,PCCAL)工作原理和结构特点,推导了发射器工作过程的控制微分方程,并利用Matlab建立了发射系统数值计算模型,对SCCAL和PCCAL运行特性进行了仿真分析和比较,得到了CCAL的运行特性规律,结论对电磁发射器电枢结构选择和方案设计具有一定的指导意义。

1载流电枢发射器系统建模

1.1耦合电路及工作原理

载流电枢发射器结构如图1所示。

图1　载流电枢发射器系统结构模型

当电枢线圈与驱动线圈采用串联结构来共同使用脉冲功率电容器组的电源时为SCCAL,当载流线圈电枢与驱动线圈采用并联结构来共同使用脉冲功率电容器组的电源时为PCCAL。载流电枢通过电缆与电源连接,在发射任务完成后,通过设置电枢脱离机构使其与发射载荷脱离,回到限位机构确定的初始位置,可重复使用。

载流电枢线圈要与各级驱动线圈电路连接,保证驱动电路逐级接通时,电流主要流向电枢,而不被前级电路分流,同时为了保护电容器组免受反向高压冲击造成的损毁,在电路中采取了限流和续流措施。

n级SCCAL和PCCAL耦合电路模型如图2和图3所示。图中,n为发射器级数和分立的电源电路数量;U01,U02,…,U0n为各级电容器电源的初始放电电压值;C1,C2,…,Cn为各级电容器的电容量;I1,I2,…,In为各级电路中通过驱动线圈的电流;R1,R2,…,Rn为各级驱动线圈的电阻值;L1,L2,…,Ln为各级驱动线圈的自感值;Mij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,n;Mii=Li)为各级驱动线圈间互感;Ia为电枢线圈电流;Ra为电枢线圈电阻;La为电枢线圈电感;Mia(i=1,2,…,n)为电枢线圈与驱动线圈间互感;Rb1,Rb2,…,Rbn为各级电源供电线路的电阻值;Lb1,Lb2,…,Lbn为各级电源供电线路的电感值。

图2　SCCAL电路模型

图3　PCCAL电路模型

SCCAL和PCCAL主要用于加速载荷,因此系统加速作用的工作原理为:多级分立的脉冲功率电容器组作为供电电源,电源与驱动线圈串联,电枢线圈和驱动线圈采取串联和并联的方式反向连接,使得电路中有电流通过时电枢线圈和驱动线圈的电流方向相反,当接通第一级发射器电源和驱动线圈组成的供电回路时,电枢线圈和依次接通的驱动线圈内有反向电流通过,在第一级驱动线圈内部产生叠加的脉冲强磁场,强磁场作用在载流电枢上,对电枢产生强磁推力,当依次顺序接通各级发射器电源电路,多级载流驱动线圈产生的叠加磁场持续推动载流电枢沿互感线圈轴线方向运动,进而增加电枢及其所携带载荷的动能,增加发射载荷的速度。

如图4所示为系统多场物理量的关系图。从模型建立的角度分析系统工作过程:首先由电容器组电源、线圈电感和电阻等形成的电路回路接通,电容器两极之间形成高电压差,电容、电阻和电感元件共享电压,电源储存的能量向电路释放,电流在回路中形成;电流流过线圈而产生热量,载流体的温度改变,载流体的电阻率和比热容等温度特性改变,同时载流线圈产生磁场,将电场能量转化为磁场能量,载流电枢在磁场的作用下产生磁力,在磁力的持续作用下电枢连同载荷一起运动;与此同时,电枢线圈不同的速度、位置影响电路的电阻和电感,载流体温度的变化影响电路的电阻,进而影响电路中电流的变化特性。

图4　多场物理量关系

1.2CCAL系统耦合方程

CCAL系统是电路、电磁场、温度场以及结构体运动特性的耦合系统,系统微分方程为

(1)

SCCAL电路方程中R和L矩阵分别为

(2)

(3)

SCCAL电路初值条件:

(4)

PCCAL电路方程中R和L矩阵分别为

(5)

(6)

PCCAL电路微分方程初值条件为

(7)

式中:

式(4)和式(7)中U0i(t)由下式确定:

(8)

温度初值条件:θ(0)=(θ1θ2…θnθa)T,其中,θ1,θ2,…,θn为驱动线圈温度,θa为电枢温度。

SCCAL和PCCAL是电路-电磁场-温度场-机械运动耦合系统,从方程组中可以看出,发射体的运行特性与n级耦合RLC电路参数(互感线圈结构、电源参数、电路的接通时序)、载流体温度特性参数和电枢的实时运动状态(位置和速度)密切相关。

1.3电感数值计算

电感联系着电路方程和磁力方程,是发射体运动特性分析的关键。电感的定义式为

(9)

式中:Φij为线圈i载流Ii时在线圈j产生的磁通,Bi为线圈i在线圈j处的磁感应强度矢量,Sj为线圈j所占的空间曲面。

上式中,当i=j时,Mij=Li,表示第i个线圈的自感;当i≠j时,Mij表示第i个线圈对第j个线圈的互感。由电感的定义可知恒定磁场能量可表示为

(10)

式中:线圈电流向量I=(I1I2…In),M为电感矩阵。

多个载流线圈构成的磁场系统中,磁场能量为

(11)

式中:A为矢量磁位,B为磁感应强度,H为磁场强度,满足B=×A。由矢量恒等式H·(×A)=·(A×H)+A·×H和高斯定理,得到:

(12)

(13)

联立式(10)和式(13),得到:

(14)

因此,通过求解场域内矢量磁位A的分布和储能,就可以得到载流线圈的电感值M。

1.4CCAL仿真建模

系统微分方程求解需要解决电路-电磁场-温度场-动力-运动学的耦合计算问题,电路微分方程中电阻矩阵包含温度、速度和位移等变量,这说明电路方程与温度方程、动力学方程是强耦合的,同时,电流微分方程组的个数与工作时接通的发射器级数相同,随着发射器工作级数的增加,微分方程的个数是逐渐增加的,因此无法对微分方程组进行直接联合求解,本文采用顺序求解的方法进行微分方程组解耦,系统微分方程求解过程如图5所示。

图5　系统微分方程求解过程

图中左侧方框表示系统仿真模型的输出参数。本文采用有限元法计算电感,依据铜电阻率和比热容的温度关系计算电阻[17]。依据上述仿真系统结构,利用MATLAB数值计算软件编写系统仿真程序并调试,建立了SCCAL和PCCAL系统仿真模型。

2CCAL运行特性分析

2.1模型基本参数

SCCAL和PCCAL是多级互感线圈耦合形成叠加强磁推力作用的系统,为了说明CCAL的运行特性,本文给定5级独立电源发射器,各级电源充电电压U0均为3kV,电容量C均为4mF;初始温度θ0为22 ℃,发射载荷质量16kg,发射体初速v0为0。

CCAL结构如图6所示。

图6　CCAL结构

SCCAL和PCCAL中发射器口径D0为120mm,导向桶壁厚r0为2mm,各级驱动线圈尺寸相同,其中径向高度a为80mm,轴向厚度r为20mm,线径d0为2.5mm,填充系数0.3,驱动线圈间距c为10mm。电枢线圈尺寸相同,其中径向高度Ac为80mm,轴向厚度为20mm,线径d0为2.5mm,填充系数0.3;电枢初始位置(电枢底端相对于驱动线圈底端)为40mm。

2.2CCAL基本运行特性仿真分析

给定结构的互感及互感梯度如图7所示。图中,p为相对位置。

图7　互感及互感梯度

供电电路接通时序对应电枢在发射器内运动的位移,给定电路接通时的电枢位置序列(电枢底端相对5级驱动线圈底端)均为40mm,计算得到5级发射器运行特性如图8～图12所示。

图8　电源输出电压曲线

图9　线圈电流随时间变化曲线

图8输出电压曲线中,SCCAL输出电压下降相对PCCAL缓慢,图9线圈电流曲线中,SCCAL驱动线圈电流的幅值相对较低,脉宽较宽,主要是因为SCCAL电枢与驱动线圈串联,使得电路总的电阻和电感相对增大,而PCCAL电枢与驱动线圈并联,使得电路总的电阻和电感相对减小,所以SCCAL电容器的放电时间相对较长,电容器的输出电压下降较缓,通过驱动线圈的电流脉宽较宽。

图10　温升随时间变化曲线

图11　加速度随时间变化曲线

图12　发射体速度和位移随时间变化曲线

图9中PCCAL电流的上升时间相对较短,图11中PCCAL中发射体加速度峰值较大,但脉宽相对较窄,因此可以看出,给定的PCCAL参数适宜载荷的高速发射,而SCCAL参数更适宜载荷的低速发射。

图9、图10中,SCCAL电枢载流时间长导致温升较高,PCCAL电枢的温升过程由于载流的间断输入而呈现阶梯状态增长。

SCCAL和PCCAL采取了限流和续流措施,因此图8中各级电源的输出电压为非负值,图9(a)SCCAL驱动线圈电路为非负值,这说明采取的限流和续流措施是有效的。

由图11和图12可以看出,SCCAL和PCCAL载流电枢在给定的电路激励条件下,没有出现“电枢捕获”效应,而拖拽效应是感应电枢所无法克服的,这也说明了载流电枢在运行中具有持续加速的显著特点。

2.3位置序列对出口速度的影响

在上述给定的发射器结构、电源及电路参数条件下,各级(n)电源电路的工作时序所对应的位置序列(电枢底端相对于各级驱动线圈底端的位置p及序号N如图13所示)与发射体出口速度vg的关系如图14所示。

图13　不同序号对应的相对位置序列

图14　给定位置序列下的发射体出口速度

由图14可以看出,SCCAL在加速过程中,为了获得较大的发射速度,位置序列逐级前移相对PCCAL较大。

2.4发射初速对出口速度的影响

分别给定发射载荷初始速度20m/s和50m/s,采用图13中1～5号线对应的电路接通位置序列,计算得到发射体经过5级发射器加速后的发射体出口速度vg如图15所示。

从图15可以看出,在发射体初速为20m/s和50m/s时,PCCAL发射出口速度高于SCCAL,PCCAL位置序列稍稍前移,而SCCAL在给定的位置序列条件下未达到较高的出口速度,这说明PCCAL适于在载荷的增速加速作用段(50m/s以上)使用,而SCCAL适于在载荷的初速加速段(20m/s以下)使用。

2.5充电电压对出口速度的影响

电源参数是影响运行速度的重要因素,在固定各级发射器电源储能为18kJ不变的情况下,不同电容器充电电压和一定的发射器工作时序对应的发射体出口速度如图16所示。

图16　不同电源初始电压对应的发射体出口速度

由图16可以看出,在给定各级电源总储能不变的情况下,SCCAL适于选用5～6kV低初始电压和3～5位置序列序号;PCCAL适于选用8～9kV高初始电压和5以上的位置序列序号。

3结论

本文提出了SCCAL和PCCAL结构模型,分析了SCCAL和PCCAL耦合电路和工作原理,推导了SCCAL和PCCAL电路-电磁场-温度-机械运动耦合系统微分方程,利用MATLAB编程语言建立了CCAL系统仿真模型,对CCAL运行特性进行了仿真分析,验证了仿真系统的正确性,并且得到了SCCAL和PCCAL在给定参数时的运行特性规律:

①载流电枢发射系统特性更加平稳,并且没有感应电枢加速载荷后段的减速拖拽效应;

②多级发射器中,各级电源电路的通电时序所对应的电枢位置序列关系中,SCCAL的位置序列前移幅度较PCCAL大;

③SCCAL适于载荷在20m/s以下的加速段使用,PCCAL适于载荷在50m/s以上的加速段使用;

④SCCAL适于使用低充电电压、大电容量的电容器作供电电源,PCCAL适于使用高充电电压、小电容量的电容器作供电电源。

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Running Characteristics Analysis of Electromagnetic Coil Launcher With Current-carrying Armature

JIN Hong-bo,CAO Yan-jie,WANG Cheng-xue,WANG Hui-jin

(5th Department,Naval Aeronautical and Astronautical University,Yantai 264001,China)

Abstract:The armature is the key part for energy exchange in electromagnetic coil launcher(EMCL).The structural model with series-current armature launcher(SCCAL)and parallel-current armature launcher(PCCAL)was proposed.System differential equation was deduced by analyzing the working principle and the structure character of two kinds of current-carrying armature launcher(CCAL).Systematical model of the CCAL was built with MATLAB,and the launching character was analyzed.The analysis shows that there is no pulling effect in launching process in CCAL.SCCAL is more suitable for accelerating payload with low-velocity less than 20 m/s by using low-voltage-capacitor power-supply.PCCAL can be used to accelerating payload with high velocity more over 50 m/s by using high-voltage-capacitor power-supply.The conclusion has great significance for guiding the structural design in EMCL.

Key words:electromagnetic coil launcher;current-carrying armature;characteristics

收稿日期:2015-10-08

基金项目:博士后科学基金项目(2014M560260)

作者简介:金洪波(1982- ),男,工程师,博士,研究方向为电磁发射技术。E-mail:ququququ5005@sina.com

中图分类号:TM11

文献标识码:A

文章编号:1004-499X(2016)02-0079-08