磁阻型电磁发射装置分析与建模

王泽民　王中华

摘要：以磁阻型电磁发射装置为研究对象，根据其电磁发射原理研究了发射电路的物理模型，进而建立了弹丸初速度与线圈匝数、线圈长度、弹丸长度、弹丸相对磁导率、电源电压及放电电流等参数之间的数学模型，通过对该数学模型的仿真分析，结合实际应用中的一些常见问题，分析了磁阻型电磁发射装置的主要参数设计原则及注意事项，为磁阻型电磁发射装置的优化设计提供了依据。

关键词：电磁发射；弹丸；电路模型；运动模型

中图分类号：TM154.2 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）23-0232-03

Abstract： According to the principle of electromagnetic launch， the physical model of the circuit of launching is studied based on the reluctance electromagnetic launcher. The mathematical model is established between the parameters of the turn ratio， the coil length， projectile length， relative permeability of projectile， the supply voltage， and the discharge current. Through the simulation and analysis of the mathematical model， the design principles and considerations is given combined with some common problems in application. The reference is provided for improvement designing the reluctance electromagnetic launcher.

Key words： electromagnetic launch； projectile； circuit model； motion model

1引言

电磁发射实现的方式各不相同，但是其原理都是利用电磁系统中电磁场产生的洛伦兹力来对金属炮弹进行加速的。电磁发射器从其类型上大致可以分为三类：导轨型、线圈型和重接型[1]，三种不同类型的发射器由于实现方式的不同各存在着其自身的优缺点。对于导轨型电磁发射技术的研究起步较早，各方面也比较完善，其发射速度可以很高，但是对电流的要求很大，而且对轨道腐蚀比较严重[2]；对于线圈型电磁发射器有着可以发射质量很大的物体以及效率很高等优点，但是对于其驱动线圈中电流时刻的控制非常复杂[3]；对于重接型电磁发射器有着无接触、无烧蚀的优点，但是其还处于理论研究初期[4]。本文选择了效率较高的磁阻型电磁发射装置作为研究对象，通过建模分析解析出最优的一组影响其发射速度的因素，对以后进一步的研究提供一定的理论依据。

2磁阻型电磁发射原理

磁阻电磁发射装置由一个驱动线圈和一个铁磁性弹丸以及附属部件构成。它是利用线圈的铁磁磁路的磁阻变化吸引铁芯运动来加速铁芯弹丸的。它与普通线圈炮的不同之处在于弹丸是一整块铁磁材料，被加速的不是弹丸线圈或管状弹丸[5]，其作用原理是磁阻最小原理。磁通总是趋向于经过磁阻最小的路径，铁磁性的弹丸具有比空气高得多的磁导率，因此弹丸放置在驱动线圈内部时，在弹丸与空气组成的磁路里，弹丸就会向磁阻最小的方向运动。也可以认为是驱动线圈中的电流与被磁化的铁磁性弹丸中的磁化电流之间的安培力，由于磁化电流与驱动线圈中的电流具有相同的方向，因此弹丸受到吸力而加速，磁阻型电磁发射原理图如图1所示。

3磁阻型电磁发射的模型分析

对于磁阻型电磁发射装置的分析分为两个方面：电路模型和运动模型分析。

3.1电路模型

由磁阻型电磁发射原理可知，要求电源能给驱动线圈提供励磁电流 [6，7]。由于电容器具有储能密度高、一体化封装、结构牢固、无噪声、无污染等一系列优点，所以一般选择电容器作为发射装置的供电电源，由此建立电路模型如图2所示。

弹丸的速度随着线圈匝数的增加而变大。但在实际中不得不考虑线圈时间常数引起的过渡过程，由于电感对突变电流有阻碍的作用，所以这就会引起系统中放电电流的变化，由于电感与线圈匝数成正比，匝数的增加将会增大电感从而增加了放电电流在整个系统中的时间，如果放电时间控制不准确则会产生倒吸作用从而减慢弹丸的速度，同样如果线圈匝数过少，线圈放电电流就会增大，由此带来一系列如线圈散热、损耗加大、大电流下开关器件的选择等问题。因此，在实际设计时应综合考试线圈匝数和放电电流等参数。

弹丸的相对磁导率越高，则弹丸的速度越快，因此在选择弹丸的时候应尽量选择质量较轻，而相对磁导率比较大的铁磁材料。

电源电压越大弹丸将获得越大的速度，但是在实际系统中过度增加电源电压将会产生较大的涡流，而涡流产生的电磁力将阻碍弹丸的向前运动，所以在提高弹丸速度的时候不能一味的增加电源电压，应当从整个系统各个因素考虑。

弹丸速度随着放电电流的增加而迅速变大，但是当弹丸达到线圈几何中心以后持续放电将会对弹丸产生一个倒吸作用，阻碍弹丸运动，因此在尽可能增大放电电流的同时必须严格控制放电电流的持续时间。

5结论

通过对磁阻型电磁发射原理的研究分析建立了发射电路的物理模型和运动模型，推导了弹丸速度的计算公式。通过仿真给出了弹丸初速度与线圈匝数、线圈长度、弹丸长度、弹丸相对磁导率、电源电压及放电电流等参数之间的关系曲线，结合实际中常见的问题，分析了磁阻型电磁发射装置主要参数的设计原则及注意事项，为磁阻型电磁发射装置的优化设计提供了依据。

参考文献：

[1]潘娜，申泽军.电磁轨道炮的电路建模及参数特性分析[J].黑龙江电力，2013（2）.

[2]王群，耿云玲.电磁炮及其特点和军事应用前景[J].国防科技，2011（2）.

[3]孙韩，白秀军.电磁炮物理模型构建与系统实现[J].智能计算机与应用，2015（4）.

[4]刘恋，于克训.三种实际因素对电磁轨道炮性能的影响[J].科技创新与应用，2013（35）.

[5]王明东，王天祥. 新概念武器的现状与发展趋势[J].四川兵工学报，2014（6）.

[6]李军，严萍，袁伟群.电磁轨道炮发射技术的发展与现状[J].高电压技术，2014（4）.

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[8]向红军，赵科义.多级电磁感应线圈炮的级间耦合特性[J].高电压技术，2012（5）.

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