三磁钢磁电机发电及其过载脉宽影响分析

尹艳超， 郝永平， 刘双杰， 梁东升

(沈阳理工大学 CAD/CAM技术研究与开发中心， 沈阳 110159)

三磁钢磁电机发电及其过载脉宽影响分析

尹艳超， 郝永平， 刘双杰， 梁东升

(沈阳理工大学 CAD/CAM技术研究与开发中心， 沈阳 110159)

根据现代智能微型火工品对电源的需求，设计了三磁钢单绕组磁电动机结构。针对模型进行Ansoft仿真计算，并通过冲击试验台实验，对比冲击实验与仿真计算结果：三磁钢磁后坐电机在过载973g时，正向峰值电压误差小于7.8%，在工程误差许可范围内；在过载961g、脉宽1.35 ms时，钽电容器充电稳定，电容电压为2.28 V，其储存能量为57 μJ；过载约2 135g时，三磁钢较单磁钢、双磁钢的绕组电压都大；过载约535g时，脉冲宽度由1.10 ms增加到2.01 ms，绕组电压增加了83.18%。

磁电机； 冲击实验； 仿真计算； 过载脉宽

自发电式发火机构是利用碰击目标时的物理效应发电，从而起爆电火工品[1]。磁电效应对应的磁电发火机构在后坐力的作用下，利用后坐力驱动磁芯做直线运动，使闭合的磁通发生变化，在线圈上产生感应电动势，产生的电压为脉冲电压[2]。

磁后坐电动机输出电能快、结构简单且便于密封，但不能连续长时间供电[3]。本文对磁后坐发电装置进行结构探索，使其与储能电路结合使用后，可以为微小型的火工品提供激发能量或微功耗电子时间引信及近炸引信使用。由于磁后坐发电装置模型结构的设计涉及动力学、电磁学以及电路计算，本文采用计算机进行瞬态磁场分析计算，提高了原始解析分析法对磁钢变加速运动和非匀强磁场变化下的精度，并能够分析出全部工作过程信息，缩短了设计时间。

1 磁电机原理

电磁式振动电源具有小体积、高感测频率、工艺与半导体技术兼容、可适用于各种恶劣环境等优点[4]。根据其振动部件的不同，可以把其分为磁铁振动、线圈振动和磁铁线圈共同振动3种类型[5]。本文设计的磁后坐直线发电机的永磁振子采用圆柱形钕铁硼永磁铁。振动式磁电机的工作机理依据电磁感应原理[6]。

根据法拉第电磁感应电动势公式：

(1)

式中，E为线圈产生的感应电动势；N为组成闭合回路的线圈匝数；Φ为通过每匝线圈的磁通量；B为磁感应强度；S为线圈的面积矢量。后坐力环境的振动引起线圈和磁场发生相对运动，从而导致穿过线圈的磁通量发生变化，在线圈中产生了感应电动势[7]。

由于永磁铁周围的磁场分布是非均匀的，线圈和磁铁之间又存在着相对运动，由法拉第电磁感应定律分析可得，在电源产生能量的过程中，产生的电动势不仅有感生电动势，还有动生电动势[8]。本文研究任何一匝线圈中所产生的感应电动势为

(2)

i=1,2,…,N

式中，v、l分别为导体回路相对于磁场的运动速度、路径；Em、Ei分别为感生电动势、动生电动势。

对于N匝线圈，产生的总感应电动势即为各单匝线圈感应电动势之和，即

(3)

在忽略导磁体的线性问题、不考虑磁漏影响的情况下[9]，可将磁电机用图1(a)所示的二阶机械系统表示，即由弹簧(刚度c)、质量块(质量m)和阻尼器(阻尼系数b)3部分组成。由达朗贝尔原理可得，作用在质量块上的合力为零，即

Fm+Fc+Fb-F=0

其中，Fm为惯性力；Fc为弹簧力；Fb为阻尼力。因此，

(4)

式中，F为后坐力；v为质量块速度。

图1(b)所示为RLC串联电路，根据回路电压定律，其电压方程为

(5)

式中，R、i、C、L分别为电阻、电流、电容、电感。

(a)二阶机械系统(b)RLC串联电路

图1两个相似系统

Fig.1 Two similar systems

比较式(4)、(5)可见，两式的微分方程形式上是一致的，故图1(a)、(b)所示系统可以相互模拟。

根据机电模拟关系，电阻抗

(6)

可直接写为

Zm=b+j(ωm-c/ω)

(7)

式中，Zm为机械阻抗；ω为系统工作角频率。

磁电机传递函数为

(8)

2 三磁钢单绕组磁电动机

图2所示为三磁钢单绕组磁电机结构。

图2 三磁钢单绕组磁电机结构示意图

该结构磁电机采用三磁钢单绕组弹簧阻尼的结构。磁电机在炮弹发射的瞬间处于后坐力过载环境下，由于后坐力的作用，磁芯向下运动切割磁感线产生电压；当后坐力小于弹簧抗力时，在弹簧弹力的作用下将磁钢恢复原位，该过程磁钢也切割磁感线产生反向电压。而采用如图3所示的全桥整流电路可防止反向电压与正向电压抵消，使电容储存的电能得到提高，从而使磁电机的电能得到充分利用[10]。图3也是磁电机运行过程中为C充电的电路原理图[11]。

图3 磁电机电容充电电路

三磁钢单绕组磁电机在弹丸发射时，当过载达到一定大的情况下，磁钢压缩弹簧与绕组产生相对运动，故与单磁钢和双磁钢的磁电机相比，其提高了发电量[12]。这是由于一方面弹簧阻尼具有安保功能，能保证磁电机在达到一定过载情况下才能产生额定电压；另一方面，弹簧具有恢复力，能使磁钢回复到初始位置，该过程同时产生一定的电压，增加了磁电机产生电压的时间，进而提高了磁电机的电能。

3 有限元耦合磁场分析计算及冲击测试

3.1磁电机有限元耦合磁场分析计算

有限元耦合分析法是一种数值计算常用的软件分析方法，其中，ANSOFT公司的Maxwell 2D/3D是一款电磁耦合分析软件[13-15]。由于所研究的三磁钢单绕组磁电机具有轴对称结构，故采用Maxwell 2D模型对z轴对称进行瞬态分析磁场计算。

对所研究的磁电机在Ansoft中建立模型，选用牌号为N35H的钕铁硼作为永磁铁，单个磁铁尺寸为φ5 mm×5 mm,绕组高度为8 mm、线径为0.14 mm、500圈，R=14.7 Ω，c=4 N/mm，b=0.6，加载973g、脉宽1.35 ms的脉冲过载，对磁钢进行瞬态二维轴对称磁场耦合分析计算负载电容充电情况。计算、分析得到磁电机磁钢初始位置及最大位移位置的磁力线如图4所示。

(a)初始位置(b)最大位移位置

图4磁钢初始位置及最大位移位置磁力线

Fig.4 Flux lines of initial displacement position and maximum displacement position

图5所示为三磁钢单绕组磁电机在973g过载情况下，绕组电压的实际测试结果与仿真结果。

由图可见，实际测试中，磁电机绕组电压能达到4.24 V，而仿真得到绕组电压为4.57 V，比较两者波形基本一致，其正向峰值电压误差小于7.8%，在工程误差许可范围内。图6所示为在过载961g、脉宽为1.35 ms情况下，对22 μf钽电容器充电时电容电压的实际测试结果。由图可见，充电稳定后的电容电压为2.28 V；根据其输出能量，电容存储能量为

(a)实际测试结果

(b)仿真结果

Fig.5 Results of test and simulation for winding voltage under 973gload

图6 961 g过载电容电压-时间曲线

式中，UC为电容两端电动势。计算得到EC=57 μJ。

3.2磁后坐电机磁钢选择及脉宽分析

为使磁钢能达到最大的发电效果，在实验室条件下采用冲击试验台进行实际过载测试。对三磁钢单绕组磁电机与单磁钢、双磁钢的发电性能进行对比试验。表1所示为不同磁钢过载产生的电压。

表1 不同磁钢过载产生的电压值

由表1可见，随着磁钢数量的增加，过载产生的电压也在逐渐增加。其中，双磁钢比单磁钢产生的电压平均值高出49.79%，三磁钢比双磁钢产生的电压平均值高出15.9%。由此可见，三磁钢发电效果最好，故三磁钢最适合单绕组磁电机发电。另外，由于磁电机空间高度有限，不能继续增加磁钢的个数，综合考虑磁电机的磁钢为3块最佳。

试验测试不同过载脉冲宽度对三磁钢磁电机发电性能影响，得到不同过载脉冲宽度对应的磁电机电压如表2所示。

表2 不同脉宽过载产生的磁电机电压

在实际试验中，由于每次过载量都不可能完全相同，且过载量数值较大，故将相近的数值作为同一水平的过载量。由表2可见，在同一水平过载量情况下，随着脉冲宽度的增加，过载产生的开路电压也在逐渐增加，脉冲宽度由1.10 ms增加至2.01 ms，增加了82.73%，开路电压随之增加了83.18%。由此可见，过载脉冲宽度的增加对提高磁电机过载电压有显著影响。

4 结 语

本文通过对储能电容的三磁钢磁电机的数学模型分析，以及有限元模型分析计算，建立了磁电机模型并在实验室测量其绕组电压，得出的正向峰值电压误差小于7.8%，在工程误差许可范围内，证明该磁电机设计合理。仿真实验比较了三磁钢、单磁钢和双磁钢发电效果，三磁钢发电效果最好。最后，试验结果表明，同一过载情况下，脉冲宽度越宽，磁电机产生的电压越大。

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Recoil Generator with Three Magnetic Cores and Influence of Overload Pulse Width

YINYanchao，HAOYongping，LIUShuangjie，LIANGDongsheng

(Technology Center of CAD/CAM, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China)

Taking into account the requirements of the demand of power supply for modern intelligent micro-initiating explosive device, a single-winding magnetor-generator with three magnets is designed. Using Ansoft and a shock test machine, a comparative study of impact is carried out. For the recoil generator with three magnets under 973g, the error of forward peak voltage is less than 7.8%, which is within the allowable range of engineering errors. With the tantalum capacitor steadily charged at a voltage of 2.28 V, the stored energy is 57 μJ under 961gand a pulse width of 1.35 ms. The voltage of winding with three magnets is higher than those with one or two magnets under 2 135g. Under 535g, the pulse width of 1.10 ms is increased to 2.01 ms, with winding voltage increased by 83.18%.

magnetor-generator; impact test; simulation; pulse width

2017 -07 -26

辽宁省自然科学基金项目资助(201705400791)

尹艳超(1990-)，男，硕士生，主要研究方向为引信微电源激活，E-mail：1145599654@qq.com

2095-0020(2017)05 -0259-05

TJ 450.6

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