添加轭铁对磁阻型电磁发射的影响

张红旭，张 军，董健年

(南京理工大学 能源与动力工程学院， 南京 210094)

电磁发射器是利用电磁技术提升和推动物体或者把物体加速到超高速的装置，与常规的化学发射方式相比具有明显优势，电磁发射能够提供较大的动能，速度可以任意调整，精度高、射程远，发射过程不易受到干扰，无噪声无烟雾效应产生，因此该技术在未来军事及民用等相关领域有着很大的应用潜力[1]。

文献[2]对比分析了断路法和限流电阻法对削弱电磁制动力，提高弹丸出口速度的效果；文献[3]重点对弹丸形位参数对单级磁阻型线圈发射器性能的影响进行了研究；文献[4]利用maxwell对三级线圈电磁炮进行了仿真；文献[5]提出了减小铁磁弹丸的电导率和对弹丸进行开槽处理来提高弹丸的炮口初速度。本文作者主要对磁阻型的电磁发射器进行研究，采用前段直流吸引加速和后段放电的模式，分析发射器在安装轭铁和没安装轭铁情况下弹丸的炮口初速，并且在此基础上，改变轭铁的安装方式，利用电磁仿真软件Ansoft Maxwell对两种轭铁的添加方式进行仿真分析。

1 系统工作原理及组成

磁阻型电磁发射装置由储能电源、驱动线圈、铁磁材料弹丸、开关组成，如图1所示。其工作原理为：储能电源向驱动线圈放电，激发产生磁场，将铁磁材料制作成的弹丸磁化，磁场与弹丸的磁化电流耦合产生安培力，使弹丸前进。磁路的磁通较容易通过铁磁体，线圈磁路的磁阻变化将吸引弹丸运动。根据磁阻最小原理，当弹丸运动时，环绕线圈磁路的磁阻发生变化，对弹丸产生作用力。弹丸向前运动到线圈中心，由于磁路的气隙变小，磁路的磁阻也减小，此时的磁通较容易形成和通过，对弹丸的作用力最小。弹丸运动过线圈中心后，向前的电磁力变为拉弹丸向后的阻力，所以应该采取措施使驱动线圈的电流迅速下降为0[6]。

假设螺线管的长度为l，线圈的匝数为N，其中通有恒定的电流I,横截面积A,沿着螺线管的轴线方向插入具有恒定磁导率μ的弹丸。根据虚功原理可以求出弹丸在螺线管中的受力为

(1)

弹丸的加速度为：

(2)

通过式(2)可知：弹丸的材料以及弹丸和线圈的结构确定时，加速度a仅和磁场强度H有关[7]。

2 有限元仿真分析

为了方便分析，假设放电电流在驱动线圈导线截面上均匀分布，并且不考虑弹丸的轴线偏离驱动线圈轴线，这样就可以把磁阻发射器和弹丸结构看作轴对称模型，然后利用ansoft Maxwell二维瞬态求解器的R-Z平面进行仿真。

2.1 无轭铁仿真模型建立

图2为二级无轭铁的磁阻发射器仿真模型，包括弹丸、线圈、运动区域和求解区域。

弹丸采用Φ=9 mm,l=80 mm的圆柱形弹丸，材料选Steel_1010；驱动线圈的内径为10 mm，径向厚度为8 mm，长度与弹丸长度相同，第一级线圈匝数为300，第二级线圈匝数为300，材料选择铜。

驱动线圈的激励源采用外电路供电的方式，图2只给出一级电路，二级电路与一级电路除参数相同。由文献[8]可知，电容驱动型和电池驱动型对比，在相同的加速距离与出口动能下，电池驱动型磁阻发射器能量转化率较高，本文采用电池型驱动，电源电压为200 V，限流电阻为20 Ω，回路等效电阻0.017 Ω。外电路模型如图3，D1是续流二极管，起保护电池的作用，否则电池会被关断反向电动势反向充电，破坏电池，续流回路中加入消耗电阻，可以使续流电流迅速下降到0。

为了保证计算精度，对铁磁弹丸、驱动线圈及运动区域划分的网格比较密集，求解域处的网格比较稀疏。选择运动区域和驱动线圈，设定剖分类型为Inside Selection，单元网格的最大尺寸为2 mm，弹丸的剖分类型Inside Selection，单元网格的最大尺寸为1 mm，求解区域的单元网格最大尺寸为8 mm。

求解区域的边界条件设置为气球边界条件，初始位置为弹丸头部距线圈端部5 mm。设定数值仿真计算时间为6 ms，时间步长为0.006 ms，设置结束后仿真计算。

2.2 添加轭铁仿真模型

添加轭铁后的磁阻发射器模型如图4所示。分别给驱动线圈添加两个材料为steel_1008的轭铁，轭铁的厚度为5 mm。设定轭铁的剖分类型为Inside Selection,单元网格的最大尺寸为4 mm。其他条件不变，仿真分析。

2.3 发射系统仿真分析

图5给出了二级磁阻型发射线圈加轭铁和不加轭铁两种情况下弹丸速度随时间的变化曲线，在不加轭铁的情况下，经过二级线圈加速以后，弹丸的炮口初速为78 m/s，而将线圈分别添加轭铁以后，炮口初速为85 m/s。从图5中可以看出，线圈添加轭铁以后，初始的弹丸加速度要小于一整块轭铁的情况，但是随着弹丸前进，加速度在变大，并且弹丸的加速时间较长，得到的炮口速度要大于不加轭铁的情况；图6 给出的是两种情况下不同时刻的弹丸的电磁力曲线，从图6中可以看出，在添加轭铁的情况下，弹丸起始运动受到的电磁力要小于不加轭铁的情况，但是当弹丸运动到线圈内部时，弹丸的受力变大，并且在一级和二级线圈所受到的最大的电磁力分别为2.21 kN和0.31 kN，而不加轭铁时一级和二级线圈所受到的最大电磁力分别为1.9 kN和0.27 kN。

图7给出了电磁发射模型在某一位置处两种情况下的磁力线分布，可以看出：添加轭铁以后，线圈周围产生的磁力线被更多封闭在轭铁的内部，可以使驱动线圈产生的磁能充分利用。

3 改变添加轭铁方式

改变添加轭铁的方式，添加方式如图8所示，给整个二级发射器添加一整块轭铁，仿真分析两种不同的添加方式。

图9为两种情况下速度随位置变化的曲线，驱动线圈分别安装轭铁以后，弹丸的炮口初速度为79 m/s，而仅安装一整块轭铁的情况下，炮口的初速为75 m/s，可以看出，相比较安装一整块轭铁，两个线圈分别安装轭铁可以使弹丸获得更高的炮口初速度。

4 结论

利用ansoft仿真软件中的2D瞬态求解器仿真研究了添加轭铁对二级线圈发射器炮口初速度的影响，并且对比两种不同的轭铁安装方法下弹丸炮口初速，结果表明：

1) 添加轭铁以后，磁力线被轭铁封闭在内，弹丸的炮口初速得到了明显的提升，所受的最大的电磁力大于不加轭铁；

2) 采用分别装夹轭铁的方式，要比只装夹一块轭铁更能有效提高弹丸的炮口初速。

相比较传统的提高炮口初速度的方法，对磁阻型发射器安装轭铁提高弹丸炮口初速的方式更加方便，驱动线圈产生的磁能更能够被充分利用，仿真结果将为后期的多级磁阻型线圈发射器的设计与实验提供指导。