面向导弹电磁弹射的双边感应直线电动机研究

2018-09-05沙赵明于存贵王小召

微特电机 2018年8期

沙赵明，于存贵，王小召

(南京理工大学，南京 210094)

0 引言

电磁弹射技术是一种利用直线弹射电动机产生的电磁力加速大质量弹射载荷达到一定速度的发射技术，目前主要应用于航母舰载机的弹射[1]。采用电磁弹射技术的发射装置具有推力大、受控性好、工作性能优良等优点，适用于短行程发射大载荷，在军事以及航空航天等领域具有应用潜力。

将电磁弹射技术应用于导弹发射是对传统发射方式的重大突破。不同于传统发射方式，导弹的电磁弹射通过电磁力的作用使导弹获得一定的初速度，当导弹飞离发射装置一定距离后，发动机点火工作。这种发射方式不仅提高了射程，还消除了发动机燃气射流对发射系统的影响，解决了发射系统的烧结问题，并具有良好隐蔽性[2]。另外，可通过控制直线电动机工作参数调节发射推力，满足不同型号导弹的发射要求，实现通用化发射。

导弹电磁弹射系统主要由目标跟踪定位系统、武器控制系统、发射控制器、电磁弹射器以及电源系统组成[2]，如图1所示。目前，电磁弹射器的驱动装置主要有3种形式，即电磁线圈式、直线电动机式、电磁轨道式[3]。其中，长初级双边感应直线电动机具有推力大、效率高、次级结构简单等特点，能满足大部分火箭导弹武器变角度发射的需求，是理想的导弹电磁弹射驱动装置。

图1 导弹电磁弹射系统组成

1 导弹电磁弹射技术要求及动力学分析

导弹的质量一般从几十千克到数十吨不等，弹射速度要求从10 m/s到100 m/s。本文以某质量为1 000 kg的导弹为弹射对象，建立发射模型，发射装置布局如图2所示。

图2 导弹电磁弹射示意图

导弹置于轨道上方，通过连接装置与轨道中的直线电动机定子固定。定子带动导弹加速到一定速度后解锁释放导弹。考虑到导弹倾斜发射时弹体离轨的下沉量以及离轨后需要飞行一定的距离等发射要求，导弹离轨速度应不小于40 m/s。由于发射系统整体结构尺寸限制，弹射轨道总长度不超过10 m，包括加速段和制动段。假设加速段为6 m，即直线电动机要在6 m的行程上将导弹从静止加速到40 m/s。假设电磁推力恒定，忽略外界摩擦阻力，根据牛顿第二定律，建立导弹运动方程：

(1)

式中：V，L，t，m，θ分别为导弹的离轨速度，加速段长度，加速时间，导弹和动子的总质量以及发射角度；F和a分别是感应直线电动机电磁推力和导弹加速度。当射角为50°时，由计算可知，要将导弹在6 m的行程上加速到40 m/s离轨速度，则需要保证加速度在133.3 m/s2以上，加速时间为0.3 s，直线电动机必须提供大约136 kN的电磁推力。

2 双边感应直线电动机的等效电路分析

长初级双边感应直线电动机是导弹电磁弹射系统的核心，主要由两侧的初级绕组、初级铁心和中间的次级感应金属板组成，具有效率较高、结构简单、造价低等特点，如图3所示。

图3 长初级双边感应直线电动机示意图

在分析长初级电机的特性时，一般采用近似等值电路的方法进行分析。通常把长初级双边感应直线电动机分为3部分，覆盖着次级的部分称为有效部分，未覆盖次级的2部分称为无效部分[4]。电机的能量转化主要通过有效部分实现，而无效部分则对能量转化无任何作用。

在不考虑感应直线电动机边缘效应时，可利用普通旋转感应电动机等值电路的概念，将长初级双边感应直线电动机的有效部分和无效部分分别用2个阻抗代替。感应直线电动机的初级铁心磁通密度较低，铁损耗相对应的电阻可忽略不计；另外，非磁性次级电机的次级漏抗通常也可以忽略[4-6]。经过上述简化后，就可得到如图4所示的长初级双边感应直线电动机的等值电路。

图4 长初级双边感应直线电动机等值电路

直线电动机推力表达式:

(3)

(4)

(5)

式中：m1为初级相数；I1为初级相电流的有效值；I2为次级折算到初级相电流的有效值；Vs，s分别为同步速度和滑差率；lδ为初级铁心宽度；kω，ω1分别为初级绕组系数和初级绕组匝数；p为初级绕组极对数；δe为电机有效电磁气隙；μ0为真空磁导率。

武器装备应具有良好的安装性和维护性。直线电动机的长初级采用模块化设计，整个直线电动机的初级轨道由若干段初级模块串联组成，这样当初级发生故障时能进行快速维护或更换。次级材料采用质量较轻的铝，能有效减少制动惯性力。

根据上述感应直线电动机电磁推力与设计参数的关系以及参考文献[3,4]，单段感应直线电动机的设计参数如表1所示。

表1 双边感应直线电动机参数

3 感应直线电动机有限元仿真分析

为研究所设计的长初级双边感应直线电动机的性能，本文采用Ansoft软件，通过有限元数值计算的方法进行分析。Ansoft是常用的电磁场仿真软件，它的Transient求解器是分析瞬态电磁场的专用模块，求解时采用时变有限元法，综合考虑影响电机性能各种因素，比如：齿槽效应、涡流效应、集肤效应等，具有较高的计算精度[7-9]。

在分析直线电动机的工作特性之前，需要考虑电机的工况。有别于常规的直线电动机，电磁弹射用直线电动机的运行速度没有稳定的工作点。由于发射系统的整体结构尺寸限制，次级的加速行程有限。为使直线电动机在规定行程内高效地将弹射载荷从静止加速到额定速度，直线电动机应具有大的起动推力并能持续输出稳定的推力。在电磁弹射应用中，直线电动机一般采用低频起动和变频提高同步速度的方式保证起动的高效和推力的稳定。因此，在对该直线电动机进行仿真分析时，主要对其起动过程和机械特性进行分析。

感应直线电动机的起动是一个复杂的瞬态变化过程，根据旋转电机中认为堵转转矩等效于起动转矩的理论依据，可认为感应直线电动机的堵转推力等效于起动推力，因此分析堵动状态即可获得到电机起动过程时工作特性[5]。

基于上述分析，进行建模仿真。建模过程主要分为：基于直线电动机的设计参数建立几何模型，定义材料属性，设置加载和边界条件，定义求解参数。由于该模型的初级铁心和次级铝板较宽且忽略纵向边端效应，因此只需建立二维模型。单段双边感应直线电动机有限元网格划分如图5所示，最外层是气球边界和真空区域。电机中间设定了次级运动的边界区域band，band内的对象是运动的，而band外的对象则静止[10]。

图5 感应直线电动机二维有限元网格划分

设定电机相电流为320A，相电流频率为50Hz，并给电机施加一个远大于设计推力的负载，使电机运行在静止堵推状态。在某个时刻的磁力线分布、气隙磁密以及堵推过程中的推力曲线如下图6所示。

图6 磁力线分布

从图6可以看出，由于次级铝板的涡流作用，磁力线穿越次级铝板时，出现了弯曲现象，且不完全与次级铝板垂直，与无次级铝板区域的磁力线略有不同。

图7是气隙磁密分布。电机端部采用半填充槽之后，起始段的气隙磁密明显比后续段要小；整段感应直线电动机中，次级铝板覆盖区域的气隙磁密比其它区域的气隙磁密波动大，说明次级铝板涡流的感生磁场与初级激励磁场相互作用。

图7 气隙磁密

图8为推力曲线图。推力在起动初期处于大幅振荡状态，最大推力达到了267kN，这主要是次级涡流磁场还未建立稳定造成的；18ms后推力变为周期性波动的稳定状态，平均推力约为155kN，满足导弹电磁弹射的要求。

图8 瞬态推力曲线

为研究在电负荷相同、频率不同情况下电机的起动性能，对若干个不同频率的工况进行计算，稳定后的平均推力随频率的变化曲线如图9所示。

图9 不同频率下堵动推力曲线

从图9中可知，当电流频率逐渐变大时，堵动推力先增大后逐渐减小，当频率约为16Hz时推力达最大值。高速大推力感应直线电动机最终的工作频率一般比较大，因此很有必要以低频方式起动来提高推力，从而提高起动效率。

感应直线电动机的机械特性是电磁推力随滑差率的变化曲线，是电机运行控制的基础。当滑差率不同时，由于次级切割初级磁场的速度不同，次级产生的涡流磁场不同，从而形成的气隙合成磁场不同，电机产生推力也不同。导弹的电磁弹射是一个高速运行的过程，低频起动后，次级导板的运行速度增大，当达到同步速度时，推力会逐渐趋于零。因此需要提高同步速度即保持一定的滑差率，保证推力持续稳定。在电机的设计阶段，采用有限数值计算的方法是对电机的机械特性进行预估的有效方法。

图10是推力随滑差率变化的情况。随着滑差率的增大，电磁推力迅速增大，滑差率在0.23附近取得最大值，随后电磁推力逐渐减小且下降趋势渐缓；同步速度处(滑差率为0)为电磁推力的正负临界点，即当次级速度超过同步速度时，电磁推力由驱动力变为制动力，这符合感应直线电动机的基本原理[11]。实际电磁弹射推力要求为136kN，滑差率约为0.51时可以取得。电机的滑差率与电磁推力总体上呈非线性关系，低滑差区域关系曲线近似于抛物线，高滑差区域两者又可近似为线性相关。这一特性对感应直线电动机的运行控制具有重要的参考意义。