电磁线圈发射器推力波形特性及推力控制策略研究

苑希超，向红军，吕庆敖，张 倩，刘 斌

(1.陆军工程大学石家庄校区 弹药工程系， 石家庄 050003; 2. 32150部队， 河南 开封 475003)

随着军事技术迅速发展及新型弹药的不断出现，引信在弹药系统中的作用越来越重要，它能否正常工作，直接关系到弹药装备能否安全可靠作用[1]。因此，需要开展引信试验对其质量状况进行检查，在众多引信检查方法中，引信发射环境动态模拟试验由于其成本低、效果好、易于实施，得到越来越多的应用。在引信发射环境动态模拟试验中，主要模拟发射时的后坐力和离心力，现有的引信发射环境动态模拟试验主要利用气体炮及其改进试验装置来模拟后坐力，存在通用性和可控性差、操作复杂、不便有效模拟引信发射过程中所受环境力等[2]。国内外相关研究机构和专家学者从不同角度、采用不同方法进行了大量尝试和研究，取得了一批有价值的研究成果。其中，电磁感应线圈发射器由于采用圆筒形身管，结构合理，且采用电磁力逐级加速的发射方式，可调性好，成为一种新的引信发射环境模拟的有效方式[3-6]。

当前关于电磁线圈发射器的研究主要集中在提高电磁线圈炮弹药发射初速和发射效率等方面[7-10]，而引信发射环境模拟试验主要关注驱动器所能提供的过载特性与引信发射过程是否相符以及对过载的控制方面[11]。本文以基于电磁线圈发射器的引信后坐力环境模拟技术为背景，分析了电磁线圈驱动器推力波形特性并探索了电磁线圈发射器推力波形控制策略。

1 电磁线圈发射器基本原理

电磁感应线圈发射器的工作原理如图1。发射器系统主要由驱动电路、驱动线圈和电枢组成。驱动线圈固定在炮筒上，每一级驱动线圈通过导线和开关分别连接一组储能电容器，为驱动线圈供电。触发开关导通后，储能电容器通过驱动线圈放电形成强脉冲磁场，电枢在这个强脉冲磁场的作用下产生感应电流，电枢中的感应电流与线圈产生的强脉冲磁场相互作用产生电磁力，推动弹丸加速。

图1 电磁感应线圈发射器工作原理图

电磁线圈发射器的等效电路如图2所示。

图2 电磁直线驱动器等效电路

图中，R0和L0分别是驱动回路的电阻和电感，R1和L1分别是驱动线圈电阻和电感值，R2和L2分别是电枢电感值，C为电容器电容值，D表示续流硅堆。

其等效电路方程可表示为：

(1)

(2)

式中：U0是电容器充电电压；M12是电枢与驱动线圈之间的互感；i1和i2分别为驱动回路和电枢回路中的电流。

根据电磁线圈发射器的发射原理可知，电磁力可以看作是整个系统中能量的变化率，即系统总能量在运动方向的梯度[2]。t时刻系统的总能量可表示为：

(3)

忽略发射摩擦力和空气阻力，t时刻电枢所受电磁推力可以表示为：

(4)

从式(4)可以看出，电磁力大小由放电电流idjip和互感梯度dMj/dx决定。电枢速度v对互感梯度dMj/dx产生直接影响，可将电磁力表示成时间t、放电电流idjip和电枢速度v的函数。

F=F(t,idj,ip,v)

(5)

2 推力波形特性分析

多级线圈发射器电枢受力由多个线圈产生的电磁力叠加而成。由式(5)可知，电磁线圈发射器推力受到时间t、电流idj、ip和电枢速度v的影响，而这些参数又会受到充电电压、线圈结构、电枢结构、线圈间距、触发位置等多个参数的影响。

以两级电磁线圈发射器为例进行有限元仿真分析，由于系统为轴对称结构，因此，建立二分之一的二维模型进行仿真分析。如图3所示，仿真模型由两级驱动线圈1和2、电枢3、运动区域4、计算场域5组成。驱动线圈为铜质，每级80匝，外半径81 mm、内半径51 mm，厚30 mm，长60 mm，两级线圈初始间距10 mm。电枢为铝质，外半径50 mm，内半径30 mm，厚度20 mm，长度60 mm。

图3 二维仿真模型

模型的外接电路如图4所示，所采用的电容值为2 400 μF，充电电压默认为8 000 V，驱动线圈回路电阻设为200 mΩ。

图4 驱动线圈外接电路

2.1 线圈间距对驱动力的影响

为保持推力波形连续，设置第二级线圈触发位置为9 mm，进而得到此时的线圈间距，并分别对线圈间距为10～30 mm的情况进行仿真，仿真过程中，其它参数不变。得到的两级线圈间距对驱动力的影响曲线如图5所示。

图5 两级线圈间距对驱动力的影响曲线

结果表明，两个峰值之间的距离随着线圈间距的增大而增加，同时推力波动逐渐变大；但整体推力持续时间明显增加。

2.2 触发位置对驱动力的影响

综合推力波形要求，设置线圈间距30 mm，进而得到初始触发距离为-21 mm，其他条件不变的前提下，对不同触发位置分别为为-24 mm、-21 mm、-18 mm和-15 mm的情况进行仿真，得到的推力曲线如图6所示。

图6 第二级线圈触发位置时的推力曲线

结果表明，在此范围内，电磁推力随着触发位置绝对值的减小而逐渐减小，而持续时间虽然逐渐增加，但增加并不明显，且会增加推力的波动，因此选择触发距离为-21 mm。

2.3 电压对驱动力的影响

在已确定参数条件下，对第二级充电电压7 000～1 000 V的4个级别电压参数进行仿真，得到推力曲线如图7所示。

从图7给出的推力曲线可以看出，第二级线圈的电磁力随着电压的增加逐渐增大，但对总体推力持续时间影响不大。结合线圈长度对发射参数影响分析，可以推测，增加第二级驱动线圈长度，将会减缓能量的释放速度，从而降低推力峰值，增加峰值持续时间。

图7 第二级充电电压时的推力曲线

2.4 线圈长度对驱动力的影响

在上节基础上，选择第二级充电电压为10 kV，其他条件不变，适当增加第二级线圈长度，分析其对推力波形的影响。得到推力曲线如图8所示。

图8 第二级触发位置时的推力曲线

可以看出，第二级线圈的推力峰值随着第二级驱动线圈长度的增加逐渐减小，而推力总体持续时间逐渐增大。因此，电源能量足够的情况下，可以通过增加线圈长度，提升持续时间。

3 推力波形控制策略

根据以上分析，针对波形连续性要求，提出推力波形控制策略如下：

1) 首先对第一级发射器的电参数和结构参数进行优化，使得第一级线圈推力峰值出现时，电枢尾部尽可能离开第一级线圈，一般来说，采用短线圈。

2) 根据目标推力曲线要求，利用第一级线圈的推力F1、速度v1和位移s1信息，确定第二级线圈的触发时间t2，满足F1(t2)不小于目标推力曲线对模拟最大推力的要求，进而得到触发位置为s1(t2)和触发第二级线圈时电枢的速度为v1(t2)。

3) 根据已确定的触发位置，初步采用与第一级线圈相同的电参数和结构参数，通过优化，确定两级线圈之间的间距。

4) 在已确定参数的基础上优化第二级发射线圈的电容及其充电电压，使其推力曲线满足目标曲线要求。

5) 通过优化，确定第二级线圈长度。

6) 以此类推，可得到后续级发射参数。

4 验证

为验证控制策略的可行性，利用构建的电磁直线驱动器，进行两级同步感应线圈发射试验。试验中，第一级线圈触发位置为25 mm，第二级线圈触发时间延迟0.5 ms，充电电压为8 000 V，通过试验得到试验弹的加速度曲线如图9。

图9 两级线圈加速度曲线

从图中可以看出，两级电磁直线驱动器实现了推力的连续，即电磁推力的连续，相比单级线圈发射器，电磁推力峰值持续时间明显增加。

5 结论

1) 通过多级线圈发射器参数对推力波形特性的影响规律分析，可以看出线圈间距增大使得脉冲宽度增加，但也使推力的连续性降低；

2) 在能量足够的情况下，可以通过同时增加充电电压和线圈长度，使推力峰值满足条件的前提下增加峰值持续时间。

3) 所提出的电磁线圈发射器推力控制策略，可有效控制体力波形。