接收线圈间耦合系数对多子弹感应装定系统的影响 *

张 旺， 王 利， 李 明

(1. 中北大学 机电工程学院， 山西 太原 030051； 2. 中国船舶集团有限公司， 北京 100097)

0 引 言

现代高技术条件下局部战争是全方位、 大纵深、 高强度以及高消耗的立体战争. 战斗部子母化以及发展各种新型灵巧子弹药， 是提高作战能力的重要发展方向[1-3]. 目前,子母弹中无控子弹战斗部， 存在着子弹命中概率较低、 毁伤能力相对较小、 目标类型较单一等方面的不足， 不能完全适应作战任务的需要； 而且无控子弹对目标上空未知风场的抗风性能较差， 若要实现对目标的有效封锁与毁伤， 需要发射较多数量的炮弹， 同时对投放平台的精度也有较高要求. 因此， 信息可装定式子弹对提升作战效能具有重要意义. 而无线电传输技术是利用电场、 磁场等作为传输媒介， 实现电能或者电信号由发射装置到接收装置的传递， 其相对接触传输模式具有安全、 灵活的优势， 特别适用于收发端相对运动、 易燃易爆等场合[4].

在信息可装定式子弹方面， 文献[5]采用母弹发射线圈位于中心， 子弹接收装置排列在周围的结构， 设计了随机起爆子母弹无线感应装定系统， 对起爆时间进行了信息装定. 由于此结构的中心位置为母弹发射线圈， 所以并不适合中心爆管抛撒式子母弹.

在接收线圈间耦合系数影响传输性能方面， 文献[6]通过移相控制来实现接收系统的独立运行. 文献[7]设计了一种多负载无线恒流充电系统， 利用DC-DC变换、 稳压， 先对电容储能， 然后放电， 实现对负载电流的控制. 这两种结构中， 都需要一部分能量驱动控制电路或变换稳压电路， 都会降低系统的效率.

在多接收无线传输方面， 文献[8-9]对多个接收装置进行了仿真分析， 研究了多个接收端的整体效率和单个接收端效率， 提出多个接收端的整体效率大于单个接收端效率， 但随着设备数量的增加， 分配到每个设备的功率也越来越低. 文献[10]采用一对多无线传输接收结构， 发射和接收线圈均为平面结构， 通过对多接收系统阻抗匹配和效率的研究， 得出接收端功率的分配与发射-接收线圈间的互感值有关； 在文献[11]的仿真和计算中提到了接收线圈之间存在交叉耦合， 但并未对此进行深入研究. 在子母弹中， 因为母弹的空间较小， 子弹接收线圈采用螺旋线圈缠绕， 且子弹间距离较近， 所以接收设备的线圈间存在互感.

本文以两接收系统为例， 经过理论和仿真分析了接收线圈间耦合系数对传输性能的影响， 并进行了实验验证.

1 多子弹无线传输工作原理

多子弹无线传输结构原理如图 1 所示， 在抛撒之前， 子弹存放在母弹的弹体之中， 母弹引信与子弹引信之间的距离很近， 所以采用电磁感应原理实现子弹与母弹间的通信， 在子母弹发射后， 到达预定的开舱位置， 中心药管爆燃将子弹向四周推出去， 子弹依据装定的信息完成发火控制和引爆.

图 1 子母弹原理结构图

2 多子弹无线传输系统建模与分析

多子弹无线传输系统可近似看成母弹发送装置同时给多个子弹接收装置发送能量和信息的系统， 其模型如图 2 所示， 其中，U是发射电路的电源，r是电源内阻，LS是发射线圈的自感，RS是发射端线圈的内阻，CS是发射端线圈的匹配电容，Li(i=1,2,…)是接收端线圈的自感，RPi(i=1,2,…)是接收端线圈的内阻，Ci(i=1,2,…)是接收端线圈的匹配电容,RLi(i=1,2,…)是接收端的负载，MSi(i=1,2,…)是发射与接收线圈之间的互感，Mij是两个接收端之间的互感.

由KVL方程可得

(1)

图 2 多子弹无线传输系统

为降低模型的复杂性， 假设只有相邻的子弹间存在耦合， 以两个接收端系统为例， 电路模型如图 3 所示.

图 3 两接收系统电路模型

图 3 中包含两个接收电路模型. 根据KVL方程可得

(2)

接收端的反射阻抗为

(3)

两线圈之间的耦合系数为

(4)

线圈的品质因数为

(5)

假设接收电路各个器件的参数都相等， 且接收线圈都与发射线圈的耦合系数相同.

将式(4)， 式(5)代入式(2)可以求得

(6)

系统的输入阻抗

Zin=RP+Zref=

(7)

系统的效率

(8)

因为RP1≪RL，Z1≈RL， 所以， 系统的效率可近似写为

(9)

3 系统仿真

为验证理论分析的正确性， 利用ADS软件对图 3 所示的两个接收端的电路进行仿真， 其中， 发射电路的电源电压U=24 V， 电源内阻r=50 Ω， 发射线圈的自感LS=14 μH. 发射端线圈的内阻RS=0.2 Ω； 发射端线圈的匹配电容CS=0.9 μF， 接收端线圈的自感Li(i=1,2,…)=20 μH， 接收端线圈的内阻RPi(i=1,2,…)=0.4 Ω， 接收端线圈的匹配电容Ci(i=1,2)=56 nF, 接收端的负载RLi(i=1,2,…)=100 Ω， 发射与接收线圈之间的互感MSi(i=1,2)=0.3， 系统频率为150 kHz. 为探究接收端耦合系数对系统的影响， 对接收器间的耦合系数在0.1～0.3之间进行参数扫描.

图 4 给出了线圈距离d与耦合系数k12之间的关系. 由图可以看出： 当线圈相邻时， 耦合系数k12最大为0.1； 随着接收端线圈距离的增大耦合系数逐渐变小， 当距离达到50 mm时， 耦合系数等于0.008， 可近似看成接收设备间无耦合.

图 5 给出了接收端电压和耦合系数的关系， 由图可以看出， 随着耦合系数的增大， 接收端电压逐渐减小， 由原来的 27.5 V 变为23.5 V. 在子母弹中， 子弹被抛出母弹后， 子弹引信的储能电容为子弹提供电源输出并且保持一段时间[12]. 由电容储能公式E=CU2/2可知， 电容储存的能量与电容两端电压的平方成正比， 因此， 接收端电压的降低会对电容储能能量产生较大的影响.

图 4 耦合系数与线圈间距之间的关系

图 5 接收端电压与耦合系数的关系

图 6 给出了输入阻抗的电阻和电抗与接收端耦合系数的关系. 由图可知： 随着接收端耦合系数的增大， 输入阻抗的大小和相位都发生了较大的变化， 随着接收端耦合系数的增加， 电阻急剧下降， 输入电抗先增大后减小； 由于电抗值小于零， 此时， 电路呈现容性， 系统的谐振点发生偏移， 此时系统失谐， 造成系统传输效率降低， 线圈间的损耗增加.

图 6 输入电阻和输入电抗与耦合系数的关系

图 7 给出了系统的传输效率与接收端线圈间耦合系数的关系. 由图可以看出， 随着接收线圈间耦合系数的增加， 系统的效率逐渐减小. 当接收端线圈存在互感时， 严重影响系统的传输效率.

图 7 系统的传输效率与接收线圈间耦合系数的关系

4 实验验证

为验证理论分析的正确性， 依据上述仿真设计了一套原理样机， 如图 8 所示.

1)发射线圈缠绕在直径128 mm圆柱形尼龙管外壁， 模拟母弹发射装置， 接收线圈缠绕在直径为63 mm的尼龙管上， 模拟子弹接收装置.

(a) 接收装置线圈间距d=10 mm或50 mm

(b) 接收装置线圈间距d=0 mm(坡莫合金隔离)

2)将接收装置沿着母弹内壁移动， 如图8(a)所示， 确保发射线圈与每个接收线圈的耦合系数相等， 分别测得子弹间距d为0 mm， 10 mm， 50 mm 时各参数的值.

3)将接收装置线圈间用坡莫合金薄层隔离开， 坡莫合金厚度为0.1 mm， 接收装置线圈间距可近似看成0 mm， 如图8(b)所示， 测量各参数的值.

实验结果如表1 所示.

表1 不同耦合系数实验数据对比

表1 中，d为接收线圈间的距离，k12为两接收线圈的耦合系数，US为发射端电压，IS为发射端电流，U1为接收端电压，η为线圈间的传输效率. 由实验结果可知： 两个接收装置无线能量传输耦合回路中， 不论接收线圈间是否存在耦合， 输入电流和电压几乎不变， 即输入功率几乎不变. 接收装置线圈间距为0 mm时， 耦合系数最大， 此时， 接收端电压为14.4V， 线圈传输效率最低， 为0.65. 随着接收端线圈间距的增加， 耦合系数逐渐减小， 接收端电压逐渐升高， 线圈传输效率也逐渐升高， 当线圈间距达到50 mm时， 接收线圈间无耦合， 接收端电压为16 V, 传输效率达到 0.77. 因此， 接收装置线圈间耦合的存在降低了线圈间无线能量的传输效率. 通过坡莫合金薄层将接收装置的线圈隔开， 接收端电压达到 17.6 V, 线圈间的传输效率也达到了0.82， 这是因为坡莫合金薄层可将接收线圈外围绝大多数磁路束缚在薄层中[13-15]， 从而避免接收装置间的相互影响. 比较各组实验数据可知， 增加接收装置间的距离、 采用磁屏蔽均能可靠减少接收线圈间的耦合系数， 且磁屏蔽方案效果更好.

5 结 论

本文采用电路KVL基本原理， 分析了接收端线圈之间存在互感时， 系统的输入阻抗和系统的传输效率的关系， 并进行了实验验证. 结果表明， 随着接收线圈间耦合系数的增加， 接收端电压逐渐下降， 系统的输入阻抗发生较大的变化， 传输效率也随之降低. 因此， 在母弹内空间允许的情况下， 子弹间应该间隔一定的距离， 如果母弹内空间有限， 搭载的子弹数量较多， 应该用高磁导材料将子弹相互隔离开以达到提高能量传输效率和数据传输准确率的目的.