感应线圈弹射器端板对性能的影响分析

刘清照，陈延伟，李苹慧，李 奇

(中国船舶重工集团公司第七一三研究所，郑州 450000)

0 引 言

按照发射器结构发射原理的不同，电磁装置可以分为轨道式、线圈式、重接式三种。其中线圈式电磁弹射技术是根据普通的直线电机拓扑结构衍生出来的，其历史最为久远。同步感应线圈弹射器是线圈式发射技术的一种，其主要特点是利用多个脉冲电源对各级线圈同步放电和弹丸线圈内的磁通变化感应加速[1-2],因弹射过程中电枢与驱动线圈之间无机械接触，在火炮、导弹、鱼雷、航天发射等技术领域都有着巨大的应用前景[3-5]。

线圈式电磁弹射器研究以工程试验样机及有限元仿真为主，2011年石家庄机械工程学院研制了单级感应线圈弹射装置，利用100 KJ电容器将1.125 kg的负载加速到132.8 m/s[6]。2012年张涛等设计15级驱动线圈(长约1.65 m)的同步线圈弹射器，各级驱动线圈采用上下两个半圆型支撑端板进行支撑，在较短加速段将5kg电枢加速到219m/s[7]。目前，感应线圈弹射技术的研究主要集中在发射器和电枢的设计和优化方面。主要通过高强度驱动线圈制造及电枢结构设计，解决在弹射实验中驱动线圈及电枢所受的电磁冲击力和发热等问题[8-10]。

电磁弹射可实现较大的出口速度，考虑到电磁弹射器的适装性需求，加速段应尽量小短。因此电枢需在有限距离内受到较大的轴向推力，由牛顿第二定律，固定驱动线圈的支撑端板也将受到较大的轴向推力，故对支撑端板结构及强度提出较高要求。在实际工程应用中，综合考虑材料的性能和成本，本文支撑端板采用Q345材料，其加工性能较好、强度能够满足较大后坐力且价格便宜。但脉冲电源瞬时放电会在电磁线圈周围形成强磁场行波，由于Q345结构钢具有一定的导电性，支撑端板距离电磁线圈过近将对弹射时磁场产生影响，从而影响弹射器弹射效率。本文主要研究材料为Q345支撑端板安装位置对单级线圈弹射器发射过程中电路特性及发射性能的影响，为线圈弹射器的结构设计提供理论依据。

1 单级线圈弹射器模型参数

本文主要研究对象为单级线圈弹射器，其结构参数采用正交试验法优化设计[11-12]。单级线圈弹射器主要由后支撑端板、灌封层、铜导线、前支撑端版、电枢、导向筒、脉冲电源等组成。灌封层的材料主要为环氧树脂，起到绝缘和加强结构的作用；电枢材料为铝合金。

前支撑端板及后支撑端板采用Q345材料(电导率取2.2×106S/m)，实心圆环结构，前支撑端板厚度h1=20 mm，后支撑端板厚度h2=45 mm，前后支撑端板内直径d2=185mm，外直径d3=250 mm，支撑端板的安装位置用前、后支撑端板与铜导线的距离表示，为便于研究，本文取中前、后支撑端板与铜导线距离相等，用s表示(即前支撑端板后端面与铜导线前端面的距离s1与后支撑端板前端面与铜导线后端面的距离s2值相等，取s=s1=s2)。单级线圈弹射器的组成及安装位置如图1所示。

图1 单级线圈弹射器组成图

单级线圈弹射器的模型参数如表1所示。

表1 单级线圈弹射器模型参数

2 数值研究模型

2.1 有限元分析理论基础

Ansoft Maxwell 是在电磁场领域得到广泛使用的有限元分析软件。它的基础是麦克斯韦微分方程，通过有限元离散的形式，将工程中复杂的电磁场计算转化为庞大的矩阵求解。

在瞬态磁场求解器中，动态矢量磁位A满足的场方程：

(1)

式中，Hc为磁性材料的矫顽力；v为运动物体的速度；A为动态矢量磁位；Js为源电流密度；∂为电荷面密度。

根据安培力公式，可知电枢w在驱动线圈内轴向方向上的受力，可以表示为

dFz=ipdl×Bw

(2)

式中，Bw为电枢w的磁感应强度，ip为求解处的电枢感应电流，dl为电枢求解线元。

能量转换效率的计算：

(3)

式中，m为电枢质量，v2为出口速度，v1为初速度，Cm表示第m级线圈外电路电容值，Um表示第m级外电路的电容初始电压，n代表一共有n组驱动线圈。

2.2 数值模拟计算

感应线圈弹射器结构具有轴对称特性，因此可将三维模型简化为二维轴对称结构，本文仿真模型采用二维轴对称模型瞬态求解器进行求解，单级线圈弹射器模型参数选取经正交试验法优化，根据优化结果建立适当的计算域，根据仿真模型划分网格，并进行局部网格细化，如图2所示。

图2 单级线圈弹射器仿真模型

图3为电磁线圈发射系统设计图，系统采用高压充电机对储能电容器进行充电，然后通过触发系统使储能电容器对驱动线圈进行放电，在驱动线圈中激发产生强脉冲磁场，并使电枢受到电磁力而加速。

图3 电磁线圈发射系统设计图

3 结果分析

3.1 支撑端板距离对单级线圈性能影响

脉冲电源参数为电容值C=4 mF，电压U=6500 V，电枢重量为m1=8 kg，负载重量m2=75.6 kg；电枢的初始触发位置为线圈轴向中间位置。如图1所示，s分别取值为0、0.215d、0.43d、0.645d、0.86d、1.07d、1.29d、无挡板(无挡板相当于s为无穷大，d为线圈内直径)，根据以上参数创建二维轴对称仿真模型，仿真模型及外部电路如图2、图3所示，得到仿真结果如表2所示。

表2 单级线圈弹射仿真结果

图4为不同前后支撑端板距离下放电回路电压变化曲线；图5为放电回路电流变化曲线；s越大，电压下降至0时间有所增加,电枢受到磁场作用时间变长；随着s增大，在上升段放电回路电流达到峰值的时间有较小幅度的增加，峰值有较小幅度的减小，但在下降段，s越大电流值越大，说明支撑端板离驱动线圈越远，电流处于高水平的时间越长。

图4 放电回路电压变化曲线

图5 放电回路电流变化曲线

图6为负载受到电磁推力变化曲线；图7为负载速度变化曲线。从图6和图7中可得，随着s越大，电枢受到推力增大，无挡板情况下，电枢受到推力值最大，负载末端出口速度最大；当s=0.215d时，负载受到的最大电磁推力增加幅度最大，增幅约为15.44%，负载末端最大出口速度增幅也最大，增幅约为16.25%；s=0.645d时，相比于s=0.43d，电磁最大推力增幅约为1.55%；负载末端出口速度增幅1.67%。随着s的增大，电枢受到推力和负载末端速度增幅都有所减小；s=0时，弹射器效率为5.19%，无挡板时单级线圈弹射器效率为8.19%，发射效率显著增加，相比于s=0弹射效率增幅为36.61%；说明支撑端板离驱动线圈越近，支撑挡板对电磁弹射器影响越大，且当s≥0.645d时，弹射效率相比于无挡板时减幅为2.81%，支撑端板对单级电磁弹射器的影响可忽略不计。

图6 负载受到电磁推力变化曲线

图7 负载速度变化曲线

3.2 电磁线圈电磁场分布情况分析

通过上述对结果数据，对前后支撑端板距离铜导线位置不同时电路特性、电枢受到推力、负载末端速度以及发射效率进行了分析，下面通过电磁场分布情况进一步进行说明。

图8分别是距离s=0、0.215d、0.645d、无挡板时磁场强度分布情况，对比不同距离下磁场强度可知，磁场强度最大值都在驱动线圈内侧，且支撑端板距离驱动线圈越远，磁场强度最大值越大，当无挡板情况时，磁场强度最大值为8.06×106A/m；当s=0和s=0.215d时，前后支撑端板内部的磁场强度分布明显大于无穷远处，s=0.645d以及无挡板时，前后支撑端板内部的磁场强度与无穷远处基本相同，说明支撑端板距驱动线圈过近时，将对整体磁场强度产生影响，使得负载末端出口以及电磁弹射效率受到一定影响，且距离越近，受到影响越大；从图中也可以看出，当s=0.645d时，支撑端板对磁场强度的影响可忽略不计。

图8 不同距离s磁场强度分布

4 单级电磁线圈弹射器试验验证

根据仿真结果可知，进行单级电磁线圈弹射器弹射设计并进行试验。试验时，支撑端板与铜导线距离s=0.645d,脉冲电源参数为电容值C=4 mF，电压U=6500 V；，电枢重量为m1=8 kg，负载重量m2=75.6 kg；电枢的初始触发位置为线圈轴向中间位置，电枢与负载接触放置但无固连关系，电枢受到洛伦兹力的作用，推动负载做直线运动。单级线圈弹射试验及仿真结果如表3所示。

表3 单级线圈弹射试验仿真结果对比

图9、图10分别为单级线圈放电回路电压和电流变化曲线对比图。试验放电回路放电时间(由6502 V下降至0)为3.05 ms，仿真放电回路放电时间为3.29 ms；试验放电回路电流达到峰值的时间为2.4 ms，峰值11.51 kA，仿真放电回路电流达到峰值时间为2.55 ms，峰值为11.27 kA；说明试验和仿真放电回路基本特性基本吻合，试验时放电电流到达峰值后下降速度稍快于仿真。

图9 单级线圈放电回路电压变化曲线对比图

图10 单级线圈放电回路电流变化曲线对比图

图11为负载受到电磁推力变化曲线对比图，图12为负载速度曲线变化对比图。由图11可知,负载受到电磁推力上升段达到峰值时间与仿真值基本相同约为2.3 ms，试验时负载最大电磁推力为340.442 kN，仿真时负载最大电磁推力约为354.32 kN，最大电磁推力基本相等；负载受到电磁推力下降段，仿真值下降至0以下，说明电枢受到反向拉力，试验时电磁推力下降至0时推力在0附近产生小幅度的波动，且推力值略大于仿真值。从图12中可以知，试验时负载的最大速度约为12.93 m/s，仿真最大速度结果为13.34 m/s，误差为3.17%；仿真时速度达到最大值后有所下降，而试验时速度并未下降，这是由于试验时电枢和负载是分离的，反向拉力并未作用于负载，而仿真时负载和电枢设置为一体，故而受到反向拉力作用，符合实际情况。通过试验与仿真基本放电回路特性，电枢及负载受到电磁推力及速度变化情况综合对比，可以得到仿真模型计算结果与试验相吻合，同时证明仿真模型及方法的正确性。

图11 负载受到电磁推力变化曲线对比图

图12 负载速度变化曲线对比图

5 结 论

本文通过Ansoft Maxwell仿真计算Q345支撑端板与驱动线圈不同距离时，电磁线圈弹射器的放电回路特性、电枢受到推力、速度、发射效率以及支撑端板对磁场强度影响等结果进行分析，并通过仿真云图对支撑端板对磁场强度影响作出分析，并在仿真结果的指导下设计单级线圈弹射器试验，试验结果与仿真结果相吻合。通过从文中可以得到以下重要结论：

(1)考虑工程实际，前后支撑端板采用Q345材料，该材料具有导电性，对单级线圈弹射器放电回路、电枢推力、负载末端速度都会产生影响。

(2)前后支撑端板对弹射性能的影响程度由支撑端板与驱动线圈铜导线的距离决定，距离越远，弹射效率越高，弹射性能越好，无挡板影响时相比于s=0弹射效率可提高36.61%。

(3)单级线圈弹射器前后支撑端板端面距铜线圈端面距离s≥0.645d时，对弹射器性能的影响基本可以忽略不计。

(4)本文完成Q345材料对发射效率的影响研究，下一步将对支撑结构感应涡流影响机理进行深入分析。