国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

404 Not Found


nginx
404 Not Found

404 Not Found


nginx
404 Not Found

404 Not Found


nginx
404 Not Found

404 Not Found


nginx
404 Not Found

404 Not Found


nginx
404 Not Found

404 Not Found


nginx

爆炸磁頻率發(fā)生器電感特性分析

2011-09-18 13:08:16邱景輝袁業(yè)術(shù)
電波科學(xué)學(xué)報(bào) 2011年2期
關(guān)鍵詞:磁通量電樞螺距

索 瑩 邱景輝 李 偉 袁業(yè)術(shù)

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)

1.引 言

利用非核手段產(chǎn)生電磁脈沖破壞探測(cè)、通訊及指揮系統(tǒng)已成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)之一[1-3]。電磁脈沖可覆蓋很寬的頻率范圍,且具有較高的瞬時(shí)能量,可對(duì)電子系統(tǒng)造成巨大威脅,因此,對(duì)于電磁脈沖的研究在基礎(chǔ)理論和技術(shù)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。爆炸磁頻率發(fā)生器(explosive magnetic generator of frequency,EMGF)是一種結(jié)構(gòu)緊湊的一次性電磁脈沖產(chǎn)生和輻射裝置,最早在文獻(xiàn)[4]中由Prishchepenko提出,之后國(guó)內(nèi)外做了大量的實(shí)驗(yàn)研究。這種發(fā)生器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功率大等優(yōu)點(diǎn),在很多領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景,引起各國(guó)的廣泛關(guān)注[5]。

爆炸磁頻率發(fā)生器是一種將炸藥的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電樞的動(dòng)能,并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)的電磁能量的裝置,其結(jié)構(gòu)上與早期報(bào)道的磁通量壓縮發(fā)生器(explosive magnetic flux compression generator,F(xiàn)CG)基本相同[6],區(qū)別在于在發(fā)生器末端的串聯(lián)電容,電容的加入改變了發(fā)生器回路電流特性,從而覆蓋很寬的頻率范圍(頻率范圍覆蓋幾十兆赫茲到上百吉赫茲),如果將此電磁脈沖通過(guò)天線有效輻射出去,將具有重要的應(yīng)用價(jià)值。發(fā)生器正處在不斷完善中,雖然輻射機(jī)理還存在一定爭(zhēng)議,但從等效電路角度分析,發(fā)生器中存在頻率足夠高的振蕩電流是產(chǎn)生電磁輻射的基礎(chǔ)[7]。

這里首先從等效電路分析,研究電感的變化規(guī)律對(duì)磁頻率發(fā)生器工作電流信號(hào)特性的影響,接著從實(shí)際模型出發(fā),探討對(duì)有電樞存在時(shí)的電感計(jì)算進(jìn)行修正,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證爆炸磁頻率發(fā)生器產(chǎn)生脈沖輻射的可能性。

2.發(fā)生器等效電路模型

爆炸磁頻率發(fā)生器由螺旋型FCG發(fā)展而來(lái),即由纏繞于電樞外的定子線圈串聯(lián)一小電容構(gòu)成,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示,當(dāng)電樞在炸藥爆炸的作用下依次擴(kuò)張,與定子的各匝線圈依次短路,則線圈內(nèi)的磁場(chǎng)被壓縮,由于定子線圈的電感不斷減小,根據(jù)磁通量守恒原理,使得電流強(qiáng)度越來(lái)越高,又根據(jù)ω=(LC)0.5,回路電流信號(hào)的振蕩頻率會(huì)越來(lái)越高,最終導(dǎo)致在短時(shí)間輻射出一定強(qiáng)度的電磁脈沖。

爆炸磁頻率發(fā)生器的等效電路如圖2所示,其中C1表示提供初始電流的大電容;C2為在回路中產(chǎn)生振蕩頻率的小電容;L(t)為磁通量壓縮發(fā)生器的電感線圈;R1表示電路電阻(包括全部磁通量損失和電路電阻);R2為連接于變壓器的次級(jí)線圈的復(fù)雜負(fù)載。

當(dāng)充電回路電流達(dá)到最大值時(shí),撬桿開(kāi)關(guān)與電樞接觸,充電回路被短路,若直接與大電阻負(fù)載連接,初始能量將在極短的時(shí)間內(nèi)傳送至負(fù)載電阻,發(fā)生器中的磁通量還未得到壓縮,因此,能量無(wú)法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換,因此,需要考慮通過(guò)變壓器連接大電阻負(fù)載。此處在分析等效電路時(shí),暫時(shí)忽略變壓器對(duì)回路的影響,并且不考慮回路中的雜散電容和引線產(chǎn)生的分布電感,根據(jù)基爾霍夫定律電壓守恒,圖2中回路電流的等效電路初始方程為

整理后,得到回路的等效電路方程為

當(dāng)電感的變化形式及初始條件確定,就可得到工作電流I(t),通常情況下,電流I(t)的解析解是很難求出的,這里采用數(shù)值解法求解方程。隨著爆炸的進(jìn)行,電感線圈不斷減小,因此,L′(t)<0,按照電感纏繞方式的不同,電感減小的方式可分為3類[8],一種為電感線性減小(L″(t)=0),另一種為電感減小先慢后快(L″(t)<0),最后一種為電感減小先快后慢(L″(t)>0),并根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件,給出一組實(shí)際的初值,得出各自條件下,回路電流的工作情況。

首先考慮電感線性減小的情況,即L=L0(1-t/τ),τ為電感放電時(shí)間。則可得到工作回路的微分方程為

取L0=1μH,R=0.02Ω,C=500pF,τ=20 μs,通過(guò)求解微分方程,得到工作電流的時(shí)間變化曲線如圖3所示,電流的振幅在運(yùn)行結(jié)束時(shí)迅速變大,而頻率也有所升高,但從電流的頻域譜中看,中心頻率在70MHz左右,電流達(dá)到半功率頻帶約為60~90MHz,但頻率和振幅的增加都在發(fā)生器運(yùn)行的最后階段,僅占發(fā)生器運(yùn)行時(shí)間的10%,不利于電磁振蕩的有效輻射。

圖3 電感線性變化時(shí)電流特性曲線

對(duì)于第二種情況,電感減小先慢后快的形式,在電阻足夠小的情況下,電路中電流波形的包絡(luò)也是時(shí)間的增函數(shù),這與圖3類似,在臨近爆炸結(jié)束階段,增加變得極為迅速,電流的增加可以認(rèn)為是理想狀態(tài)下磁通量有保持不變的趨勢(shì),并且電感的減小需要電流的增大來(lái)補(bǔ)償,另外,電感的減小帶來(lái)了電流振蕩頻率的增加。但若電感不斷減小過(guò)程中滿足上述條件,則電感線圈的螺距應(yīng)為先疏后密,但在電感減小的后期,由于電流的增加,過(guò)密的螺距使得線圈之間擊穿的概率增大,也為發(fā)生器的設(shè)計(jì)增加了難度,因此,此類情況不適于發(fā)生器的工作。以L=L0[1-(t/τ)3)]為例,仍取L0=1μH,R=0.02Ω,C=500pF,τ=20μs,通過(guò)求解微分方程,得到工作電流的時(shí)間變化曲線如圖4所示,中心頻率仍在50 MHz左右,半功率頻帶寬度變窄,約15MHz.

第三種情況是電感減小先快后慢,即L″(t)>0,以L=L0(1-t/τ)3為例,仍取L0=1μH,R=0.02 Ω,C=500pF,τ=20μs,電流的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5,電流的時(shí)間包絡(luò)呈魚(yú)形,約在5μs時(shí),電流頻率開(kāi)始上升,電流在爆炸后期(約17μs時(shí)刻)迅速衰減,這與文獻(xiàn)[4]中吻合較好。電流達(dá)到半功率頻帶約為20~90MHz,帶寬得到有效擴(kuò)展,若對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,有進(jìn)一步擴(kuò)展帶寬的可能性,更有利于電磁輻射。

以上從等效電路的角度對(duì)發(fā)生器進(jìn)行分析,重點(diǎn)分析了螺線管電感的變化率對(duì)工作電流的影響,從系統(tǒng)中存在頻率不斷增長(zhǎng)的電流振蕩信號(hào)驗(yàn)證了產(chǎn)生電磁輻射的可能性,至于線圈自身產(chǎn)生的輻射,以及爆炸過(guò)程中產(chǎn)生的高溫等離子體對(duì)發(fā)生器造成的影響都有待深入的研究。

3.動(dòng)態(tài)電感分析

爆炸過(guò)程中,電感的精確計(jì)算對(duì)電容放電時(shí)間、電流放大倍數(shù)以及頻譜的計(jì)算有很大影響,在發(fā)生器運(yùn)行過(guò)程中,電感隨著爆炸的進(jìn)行不斷變化,需要建立動(dòng)態(tài)電感的變化模型。當(dāng)電感螺距隨時(shí)間變化時(shí),現(xiàn)有的電感計(jì)算公式無(wú)法精確計(jì)算電感值,因此,會(huì)把線圈視為環(huán)形電感的串聯(lián)形式,則初始電感可表示為

式中:Li為各圓環(huán)電感的自感;Mij為第i,j個(gè)圓環(huán)間的互感。因此,可通過(guò)計(jì)算出線圈隨時(shí)間t消失變化的匝數(shù)n(t),得到電感的變化公式。對(duì)于圓環(huán)電感,在30~300MHz頻率范圍內(nèi),自感約為[9]

式中:D為圓環(huán)線圈半徑;2r為線徑。當(dāng)線圈繞匝不是很密,螺線管不是很長(zhǎng)的情況下,互感可表示為

式中,Kij,Eij分別為kij的第一類。第二類全橢圓積分。至此可得到螺旋線圈的電感值,但是此類計(jì)算研究是按照空心螺旋線圈計(jì)算的,發(fā)生器的線圈里放置有電樞,當(dāng)電流在線圈中傳遞,電樞的導(dǎo)電壁產(chǎn)生渦流,從而使電樞形成一個(gè)電磁屏,因此,計(jì)算電感時(shí)應(yīng)考慮電樞的影響,即不考慮屏蔽時(shí)求出的電感值(L和M)與電樞屏蔽影響產(chǎn)生的增量電感(ΔL和ΔM)之和。當(dāng)電樞與線圈如圖1放置時(shí),由電樞屏蔽作用產(chǎn)生的自感增量以及線圈間的互感增量分別為

式中:h為線圈螺距;I1,K1分別為第一類和第二類一階修正貝塞爾函數(shù)。以電感線性變化為例,選擇螺旋線圈半徑25mm,線圈螺距10mm,電樞長(zhǎng)20cm,半徑15mm,則線圈半徑為電樞半徑的1.67倍,電樞內(nèi)填充炸藥的爆炸速度為10km/s.分別計(jì)算不考慮電樞屏蔽作用和綜合考慮電樞屏蔽作用時(shí)的電感變化曲線,計(jì)算結(jié)果如圖6所示,考慮電樞屏蔽作用的初始電感減小為原來(lái)的76%,影響較大,隨著爆炸向前推進(jìn),電樞的屏蔽作用影響逐漸減弱,但整個(gè)過(guò)程中電樞的屏蔽作用不可忽略。線圈到電樞的距離直接影響電感大小,保持上述其他參數(shù)不變,僅改變電樞半徑a從10mm到20mm,則可得到電樞的屏蔽作用使得電感的減小率計(jì)算結(jié)果如圖7所示,模型的電感線圈螺距不變,因此,計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單,影響的趨勢(shì)很明顯,隨著電樞半徑的減小,電感的減小量就越小,并且隨著時(shí)間的推進(jìn),屏蔽作用對(duì)電感減少率的影響逐漸減弱,直到爆炸結(jié)束。

4.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)現(xiàn)有條件,實(shí)際制作了一個(gè)爆炸磁頻率發(fā)生器,發(fā)生器線圈按照先密后疏的方式分為三段纏繞,其參數(shù)見(jiàn)表1。發(fā)生器的結(jié)構(gòu)如圖8(a)所示,左邊為螺旋型磁頻率發(fā)生器,可以利用羅科夫斯基線圈進(jìn)行測(cè)量得到工作回路中的電流,右邊是為線圈提供初始電流的電容器。由于磁通壓縮運(yùn)行過(guò)程是復(fù)雜的磁流體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象,而且實(shí)驗(yàn)中存在多種損耗以及加工工藝產(chǎn)生的跳匝現(xiàn)象,使得磁通量壓縮與預(yù)計(jì)的結(jié)果有一定的誤差。由于發(fā)生器爆炸過(guò)程中對(duì)周圍電磁環(huán)境有很大影響,示波器檢測(cè)到的波形有一定的失真,圖8(b)給出了由羅科夫斯基線圈測(cè)量得到的電壓結(jié)果,經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換得到工作回路的電流,幅度大約放大18倍,頻率約為初始頻率的1.5倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明發(fā)生器產(chǎn)生電磁輻射的原理是可以實(shí)現(xiàn)的,但要達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,還需要對(duì)結(jié)構(gòu)和加工工藝進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)與提高。

表1 發(fā)生器線圈主要參數(shù)

5.結(jié) 論

對(duì)螺旋型爆炸磁頻率發(fā)生器基本模型的電感特性進(jìn)行了詳細(xì)的理論研究,從等效電路出發(fā),通過(guò)分析不同電感變化率得到了相應(yīng)的電流特性曲線,結(jié)果表明:電感減小先快后慢的變化規(guī)律結(jié)構(gòu)更合理,有利于電磁輻射。接著結(jié)合發(fā)生器結(jié)構(gòu),考慮電樞存在下電感的計(jì)算,得到修正后的電感計(jì)算公式,并得出電樞半徑不同時(shí),電感減小率與時(shí)間的變化曲線,提高了發(fā)生器電感計(jì)算的精確度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該類型發(fā)生器能夠產(chǎn)生振蕩電流,并最終產(chǎn)生電磁輻射。本文中電感變化特性的分析對(duì)爆炸磁頻率發(fā)生器的應(yīng)用研究有一定的指導(dǎo)意義,電感計(jì)算的修正對(duì)發(fā)生器的設(shè)計(jì)也有一定的參考價(jià)值。下一步的工作是在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生上百兆赫茲甚至幾百吉赫茲的電磁輻射,并進(jìn)行更深入的研究。

[1]LV Q A,LEI B,GAO M,et al.Magnetic flux compression generator as future military pulsed power supply[J].IEEE Transactions on Magnetic.2009,45(1):545-549.

[2]PARKER J V,CAVAZOS T C,ROTH C E,et al.Development and testing of a high-gain magnetic flux compression generator[C]∥ Proceedings of 11th International Conference on Megagauss Field Generation and Related Topics.London,2006:265-274.

[3]姜澤輝,趙海發(fā),曲 偉,等.爆炸磁頻率發(fā)生器的等效電路分析[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào).2005,20(2):193-196.JIANG Zehui,ZHAO Haifa,QU Wei,et al.Equivalent circuit analysis for explosive magnetic frequency generators[J].Chinese Journal of Radio Science,2005,20(2):193-196.(in Chinese)

[4]ПРИЩЕПЕНКО А Б, ЩЕЛКАЧЕВ М В.Диссипативныеидиффуэионныепотеривспиральном взрывомагнитном генераторе. Электричество [J].1993:31-36.

[5]DAVIS C B,NEUBER A A,YOUNG A,et al.Optimization of an FCG-based high-power microwave system using nonexplosive pulsed power[J].IEEE Transactions on Plasma Science.2009,37(12):2321-2327.

[6]NOVAC B M,SMITH I R.Brief History and classification of magnetic flux compression generators[J].E-lectromagnetic Phenomena.2003,3(3):358-365.

[7]ALTGILBERS L L,ONOOCHIN V V.Analysis of the equivalent circuit of prishchepenko-type spiral MCGs[C]//12th IEEE International Pulsed Power Conference,1999:1260-1263.

[8]姜澤輝,吳 冬,韓杰才,等.電感變化率對(duì)爆炸磁頻率發(fā)生器性能的影響[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2007,22(6):924-927.JIANG Zehui,WU Dong,HAN Jiecai,et al.Influences of inductance reducing rate in explosive magnetic frequency generators[J].Chinese Journal of Radio Science,2007,22(6):924-927.(in Chinese)

[9]卡蘭塔羅夫著.電感計(jì)算手冊(cè)[M].陳湯銘譯.機(jī)械工業(yè)出版社.1992:250-256.

猜你喜歡
磁通量電樞螺距
四軌電磁發(fā)射器電樞-軌道初始接觸特性研究*
淺析磁通量變化量在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的應(yīng)用
變螺距螺紋數(shù)控車削技巧
雙層電樞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其電磁力和電流密度分布*
電樞裝配后接觸壓力不均勻特性研究*
常用粗牙螺紋螺距簡(jiǎn)易計(jì)算公式及應(yīng)用
磁通量概念解讀
磁通量概念解讀
雙源CT大螺距掃描在胸部篩查的應(yīng)用
多個(gè)超導(dǎo)磁通量子比特的可控耦合
404 Not Found

404 Not Found


nginx
404 Not Found

404 Not Found


nginx
404 Not Found

404 Not Found


nginx
404 Not Found

404 Not Found


nginx
404 Not Found

404 Not Found


nginx
安义县| 榕江县| 泰顺县| 合江县| 开封市| 余庆县| 江城| 裕民县| 津市市| 商南县| 乌海市| 五寨县| 内乡县| 花垣县| 雅江县| 石家庄市| 中山市| 乐陵市| 綦江县| 忻城县| 隆安县| 突泉县| 康乐县| 林芝县| 蕉岭县| 天台县| 通海县| 漳平市| 马边| 云安县| 峨山| 信阳市| 银川市| 连江县| 盈江县| 抚顺县| 清新县| 义马市| 平舆县| 灌云县| 论坛|