吳 濤，吳炎烜，范寧軍

（北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京100081）

0 引言

我國(guó)現(xiàn)有子母彈藥中的中小口徑子彈藥引信均采用機(jī)械觸發(fā)引信，引信內(nèi)無(wú)電源裝置和電路系統(tǒng)，發(fā)火采用針刺雷管，未爆彈率較高。機(jī)電引信采用機(jī)電冗余發(fā)火技術(shù)，降低了引信發(fā)火可靠性對(duì)目標(biāo)特性和自身姿態(tài)的依賴程度，可以有效提高發(fā)火率。此外，機(jī)電引信更有利于采用電子“三自”（自毀、自失效、自失能）等技術(shù)進(jìn)一步提高子彈藥的使用安全性［1］。

目前，限制子彈藥機(jī)電引信發(fā)展的主要原因是引信體積有限，沒(méi)有足夠空間布置電源裝置。傳統(tǒng)的引信用電源，不論是物理電源還是化學(xué)電源，其體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于小口徑子彈藥引信的設(shè)計(jì)要求。本文研究一種基座式發(fā)電機(jī)，它利用引信體和彈體的相對(duì)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能，為子彈藥引信供電。

1 基座式發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

子彈藥引信基座式發(fā)電機(jī)為電磁式發(fā)電機(jī)［2］，它的能量來(lái)源于子彈藥自身旋轉(zhuǎn)以及各部分所受到的氣動(dòng)力?；桨l(fā)電機(jī)在子彈藥中的裝配位置如圖1所示，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。發(fā)電機(jī)本體部分由多極永磁體陣列、多層平面線圈和磁軛組成。永磁體部分與彈體固連，材料為釹鐵硼磁鐵N35SH，其剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br=1.195T；線圈部分與引信體固連，是磁電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件［3］，平面線圈的具體結(jié)構(gòu)如圖2（c）所示，其中每一個(gè)扇形區(qū)域被定義成為一個(gè)組，線圈的組數(shù)與永磁體陣列的磁極數(shù)相等；磁軛是磁路的一部分，起導(dǎo)磁的作用［4］，由硅鋼制成。

圖1 子彈藥引信結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of submunition fuze

圖2 基座式發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram ofpedestal generator

2 基座式發(fā)電機(jī)的動(dòng)力源

基座式發(fā)電機(jī)是利用引信體與彈體的相對(duì)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能的，它的動(dòng)力主要來(lái)源于引信體旋翼以及彈體泄壓孔所受到的氣動(dòng)力。

子彈藥與母彈分離后的飛行過(guò)程主要包括減速飛行段和穩(wěn)定下落段，在減速飛行段，子彈藥的速度、轉(zhuǎn)速和姿態(tài)變化十分劇烈，不利于發(fā)電機(jī)穩(wěn)定可靠地工作。所以本文考慮讓發(fā)電機(jī)工作在穩(wěn)定下落段。子彈藥穩(wěn)定下落段落速為30～50m／s，攻角一般不大于5°。通過(guò)氣動(dòng)仿真得到了氣流速度為30 m／s，攻角為5°時(shí)，引信體旋翼對(duì)彈軸的氣動(dòng)力矩約為1.75×10-3N·m。

子彈藥的泄壓孔位于彈體靠近藥型罩下端，沿彈體均勻周向分布，最初目的是為提高子彈藥的氣動(dòng)穩(wěn)定性。為了能夠使引信體和彈體相對(duì)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)速差，設(shè)計(jì)泄壓孔產(chǎn)生對(duì)彈軸的氣動(dòng)力矩方向與旋翼方向相反，這樣就增加了能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力。初步分析，在氣流速度為30 m／s，攻角為5°時(shí)，泄壓孔對(duì)彈軸的氣動(dòng)力矩可以達(dá)到7.2×10-4N·m。從而，在氣流速度為30m／s，攻角為5°時(shí)，基座式發(fā)電機(jī)的總驅(qū)動(dòng)力矩可到達(dá)2.47×10-3N·m。

3 基座式發(fā)電機(jī)工作機(jī)理分析

基座式發(fā)電機(jī)的工作基于電磁感應(yīng)的基本原理，即永磁體和線圈由于相對(duì)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差，線圈不斷切割磁感線，從而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

3.1 基本電磁關(guān)系

本文將用一種直接的物理建模方法探討基座式發(fā)電機(jī)的基本電磁關(guān)系。為了詳細(xì)說(shuō)明分析模型，列出了如圖3所示的平面線圈的局部放大圖，此圖展示了平面線圈中的其中一匝a(bǔ)bcd以特定的角速度ω 在磁通密度為Bδ的磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)的情況。為了使分析過(guò)程簡(jiǎn)化，該模型假設(shè)工作區(qū)域內(nèi)的磁通密度Bδ為恒定值，忽略了工作區(qū)域內(nèi)磁場(chǎng)的空間分布。當(dāng)平面線圈的其中一匝a(bǔ)bcd處于圖3所示的位置時(shí)，根據(jù)右手法則感應(yīng)電流分別從線段ab中的b流向a，同理線段cd中的電流從d流向c。另一方面，︵bc和︵ad與轉(zhuǎn)子切向速度平行，不切割磁感線，因此不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。因此，當(dāng)平面線圈的其中一匝a(bǔ)bcd與多極永磁體產(chǎn)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)，ab和cd段產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可分別表示為：

根據(jù)式（1）和式（2），線圈abcd產(chǎn)生的總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可以表示為：

其中Rn和rn分別表示線圈的外半徑和內(nèi)半徑。若C1表示一個(gè)線圈組最外圍的一匝線圈，其內(nèi)外半徑分別為Rci和Rco，其產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大值記為e1。則e1可以表示為：

在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)假設(shè)平面線圈的線寬和線間距均為λ。則每一匝線圈的內(nèi)外半徑可以分別表示為：

其中n=1，2，…，N，根據(jù)以上式子每一匝線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大值可以表示為：

進(jìn)而一個(gè)匝數(shù)為N，組數(shù)為M，層數(shù)為L(zhǎng) 的多層平面線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大值Em可以表示為：

圖3 線圈和永磁體相對(duì)旋轉(zhuǎn)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the magnet rotating relative to the coil

3.2 輸出功率計(jì)算

在實(shí)際工作中，基座式發(fā)電機(jī)將和引信的后續(xù)電路連接。如圖4所示，基座式發(fā)電機(jī)可等效為一恒定的理想電源與線圈電阻r和電感L 的串聯(lián)，再與外接負(fù)載Z 串聯(lián)。

在本文的研究中，假設(shè)線圈電感的影響可以忽略，并且只考慮外接阻性負(fù)載的情況。當(dāng)在線圈兩端接入阻性負(fù)載R，即Z=R 時(shí)，基座式發(fā)電機(jī)的電磁功率為：

式（8）和式（10）是確定子彈藥引信基座式發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的重要依據(jù)。同時(shí)，參數(shù)值的確定需考慮引信體的空間約束以及部件的加工能力。綜合分析后，確定了基座式發(fā)電機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表1。

圖4 發(fā)電機(jī)等效電路圖Fig.4 Equivalent circuit diagram of generator

表1 基座式發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)值Tab.1 Design parameters ofpedestal generator

3.3 仿真分析

將基座式發(fā)電機(jī)模型導(dǎo)入Magnet電磁仿真軟件，基座式發(fā)電機(jī)的仿真模型如圖5所示。在此次仿真中，以永磁體陣列和下磁軛為轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速設(shè)定為2 000r／min，以線圈和上磁軛為定子，電路設(shè)定為開路。圖6 為相鄰兩個(gè)線圈組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形圖。

由圖6可知，單個(gè)線圈組在2 000r／min的轉(zhuǎn)速下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)峰值為0.54V，相鄰兩個(gè)線圈組相位差為180°。圖7為經(jīng)過(guò)整流后的基座式發(fā)電機(jī)總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線，由于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線可近似看作正弦波形，因此可以得到在2 000r／min的轉(zhuǎn)速下基座式電機(jī)開路電壓的有效值U0=Em／=4.58V，電壓輸出能滿足子彈藥引信的工作需求。

圖5 基座式電機(jī)仿真模型圖Fig.5 Simulation model of pedestal generator

圖6 相鄰線圈組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形Fig.6 Waveform of induced EMF of adjacent coils

圖7 基座式電機(jī)總感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線Fig.7 Waveform of induced EMF of the pedestal generator

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在基座式發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)完成后，需要進(jìn)行樣機(jī)加工，并對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果可用于檢驗(yàn)理論分析的正確性。測(cè)試結(jié)果反應(yīng)的問(wèn)題也是今后基座式發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與改進(jìn)的重要參考。

4.1 測(cè)試裝置

為了給基座式發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力，我們使用鉆床作為動(dòng)力源。鉆床主軸的額定轉(zhuǎn)速分別為520、900、1 320、1 880、2 620r／min，可以在不同轉(zhuǎn)速下測(cè)試發(fā)電機(jī)的輸出性能。

將基座式發(fā)電機(jī)的線圈部分固定在工作臺(tái)三角卡盤上，使用鉆床主軸驅(qū)動(dòng)的樣機(jī)的永磁體部分，使永磁體和線圈產(chǎn)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，測(cè)試發(fā)電機(jī)的輸出性能。發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)直接由示波器顯示。測(cè)試裝置如圖8所示。

4.2 測(cè)試結(jié)果

在測(cè)試中，通過(guò)調(diào)整鉆床的額定轉(zhuǎn)速來(lái)改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，可分別得到在不同轉(zhuǎn)速下基座式發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 620r／min時(shí)，基座式發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大值可達(dá)6.2V。而相同條件下的數(shù)值仿真結(jié)果為8.3V，測(cè)試結(jié)果為數(shù)值仿真結(jié)果的74.7%。造成誤差的主要原因包括：受裝配精度的影響，線圈平面與轉(zhuǎn)子之間的間隙可能大于理論設(shè)計(jì)參數(shù)；永磁體在儲(chǔ)存后產(chǎn)生了一定的退磁，會(huì)導(dǎo)致其剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br有所減小，從而使實(shí)際的氣隙磁通密度小于仿真分析結(jié)果。

基座式發(fā)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大值的理論計(jì)算結(jié)果，數(shù)值仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較如圖10所示。圖10所示結(jié)果表明，發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大值的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果隨轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)一致。而理論計(jì)算結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果誤差不大，可證明理論推導(dǎo)的正確性。

圖8 測(cè)試裝置Fig.8 Test device

圖9 不同轉(zhuǎn)速下感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形Fig.9 Waveform of induced EMF of different speed

圖10 理論計(jì)算、數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較Fig.10 Comparison of results by theoretical analysis，simulation and experiment

5 結(jié)論

本文提出了子彈藥引信基座式發(fā)電機(jī)。該發(fā)電機(jī)利用引信體和彈體的相對(duì)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能，由多極永磁體陣列、多層平面線圈和磁軛組成。理論計(jì)算、數(shù)值仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基座式發(fā)電機(jī)的電能輸出能滿足子彈藥引信的需求，并且推導(dǎo)的理論公式可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。下一步的研究工作包括原理樣機(jī)模擬吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)，更加準(zhǔn)確地獲取子彈藥引信基座式發(fā)電機(jī)的工作性能。

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