劉清照，陳延偉，李蘋慧，李 奇

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，鄭州 450000)

0 引 言

按照發(fā)射器結(jié)構(gòu)發(fā)射原理的不同，電磁裝置可以分為軌道式、線圈式、重接式三種。其中線圈式電磁彈射技術(shù)是根據(jù)普通的直線電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)衍生出來的，其歷史最為久遠(yuǎn)。同步感應(yīng)線圈彈射器是線圈式發(fā)射技術(shù)的一種，其主要特點(diǎn)是利用多個(gè)脈沖電源對各級線圈同步放電和彈丸線圈內(nèi)的磁通變化感應(yīng)加速[1-2],因彈射過程中電樞與驅(qū)動線圈之間無機(jī)械接觸，在火炮、導(dǎo)彈、魚雷、航天發(fā)射等技術(shù)領(lǐng)域都有著巨大的應(yīng)用前景[3-5]。

線圈式電磁彈射器研究以工程試驗(yàn)樣機(jī)及有限元仿真為主，2011年石家莊機(jī)械工程學(xué)院研制了單級感應(yīng)線圈彈射裝置，利用100 KJ電容器將1.125 kg的負(fù)載加速到132.8 m/s[6]。2012年張濤等設(shè)計(jì)15級驅(qū)動線圈(長約1.65 m)的同步線圈彈射器，各級驅(qū)動線圈采用上下兩個(gè)半圓型支撐端板進(jìn)行支撐，在較短加速段將5kg電樞加速到219m/s[7]。目前，感應(yīng)線圈彈射技術(shù)的研究主要集中在發(fā)射器和電樞的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面。主要通過高強(qiáng)度驅(qū)動線圈制造及電樞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決在彈射實(shí)驗(yàn)中驅(qū)動線圈及電樞所受的電磁沖擊力和發(fā)熱等問題[8-10]。

電磁彈射可實(shí)現(xiàn)較大的出口速度，考慮到電磁彈射器的適裝性需求，加速段應(yīng)盡量小短。因此電樞需在有限距離內(nèi)受到較大的軸向推力，由牛頓第二定律，固定驅(qū)動線圈的支撐端板也將受到較大的軸向推力，故對支撐端板結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度提出較高要求。在實(shí)際工程應(yīng)用中，綜合考慮材料的性能和成本，本文支撐端板采用Q345材料，其加工性能較好、強(qiáng)度能夠滿足較大后坐力且價(jià)格便宜。但脈沖電源瞬時(shí)放電會在電磁線圈周圍形成強(qiáng)磁場行波，由于Q345結(jié)構(gòu)鋼具有一定的導(dǎo)電性，支撐端板距離電磁線圈過近將對彈射時(shí)磁場產(chǎn)生影響，從而影響彈射器彈射效率。本文主要研究材料為Q345支撐端板安裝位置對單級線圈彈射器發(fā)射過程中電路特性及發(fā)射性能的影響，為線圈彈射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 單級線圈彈射器模型參數(shù)

本文主要研究對象為單級線圈彈射器，其結(jié)構(gòu)參數(shù)采用正交試驗(yàn)法優(yōu)化設(shè)計(jì)[11-12]。單級線圈彈射器主要由后支撐端板、灌封層、銅導(dǎo)線、前支撐端版、電樞、導(dǎo)向筒、脈沖電源等組成。灌封層的材料主要為環(huán)氧樹脂，起到絕緣和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的作用；電樞材料為鋁合金。

前支撐端板及后支撐端板采用Q345材料(電導(dǎo)率取2.2×106S/m)，實(shí)心圓環(huán)結(jié)構(gòu)，前支撐端板厚度h1=20 mm，后支撐端板厚度h2=45 mm，前后支撐端板內(nèi)直徑d2=185mm，外直徑d3=250 mm，支撐端板的安裝位置用前、后支撐端板與銅導(dǎo)線的距離表示，為便于研究，本文取中前、后支撐端板與銅導(dǎo)線距離相等，用s表示(即前支撐端板后端面與銅導(dǎo)線前端面的距離s1與后支撐端板前端面與銅導(dǎo)線后端面的距離s2值相等，取s=s1=s2)。單級線圈彈射器的組成及安裝位置如圖1所示。

圖1 單級線圈彈射器組成圖

單級線圈彈射器的模型參數(shù)如表1所示。

表1 單級線圈彈射器模型參數(shù)

2 數(shù)值研究模型

2.1 有限元分析理論基礎(chǔ)

Ansoft Maxwell 是在電磁場領(lǐng)域得到廣泛使用的有限元分析軟件。它的基礎(chǔ)是麥克斯韋微分方程，通過有限元離散的形式，將工程中復(fù)雜的電磁場計(jì)算轉(zhuǎn)化為龐大的矩陣求解。

在瞬態(tài)磁場求解器中，動態(tài)矢量磁位A滿足的場方程：

(1)

式中，Hc為磁性材料的矯頑力；v為運(yùn)動物體的速度；A為動態(tài)矢量磁位；Js為源電流密度；?為電荷面密度。

根據(jù)安培力公式，可知電樞w在驅(qū)動線圈內(nèi)軸向方向上的受力，可以表示為

dFz=ipdl×Bw

(2)

式中，Bw為電樞w的磁感應(yīng)強(qiáng)度，ip為求解處的電樞感應(yīng)電流，dl為電樞求解線元。

能量轉(zhuǎn)換效率的計(jì)算：

(3)

式中，m為電樞質(zhì)量，v2為出口速度，v1為初速度，Cm表示第m級線圈外電路電容值，Um表示第m級外電路的電容初始電壓，n代表一共有n組驅(qū)動線圈。

2.2 數(shù)值模擬計(jì)算

感應(yīng)線圈彈射器結(jié)構(gòu)具有軸對稱特性，因此可將三維模型簡化為二維軸對稱結(jié)構(gòu)，本文仿真模型采用二維軸對稱模型瞬態(tài)求解器進(jìn)行求解，單級線圈彈射器模型參數(shù)選取經(jīng)正交試驗(yàn)法優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果建立適當(dāng)?shù)挠?jì)算域，根據(jù)仿真模型劃分網(wǎng)格，并進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，如圖2所示。

圖2 單級線圈彈射器仿真模型

圖3為電磁線圈發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖，系統(tǒng)采用高壓充電機(jī)對儲能電容器進(jìn)行充電，然后通過觸發(fā)系統(tǒng)使儲能電容器對驅(qū)動線圈進(jìn)行放電，在驅(qū)動線圈中激發(fā)產(chǎn)生強(qiáng)脈沖磁場，并使電樞受到電磁力而加速。

圖3 電磁線圈發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

3 結(jié)果分析

3.1 支撐端板距離對單級線圈性能影響

脈沖電源參數(shù)為電容值C=4 mF，電壓U=6500 V，電樞重量為m1=8 kg，負(fù)載重量m2=75.6 kg；電樞的初始觸發(fā)位置為線圈軸向中間位置。如圖1所示，s分別取值為0、0.215d、0.43d、0.645d、0.86d、1.07d、1.29d、無擋板(無擋板相當(dāng)于s為無窮大，d為線圈內(nèi)直徑)，根據(jù)以上參數(shù)創(chuàng)建二維軸對稱仿真模型，仿真模型及外部電路如圖2、圖3所示，得到仿真結(jié)果如表2所示。

表2 單級線圈彈射仿真結(jié)果

圖4為不同前后支撐端板距離下放電回路電壓變化曲線；圖5為放電回路電流變化曲線；s越大，電壓下降至0時(shí)間有所增加,電樞受到磁場作用時(shí)間變長；隨著s增大，在上升段放電回路電流達(dá)到峰值的時(shí)間有較小幅度的增加，峰值有較小幅度的減小，但在下降段，s越大電流值越大，說明支撐端板離驅(qū)動線圈越遠(yuǎn)，電流處于高水平的時(shí)間越長。

圖4 放電回路電壓變化曲線

圖5 放電回路電流變化曲線

圖6為負(fù)載受到電磁推力變化曲線；圖7為負(fù)載速度變化曲線。從圖6和圖7中可得，隨著s越大，電樞受到推力增大，無擋板情況下，電樞受到推力值最大，負(fù)載末端出口速度最大；當(dāng)s=0.215d時(shí)，負(fù)載受到的最大電磁推力增加幅度最大，增幅約為15.44%，負(fù)載末端最大出口速度增幅也最大，增幅約為16.25%；s=0.645d時(shí)，相比于s=0.43d，電磁最大推力增幅約為1.55%；負(fù)載末端出口速度增幅1.67%。隨著s的增大，電樞受到推力和負(fù)載末端速度增幅都有所減??；s=0時(shí)，彈射器效率為5.19%，無擋板時(shí)單級線圈彈射器效率為8.19%，發(fā)射效率顯著增加，相比于s=0彈射效率增幅為36.61%；說明支撐端板離驅(qū)動線圈越近，支撐擋板對電磁彈射器影響越大，且當(dāng)s≥0.645d時(shí)，彈射效率相比于無擋板時(shí)減幅為2.81%，支撐端板對單級電磁彈射器的影響可忽略不計(jì)。

圖6 負(fù)載受到電磁推力變化曲線

圖7 負(fù)載速度變化曲線

3.2 電磁線圈電磁場分布情況分析

通過上述對結(jié)果數(shù)據(jù)，對前后支撐端板距離銅導(dǎo)線位置不同時(shí)電路特性、電樞受到推力、負(fù)載末端速度以及發(fā)射效率進(jìn)行了分析，下面通過電磁場分布情況進(jìn)一步進(jìn)行說明。

圖8分別是距離s=0、0.215d、0.645d、無擋板時(shí)磁場強(qiáng)度分布情況，對比不同距離下磁場強(qiáng)度可知，磁場強(qiáng)度最大值都在驅(qū)動線圈內(nèi)側(cè)，且支撐端板距離驅(qū)動線圈越遠(yuǎn)，磁場強(qiáng)度最大值越大，當(dāng)無擋板情況時(shí)，磁場強(qiáng)度最大值為8.06×106A/m；當(dāng)s=0和s=0.215d時(shí)，前后支撐端板內(nèi)部的磁場強(qiáng)度分布明顯大于無窮遠(yuǎn)處，s=0.645d以及無擋板時(shí)，前后支撐端板內(nèi)部的磁場強(qiáng)度與無窮遠(yuǎn)處基本相同，說明支撐端板距驅(qū)動線圈過近時(shí)，將對整體磁場強(qiáng)度產(chǎn)生影響，使得負(fù)載末端出口以及電磁彈射效率受到一定影響，且距離越近，受到影響越大；從圖中也可以看出，當(dāng)s=0.645d時(shí)，支撐端板對磁場強(qiáng)度的影響可忽略不計(jì)。

圖8 不同距離s磁場強(qiáng)度分布

4 單級電磁線圈彈射器試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)仿真結(jié)果可知，進(jìn)行單級電磁線圈彈射器彈射設(shè)計(jì)并進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，支撐端板與銅導(dǎo)線距離s=0.645d,脈沖電源參數(shù)為電容值C=4 mF，電壓U=6500 V；，電樞重量為m1=8 kg，負(fù)載重量m2=75.6 kg；電樞的初始觸發(fā)位置為線圈軸向中間位置，電樞與負(fù)載接觸放置但無固連關(guān)系，電樞受到洛倫茲力的作用，推動負(fù)載做直線運(yùn)動。單級線圈彈射試驗(yàn)及仿真結(jié)果如表3所示。

表3 單級線圈彈射試驗(yàn)仿真結(jié)果對比

圖9、圖10分別為單級線圈放電回路電壓和電流變化曲線對比圖。試驗(yàn)放電回路放電時(shí)間(由6502 V下降至0)為3.05 ms，仿真放電回路放電時(shí)間為3.29 ms；試驗(yàn)放電回路電流達(dá)到峰值的時(shí)間為2.4 ms，峰值11.51 kA，仿真放電回路電流達(dá)到峰值時(shí)間為2.55 ms，峰值為11.27 kA；說明試驗(yàn)和仿真放電回路基本特性基本吻合，試驗(yàn)時(shí)放電電流到達(dá)峰值后下降速度稍快于仿真。

圖9 單級線圈放電回路電壓變化曲線對比圖

圖10 單級線圈放電回路電流變化曲線對比圖

圖11為負(fù)載受到電磁推力變化曲線對比圖，圖12為負(fù)載速度曲線變化對比圖。由圖11可知,負(fù)載受到電磁推力上升段達(dá)到峰值時(shí)間與仿真值基本相同約為2.3 ms，試驗(yàn)時(shí)負(fù)載最大電磁推力為340.442 kN，仿真時(shí)負(fù)載最大電磁推力約為354.32 kN，最大電磁推力基本相等；負(fù)載受到電磁推力下降段，仿真值下降至0以下，說明電樞受到反向拉力，試驗(yàn)時(shí)電磁推力下降至0時(shí)推力在0附近產(chǎn)生小幅度的波動，且推力值略大于仿真值。從圖12中可以知，試驗(yàn)時(shí)負(fù)載的最大速度約為12.93 m/s，仿真最大速度結(jié)果為13.34 m/s，誤差為3.17%；仿真時(shí)速度達(dá)到最大值后有所下降，而試驗(yàn)時(shí)速度并未下降，這是由于試驗(yàn)時(shí)電樞和負(fù)載是分離的，反向拉力并未作用于負(fù)載，而仿真時(shí)負(fù)載和電樞設(shè)置為一體，故而受到反向拉力作用，符合實(shí)際情況。通過試驗(yàn)與仿真基本放電回路特性，電樞及負(fù)載受到電磁推力及速度變化情況綜合對比，可以得到仿真模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)相吻合，同時(shí)證明仿真模型及方法的正確性。

圖11 負(fù)載受到電磁推力變化曲線對比圖

圖12 負(fù)載速度變化曲線對比圖

5 結(jié) 論

本文通過Ansoft Maxwell仿真計(jì)算Q345支撐端板與驅(qū)動線圈不同距離時(shí)，電磁線圈彈射器的放電回路特性、電樞受到推力、速度、發(fā)射效率以及支撐端板對磁場強(qiáng)度影響等結(jié)果進(jìn)行分析，并通過仿真云圖對支撐端板對磁場強(qiáng)度影響作出分析，并在仿真結(jié)果的指導(dǎo)下設(shè)計(jì)單級線圈彈射器試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相吻合。通過從文中可以得到以下重要結(jié)論：

(1)考慮工程實(shí)際，前后支撐端板采用Q345材料，該材料具有導(dǎo)電性，對單級線圈彈射器放電回路、電樞推力、負(fù)載末端速度都會產(chǎn)生影響。

(2)前后支撐端板對彈射性能的影響程度由支撐端板與驅(qū)動線圈銅導(dǎo)線的距離決定，距離越遠(yuǎn)，彈射效率越高，彈射性能越好，無擋板影響時(shí)相比于s=0彈射效率可提高36.61%。

(3)單級線圈彈射器前后支撐端板端面距銅線圈端面距離s≥0.645d時(shí)，對彈射器性能的影響基本可以忽略不計(jì)。

(4)本文完成Q345材料對發(fā)射效率的影響研究，下一步將對支撐結(jié)構(gòu)感應(yīng)渦流影響機(jī)理進(jìn)行深入分析。