基于电容吸收拓扑电路的新型磁阻线圈发射器.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()中央高校基本科研业务费专项资金()作者简介:黄滔男:.通信作者:张亚东男博士教授:.:./.基于电容吸收拓扑电路的新型磁阻线圈发射器黄 滔董家杭殷诣康张亚东孙志强(.武汉大学 电气与自动化学院 武汉.武汉大学 雷电防护与接地技术教育部工程研究中心 武汉.广州国曜科技有限公司 广州)摘要:磁阻线圈发射器具有出口速度一致性好、可靠性高和能源清洁等优点 但是现有磁阻线圈发射器普遍效率较低限制了其工程应用 为提高发射效率提出一种基于电容吸收拓扑电路的新型磁阻线圈发射器方案 首先建立了传统二级磁阻式发射器的模型采用有限元软件进行了仿真计算 结果显示在电枢经过线圈中心后驱动线圈中剩余电流产生的磁场会使电枢受到反向电枢拖拽力而减速 针对上述问题提出一种新型的基于电容吸收拓扑电路的能量回收方案分析了各阶段的放电特性 计算结果表明:与传统放电电路相比新型放电电路可以使驱动线圈的剩余电流被电容器吸收实现快速衰减电枢出口速度由./提高至./效率由.提高至.新型放电电路能够对电枢加速后的剩余能量进行回收明显减小电枢拖拽力提高了发射速度与能量回收效率关键词:磁阻型线圈发射器电容吸收能量回收电枢拖拽力拓扑电路本文引用格式:黄滔董家杭殷诣康等.基于电容吸收拓扑电路的新型磁阻线圈发射器.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:././.:引言电磁发射技术是将电磁能转化为动能利用电磁力对载荷进行加速并发射的技术 其中磁阻线圈发射技术因具有出口速度一致性好可靠性高能源清洁等优点而备受关注 但是目前磁阻发射器的发射效率普遍较低难以满足小型化实用化的要求 如何提高发射效率是磁阻发射技术的主要研究内容目前的研究主要集中在线圈发射器和电枢结构参数优化、触发位置优化等方面 但是优化效果不够理想大多数发射效率低于 磁阻发射器的电枢只受到向着驱动线圈中心的拉力这意味着电枢在经过线圈后会受到一个回拉的拖拽力 如果能够减小拖拽力就可以提高发射效率 文献 在续流二极管里加入续流电阻当续流支路导通时电流可通过续流电阻支路快速衰减至零减小了拖拽力但其缺点是大部分剩余能量被电阻消耗 文献 采用了吸收电容法在传统的放电电路中增加了能量回收支路 当支路导通时发射后的剩余电流被电容器吸收电流快速下降至零减小了拖拽力本文中针对电枢拖拽力的问题提出基于电容吸收拓扑电路的新型放电电路 首先采用有限元软件对单级磁阻线圈发射器进行建模与仿真拟合数据求得电感函数与电感梯度并对磁阻发射器的发射特性进行分析 随后建立了传统二级磁阻型线圈发射器与基于电容吸收拓扑电路的新型磁阻发射器的模型并对电容电压、放电电流、电磁力与电枢速度等参数进行仿真计算 最后在所有参数全部相同的条件下将新型放电电路与传统放电电路下的仿真结果进行对比 仿真结果表明通过对放电电路拓扑结构的改进实现了剩余能量的回收利用提高了磁阻型线圈发射器的发射效率和电枢的出口速度 磁阻发射器工作原理传统单级磁阻线圈发射器的结构如图 所示由铁磁电枢、驱动线圈和电源系统组成 当电容开始向驱动线圈放电时在驱动线圈上会产生脉冲电流 根据磁阻最小原理电枢受到向着驱动线圈中心的电磁力拉动电枢前进 等效驱动电路如图 所示图 单级磁阻电磁发射器模型.图 传统单级磁阻发射器驱动电路.触发开关 闭合时电容 向驱动线圈放电 电路方程如式()所示()()()()()式()中:()为电容电压 为驱动线圈内阻()为驱动线圈电感进而得到式():()()()()()()()电容放电完毕后驱动线圈电流通过二极管续流此时电路方程如式():()()()()黄 滔等:基于电容吸收拓扑电路的新型磁阻线圈发射器 电枢在发射过程中驱动线圈的电感会随电枢位置的变化而变化 同时电感的大小受电枢磁饱和程度的影响 利用有限元软件求解不同电枢位置下的电感值建立的线圈和电枢模型如图 所示图 单级磁阻发射器典型模型.然后对数据进行拟合分析得到电感函数 拟合得出电感函数如式():()()()式()中:为电枢初始发射位置 为运动距离电感曲线相关系数、与线圈结构参数、铁磁电枢饱和程度、电枢结构尺寸有关 通过对电感曲线的位移求导可求得电感梯度如式():()()()电感变化率的曲线形状大致如图 所示可以看出想要提高电枢发射效率就要使驱动线圈在变化率峰值附近保持较高电流且在过零点附近使其电流快速衰减图 电感变化率.在驱动线圈通电后整个系统的磁场储能为式():()()()根据磁阻最小化原理铁磁材料的电枢会持续受到一个向着驱动线圈中心的力 根据虚功原理系统减少的磁能转化为电枢的动能电枢受到驱动线圈轴线上的力为式():()()()式()中:为电枢质量发射器的效率可表示为抛体获得的动能与电容器初始储能之比如式():()式()中:为电枢的射出速度为各级电容器的容值为各级电容器的初始电压 传统发射器仿真计算.仿真模型采用有限元仿真软件建立的二级发射器轴对称模型如图 所示 仿真模型的参数如表 所示图 二维仿真模型.表 发射器参数 参数数值电容器 电压/.电容/.电容器 电压.电容/.电枢材料半径/.长度/.质量/.驱动线圈 外半径/.内半径/.轴向长度/.线圈匝数.驱动线圈 外半径/.内半径/.轴向长度/.线圈匝数.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./仿真设置电容器的电容值均设为 驱动电路中电容器第 级和第 级均预充电压 .传统发射器仿真分析为验证本文中提出的应用于二级磁阻发射器的基于电容吸收法的放电电路对比于传统放电电路的优势需在最优触发位置下对传统放电电路驱动发射器进行仿真计算 为取得最佳触发位置现对不同触发位置情况下电枢的发射性能进行分析 以第 级线圈末端即靠近电枢的一端的末端为坐标零点 轴方向为正方向分析结果见表 表()第 级触发位置分析()触发位置/稳定速度/()发射效率(/).稳定速度最高时在.处选取.选为传统电路第 级线圈的触发位置表()第 级触发位置分析()触发位置/稳定速度/()发射效率(/).稳定速度最高时在.处选取.选为传统电路第 级线圈的触发位置 在获取最优触发位置后对传统放电电路驱动发射器进行仿真计算得到的电压、电流、电磁力、速度仿真波形分别如图 图 所示图 各级电容电压.图 各级线圈放电电流.图 电枢所受电磁力.图 电枢速度曲线.传统放电电路的二级磁阻发射器待电枢到达触发位置后电容放电直至 随后通过二极管续流 由于驱动线圈的内阻较小电流的衰减较慢 待电枢达到驱动线圈中心后剩余电流仍然很大驱动线圈对电枢产生很大的拖拽力同时由于电枢射出驱动线圈的等效电感减小使得放电电流重新回升然后降低 电枢射出时受到拖拽力的影响在越过驱动线圈中心后速度会降低 电枢经过 级驱动线圈加速后的稳定速度为 /黄 滔等:基于电容吸收拓扑电路的新型磁阻线圈发射器 新型电容能量回收电路本文中提出的新型放电电路的拓补结构如图 所示和 为驱动线圈的等效电感和电阻在整个放电回路中第 级的电容和驱动线圈和第 级的电容和驱动线圈交替进行充放电 整个发射器的发射过程可分为 个阶段图 放电电路拓扑结构.图()为新型放电电路第 工作阶段 在第 阶段 导通 电容 通过 和 回路给第 级驱动线圈放电 在第 阶段电容给驱动线圈放电时整个回路的电路方程为 方程 电容放电完毕后驱动线圈中的电流通过二极管续流电路方程为 方程第 阶段放电回路如图()所示电枢接近第 级驱动线圈中心 此时 关断第 级驱动线圈通过 形成回路剩余电流被第 级电容吸收实现快速衰减第 阶段放电回路如图()所示电枢已接近第 级驱动线圈前端 此时 关断 和 打开电容 和 通过 和 回路给第 级驱动线圈放电第 阶段放电过程与第 阶段类似电容给驱动线圈放电的电路方程为 方程电容放电完毕续流时的电路方程为 方程第 阶段放电回路如图()所示电枢接近第 级驱动线圈中心 此时 和 关断第 级驱动线圈通过 和 形成回路剩余电流被 级电容吸收实现快速衰减图 第 阶段放电回路.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./新型放电电路仿真结果分析为取得最佳触发位置现对不同触发位置情况下电枢的发射性能进行分析 以第 级线圈末端即靠近电枢的一端的末端为坐标零点 轴方向为正方向分析结果见表 表()第 级触发位置分析 ()触发位置/峰值速度/()稳定速度/().对于有能量回收电路的磁阻发射器.触发时峰值速度最高选择.为第 级线圈的触发位置表()第 级吸收回路触发位置分析 ()触发位置/峰值速度/()第 级效率(/).稳定速度最高时在.处选取.选为第 级吸收回路触发位置表()第 级触发位置分析 ()触发位置/峰值速度/()稳定速度/().对于有能量回收电路的磁阻发射器.触发时峰值速度最高选择.为第 级线圈的触发位置表()第 级吸收回路触发位置分析 ()触发位置/稳定速度/()发射效率(/).稳定速度最高时在.处选取.选为第 级吸收电路触发位置 仍采用表 的仿真参数采用新型放电电路进行仿真计算得到的电压、电流、电磁力、速度波形如图 图 所示图 各级电容电压.图 各级线圈放电电流.图 结果显示当电枢达到各级驱动线圈的触发位置时电容器开始放电电压持续放电后下降至 由于续流二极管的存在避免了电容器的反向充电电压始终不为负值 第 级电容器吸收了第 级驱动线圈的剩余电流后电压达到.随后全部放电于第 级驱动线圈 而第 黄 滔等:基于电容吸收拓扑电路的新型磁阻线圈发射器级电容器吸收了第 级驱动线圈的剩余电流后上升至.剩余能量.第 级电容器上升至.剩余能量.减少了下次充电时的能量 两级电容均有效吸收了剩余电流实现了能量的回收图 结果显示电流上升至最大值后通过二极管续流电流衰减较慢 当电枢通过驱动线圈中心时 开关关断使得驱动线圈剩余能量被电容器吸收实现电流的快速衰减 第 级驱动线圈的等效电感和电阻较小电流峰值较第 级增大上升时间减小图 电枢所受电磁力.图 显示电枢所受到的电磁力先增大后减小 在达到驱动线圈中心时为 越过中心后所受电磁力为拖拽力和射出方向相反图 电枢速度曲线.图 显示由于电容对剩余电流的有效吸收电枢的速度在越过电枢中心后基本不变 电枢最终的稳定速度为 /磁阻型线圈发射器的各级效率如表 所示 由于第 级电容吸收并利用了第 级驱动线圈剩余电流的能量第 级发射器的效率较第 级有所提高从.提高到.传统放电电路和提出的新型能量回收电路仿真结果对比如表 所示 由于新型电路对剩余能量的及时回收电枢拖拽力减小电枢出口速度明显增大发射效率明显提高表 各级效率对比 参数单极效率二级效率速度/().初始储能/发射动能/.效率/.回收能量/.表 仿真结果对比 参数传统放电电路新型放电电路速度/().初始储能/发射动能/.效率/.回收能量/.结论本文中提出了一种带有能量回收的新型磁阻发射器设计方案并和传统电路模型进行了仿真比较得到的结论如下:)搭建的新型能量回收电路采用 开关和电容器相结合能够对电枢加速后的剩余能量进行回收)由于采用了能量回收电路电枢拖拽力明显减小提高了发射速度)在发射速度提高和能量回收的综合作用下新型发射器的效率远高于传统发射器所提方案有效参考文献:张传凤.感应线圈型电磁发射器弹丸加速特性的研究.合肥:安徽大学.:.吴穹王瑞林曹祥飞.磁阻型线圈发射器发展现状及关键技术.飞航导弹():.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./():.():.穆泽渊.基于 的磁阻型线圈发射效率仿真研究.南京:南京理工大学.:.吴穹王瑞林向红军.基于正交试验法的单级磁阻线圈发射器驱动线圈参数优化.火炮发射与控制学报():.():.井保密廖同庆蒋铁珍等.多级磁阻型电磁发射器的动态特性研究.南开大学学报(自然科学版)():.():.李和丰余海涛.磁阻式电磁发射器直线推进电机仿真优化.磁性材料及器件():.():.():.向红军高欣宝陈亚旭.磁阻发射器电磁制动力抑制方法.装甲兵工程学院学报():.():.:.李耀龙雷彬李治源等.单级磁阻型线圈发射器放电模型仿真分析.装甲兵工程学院学报():.():.():.李海涛张涛安韵竹等.基于超导脉冲变压器的脉冲电源剩余能量回收方法.电工技术学报():.():.洪嘉昱.种提高磁阻式线圈发射装置效率方法的实验.电子制作():.():.():.穆泽渊张军黄莹倍.基于 的单级磁阻型线圈发射器的效率研究.弹道学报():.():.科学编辑 杨继森 博士(重庆理工大学 教授)责任编辑 胡君德黄 滔等:基于电容吸收拓扑电路的新型磁阻线圈发射器