磁阻驱动器电路参数对发射性能的影响

支彬安，雷彬，李治源，李勇

(1.军械工程学院，河北石家庄050003；2.解放军68128部队，甘肃兰州730046)

骚乱和暴动是目前恐怖活动的主要方式，这些恐怖活动的主要特点就是恐怖分子和广大群众相混杂，难以对其进行有效的区分。为了恰当地制止这些非法活动，必须有适当的武器装备来完成这些任务，非致命动能武器就是其中之一。

目前的非致命动能武器主要是靠发射动能弹使受弹者产生疼痛而将其制服。其发射的弹药主要有裹铅的软橡皮弹、尾翼稳定橡皮弹、硬橡皮弹、木钉弹等。这种发射药驱动的弹丸出口速度难以快速调节，在使用时不方便。

磁阻驱动器作为非致命反恐防暴武器具有以下优点:

(1)可控性较好。通过选择不同的电路参数如电压、电容值、触发位置、触发级数等就可以方便地调节弹丸的出口速度。

(2)隐蔽性好，安全性好。发射过程全部依靠电能工作，弹丸是从磁场中获得的能量而不是依靠传统的火药，击发是通过半导体开关，发射时没有声音及火花。

(3)携带轻便。枪管及外围加固结构只需采用非导磁材料，而不需要再采用钢材等较重的材料。

在特定的磁阻驱动器结构下，放电电容的电压与容值的选择成为影响弹丸出口速度的一个重要因素，甚至可以通过快速选择电容器参数来调整弹丸出口速度以方便实战应用。本文展开了关于电容器参数对出口速度影响的理论分析、数值模拟及实验研究。

1 结构及理论分析

磁阻驱动器是由一个驱动线圈和一个铁磁性弹丸以及附属部件构成。它利用驱动线圈与铁磁性弹丸组成的磁路的磁阻变化来吸引弹丸加速运动。其作用原理是磁阻最小原理。磁通总是趋向于经过磁阻最小的路径，铁磁性的弹丸具有比空气高得多的磁导率，因此弹丸放置在驱动线圈内部时，在弹丸与空气组成的磁路里，弹丸就会向磁阻最小的方向运动。也可以认为是驱动线圈中的电流与被磁化的铁磁性弹丸中的磁化电流之间的安培力，由于磁化电流与驱动线圈中的电流具有相同的方向，因此弹丸受到吸力而加速。

1.1 磁阻驱动器结构

典型的磁阻驱动器的结构如图1所示。驱动线圈用直径为1 mm的漆包线绕制，轴向长度为40 mm，从左至右，由内至外绕4层，内直径10 mm，外直径约为18 mm，放入铁壳内并采用环氧树脂灌装。弹丸采用络钢制成，直径为9 mm,长度为40 mm与驱动线圈等长。枪管为非导磁材料。

1.2 磁力驱动器理论分析

对于如图1所示的实际磁阻驱动器结构而言，其理想化的磁阻驱动器磁通路径如图2所示。在驱动线圈中通有电流的情况下，在其周围产生磁通。磁通经过铁壳、空气、弹丸而闭合。由于空气的磁导率远小于弹丸的磁导率，根据磁阻最小原理，弹丸就会向前运动。在弹丸的加速过程中认为弹丸居中于枪管，忽略磨擦及空气阻力。驱动线圈中电流一般由储能电容器提供。储能电容器所在的主电路及控制电路如图3所示。

在图3所示的磁阻驱动器主电路及控制电路图中，由储能电容器C3、可控硅开关K、驱动线圈L组成主放电回路。驱动线圈直流电阻为0.16 Ω。驱动线圈两端并联续流二极管和电阻，其作用是在驱动电流达到峰值后以迅速衰减电流，避免给储能主电容C3反向充电。驱动可控硅开关的主要器件是脉冲变压器，通过三极管为脉冲变压器提供原边电流，脉冲变压器次级产生脉冲经过整形后提供给可控硅控制级和阴极。C1为22 μF，25 V，目的是加快脉冲变压器产生脉冲的陡度。R2的作用是限制流过脉冲变压器的电流幅值。R3、C2，R4及二极管的目的是整形。R1、R2、R3、R4的阻值分别是1 kΩ、25 Ω、1 kΩ、20 Ω;C2为10 V，0.047 μF。并联接在可控硅控制级与阴极的二极管和电阻是为了保护可控硅。通过K1控制弹丸的发射。

当K1闭合时，脉冲变压器产生的脉冲信号导通可控硅K。可控硅K导通后，驱动线圈L产生的磁场，在弹丸上会产生磁化电流、涡流。描述运动的弹丸的相关场量方程为:

其中运动弹丸中的磁场由自由电流Jf、磁化电流JM产生。磁化电流JM等于磁化强度M的旋度。αm是介质分界面上磁化电流面密度，n是分界面上由介质1指向介质2的单位法向量。弹丸上的自由电流认为由感生涡流以及动生电动势产生的动生涡流组成。

忽略位移电流的影响，则起主要作用的就是自由电流与磁化电流两项,电路参数直接影响这两项的值，因此决定了弹丸被加速的形式。若反向涡流的影响超过了磁化电流则驱动器以感应驱动为主；相反，若磁化电流起主要作用则就是所谓磁阻驱动器。用矢量磁位A和标量电位φ表示的弹丸控制方程为:

本文磁阻驱动器可简化为二维轴对称结构，A仅有φ方向分量。在保证物理量B与E不变的前提下，可以选择另一组电磁位A′和φ′来代替A和φ。例如选择函数S，使得:

则(2)式在二维轴对称情形下弹丸控制方程可表示为:

用柱坐标系表示为:

作用在弹丸上的力密度为:

(6)式中的J包括Jf和JM。

2 仿真及实验结果

根据以上控制方程式(1)～式(6)，结合电磁场Ansoft有限元软件，应用瞬态场求解器对上述磁阻驱动器发射过程进行了仿真计算。仿真过程中除弹丸和铁外壳为导磁性材料，其磁化B-H曲线数据由相应材料获得，其余部分材料是非导磁材料，可以认为它们和空气有同样的磁导率。

2.1 仿真结果分析

仿真计算分两类，一类为固定容值变化电压(容值为1 360 μF);另一类为固定电压(100 V)，变化电容值。表1为固定容值变化电压得到的仿真数据;表2为固定电压变化容值得到的仿真数据。

从表1可以看出,在容值固定的情况下，随着充电电压的升高，出口速度单调递增。而电流达到峰值的时间却基本相同。这是因为由驱动线圈和弹丸组成的等效电感在发射过程中变化不大造成。随着电压的增加，速度到达峰值的时间越来越快，速度达到峰值的时间也是弹丸居中的时间，因为速度达到峰值的时候说明弹丸已经没有再受到加速力，同时弹丸居中时也是受力为零的位置。

表1 改变充电电压仿真数据

表2 改变电容值仿真数据

表2数据为在固定电压值为100 V下，出口速度随电容容值变化的情况。从表2可以看出,随着电容容值的升高，出口速度单调递增，但是增加的幅度没有电压对速度的影响大。电流达到峰值的时间却是随着容值的增加而增大，这是因为电容容值增加会造成主放电回路(RLC电路)放电周期变大，因此电流上升变慢。速度到达峰值的时间是越来越快，相比之下要慢于电压增加而增加的速度，但是电容值增加导致总的效果也是增加了出口速度。

由表1和表2可以看出,在固定容值、电压变化和固定电压、变化容值时，出口速度基本呈线性变化，但是电压变化对出口速度影响强于电容值变化所产生的影响。为了获得更有利于增加弹丸出口速度的电容器电压及容值参数，又进行了数据拟合。根据表1和表2所列数据分别拟合了电压和容值参数对于弹丸出口速度的关系式。式(7)分别对应于出口速度随电压及电容变化的关系式

对于两个线性表达式，容易得出电压与电容都取最大值时，能得到最大出口速度的看法。实际情况下由于弹丸中的反向涡流的反作用以及线圈的承载能力，并不是选取大的电压与电容值就能得到高的出口速度。通过仿真得出在1 000 V与7 480 μF的组合下，弹丸被加速至居中时，驱动线圈内电流虽然处在下降阶段，但是电流较大，因此弹丸一离开线圈就会受到阻碍作用。所以此时应选择IGBT开关而不能再使用可控硅开关，从而使驱动线圈中电流降为零。

2.2 实验装置组建

依照图1所示的结构及图3所示的电路组建实验装置。主放电单个电容器选择450 V，680 μF，通过串联2电容器来进行容值为1 360 μF而变化电压的实验，通过串联多个电容来进行容值变化而电压不变的实验。可控硅型号为T90RIA120。采用西安华科光电有限公司生产的DB650-5-5型激光管作为测量枪口初速的光路发生器。光跳变信号通过光纤传输，光电转换至示波器进行时间测量，求取平均速度。发射过程中，用开环霍尔电流传感器CHF-B300(宇波模块)，测量经过驱动线圈的脉冲电流。通过可控硅触发电路的脉冲变压器将主放电回路与控制电路进行隔离，防止主放电回路影响和干扰控制电路。

2.3 实验结果分析

按照固定容值、变化电压和固定电压、变化容值分别进行实验，用枪口的测速光路进行出口速度的测量。根据光电跳变信号时间间隔及相应的设定距离可以确定弹丸的平均出口速度。图4为容值固定、电压从100 V到600V变化和电压固定、容值从340μF～1700μF变化时，实际测算的弹丸出口速度。

从图4所示的实验数据可以看出，容值为340 μF时，电压从100 V增至480 V的过程中，随着电压的增加，弹丸的出口速度在增大。但是由于反向涡流的作用，在电压从480 V增至600 V的时候，弹丸的出口速度出现一些下降，也就是反向涡流的制动阻碍作用超过了磁化电流的作用。

容值为680 μF时，出口速度开始明显变小的电压值提前至360 V。在600 V时比480 V的出口速度略有回升，同样的现象发生在1 020 μF的容值下。

容值为1 360 μF时，出口速度开始下降的电压值为480 V，电压增至600 V时，出口速度明显降低。容值为1 700 μF，出口速度处于递增状态。

电压固定在100 V～600 V的范围内时,出口速度随容值的增加而增加。但是电压在480 V时,除了1 360μF、1 700μF的电容器对应的出口速度比360 V快外,其余均由于反向涡流的影响，出口速度要低于360 V对应的出口速度。电压到600 V时，虽然容值在增加但是出口速度增幅基本不明显。从实验数据中看出,在电压为480 V,电容为1 700 μF时,出口速度达到了最大值。

本文在磁阻驱动器理论分析的基础上，通过有限元软件仿真(忽略涡流影响)，得到弹丸出口速度在固定电容、变化电压或者固定电压、变化电容的情况下，弹丸出口速度呈现升高的变化规律。也就是说高的电压与电容能够获得最大的发射速度和发射效率。但是通过现场实验，由于铁磁性弹丸的导电性，在电压与容值都升高的情况下反向涡流的阻碍作用明显，导致速度降低。

下一步的研究工作为:通过理论研究，分析及改善反向涡流影响并进行仿真与实验来指导实际弹丸结构的设计与改进，以提高发射效率和出口速度。

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