弹链感应装定平板型线圈耦合结构

李炜昕，张 合，李长生

（南京理工大学智能弹药技术国防重点学科实验室，江苏 南京 210094）

0 引言

小口径速射火炮是重要的中低空防空武器装备，“密集阵”、“守门员”、“海上卫士”、“梅罗卡”等系统以每秒数千发的射速形成“弹幕”，与近程防空导弹远近结合，构成拦截巡航导弹的最后屏障。近年，速射炮口径有加大的趋势，并且通过定时起爆形成“破片幕”提高命中概率。为此需要感应装定起爆时间。

目前，得到广泛应用的是炮口同轴式装定，主要利用共轴耦合的方式进行信息的传输，但是适用性具有一定的局限性［1］，限制了武器系统的改造。文献［2］中阐述了基于弹链装定的弧形装定结构，但该装置仅适用于弹链中有较大的弧形空间。文献［3］提出了非共轴线圈炮口感应装定，但是发射装置与同轴式具有相同的局限性，不适用于多管旋转式速射火炮。

针对复杂装定环境和快速反应作战模式的小口径弹链装定系统，本文提出了一种可满足绝大部分小口径武器平台需求的平板型感应装定耦合结构。

1 传统型耦合结构

非接触的感应装定系统由装定器初级线圈与引信体上次级线圈之间的感应耦合实现信息的传输，同时也可以将承载信息的电磁场能量加以利用，实现信息与能量的同步传输，有很高的可靠性，是世界各国主要采用的一种装定方式。

小口径速射火炮弹药以弹链形式通过导向槽进入膛内，基于空间结构和装定条件的限制，在导向槽上安装装定器耦合结构，保证能量与信息的快速装定。对于装定系统的初级回路，其发射装置采用的磁芯形状可以有多种形式，而目前广泛应用的同轴式结构不完全适合小口径火炮系统［2］。由文献［4］可知，U型磁芯比E型磁芯具有更高的输出功率体积比，因此需采用U型磁芯结构，为提高感应的效率保证磁力线束集中在感应线圈周围，初级线圈采用对称反向绕制，U型磁芯与引信体的耦合结构相对位置如图1（a）所示。当引信体次级线圈通过弹链装定骨架时，与初级线圈发生耦合，从而完成能量和信息的传输。

2 平板型耦合结构

平板型耦合方式是指初级发射线圈与次级线圈有效耦合区域为平板槽内的一段线圈，线圈电流方向与弹药传输方向在同一平面上，有效载体是非金属平板。图1（b）给出了初级线圈耦合作用原理示意图，平板型耦合结构未使用磁芯材料，初级线圈缠绕在非金属骨架上，初级线圈的上下部分为感应耦合有效作用区，对称分布在引信体次级线圈外，缠绕方式对称反向，其余未进行耦合的导线缠绕在骨架周围。

图1 初次级线圈耦合结构Fig.1 Coupling str ucture of t he pri mar y and secondary coil

小口径弹药以较快的速度通过装定耦合装置时，初级发射线圈与引信次级接收线圈通过电磁感应原理发生耦合，将能量和信息同时传向引信体，最终通过智能终端的执行，实现精确定距起爆。该耦合方式占用空间小，作用方式简单，能根据不同的武器平台设计不同的结构，安装灵活，可广泛应用于弹链装定系统。

3 仿真验证

3.1 建立电磁感应装定分析模型

由上述两种装定原理可知，耦合模型相对复杂，故采用三维模型对磁场进行仿真分析。U型装定结构基于变压器磁路原理，初级线圈反向绕制在磁芯上，以使次级线圈耦合更多的磁通量；平板装定架由非金属材料制成，对装定回路影响很小，可简化为空气处理。两者均采用电磁－电路耦合分析方法［5］，模型初级线圈耦合独立电压源，次级线圈耦合电阻500Ω（次级电路等效负载），U型采用磁轭（平板简化为空气），周围为空气。假设激励电压50 V，激励频率1 MHz，初级线圈电感6μH，次级线圈电感40 μH，两者的简化Ansys仿真模型如图2所示。

图2 两种初次级线圈简化模型Fig.2 Two simplified model of the primary and secondary coil

根据上述假设条件，骨架和空气采用SOLID97单元，A X、A Y、A Z采用CURR、EMF自由度，初次级线圈采用CIRCU124单元，分别对两种模型进行耦合仿真。计算得出磁感应强度分布云图实部如图3所示，可以看出两种方式中磁场的强弱与初级线圈的距离有关，并受到周围铁磁环境的影响；磁通量密度矢量图如图4所示，U型结构由于磁轭的高磁导率可以将磁场束缚在线圈周围，针对小口径弹药磁轭两臂间距的减少会导致大多数磁场直接通过空气在两磁轭臂上相互传递，耦合效率低；而平板型结构的上下段分别与次级线圈相互正常耦合；两种耦合方式仿真输出电压分别是10.6 V和78.7 V。

图3 磁感应强度分布云图（实部）Fig.3 Contour plots of magnetic flux density vector su m（real）

图4 磁通量密度矢量图Fig.4 Vector plots of magnetic flux density magnetic flux density

图4 （c）是基于U型结构，在次级线圈内加入坡莫合金后的磁通量矢量图，但是在高频条件下，坡莫合金的磁导率会迅速降低接近于弹体材料铁［5］，因此电压依然不大。而低频条件下，装定速度和耦合电压均满足不了武器系统在战场条件下的要求，且装配也比较复杂。因此，本文主要对平板型装定方式的静态和动态影响因素进行具体分析。

3.2 影响因素分析

3.2.1 激励频率对次级输出的影响

不同的激励频率，会影响初级拓扑电路的各参数值，耦合回路中磁场分布情况也会发生变化，从而影响次级回路接收端电压的变化，影响引信装定的稳定性。分别使用不同的激励频率对平板耦合模型进行分析，可以得到磁感应强度分布云图如图5所示（1 MHz的云图如图9（b））。

图5 不同频率下磁感应强度分布云图（实部）Fig.5 Contour plots of magnetic flux density vector su m at different frequencies（real）

不同激励频率下，次级输出电压如表1所示。由仿真结果可知，无磁芯条件下，在系统谐振频率100 k Hz周围，输出电压较高，而随着频率的增大或减小（远离谐振频率的程度）输出电压均减小。由于小口径弹药射速快，供弹过程中的有效装定时间较短，因此，装定信息的载波频率越高越好。引信用无线能量和信息传输的稳定性（输出电压）和快速性（载波频率），决定了本结构激励频率的最佳使用点是1 MHz。

3.2.2 弹体材料和架体材料对次级输出的影响

战场条件下，装定环境复杂（强振动、铁磁干扰等），装定器骨架和引信弹体一般选用强度较大的材料制成。而这些材料对磁感应强度的分布有一定的影响，从而影响次级输出回路。根据图2（b）简化模型，假设铝的电阻率为2×10－7Ω·m，相对磁导率为1，铁的电阻率为2×10－7Ω·m，相对磁导率为4 000，建立如图6模型。分别改变弹体材料和骨架材料并进行仿真计算，磁感应强度云图如图7所示。

图6 考虑材料的分析模型Fig.6 Analysis model of different matetials

图7 不同材料下磁感应强度分布云图（实部和虚部）Fig.7 Contour plots of magnetic flux density vector sum with different materials（real and imaginary）

表2 不同弹体材料和骨架材料下次级线圈的输出电压Tab.2 The output voltages of secondary coil with different materials of bullet and frame

根据表2仿真数据可以看出，当弹体材料和架体材料均为非金属时，可以忽略为空气进行计算（由于前后两模型不同，划分网格略有差别，因此忽略为空气的输出电压有些偏差），两者计算结果几乎一致，可知材料铝和非金属材料对输出电压影响较小；铁架体影响磁场的分布，次级线圈磁感应强度和输出电压均略低于非金属材料；强磁导率材料的引信体对次级线圈磁通量变化率有较强影响，输出电压相对较高，但由于耦合距离较近，电压会随着材料磁导率的增加而达到饱和。

3.2.3 准动态仿真分析

战场环境下，信息的装定条件比较苛刻，高速传输和强振动都会对信息的装定造成影响：弹链传输过程中，会产生随机的不确定方向的振动，随着弹链的摆动，次级线圈耦合环境也发生改变，在不同位置的磁场强度、磁通量变化率等均有所变化，次级接收电压也会有差异。

实际装定过程中，弹药由导引槽接近装定骨架，然后又远离装定骨架进入炮膛。此过程是完全对称的，本文仿真计算弹药进入装定装置和弹药处于装定装置中间位置两阶段。准动态模型与中间位置相距20 mm如图8（a），中间位置如图3右图，磁感应强度云图变化如图10所示。

供弹过程中，在弹药的纵向上会产生幅度较小的振动，初次级线圈纵向尺寸较小，应予以考虑。准动态模型中间位置如图2右图，与中间位置相距3 mm的模型如图8（b），磁感应强度云图分别为图9（b）和图10。

图8 准动态模型Fig.8 Analysis model about quasi-dynamic

图9 弹药传输中的磁感应强度分布云图Fig.9 Contour plots of magnetic flux density vector su m in the bullet-transmission

表3为次级线圈在不同的位置接收到的输出电压，横向距离是送弹过程中与中心位置的相对距离，纵向距离是垂直于横向距离方向与中心位置的距离。

图10 纵向振动时的磁感应强度分布云图Fig.10 Contour plots of magnetic flux density vector su m in the condition of libration

表3 不同位置处次级线圈的输出电压Tab.3 The output voltages of secondary coil in different place

从表3所得数据可以看出，在弹体进入装定骨架过程中，输出电压先增大后减小，并相对于中间位置对称分布；而对于横向振动，有导向槽的限制，幅度不大，根据仿真数据看出对输出电压影响较小。因此，实际应用中为了传输数据的稳定性和可靠性，需要根据弹速设计线圈槽合适的长度和宽度。

4 实验验证

基于以上仿真分析，本文设计了基于平板型耦合的装定系统，原理样机如图11所示，主要由初级线圈骨架（非金属）、引信弹体（铁）、装定器初次级电路、引信次级电路等构成，通过改变各个参数模拟准动态进行试验，试验结果与仿真结果基本一致。

图11 原理样机实验装置图Fig.11 The experiential equip ment of the samplen

本文选定的最优化参数为：输入电压12.5 V，输入电流0.1 A，激励频率1 MHz，初次级线圈匝数比为1∶9，次级线圈直径20 mm，装定骨架30 mm×70 mm，装定骨架与引信体的间隙由于弹药供弹槽尺寸的限制，初次级线圈间隙约5 mm。通过理论分析可知，次级引信电路耦合得到的电压值和次级电容的充电速度，受到敏感因素（耦合距离、弹体及骨架材料等）的影响，并且随着敏感因素的改变而急剧变化。由静态实验得到次级电路储能电容（10 μF）充电速度和充电电压值如图12（a），次级电路信息解调信号如图12（b）。

由图12（a）可以看出，次级电容经过约15 ms后电压幅值达到5 V，可保证次级电路正常工作（次级解调电路工作输入电压5 V），25 ms后电压幅值可达到8 V，次级电路稳定工作；并且根据弹链传输速度可以通过改变信息占空比时间和激励频率达到设计要求；图12（b）表示接收的信号电压均稳定，次级信息解调工作正常，信息完整；因此，采用平板型耦合系统能够有效地实现能量和信息的同步传输。

图12 次级电路接收能量与信息波形图Fig.12 Output wave of secondar y coil

5 结论

本文提出了弹链感应装定的平板型线圈耦合结构。该结构的次级线圈仍环绕在引信外壁，初级线圈绕在非金属平板骨架上，安装在弹链上下，与弹链运动方向平行，有效耦合作用区为平面。仿真表明，平板型结构相对于传统型、U型结构更适合于能量与信息的传输。实验表明：采用平板型耦合系统能够有效地实现能量和信息的同步传输。该结构在小口径武器系统平台弹链装定系统上具有很好的应用前景和推广价值，下一阶段将围绕中远距离的无线能量与信息传输展开研究。

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