HEML换向过程的续流回路设计

谢 腾，刘少克，刘振祥

(国防科学技术大学 a.机电工程与自动化学院;b.理学院，长沙 410073)

传统的导轨型电磁发射器具有结构简单的优点，但是驱动磁场不够集中，存在效率不高，需要大电流驱动，易烧蚀等问题［1-2］。HEML的电感梯度较同尺寸的传统导轨型电磁发射器可以大两个数量级，加速力大，能在较短的炮管达到更高速;这种结构发射器的弹丸与加速线圈相对位置固定不变，始终具有最大加速力，相比导轨型电磁发射器效率高，降低了对电源的要求［3］。

HEML采用电刷换向的结构，换向中能量转化越充分，系统的效率就越高，同时越能抑制匝间电弧的产生。换向中存在的问题，麻省理工大学的 W.R.Snow曾做过相关研究［4］;P.P.Mongeau曾提出一种换向过程中理想的无能量损耗的发射器模型，并做了理论分析［5］;密苏里大学的T.G.Engel提出了一种新的换向策略，可以使系统的效率提高［6］。

本文从HEML换向过程等效电路的角度，建立了PSpice模型，计算了后换向匝中剩余能量所占比例;在此基础上，设计了2种续流回路，并分析了加入续流回路对系统的影响。

1 HEML的运行机理及换向过程

HEML发射主体(图1)由2条馈电导轨及驱动线圈和弹丸线圈组成，通过馈电电刷和换向电刷使得驱动线圈和弹丸线圈携带大小相等、方向相反的电流，以此驱动弹丸前进［7］。

图1 HEML结构简图

电刷换向过程机理如下:在换向中，每一后电刷后沿起断路开关作用，将后换向匝与激励区断开;每一前电刷前沿起闭合开关作用，将前换向匝并入激励区。弹丸线圈向前运动的同时，可以在驱动线圈的换向匝内感应出电压。前、后弹丸线圈的电流方向相反，弹丸线圈前部对前换向匝感应出的电压使前换向匝的电流上升，弹丸线圈尾部对后换向匝感应出的电压使后换向匝的电流下降。后换向电刷后沿在电路被断开的瞬间，一部分能量会通过磁通耦合进入弹丸线圈与激励区，由于耦合得不充分，以及换向匝电感使得电流不能瞬间降为零，会有一部分能量剩余。

假定在弹丸运行过程中，驱动线圈和弹丸线圈都不发生形变，并忽略趋肤效应，则可得到HEML换向过程的等效电路［7］，如图2 所示。

图2 HEML换向过程等效电路

2 HEML换向过程的PSpice模型

本文主要针对后换向匝断开后能量转化进行研究，因此在HEML换向过程等效电路的基础上，省略前换向匝的部分建立PSpice仿真模型(图3)。

L1为弹丸线圈已经通过驱动线圈的部分，等效为一个电感;L2为后换向匝(此处认为后换向线圈为一匝);L3为驱动线圈激励区及弹丸线圈;R1为系统内阻;R2为模拟断路匝与空气之间的电阻;V1为系统电源;K1、K2、K3分别为 L1、L2、L3之间的互感系数;U1为闭合开关，U2为断开开关，某一时刻U1闭合的同时U2断开，以模拟电刷滑过后换向匝L2。

图3 换向过程PSpice仿真模型

3 后换向匝能量转化分析

以系统在12 kA电流驱动情况下运行为例，分析该情况下后换向匝的能量转化情况。

设置开关时间1 μs，激励区初始电流12 kA，后换向匝线圈电感2 μH。通过仿真，可以得到后换向匝的功率-时间曲线，如图4所示。

图4 后换向匝的功率-时间曲线

计算功率对时间的积分，即可得到仿真时间内后换向匝的能量变化量:

后换向匝电感为2 μH，初始时刻电流为12 kA，可得后换向匝初始时刻储存的能量:

通过计算可知，此时后换向匝释放的能量约占后换向匝总能量的77.8%，即剩余的能量约占后换向匝总能量的22.2%。这部分能量如果以电弧的形式释放，对系统会造成很大的破坏。为了给剩余能量找到合适的释放途径，应对其进行续流设计。

4 换向过程续流方案研究

系统设计时采用两套方案，方案1是将二极管反接在后换向匝两端;方案2是将剩余能量前馈到激励区。

4.1 二极管反接在后换向匝两端

将续流二极管反接在储能电感两端，在电感断开时与之形成回路，达到将剩余的能量逐步释放的目的。

在后换向匝两端反接一个二极管，二极管的导通方向与后换向匝中电流方向相同。此时，二极管可以在后换向匝与激励区断开后，为后换向匝中的剩余电流提供释放通路，将其中能量在二极管中消耗。该结构下的PSpice模型如图5，二极管D1的功率-时间如图6。

图5 方案1模型

图6 二极管D1的功率-时间曲线

通过研究二极管D1的功率-时间曲线可得:在换向结束即1 μs时刻后，后换向匝L2在二极管D1上均匀放电，L2的中的剩余能量逐步被消耗。续流二极管的加入为高电势提供了放电通路，可以有效地抑制电弧产生。

4.2 剩余能量前馈到激励区

如果能将后换向匝中的剩余能量重新利用起来，则可以提高系统的效率，因此，考虑加入续流回路将后换向匝中的能量前馈到激励区。利用二极管将后换向匝L2与激励区尾端相连，二极管导通方向为L2的电流方向，PSpice模型如图7所示。

图7 方案2模型

图8为后换向匝的功率-时间曲线，求此时后换向匝的能量变化量可得:

此时后换向匝释放能量占初始储能的92.95%，即剩余能量为7.05%。可见，该结构的续流回路可以有效地将后换向匝中的能量前馈到激励区，对转移后换向匝剩余能量有显著的效果。

图8 后换向匝的功率-时间曲线

5 结束语

HEML采用电刷换向的结构，由于换向过程中后换向匝的电流不能瞬间降为零，因此导致剩余能量的存在。剩余能量的存在，降低了系统的效率，同时会导致电弧的产生，对系统造成一定程度的破坏。本文从HEML的等效电路角度，使用PSpice进行仿真，估算出了剩余能量的比例，即占换向匝能量的22.2%。在此基础上，初步设计了2种结构的续流回路:第一种可以将后换向匝中剩余能量缓慢的在二极管上释放，起到保护系统的作用，结构简单，易于实际测试;第二种是将后换向匝中剩余能量通过二极管前馈到激励区，可以起到将剩余能量进一步利用的效果。

［1］Engel T，Neri J，Nunnally W.Efficiency and scaling of constant inductance gradient DC electromagnetic launcher［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2006，42(8)：2043-2051.

［2］Engel T，Neri J，Nunnally W.A same-scale comparison of electromagnetic launcher［C］//Conference Record of the 2006 Twenty-Seventh International Power Modulator Symposium.Arlington VA，2006.

［3］Engel T.Medium-bore helical-coil electromagnetic launcher with liquid nitrogen cooled armature［C］//15thIEEE International Pulsed Power Conference.Monterey CA，2005.

［4］Snow W，Willig R.Design criteria for brush commutation in highspeed travelling wave coilguns［J］.IEEE Transactions on Magnetics，1991，27(1)：654-659.

［5］Mongeau P.Analysis of helical brush commutation［J］.IEEE Transactions on Magnetics，1984，20(2)：231-234.

［6］Engel T，Neri J，Veracka M.Solid-Projectile helical electromagnetic launcher［J］.IEEE Transactions on Plasma Science，2009，37(4)：603-607.

［7］王莹，肖峰.电炮原理［M］.北京：国防工业出版社，1995.