弹簧驱动非磁平衡直线发电机

雷军命，林瑞娥，彭小丽，姚 文，朱雅鹏

（西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065）

0 引言

直线发电机是利用磁芯与电枢发生直线相对运动来发电的装置，其驱动方式有惯性力和弹簧力驱动，典型的产品有磁后坐发电机和弹簧驱动直线发电机。直线发电机只能输出一个电脉冲，可以作为机电式触发引信的发火电源，储存在电解电容器上，供碰目标时起爆电雷管，也可以供CMOS微功耗电子时间引信使用，甚至作为传感器使用［1－2］。

弹簧驱动直线发电机以压缩弹簧为贮能元件，要求在引信体上设置档销。引信未作用时档销固定压缩弹簧，作用时通过释放机构释放档销，压缩弹簧克服磁力驱动磁芯运动。其输出性能除与直线发电机参数有关外，与弹簧刚度及压缩状态下弹簧力的大小成正比关系。实际测试表明，档销释放的越快，发电机的输出电压也就越高。在引信未作用时，弹簧驱动直线发电机施加给档销的正压力为弹簧力，而弹簧力越大，特别是在多路输出时，由于磁芯所受磁力增大，要求弹簧力更大，对档销释放机构提出较高要求，表现在两个方面：一是要提高档销的强度，二是要增大档销的释放力。对体积有限的引信，要求电源体积小、输出电压高，特别是要求多路输出时，就难以实现。为此，本文提出弹簧驱动非磁平衡引信直线发电机。

1 弹簧驱动直线发电机

弹簧驱动直线发电机以压缩弹簧为贮能元件，用设置在引信体上的档销卡住磁芯来固定压缩弹簧，通过释放机构沿径向释放档销，如图1所示。档销释放后，压缩弹簧释放推动磁芯穿过电枢，直线发电机就会输出一个电脉冲。图1中，为了能使磁芯的初始位置在磁平衡位置，在档销和磁芯之间安置了一个垫片。

图1 弹簧驱动磁平衡直线发电机结构图Fig.1 Structure of spring activated equilibrium linear generator

在磁芯穿过电枢的过程中，穿过线圈的磁通量变化为Δφ，由法拉第电磁感应有定理电枢绕组产生感应电动势。其电动势计算可以由式（1）粗略表达。

从式（1）可以看出，当结构一定时，n和ΔΦ为定值，影响电动势ε大小的只有Δt，Δt与磁芯运动速度有关，当磁芯受到的作用力越大，Δt越小，电动势ε就越大。因此，要提高弹簧驱动直线发电机电机的输出，就要增大弹簧力。

图1所示的弹簧驱动直线发电机的初始状态设置在的磁平衡位置，即弹簧驱动磁平衡直线发电机，这时，档销所受压力为弹簧力。当直线发电机确定后，如果要提高磁电机的输出，弹簧力就要求更大，而弹簧力越大，特别是在多路输出时，由于磁芯所受磁力增大，要求弹簧力更大，对档销释放机构提出较高要求，表现在两个方面：一是要提高档销的强度，二是要增大档销的释放力。对体积有限的引信，要求电源体积小、输出电压高，特别是要求多路输出时，就难以实现。

2 弹簧驱动非磁平衡直线发电机原理

弹簧驱动非磁平衡直线发电机的实施办法如图2所示，去掉了图1中的垫片，将磁芯与电枢的位置错开一定距离。在这个位置时，磁芯与电枢间会产生一个磁吸力，方向与磁芯所受弹簧力的方向相反，两个相抵，磁芯沿轴向受到的合力减小，因此施加给档销的正压力也就减小。

图2 弹簧驱动非磁平衡直线发电机结构图Fig.2 Struture of spring activated non－subequilibrium linear qenerator

3 仿真验证

3.1 磁芯所受磁力仿真

直线发电机在工作过程中，磁芯从磁平衡位置开始运动穿过电枢，随着磁路变化，磁芯受到的磁力不断变化，利用Ansoft仿真软件对这一过程进行仿真［3］，其结果如图3所示。

图3 磁芯所受磁力－时间曲线（N－s）Fig.3 Magnttism－time curve of magnetic core

从图3可以看出，磁芯在磁平衡位置时所受的磁力为零，偏离开磁平衡一段距离时，所受的磁力最大，方向与磁芯运动方向和磁芯所受弹簧力的方向相反。弹簧驱动非磁平衡直线发电机的初始位置设置在磁芯所受磁力的最大位置，利用磁力抵消部分弹簧力，减小作用于档销的正压力。

这样的好处，可以提高磁芯磁能积，由于磁力的增大，可以相应地提高弹簧力，不仅可以减小作用于档销的正压力，同时可以提高发电机的输出。在多路输出时，磁芯所受磁力成倍增大，弹簧力也可成倍增加，而施加给档销的正压力可以不增大。

对于图1弹簧驱动磁平衡直线发电机所示的直线发电机，其极靴厚度为0.6mm，永磁体为Φ8mm×4mm，材料钕铁硼，利用Ansoft仿真软件对这一过程进行仿真，实际计算中没有弹簧。其工作过程中的磁芯所受磁力－时间曲线图4所示，磁芯位移－时间曲线如图5所示。

图4 磁芯所受磁力－时间位移曲线（N－s）Fig.4 Displacement cruve of magnetism－time

图5 磁芯位移－时间位移曲线Fig.5 Displacement－time curve of magnetic core

从图4、图5可以看出，图1所示的磁芯位置磁芯所受磁力为零，图2所示的磁芯位置磁芯所受磁力最大，约为12N。如果压缩弹簧给磁芯的力为20N，在图1中，磁芯所受磁力为零，档销所受正压力为20N。而在图2中，由于磁芯所受磁力为12 N，方向与弹簧力相反，档销所受正压力为8N。

3.2 磁回路仿真

利用有限元电磁分析软件Ansoft对磁力最大位置和平衡位置时的磁回路进行了仿真，图6（a）为磁平衡位置时的磁路，可以看出，其磁力线全部通过电枢外壳；图6（b）为非磁平衡位置时的磁路，可以看出，其磁力线也基本全部通过电枢外壳。也就是说，在这两个状态时电枢绕组内部的磁通量绝对值基本相等。根据公式（1）可以得出，直线发电机的初始状态在这两个位置时，输出电压应基本相等。

图6 磁平衡位置和非磁平衡位置时的磁回路仿真结果Fig.6 Simulation of equilibrium and sub－equilibrium position

磁芯所受磁力和磁回路仿真结果表明，将弹簧驱动直线发电机的初始位置设置在磁力最大位置，可以减小磁芯作用于档销的压力，且对穿过电枢中的磁通变化量影响限小，不会降低直线发电机的输出。

4 测试结果

对弹簧驱动非磁平衡直线发电机的磁芯合力进行了实验室测试。图7为测得的磁芯合力－位移曲线。

图7 弹簧驱动直线式磁发电机磁芯合力－位移曲线图Fig.7 Total force－qisplacement curve of spring activated linear magnetic generator

图7中，在水平位置4.4mm处，磁芯所受合力最小约为8N，这也是非磁平衡直线式发电机的位置，此时档销所受的正压力仅为8N，远小于20N的弹簧力。

用同一发弹簧驱动直线发电机，利用专用释放工装进行测试，图8（a）为磁芯在图1所示位置处开始释放时电机的输出曲线，图8（b）为磁芯在图2所示位置处开始释放电机的输出曲线。

从图8（b）可以看出，非磁平衡时的电机输出稍大，这是因为磁芯对档的正压力小，档销释放速度较快的结果。比较图8（a）和图8（b），可以看出，同一发电机两种初始位置时的输出差别很小。

图8 弹簧驱动直线发电机输出曲线Fig.8 Out－put of spring activated linear generator

5 结论

本文提出了弹簧驱动非磁平衡引信直线发电机，该发电机将磁芯与电枢的位置错开一定距离。在这个位置时，磁芯与电枢间会产生一个磁吸力，方向与磁芯所受弹簧力的方向相反，两者相抵，磁芯沿轴向受到的合力减小。仿真和实验表明，该发电机的效果比较理想。具有施加给档销的压力较小、体积小、输出性能高的优点，多路输出时其优点更加突出。

［1］王利.电引信设计及其应用［M］.北京：国防工业出版社，2006.

［2］引信设计手册编写组.引信设计手册［M］.北京：国防工业出版社，1978.

［3］杨振兴，李福松，张美绒，等.磁后坐发电机磁场的有限元分析［J］.探测与控制学报，2009，31（5）：56－59.YANG Zhenxing，LI Fusong，ZHANG Meirong，et al.A－nalysis of magnetic setback generator in fuze based on finite element method［J］.Journal of Detection ＆ Control，2009，31（5）：56－59.