发电储能接电一体的热电池激活装置

张美绒，杨振兴，李福松

(西安机电信息技术研究所，陕西 西安　710065)



发电储能接电一体的热电池激活装置

张美绒，杨振兴，李福松

(西安机电信息技术研究所，陕西 西安710065)

针对双磁钢单绕组磁电机不能激活使用较钝感电火工品热电池的问题，设计了发电储能接电一体的双绕组热电池激活装置。该装置为双绕组的双磁钢磁电机，通过储能电容器对所发电能存储，并利用磁电机磁芯部件的惯性运动接电。实验室静态和靶场动态试验结果表明，该激活装置能可靠激活热电池内阻2～4 Ω的电火工品。

引信；热电池；激活装置；磁电机；储能电路；接电机构

0　引言

热电池的激活方式主要有击针-火帽机械激活和外电源激活两种[1]。利用外电源引爆电点火头发火而引燃加热片激活，具有作用迅速、准确，所需起始冲能小，并且由于电点火头装药成份比较单纯，对电解质影响小，有输出噪声小等优点。但是引信因为没有电源才配置电池，电池还要电源激活，是个难题。航空炸弹等弹药可以由载机提供电源，但是要涉及多个系统，很麻烦。因此机械激活一直是引信热电池的主要激活方式。磁电机由于具有反应时间快、抗过载能力强、高低温特性好、成本低、体积小、可百分之百无损检测等特点[2-4]，但是其输出能量较低，难以可靠点燃常用电点火头。我国国防专利ZL93112262.7(引信用双磁钢聚磁结构磁电机)[5]中公开的双磁钢单绕组结构解决了此问题，因此电激活装置也越来越受到业内人士的重视和推广，已成为引信热电池激活的首选方式[1]。

目前引信热电池多采用该专利的磁电机电激活装置的结构，其输出直接引发内阻10 Ω左右的电点火头很可靠。但是随着引信安全性要求的提高，要求安全电流成倍提高，使用内阻3 Ω左右的电点火头已经提上日程，现有电激活装置已无法可靠激活电池。针对此问题，设计了发电储能接电一体的双绕组热电池激活装置。

1　双磁钢单绕组磁电机电激活方案

图1所示为现有双磁钢单绕组磁电机结构，该磁电机可以直接作为电池用激活装置，主要由磁芯部件和电枢部件组成。在发射过载作用下，磁芯部件剪切断剪切销或支耳片并克服磁阻力在电枢中心孔内运动，电枢部件产生电能并通过引出线提供给热电池，从而将热电池激活，点火电路如图2所示。该种磁电机的输出电压可按式(1)计算[6]。

图1　结构示意图Fig.1　Magnetic generator profile

(1)

考虑到剪切销或支耳片剪断到电机发电结束这段时间很短，将这段发射过载进行线性拟合且忽略磁场阻力，则可得：

(2)

(3)

式(1)—式(3)中：URL为负载RL两端的电压(V)；Rs、RL为磁电机内阻、电点火头的电阻(Ω)；L为磁电机的电感(H)；N为磁电机的线圈匝数；h为磁电机单个磁钢的高度(m)；φm为磁电机单个磁钢的磁通(Wb)；a为磁芯部件运动的加速度(与发射过载和剪切销或支耳片被剪切断时的过载值有关)(m/s2)；K1d为磁芯部件剪切断剪切销或支耳片时对应的发射过载值；K2q为电机发电结束时对应的发射过载值；T为电机发电持续时间(s)。

按照参考文献[7]最大功率传输理论，对于一个具有参数Vs和Rs的实际电源来说，当RL=Rs时，传送到电阻性负载的功率最大，其值为：

(4)

即当磁电机的内阻与电火工品内阻相等时，其输送给电火工品的功率最大。而电火工品的内阻为2～4Ω的低电阻，为了与其匹配，则应选择较粗的漆包线绕制线圈。根据式(4),在确定的空间尺寸条件下，磁电机的机械结构和磁路结构确定了线圈的空间尺寸，选用的漆包线越粗，磁电机线圈匝数就会减少，输出电压和输出能量降低。由式(2)知，对于确定的配用产品而言，磁电机持续工作时间由预置的解保过载确定而变化不大，决定了磁电机与钝感型电火工品直接连接使用，其输出能量难以提高。

图1所示台阶圆柱体磁电机，为双磁钢单绕组，外露电枢部件之外的磁芯部件周围环形圆台空间没有利用，用装配工艺件填充。如果利用工艺件填充空间，将磁电机做成单绕组线圈的结构，线圈匝数得到提高，但此种结构只能采用单磁钢，我国国防专利ZL93112262.7(引信用双磁钢聚磁结构磁电机)[5]已经明确了在给定体积条件下，双磁钢单绕组磁电机的输出能量明显优于单磁钢单绕组的磁电机。

从式(2)和式(4)还可看出，采用单磁钢单绕组的结构，在增加绕线空间的同时，将会增加磁钢的高度、线圈的内阻与电感，线圈空间增加一倍，磁钢的高度也会相应增加一倍、线圈的内阻也会增加一倍，导致磁电机的输出反而降低，得不偿失。

根据式(3)可计算出，当磁芯部件剪切断剪切销或支耳片时对应的发射过载值K1d大于1100时，该种磁电机在发射过载直线惯性力作用下工作，其工作持续时间低于1ms。一般K1d不小于2500，磁电机工作持续时间低于0.64ms。此外，磁电机工作前段和末段的输出电压低于火工品的可靠发火电压，使得可靠发火电压供电时间进一步缩短，直接使用就会造成电火工品难以起爆。

2　发电/贮能/接电一体双绕组激活机构

高能激活方案采用发电、贮能和接电一次完成的结构，包括高能磁电机、储能电路、剪切销、接电开关和外壳，其结构示意图见图3，激活电路原理图见图4。高能磁电机采用双绕组双磁钢结构，由磁芯部件和电枢部件组成；储能电路由磁电机电枢部件、二极管和储能电容组成，接电开关由绝缘件、接电片一、接电片二组成。

图3　双绕组激活装置结构示意图Fig.3　constructed profile of the device with dual-windings

图4　双绕组激活装置电路原理图 Fig.4　schematic of the device

如图3、图4所示，通过剪切销和支撑体限位了的高能磁电机、接电开关、储能电路依次装入外壳，并通过滚边成为一体。其中，高能磁电机电枢部件绕组1和绕组2的正极引出线分别通过储能电路中的整流二极管VD2、VD1与储能电容器C1及接电片1联接，负极引出线与储能电容器C1的另一端联接并作为激活机构的一个输出端，接电片2的一端作为激活机构的另一个输出端；两个接电簧片通过销钉对称固定在两个绝缘件端面之间。平时，由于剪切销和支撑体锁定了磁芯部件，磁芯部件与电枢部件不会发生相对运动，磁电机不发电，激活装置无电能输出。在弹丸发射环境下，当发射过载大于预定的阈值时，剪切销被剪切断，磁芯部件与电枢部件间产生相对运动，与单绕组比，双绕组在不加大绕组阻抗或线径的前提下增加了绕组匝数，加长了上磁芯穿过绕组的距离，提高了发电量；电枢部件的绕组1、绕组2输出的电能分别通过整流二极管VD2、VD1储存在储能电容器C1上；当磁芯部件运动到末端与两个接电簧片都接触时，即开关S1闭合，电路接通并使电容器上的能量输出。

首先根据热电池所用电点火头的100%可靠起爆的能量确定相应的储能电容C1(也可叫起爆/发火电容)；其次，再优化绕组2和双磁钢磁芯部件，使绕组2给储能电容C1的充电电压最大；最后，优化绕组1，绕组1是新增加的，使其在规定的双磁钢磁芯部件工作时，产生的空载电压与绕组2的相当，这样即可避免两者互为负载，通过增加绕组匝数提高输出电压，增大磁电机的输出能量，这样的结构，理论上可使磁电机的输出最大提高25%。

电容器作为中间过程储能元件，将发电机的输出能量储存在其中，其具有充放点时间时间快、响应速度快的优点，在此使用电容器进行储能的另一个优点是避免了磁电机绕组内阻受到负载电阻的限制，也就是说绕组与电容的匹配参数不受负载电阻的影响，克服了磁电机直接连接点火头造成对绕组参数限制的缺点。使用接电开关的优点是将电容器积攒的电能，以瞬间放电方式完成，对火工品的放电峰值功率得到了提高，同时，进行电压快速释放，又降低了点火头对其周围环境的热量散失，提高了能量使用效率。

接电开关有机械和电子两类：机械开关不仅需要较大的空间，而且还存在与磁电机工作之间的时差问题，机械控制较复杂；电子开关可以解决其与磁电机工作之间的时差问题，但需要增加电路元件来控制，既要消耗电能，又要增加成本。本方案在磁电机下方，设置一对如图3中接电片1、接电片2，磁芯部件运动到此位置，与一对接电片组合成图4中的接电开关，实现了发电、储能、接电一体化。

3　验证

3.1能量匹配对比验证

对经负载匹配设计的单绕组磁电机按照图2工作电路、双绕组磁电机按照图4工作电路进行了场路耦合仿真计算，两种磁电机的初始状态云图和磁力线图分别如图5和图6，单绕组磁电机的负载电压曲线及能耗曲线如图7，双绕组磁电机对20 μF电容器输出电压及能量曲线如图8。图7中电阻负载峰值电压为5.8 V，总能耗为4.4 mJ；图8中稳定后的电容电压为27.5V，储能7.5 mJ。

图5　单绕组磁电机优化仿真图Fig.5　Result of magnetic generator with single-winding by FAE

图6　双绕组磁电机优化仿真图Fig.6　Result of magnetic generator with dual-windings by FAE

图7　单绕组磁电机输出电压及能量仿真曲线Fig.7　Output voltage and power by magnetic generator with single-winding

图8　双绕组磁电机对电容负载输出电压仿真曲线Fig.8　Output voltage and power by magnetic generator with dual-windings

3.2实验室验证

为了进一步验证仿真计算结果，在实验室进行了测试和点火试验，测试采用磁电机专用检测装置，该装置已通过兵科院主持的技术鉴定，其工作冲击速度在10 m/s左右，以经验判定，磁芯部件获得的冲击力相当于大约3 500g过载值。

1)在实验室进行优化后单绕组磁电机对模拟电火品内阻输出电性能测试试验，测试曲线见图9。

从测试曲线可以得知，单绕组磁电机直接对模拟负载电阻输出电压最大值为4.57 V，输出总能量为2.57 mJ。

3)实验室进行了点火测试，单绕组磁电机无法直接起爆钝感火工品，双绕组磁电机起爆测试曲线见图11。

图9　实验室输出测试曲线Fig.9　Test result in laboratory

图10　实验室输出测试曲线Fig.10　Test result in laboratory

图11　实验室点火测试曲线图Fig.11　Ignition test result in laboratory

4)单绕组最大输出能量2.57 mJ，双绕组磁电机电性能测试曲线可以得到的电容器上的电压在31 V，从起爆测试点火曲线可以得到上电的最大电压为27.92 V，计算其输出能量为7.8 mJ；点火曲线上的两处出现的毛刺为电点火头起爆的特征，起爆后的电压14.52 V，即剩余能量2.1 mJ，火工品消耗的能量为5.7 mJ。

3.3动态验证

产品经实验室验证后，在靶场进行了实弹射击试验。该次试验共装配激活装置4发，编号分别为：0#、6#、4# 、H1。将4发有部件搭载的试验弹全部发射后，在试验场回收到两只电激活装置。电激活装置的编号为4#和6#。对试验弹的黑匣子读出完整、理想的电信号，由此可以判定热电池和电激活装置工作正常。对其中4#电激活装置进行了解剖，观察工作完成后作用状态。4#电激活装置解剖后的状态见图12。

图12　试验后解剖图Fig.12　Postmortem after testby shoot

4　结论

本文提出了发电储能接电一体的双绕组热电池激活装置。该装置为双绕组的双磁钢磁电机，在不加大绕组阻抗或线径的前提下增加了绕组匝数，加长了上磁芯穿过绕组的距离，提高了发电量，通过储能电容器存储电能，并利用磁芯部件的惯性运动接电。实验室静态和靶场动态试验结果表明，该激活装置能可靠激活热电池内阻2～4 Ω的电火工品。

实验室采用磁电机专用测试装置进行测试，模拟条件在3 500g，动态试验产品保险解除过载预置在5 000g,对于更高过载条件的输出情况需要进一步研究。

[1]王胜华. 热电池激活方式综述[J]. 探测与控制学报，2011，33(4)：51-55.

[2]程顺，刘飘楚，崔占忠.适合电子时间引信用新型电源[J].探测与控制学报,2004,26(2):21-23.

[3]Pergolizzi A，Ward D.Design and Development of a New Electronic Time(ET)Fuze for Mortars(XM784/XM785)[R].Dover：Army Armament Research，Development and Engineering Center, ADA393881,2001.

[4]Oberlin Richard P.One-Shot High-Output Piezoid Power Supply:USP,6198205[P].2001-03-06.

[5]薛维清.引信用双磁钢聚磁结构磁电机：中国，931122627[P].1993.

[6]Li Fusong, Zhang Meirong, Yang Zhengxing，et al. The output voltage’s analytical calculation of the dual-magnet setback generator used in a fuse[C]//中国兵工学会第十六届引信学术年会.西安：引信专业委员会，2009.

[7]鲍勃罗.线形电路分析基础[M].北京：高等教育出版社，1985.

Thermal Battery Activator Consisting of Generator,Power Storage and Contact Switch

ZHANG Meirong, YANG Zhenxing, LI Fusong

(Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi’an 710065, China)

Aiming at the problem that the relatively insensitive electric explosive devices(EED)in thermal battery could not be activated by the magnetic generator of dual-magnet and single-winding, a device block with dual-windings combined of generator, power storage circuit and contact swith was designed. This device contained a dual-magnet dual-windings magnetic generator, electric power in capacitor, the contact swith by inertial movement of magnetic generator’s component. Static test in laboratory and shoot test results showed that the activation device could activate the EED with internal resistance 2-4 ohm in thermal battery.

fuze; thermal battery;activation device;magnetic generator;power storage circuit; contact switch

2016-03-17

张美绒(1963—)，女，陕西咸阳人，高工，研究方向：引信专用物理电源。E-mail:1174658748@qq.com。

TJ430

A

1008-1194(2016)04-0067-05