智能火工品用磁后坐发电装置结构优化研究

逯 乔 , 李黎明 ,尹国福



智能火工品用磁后坐发电装置结构优化研究

逯 乔 , 李黎明 ,尹国福

（陕西应用物理化学研究所 应用物理化学国家级重点实验室，陕西 西安，710061）

针对智能微小型火工品对物理电源的需求，提出了磁后坐发电物理电源的结构优化设计。通过霍普金森杆撞击实验，对发电装置进行多组高过载实验对比研究，得出采用轴向充磁同极相对的永磁体和分布槽绕组结构的线圈会在一定程度上增加发电装置的发电效率。试验表明优化后的磁后坐发电装置在20 000g的加速度情况下可以稳定地起爆电点火头。

微小型火工品；物理电源；磁后坐发电装置；高过载

现代战场的复杂性对武器系统的性能提出了更高的要求，因此火工品也向着智能化、小型化的方向发展[1]。目前火工品主要的供电方式是使用弹载电池，随着火工品的不断发展，也衍生出除弹载电池之外的多种供电方式。

物理电源因具有可无损检测、可重复使用、耐长储、良好的高低温、高安全等特性而倍受重视[1]。磁后坐发电装置作为一种重要的物理电源在火工品应用领域发挥着重要作用。磁后坐发电装置是一种脉冲式电源，装置在后座力的作用下，永磁体相对于线圈做轴向直线运动，使穿越线圈里的磁通量发生了变化，从而在线圈里产生了感应电动势和感应电流。但是由于磁后坐发电装置采用脉冲方式发电，其产生的能量较小。韩国防务发展局设计的磁后坐发电装置[2]为圆筒形结构，其直径为17.7mm，高度为4.1mm，重量为6.0g。在磁芯以30 000g的加速度运动且没有磁损耗的条件下，在0.56ms内可以给电容为100F的电容器充电产生4.6V电压。本文对传统的磁后坐发电装置进行结构优化探索，目的是使其与储能电路集成之后，可以为微小型的火工品提供激发能量。

1 磁后坐物理电源供能系统

1.1 磁后坐物理电源供能系统设计

磁后坐发电装置在高过载下产生电能用于激发微小型火工品。火工品用磁后坐物理电源供能系统的逻辑关系见图1[3]。

图1 磁后坐发电装置供能设计

在系统中，磁后坐发电装置首先在后坐力的作用下产生脉冲电压，脉冲电压通过整流装置后储存在电容器中。电容器中的电能经过稳压模块后可以为发火电路供电，并在打开安保的情况下为微小型火工品提供起爆能量。整个电路由微控制器进行控制，配合振荡器提供的时钟脉冲，可以使微小型火工品在发射后经过一定的延迟时间起爆。

1.2 磁后坐发电装置发电原理

磁后坐发电装置是整个供电系统的重点。磁后坐发电装置在工作的过程中，由于永磁铁周围的磁场分布是非均匀的，线圈和磁铁之间又存在着相对运动，由法拉第电磁感应定律的分析可以得出，在此电源产生能量的过程中，产生的电动势既有感生电动势又有动生电动势。本研究中任何一匝线圈中所产生的感应电动势的表达式为：

对于匝数为的线圈，此过程中产生的总感应电动势即为各单匝线圈感应电动势之和，表达式为：

2 实验过程及结果分析

2.1 实验装置

发电能量较低的劣势一直以来制约着磁后坐发电的发展，实验将针对磁后坐发电装置中的永磁体部分和线圈部分进行新式的结构设计，目的是改善其发电性能。优化后的磁后坐发电装置与火工品集成后可以提高火工品的可靠性。

霍普金森杆(Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB)实验装置是材料动力学中最基本的一种实验装置，主要测量材料的动态应力应变关系，被国内外广泛地应用于材料的动态力学性能研究[4]。本实验中利用霍普金森杆的输入杆直接撞击磁后坐发电装置，其目的是大致模拟弹药的发射过程，直线发电装置在高过载加速度的环境下永磁体与线圈之间会进行高速相对位移并产能，将产生的波形记录下来可用于对比研究。设定霍普金森杆子弹的最高加速度为20 000g，通过计算可以得到子弹最终撞击输入杆的速度为35.4 m/s。

图2 霍普金森杆实验装置示意图

2.2 永磁体结构对比实验

永磁体充磁方向一般分为两种，分别为径向充磁和轴向充磁，这一属性在永磁体生产过程中就已决定。除了充磁方向，永磁体的拓扑方式也是影响直线发电装置输出的重要因素。对于轴向充磁的永磁体来说，根据其拓扑方式的不同还可以分为：单个长度永磁体、两个短永磁体异极相对和两个短永磁体同极相对。根据充磁方向和拓扑结构的不同，共设计了4种永磁体结构进行对比，如图3所示。

图3 4种待实验永磁体示意图

在不改变其他参数的情况下，进行霍普金森杆撞击实验，将直线发电装置的输出电缆接入示波表进行空载电压的采集，记录数据进行对比分析。

根据永磁体充磁方向和拓扑结构的不同，一共进行了4组实验。测得每种方式的电压波形如图4所示。