径向磁场与环向电流作用的电磁发射模式

朱英伟 雷 勇 周 群 姚 领 孙照华



径向磁场与环向电流作用的电磁发射模式

朱英伟 雷 勇 周 群 姚 领 孙照华

（四川大学电气信息学院 成都 610065）

常规线圈型电磁发射器的径向应力远大于轴向加速力，因此构建了径向磁场与环向电流作用的多极矩场电磁发射模式；介绍了多极矩场电磁发射器的系统设计，分析了弹射部分和多级加速部分电磁力的产生，基于抛体电流丝法建立了发射系统的机电方程；采用电磁场有限元与瞬态电路耦合法，仿真分析了单级8极矩场电磁发射的瞬态过程；搭建原理性缩比实验，验证了多极矩场电磁发射模式的可行性。

电磁发射 多极矩场电磁发射器 电流丝法 电磁场有限元法

0 引言

当前，常规电磁发射器遇到脉冲电源的限制、结构材料等难题。在面向未来大质量、大推力和超高速的发射要求下，需要对常规电磁发射模式进行改进和创新[1-8]。导轨型电磁发射器由于在MA级电流下进行工作，导轨、电枢和开关等部件均承受极大的电磁应力和热应力冲击，易造成烧蚀、磨损和剥落，这些制约着导轨发射器的寿命和性能[9,10]。线圈型电磁发射器通常是利用一系列长直螺线管线圈产生的磁行波来顺序加速抛体线圈。电磁力分析表明，通电直螺线管线圈对抛体线圈的径向应力远大于轴向加速力，因此，常规线圈发射模式的电磁力利用率不高，推进效率较低[11-16]。

为了使线圈型电磁发射的轴向电磁加速力分量最大化，考虑电磁力的产生形式、作用大小、方向以及加速效果，本文构建径向磁场与环向电流相互作用产生最大轴向加速力，提出多极矩场电磁发射的概念，该发射模式的特点是轴向推力大、径向悬浮稳定，未来可以应用在火箭发射、隧道掘进、管道运输以及高速弹射等方面。

1 多极矩场电磁发射模式的构建

1.1 径向磁场与环向电流作用的思想

常规线圈型电磁发射器大多采用直螺线管线圈作为驱动线圈，该线圈产生的磁场主要沿轴向以及抛体电枢的电流沿环向，这样，轴向磁场与环向涡流作用产生的电磁力主要表现对抛体径向的压缩力，而轴向的加速力相对较小，因此，传统线圈型发射器的电磁力利用率较低。为了使线圈型电磁发射的轴向电磁加速力最大化，探索构造径向磁场与环向电流相互作用产生轴向加速力的思想，如图1所示。

图1 径向磁场与环向电流作用的示意图

构造一定排列形状的驱动线圈，可以产生指向圆心的径向磁场，设抛体电枢携载环向电流（或感应涡流），那么，载流抛体电枢受到驱动线圈的电磁力密度为

再将电磁力密度对抛体电枢进行圆周积分或体积积分，可以得到抛体电枢受到的电磁力为

由于电流密度为环向，磁感应强度为径向，根据矢量叉乘公式，并考虑到圆柱对称结构，可知电磁合力的方向为轴向，且模值为最大值。

采用多极矩磁场线圈能够产生径向磁场构型，多极矩场线圈一般常用在粒子加速和等离子体约束方面。在磁流体发电或磁流体推进技术中，也有利于“鞍型”磁体产生2极矩磁场作用于等离子流体。图2为8极矩线圈产生径向磁场与抛体电枢环向涡流作用的示意图。8极矩场线圈相邻磁极方向相反，这是遵循多极矩磁场的定义，同时考虑到多极矩线圈两两磁通耦合，可以实现发射结构稳定。

图2 8极矩磁场与抛体涡流作用的示意图

1.2 多极矩场电磁发射系统的设计

多极矩场电磁发射器的模型如图3所示，主要由涡流弹射线圈、多极矩场加速线圈和抛体电枢组成。弹射线圈为饼式螺旋线圈，加速线圈为8极矩磁场线圈阵列，抛体电枢为良导体铝块。该发射模式的原理基于电磁感应涡流弹射和磁行波顺序感应加速。

图3 多极矩场电磁发射器模型

多极矩场推进整体系统框图如图4所示，弹射线圈设为初始级，多极矩线圈作为后续多级加速级，每一级有独立的储能电容器对线圈进行脉冲放电，由传感器检测抛体位置，同步逻辑芯片控制电源开关导通，从而实现逐级脉冲电流感应涡流加速。

图4 多极矩场电磁发射器的系统框图

2 多极矩场电磁发射过程的仿真分析

2.1 发射系统机电方程的建立

多极矩场电磁发射器的弹射部分和加速部分的工作机理基本一致，都是基于驱动线圈与抛体电枢之间的磁耦合原理，将电磁能转化为动能[17-19]。

由于抛体电枢上的感应涡流分布不均匀，因此将抛体电枢划分成许多独立的电流丝，如图5所示。根据驱动线圈与电流丝之间的互感耦合关系，建立电路方程。再根据电流线圈之间的电磁力公式，综合运动学方程，可以得到发射系统的机电方程

式中，、是多极矩线圈和抛体电枢的自感与互感矩阵；是等效内阻矩阵；是电容矩阵；是多极矩线圈和抛体电枢的电流矩阵；是电容电压矩阵；p、p和p是抛体电枢的质量、速度和位移。联立式（3）～式（6），可得使用离散的四阶龙格-库塔迭代方法，可以求解每一时刻的电路参数和动力学参量值。

图5 多极矩场电磁发射系统的分析模型

2.2 单级8极矩场电磁发射的瞬态仿真

采用Ansoft Maxwell3D仿真分析单级8极矩场电磁发射器的瞬态过程，仿真模型如图6所示，仿真电路如图7所示。抛体为铝套筒，质量为200g。初始时刻抛体位于弹射线圈附近，初始速度为零。弹射线圈的供电电容为200mF、40kV，多极矩线圈的供电电容器组为400mF、50kV，由两个高功率脉冲电容器串联放电构成。8极矩小线圈首尾串联，由电容器组对其放电。设定8极矩线圈的触发放电位置：抛体尾端底面刚好通过8极矩线圈起端截面2mm。

图6 多极矩场电磁发射器的仿真模型

图7 多极矩场电磁发射器的仿真电路

瞬态仿真计算结果如图8所示，分别为抛体所受电磁力曲线和发射速度曲线。结果表明：200g抛体在0.327ms内被加速到232.48m/s，峰值加速力为266kN，加速距离为40mm。电磁力曲线表明：抛体所受径向力和的值趋近为零，而轴向加速力表现突出，说明此发射模式能够实现抛体径向悬浮稳定，且轴向电磁加速力的利用率高。

（a）抛体所受电磁作用力的变化曲线

（b）抛体速度与推进距离之间的变化曲线

图8 单级发射过程瞬态仿真的计算结果

Fig.8 Transient simulation results of single stage launch

3 多极矩场电磁发射模式的实验

考虑到高速发射的实验成本和系统装置的复杂性，通过原理性缩比实验来验证多极矩场电磁发射的可行性。图9为已有课题组搭建的6极矩场电磁发射器系统的实验装置[8]，其中，抛体电枢为铝套筒，质量为50.4g；6极矩线圈通过晶闸管连接脉冲电容器，脉冲电容器参数为200mF、3kV。

图9 6极矩场电磁发射器系统实验装置

多次成功发射实验结果见表1，抛体电枢的初始触发位置不同，发射的出口速度不同。抛体电枢的初始位置为16mm时，存在最大的出口速度为13.3m/s。实验结果表明，多极矩场电磁发射模式是可行的。

表1 多次推进实验结果

Tab.1 Experiment results

4 结论

多极矩场电磁发射模式基于径向磁场与环向电流作用获得最大电磁加速力的思想，利用涡流弹射和多极矩场逐级感应加速，本文给出了多极矩场电磁发射系统的分析模型，仿真分析了多极矩场电磁发射系统的瞬态过程，并通过实验验证了多极矩场电磁发射模式的可行性。该发射模式的轴向加速力突出、径向悬浮稳定，适合向大质量、大推力发展，在火箭发射、隧道掘进、管道运输以及高速弹射领域具有一定的应用潜力。

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Multipole Field Electromagnetic Launch Model Based on Radial Magnetic Field Interact with Loop Eddy Current

（School of Electrical Engineering and Information Sichuan University Chengdu 610065 China）

The axial acceleration force of the conventional coil electromagnetic launcher is much less than the radial compression force. This paper presents a novel multipole field electromagnetic launcher based on the interaction of radial magnetic field and loop eddy current. The operation principle and conception model are introduced. The electromagnetic acceleration forces of eddy-current catapult and induction acceleration are analyzed. Based on the current filament method, the system dynamic equations are established. By electromagnetic field finite element analysis coupling with circuit, the transient launch process of single stage of octupole field coil electromagnetic launcher is simulated. The experiment results of the principle prototype indicate that the multipole field coil electromagnetic launcher is feasible.

Electromagnetic launch, multipole field electromagnetic launcher, current filament method, electromagnetic field finite element method

TM153

朱英伟 男，1982年生，博士，硕士生导师，研究方向为电磁发射技术、电磁场仿真计算与分析。

E-mail: zhu-yingwei@163.com（通信作者）

雷 勇 男，1966年生，教授，硕士生导师，研究方向为新型传感器的检测与控制。

E-mail: yong.lei@163.com

2015-01-08 改稿日期 2015-07-06

国家自然科学基金（51207097）和教育部博士点基金（20120181120100）资助项目。