新型电磁脉冲协调器性能分析

黄 通， 郭保全， 毛虎平， 张 彤

(1. 中北大学 机电工程学院， 山西 太原 030051； 2. 中北大学 能源动力工程学院， 山西 太原 030051； 3. 中北大学 仪器与电子学院， 山西 太原 030051)

自动装填是提高火炮射速的重要途径之一， 弹药协调器作为自动装填机构的重要组成部分， 承担着连接供弹机和输弹机的中转任务， 协调器是否能将弹药快速准确地协调到位， 关系到火炮的装填效率和射击速率[1-3]. 传统弹药协调器采用布置在耳轴位置的驱动电机带动， 同时添加小平衡机对托弹盘进行支撑， 用于平衡协调器的重力矩， 减少驱动电机的负载. 传统协调器不仅耗能较大， 而且结构复杂， 给自行火炮总体设计带来一定的困难.

电磁弹射技术是一种利用电磁推力使物体在短距离内加速起飞的先进技术， 主要应用于航母舰载机的起飞. 电磁弹射由于推力大， 可控性强， 装置体积和质量相对较小等优点逐渐被广泛应用[4-6].

本文根据电磁弹射的运动特性， 结合协调器运动规律， 提出了一种新型的电磁脉冲协调器方案. 为了探索电磁脉冲弹射器与火炮系统能源的联合应用， 本文以某型火炮为研究对象， 建立了电磁脉冲协调器的动力学模型， 根据脉冲电流对协调器运动特性的影响， 提出了脉冲电流变化规律并进行分析.

1 电磁脉冲协调器工作原理

协调器的运动是一个从加速到减速的过程， 其运动结束段速度较为平缓， 同时还应当保证在协调到位时， 协调器能够支撑一段时间， 以保障输弹机能够将弹药稳定地输送入炮膛. 电磁弹射会在脉冲电流最大时刻产生一个较大的瞬时推力， 而后由于电流瞬间的释放导致在后期电流强度较小， 产生的推力也比较小， 无法承担对托弹盘的支撑作用[7-10].

本文设计了一种由永磁铁与通电线圈结合的弹射装置， 通过调整两个永磁铁磁场强度， 来补偿电磁脉冲协调器工作后期推力不足的问题， 其工作原理如图 1 所示.

图 1 电磁脉冲协调器工作原理图Fig.1 Schematic diagram of electromagnetic pulsed coordinator

在协调器运动前期， 由于电流较大， 推杆上的通电线圈在靠近下方的位置， 其受到下方磁铁产生的磁场影响较大， 而在协调器运动后期， 由于电流较小， 通电线圈受到上方磁铁产生的磁场影响较大， 因此上方磁铁的磁场应当大于下方磁铁， 同时也应当在机械结构设计上采取一定的方式对协调器运动到位时进行短暂束缚， 以保证稳定的输弹过程， 电磁脉冲协调器在火炮上的工作位置如图 2 所示.

图 2 电磁脉冲协调器工作位置Fig.2 Work location of electromagnetic pulsed coordinator

2 动力学模型

如图 1 所示， 根据通电线圈在磁场中的受力可知[11-12]

Fe=nBIL,

(1)

式中：Fe为电磁推力；n为线圈匝数；B为磁感应强度；I为线圈电流；L为单匝线圈周长. 其中磁感应强度B为推杆位移的函数， 即

B=B(x).

(2)

电磁脉冲协调器的磁场为上方磁铁和下方磁铁的叠加磁场， 根据磁场的叠加定理有[13]

B(x)=Bu(x)+Bd(x).

(3)

根据牛顿第二定律有

(4)

式中：mt为推杆质量；x为推杆位移；Ff为摩擦力.

如图 2 所示， 协调器从供弹机接收到弹丸之后， 绕耳轴旋转至与炮膛轴线的平行位置， 对于这样的单自由度系统有

(5)

式中：M为协调器力臂上的等效力矩；J为系统转动惯量；θ为转动角位移.

对协调器系统受力分析有

M=FeLe-MG-Mf,

(6)

式中：Fe为电磁推力；Le为电磁推力动力臂；MG为重力转矩；Mf为摩擦转矩. 其中电磁推力动力臂Le和重力转矩MG均为转动角位移的函数， 即

Le=Le(θ),

(7)

MG=MG(θ).

(8)

假设电磁推力动力臂长度变化量呈正弦规律变化， 则有

Le(θ)=ΔLmaxsinθ+L0,

(9)

式中：L0为电磁推力作用点与转轴之间的距离； ΔLmax为电磁推力动力臂变化量的最大值， 一般为θ=45° 时的变化量.

联立上式得

(10)

式(10)即为电磁脉冲协调器运动微分方程组， 显然， 当电磁脉冲协调器结构设计完成后， 电流I是唯一可以调控的参数.

(11)

假设脉冲电流的放电规律服从高斯分布[14-15]， 则有

(12)

式中：Imax为脉冲电流峰值；tImax为脉冲电流峰值位置；d为脉冲半宽度.

联立式(11)和式(12)可知， 脉冲电流峰值越大， 脉冲电流峰值位置越靠前， 脉冲宽度越宽， 这都会引起协调器角速度的增大. 因此， 为了得到较为合适的协调器角速度变化规律， 就必须合理地控制Imax，tImax，d三者之间的关系.

3 计算分析

现以某型火炮为研究对象， 已知协调器重力

转矩变化规律如图 3 所示. 由式(2)可知， 磁感应强度是一个与距离相关的函数， 按照设计初衷， 期望获得两端较大， 中间较小的磁感应强度变化规律， 并且两端磁感应强度不同， 表现为一端大一端小的形式. 电磁脉冲协调器结构参数如表 1 所示. 协调器电磁推力动力臂变化规律如图 3 所示.

表 1 电磁脉冲协调器结构参数

图 3 电磁脉冲协调器性能参数变化曲线Fig.3 Change curve of performance parameters

本文采用MAXWELL电磁有限元仿真软件建立二维仿真模型如图 4 所示， 对两磁铁静态磁场进行模拟仿真， 得出磁密分布图如图 5 所示. 根据设计要求， 对MAXWELL仿真出的磁密分布图进行修正： 截取两磁铁中间段的波形图， 得到电磁脉冲协调器磁感应强度随推杆位移变化规律如图 6 所示.

图 4 电磁脉冲协调器二维有限元模型Fig.4 Two dimensional finite element model

图 5 磁密分布曲线图Fig.5 Distribution curve of flux density

图 6 磁感应强度变化规律Fig.6 Change curve of magnetic induction

由图 6 可以看出， 随着推杆位移的增加， 磁感应强度呈现出先降后增的趋势， 符合拟定的设计要求.

由式(11)和式(12)可知， 脉冲电流的峰值Imax， 脉冲电流峰值的位置tImax， 以及脉冲半宽度d对协调器运动特性有着重要的影响， 本文利用Simulink搭建电磁脉冲协调器动力学模型分别对脉冲电流3个重要参数进行仿真分析， 动力学模型如图 7 所示， 仿真结果如图 8～图 10 所示.

图 8 脉冲电流峰值不同时的运动特性Fig.8 Movement characteristics of different pulse current peaks

图 9 脉冲电流峰值位置不同时的运动特性Fig.9 Movement characteristics of different pulse current peaks location

由图 8～图 10 可知， 脉冲电流参数对协调器运动特性的影响比较敏感. 脉冲电流峰值越大， 角速度越大， 在协调到位时， 容易造成较大的冲击， 相反， 脉冲电流峰值越小， 则容易造成协调不到位； 脉冲电流峰值的位置代表了脉冲激励的时间点， 脉冲激励越早， 角速度越大， 其最大值也越靠前， 协调到位时冲击越大， 这是由于推杆运动前期， 线圈靠近下方磁铁， 对下方磁铁的磁场强度较为敏感， 因此当脉冲激励过早时， 推力增长提前， 角速度增大； 脉冲半宽度代表了脉冲激励的持续时间， 显然， 脉冲激励持续时间越长， 角速度越大.

图 10 脉冲半宽度不同时的运动特性Fig.10 Movement characteristics of different pulse width fwhm

因此， 在不同射角下进行输弹需要综合考虑脉冲电流的参数进行电流控制， 以期望获得最佳的协调器运作状态. 由电磁脉冲协调器的工作原理和弹药协调器的运动特性可知， 脉冲电流的放电形式大致可分为两类， 一类是在协调器运行初期施加一个高峰值窄波脉冲， 一类是在协调器运行中期施加一个较低峰值宽波脉冲. 在极限射角下， 两种脉冲放电形式对协调器角速度的影响如图 11 和图 12 所示.

图 11 初期窄波脉冲电流对角速度的影响Fig.11 Effect of initial narrow pulse current on angular velocity

比较图 11 和图 12 可知， 在初期施加窄波脉冲电流的角速度峰值较大， 原因是初期推杆位移较小， 通电线圈处于磁场强度较大的区域内， 当线圈内电流较大时， 电磁力更大， 电流对磁场的利用更有效， 协调器角速度在电磁驱动段增长更快， 且协调器协调到位的时间较短； 在中期施加宽波脉冲电流的角速度峰值较小， 原因是这一时期线圈内电流持续时间较长， 电流对磁场的利用时间更长， 由于这一时期磁场强度较小， 协调器角速度增长和下降均较为平缓， 同时， 协调器运动时间较长.

图 12 中期宽波脉冲电流对角速度的影响Fig.12 Effect of interim wide pulse current on angular velocity

图 13 为不同脉冲电流对电磁推力的影响， 由图可知， 初期窄波脉冲电流产生的电磁推力较大， 持续时间较短， 推力变化较大， 协调器运行波动较大； 中期宽波脉冲电流产生的电磁推力较小， 但持续时间相对较长， 推力变化相对较小， 协调器运行较为平稳. 从火炮磁后坐发电机角度考虑， 窄波脉冲电流更为有利， 原因是与宽波脉冲电流相比， 窄波脉冲电流更接近储能电容的放电规律， 外电路对电流的控制较少， 电路损耗较少； 从电磁脉冲协调器的角度考虑， 宽波脉冲电流更为有利， 原因是宽波脉冲电流产生的电磁推力相对较为平稳， 不容易引起协调器产生较大的振动.

图 13 不同脉冲电流对电磁推力的影响Fig.13 Effect of different pulse current on electromagnetic thrust

4 结 论

本文提出了一种新型电磁脉冲协调器方案， 通过建立电磁脉冲协调器动力学模型， 以某型火炮为研究对象进行分析， 并提出了脉冲电流的放电规律方案， 得出了以下结论：

1) 与传统协调器相比， 电磁脉冲协调器结构简单， 推力密度较大；

2) 电磁脉冲协调器能源为脉冲源， 具有与火炮磁后坐发电机结合应用的前景优势；

3) 与传统永磁直线电机相比， 电磁脉冲协调器利用永磁铁两端布置的方式克服了运行后期由于电流减小带来的推力不足的问题；

4) 脉冲电流参数对协调器运行状态影响较为敏感. 在协调器运行初期施加窄波脉冲电流比在中期施加宽波脉冲电流更为有效， 缺点在于协调器振动较大. 在中期施加宽波脉冲电流虽然消耗较大， 但协调器运行较为平稳.