基于两级磁阻型线圈发射器的整体优化设计

郭 威，陈息坤，朱国庆，陈永健，张克松

(上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200444)

0 引 言

电磁发射装置是通过电磁力来加速物体，即通过电磁能量转换使弹丸达到高速的装置。相比于传统的化学发射装置，电磁发射的显著优点在于污染小、重复性好、可控性好，因此应用前景广阔。根据发射结构的差异，电磁发射可以分为轨道型、线圈型和重接型，其中线圈型发射依据加速对象的不同又分为感应型和磁阻型两类[1]。文献[2]研究了不同弹丸参数下磁阻型线圈发射器相关特性。文献[3]对不同速度、不同驱动线圈电流条件下的减速力进行了研究。文献[4-6]通过有限元仿真研究了发射过程中弹丸相关参数的影响。

本文主要利用两种脉冲成型网络模块的不同放电特性，与电磁发射装置结合进行整体设计和优化，缩短了发射结构长度，实现了放电回路的过零后关断，并且对后级触发时序进行优化调整，有效提升了发射弹丸的出口速度。

1 系统工作原理及组成

磁阻型线圈发射器主要由发射线圈、铁磁材料制成的弹丸、电源以及相应放电回路、续流回路构成，基本结构如图1所示。

图1 电磁发射基本结构

电磁发射装置的基本工作原理是：电路开关闭合后电源放电给线圈产生脉冲电流，驱动线圈受激励产生感生磁场，铁磁材料弹丸被磁化，由于被磁化后的弹丸磁阻远小于空气磁阻，根据磁阻最小原则，磁通总是趋向于沿磁导率最小的路径闭合，所以弹丸会受到轴向的电磁力，向线圈中心即磁阻最小的方向移动[7-8]，会被加速发射出去。

2 放电电路与发射线圈设计分析

2.1 Ⅰ型、Ⅱ型脉冲成型网络模块放电拓扑

脉冲放电电路是磁阻电磁发射系统的主要组成部分，单个脉冲功率电源也称作脉冲成型网络(以下简称PFN)[9]，基本工作原理是将晶闸管作为开关，控制电容放电产生脉冲电流。图2为两种PFN模块的电路拓扑，包括储能电容C、续流二极管D、开关元件T、发射线圈L以及相应的等效电感与电阻。PFN模块在放电过程中，当电容正向电流减小到零后，Ⅰ型电路中电容所在回路中断，电容电流消失，不再产生能量损耗，而Ⅱ型电路存在反向充电电流，因此Ⅰ型PFN放电过程效率较高。但是由于Ⅱ型拓扑的晶闸管处于电感续流回路中，能够实现续流回路的过零后关断，所以通过对发射线圈参数与Ⅰ型、Ⅱ型PFN模块的整体设计，能实现最优的发射过程，从而提升电磁发射效率。

图2 两种PFN模块

2.2 线圈对发射过程的影响

利用虚位移的原理，可以近似计算得到铁磁弹丸在发射线圈中的受力，位移前后磁能变化量：

(1)

从而得到弹丸所受的轴向电磁力：

(2)

式中：χm为铁磁材料磁化率；μ0为真空磁导率；H为驱动线圈产生的磁场强度；A为驱动线圈的截面积。

对于两级发射结构，两级发射线圈的作用增加了弹丸的加速距离，并且抵消了部分电磁减速力，相比于单级发射结构，有效提升了发射效果。

3 两种PFN结合电磁发射系统设计与优化

3.1 结合Ⅰ型、Ⅱ型PFN模块整体设计

在现有的两级发射结构设计的基础上，本文对发射结构与电路进行了整体的优化设计，图3为发射结构示意图。

图3 结合Ⅰ型、Ⅱ型PFN模块设计的发射结构

在发射线圈方面，将前级线圈与后级线圈设计成间距为0的紧贴结构，利用前级线圈与后级线圈之间的互感，在后级线圈脉冲电流上升时，可使前级线圈的电感电流降低到零，并且缩短了发射结构长度。在电路设计方面，结合Ⅰ型、Ⅱ型PFN模块，前级线圈采用Ⅱ型PFN拓扑实现续流回路过零关断，能够明显降低电磁发射过程中的减速力作用效果；后级线圈采用Ⅰ型放电拓扑，可降低电容放电过程能耗。

该发射装置的工作过程：当前级晶闸管T1触发导通时，电容C1向前级线圈放电形成磁场，铁磁弹丸加速运动。在T2触发导通时，后级线圈产生脉冲电流与前级线圈互感，使得前级线圈电流快速衰减到零，之后Ⅱ型PFN模块中T1过零后关断，前级线圈所在回路断开，对弹丸的减速力作用消失，而后级采用能耗较低的Ⅰ型PFN拓扑。

3.2 仿真模型搭建与参数设置

本文基于ANSYS Maxwell对发射装置进行有限元仿真，发射装置模型如图4所示。前后级电容参数相同，电容容值3 300 μF,电容初始电压400 V,前级驱动线圈匝数140匝，后级线圈匝数160匝,线圈材料为铜，线径为1.5 mm,线圈内半径均为19 mm,线圈外半径均为25 mm，弹丸半径为18 mm,长度60 mm，材料为10号钢。

图4 两级发射器仿真模型

3.3 优化前后仿真对比

分别对整体优化设计的前后两级磁阻发射装置进行有限元仿真，图5为两级线圈上的电流变化曲线与速度变化曲线。可以看出，设计优化后的系统在线圈电流过零后电路关断，不再产生对弹丸的减速力，对弹丸的动能损耗消失，磁场只产生于后级线圈，前级线圈不再对弹丸作功。最终出口速度由14.6 m/s提升到了16.5 m/s，动能提升了21.8%，有了显著的提升。

图5 优化前后电感电流与弹丸速度变化曲线

3.4 前级过零关断电路可行性验证

对设计的发射装置进行搭建，图6为整体优化设计后的两级磁阻发射实验平台。图7为整体优化设计前后的电容放电与前级线圈电流波形。由实验波形能够看出，优化后的前级线圈电流实现了过零后关断，因此该设计方案具有可行性。

图6 采用Ⅰ型、Ⅱ型PFN拓扑的电磁发射平台

图7 优化前后电容电压电流与前级线圈电流波形

3.5 后级线圈触发时序优化

在结合Ⅰ型、Ⅱ型PFN模块所设计的发射装置的基础上，对后级线圈驱动电路触发时间t0进行调整，使得在第二级电容放电的时间内，弹丸所受轴向加速力作用时间长，而在弹丸所受电磁力变为反向减速力时，作用时间短，所受电磁力小，进一步提高发射弹丸的出口速度。

对第二级电路不同触发时间的放电情况进行仿真计算，图8为弹丸速度变化曲线。在其他参数保持不变，分析得出经过第一级线圈加速后的速度基本相同，而第二级线圈在不同触发时间下，弹丸最终出口速度v随t0变化。

图8 不同触发时间下弹丸速度随时间的变化曲线

表1为对比不同触发时间下的弹丸出口速度和动能。可知，触发时间过早或者过晚，出口速度都会下降，弹丸动能损耗增加，当t0=6 ms时,出口速度v0=17.6 m/s,此时发射装置发出的弹丸动能达到最大,为76.8 J。

表1 不同触发时间下弹丸出口速度及动能

4 结 语

本文基于ANSYS Maxwell仿真软件建立的两级磁阻发射装置仿真模型，结合使用Ⅰ型、Ⅱ型PFN模块对电磁发射系统进行整体优化设计，利用前后两级线圈的互感作用，实现了发射过程中放电电路的过零关断，有效缩短了减速距离，显著提升了发射弹丸的出口速度，并通过实验对该设计可行性进行了验证，最后在此基础上对后级线圈的放电时序优化调整，进一步提升了发射弹丸的出口速度。