基于磁耦合谐振式的非接触点火技术研究

刘双庆，杨 臻，方 炜，王永艳,李 印

(1.中北大学 机电工程学院，太原 030051；2.中北大学 电气与控制工程学院，太原 030051;3.四川华川工业股份有限公司，成都 610105)

1 引言

点火机构是身管武器的重要组成部分，传统底火点火方式是将机械能或者电能通过接触的方式将能量直接作用于底火来点燃发射药，随着弹药技术的发展某些新型弹药提出底火安装在弹药中间的要求以及新型火炮对密闭性要求的提高和无后坐力火炮的发展，火炮的击发机构与底火并不能直接接触，所以通过接触将能量作用在底火上的传统点火方式并不能满足上述需求，因此需要发展一种非接触式底火点火技术。电磁感应式无线能量传输技术在大间隙的条件下，两线圈耦合系数较低，传输距离较近，但自2007年美国麻省理工学院Matin Soljacic教授及其团队成功点亮了2 m外60 W的灯泡[1-2]，无线能量传输技术在医疗、汽车、引信等领域掀起了研究热潮，当两电线圈和补偿电容组成谐振回路时传输距离可以达到米级[3-6]，这为无线能量传输技术在非接触式点火方式的应用带来了可能，但由于武器身管大多数为金属材料，所以国内鲜有学者对非接触式点火技术进行研究。

1997年“金属风暴”武器系统亮相，国内越来越多学者对超高射频武器系统的点火方式展开研究，文献[7-9]研究了超高射频武器系统的点火方式，该系统采用串联预装填弹药结构，底火按照顺序安装在身管上，通过软件和硬件控制点火顺序依次将能量作用于底火，属于接触式点火方式。文献[10]中对感应点火技术的基本原理与构成进行了研究，其中初级线圈与次级线圈直接耦合，并未加入补偿电容使两线圈进入谐振状态，其缺点是传输距离较近。文献[11]中通过建立数学模型分析了钛合金炮管内的电磁场穿透特性，得出了谐振频率只有小于特定频率时满足引信充电的要求，并没有进行详细分析骨架材料的电导率和相对磁导率对穿透的特性的影响。

本文中建立了磁耦合谐振式点火系统的数学模型，分别从骨架材料的电导率和相对磁导率以及磁芯厚度对互感的影响进行了分析，完成了基于磁耦合谐振式的非接触点火系统在身管武器上原理样机试验。

2 系统整体结构

根据身管武器的特点，非接触式点火系统结构如图1所示，其特点是，不需要改动武器的结构，只需通过合理的设计在骨架绕上一定匝数的初级线圈和在底火上缠绕一定匝数的次级线圈即可实现非接触式点火功能。

图1 非接触式点火系统结构图Fig.1 Structure diagram of the non-contact ignition system

本文中设计的非接触式点火系统电路如图2所示，主要包括直流电源、逆变器、补偿电容、初级线圈、次级线圈、整流电路和底火，当初级线圈和次级线圈之间的耦合距离较大时，漏磁较为严重，会导致系统传输性能降低，因此采用磁耦合谐振式的无线能量传输方案，通过补偿电容使两电路发生谐振，实现系统能量的传输[12-15]。

图2 非接触式点火系统电路框图Fig.2 Circuit block diagram of the non-contact ignition system

3 系统工作原理

图3 系统耦合谐振电路图Fig.3 System coupling resonance circuit diagram

根据基尔霍夫定律：

(1)

式中：

(2)

根据式(1)求得，可得回路中的电流关系：

(3)

当系统发生谐振时，发射回路和接收回路线圈电压与串联的谐振电容电压矢量和为0，即感抗和容抗相互抵消，此时电路中的电流达到最大值，则：

(4)

此时传输效率为：

(5)

由式(5)可知，系统传输效率不仅与底火电阻阻值有关，而且与系统的谐振频率、初级线圈和次级线圈互感、线圈内阻密切相关。

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计算分析得出传输效率的大小由底火电阻阻值和互感决定。针对本文中研究的谐振电路，谐振频率f=100 kHz，R1=0.15 Ω，R2=0.09 Ω，底火阻值为1～3 Ω，互感为0.1～0.3 μH，则传输效率与互感、底火电阻的关系如图4所示。

图4 传输效率与互感、底火电阻关系图Fig.4 Diagram of transmission efficiency with mutual inductance and primer resistance

由图4可知，当固定初级线圈和次级线圈的互感M，底火电阻RL从3 Ω递减到1 Ω时，传输效率η0增幅并不明显，但当固定底火电阻RL，两线圈互感M从0.1 μH增加到0.3 μH时，传输效率η0增幅明显。分析结果表明传输效率η0受互感M的影响更为明显。

4 影响系统互感主要特征参数研究

4.1 骨架材料对互感的影响

该系统通过初级线圈和次级线圈间的电磁耦合实现非接触式能量的传输，初级线圈缠绕在骨架上，所以需要研究骨架材料对系统互感的影响。根据电磁学方程，骨架材料的电导率σ和相对磁导率μr是影响互感的2个重要因素。

为了分析骨架材料的电导率和相对磁导率对互感的影响程度，在Maxwell软件中建立三维仿真模型如图5所示，初级线圈匝数和次级线圈匝数均为5匝。

图5 仿真模型图Fig.5 Simulation model diagram

令骨架相对磁导率为1，当骨架材料电导率σ为1 000 S/m、10 000 000 S/m，磁感应强度云图如图6所示。

图6 骨架不同电导率磁场分布情况Fig.6 Magnetic field distribution of different conductivity of skeleton

由图6可知，当电导率为1 000 S/m，磁感线穿透了骨架，当电导率达到10 000 000 S/m时，已无磁感线穿透骨架。

为进一步探究骨架电导率σ对系统互感的影响关系，以骨架材料的电导率σ为变量，得到两线圈互感M与电导率σ的关系如图7所示，其中横坐标电导率采用的是对数形式。

图7 互感与骨架电导率关系图Fig.7 Diagram of mutual inductance and skeleton conductivity

图8 骨架电流密度云图Fig.8 Skeleton current density nephogram

为了分析骨架相对磁导率对互感的影响，根据对骨架电导率的分析可知，获得较大的互感值，需要选择电导率较小的材料，令骨架材料的电导率为10 S/m，当骨架材料相对磁导率μr分别为1、4 000时，磁感应强度云图如图9所示。

图9 骨架不同相对磁导率磁场分布情况Fig.9 Magnetic field distribution of different relative permeability of skeleton

由图9可知，当相对磁导率μr为1时，磁感线可以穿透骨架，当相对磁导率μr为4 000时，磁感线不能穿透金属骨架，且大多数磁感线主要集中在骨架上。

为进一步探究骨架相对磁导率μr对系统互感的影响关系，以骨架材料的相对磁导率μr为变量，可以得到互感M与相对磁导率μr的关系如图10所示。

图10 互感与骨架相对磁导率关系图Fig.10 Diagram of mutual inductance and relative permeability of skeleton

由图10可知，随着金属管相对磁导率的增加，线圈间的互感会减小，在骨架相对磁导率从1递增到100时，互感M由118.76 nH减少到52.55 nH，减小了55.75%，当骨架相对磁导率超过200之后，随着骨架相对磁导率的增大，两线圈互感减少的速度开始缓慢下降，当增大到一定数值后，线圈互感基本保持不变。主要原因是骨架的相对磁导率越高，在磁场中磁阻越小，使得空间中的磁场将被约束到骨架中，造成初级线圈和次级线圈互感降低。

根据对骨架电导率和相对磁导率的分析可知骨架电导率和相对磁导率的差异，是影响互感的重要因素，因此骨架要选择电导率和磁导率较低的材料，身管武器常用材料电导率和相对磁导率如表1所示，只有钛合金电导率相对较小，但与绝缘介质相比还是较大。小口径身管武器膛压一般不超过500 MPa，目前随着高强度陶瓷技术的发展，通过合理的结构设计可采用陶瓷作为骨架材料提升两线圈之间的互感。

表1 不同骨架材料的电导率和相对磁导率Table 1 Conductivity and relative permeability of different skeleton materials

4.2 不同磁芯厚度对互感的影响

初级线圈和次级线圈有较大的间隙，需要在次级线圈中间加入铁氧体作为磁芯，由于铁氧体的磁导率较高，所以在加入磁芯后两线圈的互感会增大。TDK公司生产的PC95在100 kHz频率时有较好的温度稳定性[17]，因此本文中以PC95磁性材料作为磁芯，磁芯厚度会对两线圈的互感产生一定的影响，仿真模型如图11所示。

图11 带磁芯三维仿真模型Fig.11 Three-dimensional simulation model with magnetic core

互感M与磁芯厚度d的关系如图12所示，磁芯厚度d从0.7 mm递增到2.7 mm时，随着磁芯厚度的增加，互感增幅明显，当磁芯厚度d超过2.7 mm后随着磁芯厚度d的增加，互感增加速度开始变缓。过多的增加磁芯厚增大了体积和质量，因此在选择磁芯厚度的时要考虑弹药的尺寸及质量。

图12 互感与磁芯厚度关系图Fig.12 Diagram of mutual inductance and core thickness

5 实验验证

基于上述分析，为了验证非接触点火技术的可靠性，初级线圈缠绕到陶瓷骨架上装入到金属身管内，实验装置如图13所示。

图13 实验平台Fig.13 Experimental platform

将底火放入到身管内，该装置工作频率为100 kHz，底火等效发火电阻为1.2 Ω，测得底火端电压如图14所示，峰值可达到11 V，将底火安装到密闭爆发室中，其中示波器CH1通道与密闭爆发器的压力传感器连接，CH2通道与底火连接，均为上升沿触发，测得底火发火延迟时间为0.2～0.7 ms；为了进一步验证陶瓷骨架方案的可行性，在某型身管武器上进行了多次内弹道试验，底火均可靠发火，内弹道试验后陶瓷骨架肉眼观察无变形，无破损，强度可靠，如图15所示。结果表明，本文中所研究的基于磁耦合谐振式的非接触点火技术可行。

图14 底火端电压曲线图Fig.14 Primer terminal voltage curve

图15 内弹道试验后陶瓷骨架Fig.15 Ceramic skeleton after interior ballistic tests

6 结论

本研究设计了一种非接触点火系统，该系统基于磁耦合谐振原理，通过建立系统数学模型，分析了传输效率与互感、点火电阻之间的关系，针对系统骨架材料的磁导率和电导率及磁芯厚度对骨架的影响进行了三维电磁场仿真分析比较，并通过实验验证了采用陶瓷作为骨架的非接触点火技术的可行性，这为非接触式底火的设计提供了一种新的思路。结合理论分析及仿真结果，得到结论如下：

1) 本文中设计的非接触式点火系统，其传输效率受互感影响较大；

2) 非接触式感应点火系统的互感会受到骨架电导率和磁导率的影响，应选择电导率和磁导率较小的材料作为骨架，本研究中选择的是高强度陶瓷；

3) 在次级线圈中间加入铁氧体磁芯会提高两线圈之间的互感，随着磁芯厚度增加，互感先增大后趋于不变。