基于电容吸收拓扑电路的新型磁阻线圈发射器

黄 滔,董家杭,殷诣康,张亚东,2,孙志强

(1.武汉大学 电气与自动化学院, 武汉 430072; 2.武汉大学 雷电防护与接地技术教育部工程研究中心, 武汉 430072;3.广州国曜科技有限公司, 广州 510000)

0 引言

电磁发射技术是将电磁能转化为动能,利用电磁力对载荷进行加速并发射的技术。其中,磁阻线圈发射技术因具有出口速度一致性好,可靠性高,能源清洁等优点而备受关注[1-4]。但是目前磁阻发射器的发射效率普遍较低,难以满足小型化实用化的要求。如何提高发射效率是磁阻发射技术的主要研究内容,目前的研究主要集中在线圈发射器和电枢结构参数优化、触发位置优化等方面[5-8],但是优化效果不够理想,大多数发射效率低于10%。

磁阻发射器的电枢只受到向着驱动线圈中心的拉力,这意味着电枢在经过线圈后会受到一个回拉的拖拽力。如果能够减小拖拽力就可以提高发射效率。文献[9-10]在续流二极管里加入续流电阻,当续流支路导通时电流可通过续流电阻支路快速衰减至零,减小了拖拽力,但其缺点是大部分剩余能量被电阻消耗。文献[11-14]采用了吸收电容法,在传统的放电电路中增加了能量回收支路。当支路导通时,发射后的剩余电流被电容器吸收,电流快速下降至零,减小了拖拽力。

本文中针对电枢拖拽力的问题,提出基于电容吸收拓扑电路的新型放电电路。首先采用有限元软件对单级磁阻线圈发射器进行建模与仿真,拟合数据求得电感函数与电感梯度,并对磁阻发射器的发射特性进行分析。随后建立了传统二级磁阻型线圈发射器与基于电容吸收拓扑电路的新型磁阻发射器的模型,并对电容电压、放电电流、电磁力与电枢速度等参数进行仿真计算。最后,在所有参数全部相同的条件下,将新型放电电路与传统放电电路下的仿真结果进行对比。仿真结果表明,通过对放电电路拓扑结构的改进实现了剩余能量的回收利用,提高了磁阻型线圈发射器的发射效率和电枢的出口速度。

1 磁阻发射器工作原理

传统单级磁阻线圈发射器的结构如图1所示,由铁磁电枢、驱动线圈和电源系统组成。当电容开始向驱动线圈放电时,在驱动线圈上会产生脉冲电流。根据磁阻最小原理,电枢受到向着驱动线圈中心的电磁力,拉动电枢前进。等效驱动电路如图2所示。

图1 单级磁阻电磁发射器模型

图2 传统单级磁阻发射器驱动电路

触发开关S闭合时,电容C向驱动线圈放电。电路方程如式(1)所示

(1)

式(1)中:uc(t)为电容电压;R为驱动线圈内阻;L(x)为驱动线圈电感。

进而得到式(2):

(2)

电容放电完毕后,驱动线圈电流通过二极管续流,此时电路方程如式(3):

(3)

电枢在发射过程中,驱动线圈的电感会随电枢位置的变化而变化。同时电感的大小受电枢磁饱和程度的影响。利用有限元软件求解不同电枢位置下的电感值,建立的线圈和电枢模型如图3所示。

图3 单级磁阻发射器典型模型

然后对数据进行拟合分析得到电感函数[15-16]。拟合得出电感函数如式(4):

(4)

式(3)中:xstart为电枢初始发射位置;x为运动距离;电感曲线相关系数a、b、c与线圈结构参数、铁磁电枢饱和程度、电枢结构尺寸有关。通过对电感曲线的位移求导可求得电感梯度如式(5):

(5)

电感变化率的曲线形状大致如图4所示,可以看出想要提高电枢发射效率,就要使驱动线圈在变化率峰值附近保持较高电流且在过零点附近使其电流快速衰减。

图4 电感变化率

在驱动线圈通电后,整个系统的磁场储能为式(6):

(6)

根据磁阻最小化原理,铁磁材料的电枢会持续受到一个向着驱动线圈中心的力。根据虚功原理,系统减少的磁能转化为电枢的动能,电枢受到驱动线圈轴线上的力为式(7):

(7)

式(7)中:m为电枢质量。

发射器的效率可表示为抛体获得的动能与电容器初始储能之比,如式(8):

(8)

式(8)中:vn为电枢的射出速度;Cn为各级电容器的容值;Un为各级电容器的初始电压。

2 传统发射器仿真计算

2.1 仿真模型

采用有限元仿真软件建立的二级发射器轴对称模型如图5所示。仿真模型的参数如表1所示。

图5 二维仿真模型

表1 发射器参数

仿真设置电容器的电容值均设为800 μF,驱动电路中电容器第1级和第2级均预充电压450 V。

2.2 传统发射器仿真分析

为验证本文中提出的应用于二级磁阻发射器的基于电容吸收法的放电电路对比于传统放电电路的优势,需在最优触发位置下对传统放电电路驱动发射器进行仿真计算。为取得最佳触发位置,现对不同触发位置情况下电枢的发射性能进行分析。以第1级线圈末端即靠近电枢的一端的末端为坐标零点,Z轴方向为正方向,分析结果见表2。

表2(a) 第1级触发位置分析

稳定速度最高时在3.5 mm处,选取3.5 mm选为传统电路第1级线圈的触发位置。

表2(b) 第2级触发位置分析

稳定速度最高时在85.5 mm处,选取85.5 mm选为传统电路第2级线圈的触发位置。

在获取最优触发位置后对传统放电电路驱动发射器进行仿真计算,得到的电压、电流、电磁力、速度仿真波形分别如图6—图9所示。

图6 各级电容电压

图7 各级线圈放电电流

图8 电枢所受电磁力

图9 电枢速度曲线

传统放电电路的二级磁阻发射器待电枢到达触发位置后电容放电直至0 V,随后通过二极管续流。由于驱动线圈的内阻较小,电流的衰减较慢。待电枢达到驱动线圈中心后,剩余电流仍然很大,驱动线圈对电枢产生很大的拖拽力。同时,由于电枢射出,驱动线圈的等效电感减小,使得放电电流重新回升然后降低。

电枢射出时受到拖拽力的影响,在越过驱动线圈中心后速度会降低。电枢经过2级驱动线圈加速后的稳定速度为21.46 m/s。

3 新型电容能量回收电路

本文中提出的新型放电电路的拓补结构如图10所示。Lcoil和Rcoil为驱动线圈的等效电感和电阻,在整个放电回路中第1级的电容和驱动线圈和第2级的电容和驱动线圈交替进行充放电。整个发射器的发射过程可分为4个阶段。

图10 放电电路拓扑结构

图11(a)为新型放电电路第1工作阶段。在第1阶段,IGBT2导通。电容C1通过Lcoil1,Rcoil1和IGBT2回路给第1级驱动线圈放电。

在第1阶段电容给驱动线圈放电时,整个回路的电路方程为RLC方程。电容放电完毕后,驱动线圈中的电流通过二极管续流,电路方程为RL方程。

第2阶段放电回路如图11(b)所示,电枢接近第1级驱动线圈中心。此时IGBT2关断,第1级驱动线圈通过D4,C2形成回路,剩余电流被第2级电容吸收实现快速衰减。

第3阶段放电回路如图11(c)所示,电枢已接近第2级驱动线圈前端。此时IGBT2关断,IGBT1和IGBT3打开,电容C2和C1通过Lcoil2,Rcoil2,IGBT1和IGBT3回路给第2级驱动线圈放电。

第3阶段放电过程与第1阶段类似,电容给驱动线圈放电的电路方程为RLC方程,电容放电完毕续流时的电路方程为RL方程。

第4阶段放电回路如图11(d)所示,电枢接近第2级驱动线圈中心。此时IGBT1和IGBT3关断,第2级驱动线圈通过D4,C1,C2,D3和D5形成回路,剩余电流被2级电容吸收实现快速衰减。

图11 第1—4阶段放电回路

4 新型放电电路仿真结果分析

为取得最佳触发位置,现对不同触发位置情况下电枢的发射性能进行分析。以第1级线圈末端即靠近电枢的一端的末端为坐标零点,Z轴方向为正方向,分析结果见表3。

表3(a) 第1级触发位置分析

对于有能量回收电路的磁阻发射器,7.5 mm触发时峰值速度最高,选择7.5 mm为第1级线圈的触发位置。

表3(b) 第1级吸收回路触发位置分析

稳定速度最高时在36.5 mm处,选取36.5 mm选为第1级吸收回路触发位置。

表3(c) 第2级触发位置分析

对于有能量回收电路的磁阻发射器,87.5 mm触发时峰值速度最高,选择87.5 mm为第2级线圈的触发位置。

表3(d) 第2级吸收回路触发位置分析

稳定速度最高时在116.5 mm处,选取116.5 mm选为第2级吸收电路触发位置。仍采用表1的仿真参数,采用新型放电电路进行仿真计算,得到的电压、电流、电磁力、速度波形如图12—图15所示。

图12 各级电容电压

图13 各级线圈放电电流

图12结果显示,当电枢达到各级驱动线圈的触发位置时,电容器开始放电,电压持续放电后下降至0 V。由于续流二极管的存在避免了电容器的反向充电,电压始终不为负值。第2级电容器吸收了第1级驱动线圈的剩余电流后电压达到460.23 V,随后全部放电于第2级驱动线圈。而第1级电容器吸收了第2级驱动线圈的剩余电流后上升至76.90 V,剩余能量2.37 J,第2级电容器上升至94.71 V,剩余能量3.59 J。减少了下次充电时的能量。两级电容均有效吸收了剩余电流,实现了能量的回收。

图13结果显示,电流上升至最大值后通过二极管续流,电流衰减较慢。当电枢通过驱动线圈中心时,IGBT开关关断,使得驱动线圈剩余能量被电容器吸收实现电流的快速衰减。第2级驱动线圈的等效电感和电阻较小,电流峰值较第1级增大,上升时间减小。

图14 电枢所受电磁力

图14显示,电枢所受到的电磁力先增大后减小。在达到驱动线圈中心时为0。越过中心后,所受电磁力为拖拽力,和射出方向相反。

图15 电枢速度曲线

图15显示,由于电容对剩余电流的有效吸收,电枢的速度在越过电枢中心后基本不变。电枢最终的稳定速度为26.19 m/s。

磁阻型线圈发射器的各级效率如表4所示。由于第2级电容吸收并利用了第1级驱动线圈剩余电流的能量,第2级发射器的效率较第1级有所提高,从18.01%提高到21.59%。

传统放电电路和提出的新型能量回收电路仿真结果对比如表5所示。由于新型电路对剩余能量的及时回收,电枢拖拽力减小,电枢出口速度明显增大,发射效率明显提高。

表4 各级效率对比

表5 仿真结果对比

5 结论

本文中提出了一种带有能量回收的新型磁阻发射器设计方案,并和传统电路模型进行了仿真比较,得到的结论如下:

1) 搭建的新型能量回收电路采用IGBT开关和电容器相结合,能够对电枢加速后的剩余能量进行回收。

2) 由于采用了能量回收电路,电枢拖拽力明显减小,提高了发射速度。

3) 在发射速度提高和能量回收的综合作用下,新型发射器的效率远高于传统发射器,所提方案有效。