CN111536830A - 高耐热线圈炮电枢结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开两种结构简单的高耐热线圈炮电枢结构。第一种线圈炮电枢具有如下特点，电枢线圈采用多根并绕结构；对线圈的并绕铜丝进行绝缘处理；电枢内部有导磁铁芯；导磁铁芯与电枢线圈分别安装于陶瓷导热结构体的内外侧；电枢前端为弹头部分，可填装作战弹药。该线圈炮电枢具有高耐热，对激励要求低，推力大，质量轻等特点。第二种线圈炮电枢，其为环状固体电枢结构，电枢空腔用于装载弹药以及电子设备。该电枢特点在于，电枢材料的电阻率沿电枢径向的分布规律为，近电枢外侧的材料电阻率高，近电枢内侧的材料电阻率较低，该种电枢材料的分布可引导感应电流向电枢的深层分布，从而避免电枢烧蚀。

Description

高耐热线圈炮电枢结构

技术领域

本发明属于线圈炮领域，具体涉及两种高耐热线圈炮电枢结构。

背景技术

现代战争的发展对武器更迭的速度提出了新的要求，线圈炮作为一种新式武器，具有发射速度高，发射距离远，发射过程无硝烟以及能源可控等特点越来越受到各国的青睐。线圈炮的原理非常简单，在驱动线圈和电枢线圈中分别通以合适的电流，使得驱动线圈和电枢线圈中产生的磁场互相排斥或吸引，固定驱动线圈，通过多级驱动线圈不断地对电枢线圈进行加速，最终以极高速度发射电枢。

线圈炮的概念很早就被提出，但制造工艺的落后却长期制约着线圈炮的发展，直至今天，线圈炮的实用化进程依然受到材料，制造工艺等各方面的限制。作为一种新型的高能武器，在材料学的发展没有突破瓶颈之前，发热问题始终是阻碍线圈炮发展的诸多难题之一，对于线圈炮的炮管散热问题，有一些学者提出采用高导热材料以及液冷散热等方式进行解决，但电枢产热问题往往仅是通过采用耐热材料的方式进行一定程度上的解决。该种解决方案对材料的要求较高，本发明专利旨在通过新的电枢制备方法，从设计角度上降低电枢的产热，提高电枢的性能。

目前，大部分线圈炮领域的相关专利主要集中于线圈炮结构的运用以及线圈炮的控制方面，对于线圈炮电枢结构的设计鲜有提及。专利《军舰导弹电磁炮》(见专利号：CN110686561A)，具体阐述了一种经多级线圈炮驱动的导弹发射装置，其可通过调节军舰航向和线圈炮的俯仰角实现直瞄设计，另外借助导弹之上安装的导航装置可实现弹道改变，具有自动追踪目标，打击目标的能力，由于导弹在多级线圈加速下以高超音速飞离炮口，故其具有非常强的突然打击能力以及突防能力。专利《一种同步电磁炮发射器》(见专利号：CN108240780A),具体公布了一种解决多级线圈电源开关同步问题的线圈炮，该线圈炮采用了一体式电磁铁芯和并联线圈，使上下线圈产生的磁力线方向一致，并减少磁力线消耗，与传统同轴线圈炮相比不需要分段电源开关，解决了电源同步问题。专利《开关磁阻式多级加速线圈炮》(见专利号：CN102278912A)具体公布了一种能够发射含有铁磁性物体磁阻式多级加速电磁炮，以电容组通过多级螺线管瞬间放电形成瞬间强磁场作为发射动力，由光电对管连接控制单元经过电力电子开关来控制各级螺线管，对放置于磁场中的铁磁性物体依次进行加速，最后通过同样连接至控制单元的测速光电对管测得速度并通过液晶显示器显示所要求的发射参数。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提供一种高耐热线圈炮电枢结构，本发明根据线圈炮发射过程中的电磁现象，从减小涡流效应以及增加电枢热传导特性的角度，提出了两种新型的高耐热线圈炮电枢结构，通过改变电流在电枢中的流通路径以及添加导热结构体，在有效抑制电枢产热的同时加速热量的散失。在保证电枢结构简单的同时，可较好解决线圈炮电枢的产热问题。

传统的线圈炮电枢包括两部分，分别为弹体以及弹体外侧的绕制线圈。线圈炮在进行发射任务时，驱动线圈和弹丸线圈分别通以合适的电流，此时驱动线圈和弹丸线圈中将产生磁场，通过控制驱动线圈和弹丸线圈中的电流，可使驱动线圈与弹丸线圈的磁场极性相同，类似两极性相同的磁体之间互相排斥，由于驱动线圈是固定不动的，故弹丸线圈以及弹体将被不断的推动直至飞离炮口。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种高耐热线圈炮电枢结构，该电枢线圈采用多根并绕结构替代传统的单一导电体结构，电枢内部安装有导磁铁芯，电枢线圈与导磁铁芯之间填充陶瓷导热结构体，弹头安装于电枢前端，电枢线圈，并绕铜丝的直径应略小于电流趋肤深度的2倍。在电流频率为1000hz时，铜丝的直径应小于2.1mm，电枢线圈，以CuSO4为电解液原料，通过脉冲电沉积法制备的纳米孪晶铜制成。

对铜丝进行绝缘处理，铜丝的外表覆盖聚酰亚胺PEEK或C/CSI复合材料，或不对铜导线进行绝缘处理。

对铜丝进行捆扎以形成多根并绕结构，捆扎方式可采用漆包线的方式。

导磁铁芯材料为铁基纳米晶或铁氧体材料，在电流频率为20-50kHz时选铁基纳米晶作为铁芯材料，在电流频率低于20kHz时选铁氧体作为铁芯材料，导磁铁芯由20-30μm的磁性薄带叠压而成。

陶瓷导热结构体，其表面开螺旋槽，用以绕制电枢线圈，其内部开槽，用以安装导磁铁芯。

陶瓷导热结构体，可用树脂与陶瓷颗粒的复合材料替代陶瓷，陶瓷颗粒的体积占比应大于50％，陶瓷颗粒的直径应在5-10μm。

一种高耐热线圈炮电枢结构，为环状固体电枢，电枢并非由单一材料构成，其材料沿电枢径向的分布规律为，近电枢外侧材料电阻率较高，近电枢内侧材料电阻率较低。

所述的环状固体电枢，电枢厚度根据弹丸发射质量的不同，为5～10mm，电枢材料的电阻率沿电枢径向由内至外，按3～8％的梯度增大，电枢材料电阻率的调节通过在紫铜中掺加2～7％的铝元素实现。

本发明提出的高耐热线圈炮电枢相比传统电枢具有如下优势，其一，电枢线圈采用多根并绕结构代替传统的单一导电体结构，削弱了电枢线圈中的涡流效应，增大了电枢线圈的有效导电面积，减小了电枢线圈的电阻，进而减小了电枢线圈在工作过程中的产热；其二，在电枢内部安装有导磁铁芯，在驱动线圈和电枢线圈中激励电流值不变的情况下，增大了电枢的驱动力，提高了电枢的出口速度；其三，陶瓷导热结构体作为电枢的安装载体，在其内部开槽中安装导磁铁芯，在其外部螺旋凹槽中绕制电枢线圈，借助陶瓷良好的导热能力，电枢线圈与导磁铁芯中的热量均可以进行有效的散失，进一步提高了电枢的耐热性，同时，陶瓷具有轻量化的材料特性，降低了电枢的质量，可增大电枢的出口速度。

本发明提出的第二种高耐热线圈炮电枢为环状固体电枢结构，与第一种高耐热线圈炮电枢结构不同，该电枢不使用线圈进行导电，在线圈炮发射过程中，驱动线圈中注入电流将产生交变磁场，环状固体电枢处于驱动线圈的交变磁场中将产生感应电流。环状固体电枢的特点在于，电枢并非由单一电阻率的材料制成，沿电枢径向，近电枢内侧的材料电阻率较小，近电枢外侧的材料电阻率较大，这种电枢材料的分布特点使得感应电流的趋肤深度较大，缓解了感应电流对电枢的烧蚀。

附图说明

图1第一种高耐热线圈炮弹丸线圈的电流分布截面图

图2第一种高耐热线圈炮电枢剖面图

图3环状固体电枢多水口浇铸截面图

图4第二种高耐热线圈炮电枢剖面图

具体实施方式

线圈炮在工作过程中，电枢线圈中通以电流，电流在线圈中的分布如图1中1所示，其中1为电流在电枢线圈中的实际分布区域。在涡流效应作用下，电流集中分布于电枢线圈表面的某一深度，这使得电枢线圈的实际导电横截面积较小，电枢线圈的真实电阻值相对电枢线圈的计算值较大。从而在电流激励下，传统电枢线圈的产热量较多。本发明专利设计的第一种高耐热线圈炮电枢采用多根并绕线圈结构，如图2所示，采用多根较细的铜丝替代传统的单一导电结构，每根铜丝的直径略小于电流趋肤深度的2倍，这使得整个铜丝的横截面均可有效导电，在铜丝排列紧密的情况下，铜丝之间的间隙非常小，故整个电枢线圈横截面的导电利用率非常高。这减小了电枢线圈的总电阻，进而减小了电枢在发射过程中的产热量。此外，本发明专利所设计的高耐热线圈炮电枢还添加了陶瓷导热结构体，以进一步加速释放电枢线圈以及导磁铁芯中的热量。以下将详述第一种高耐热线圈炮电枢的具体制备方法：

步骤(1)，通过以硫酸铜(CuSO4)为电解液的脉冲电沉积法制备高纯度，具有高密度孪晶的纯铜。晶粒平均尺寸为400nm，孪晶的片层长度在100～1000nm之间，孪晶的片层厚度平均值为15nm，经该种方法制备的高性能铜的屈服强度可达到900MPa，断裂强度达到了1068MPa，其数值将比粗晶铜至少高一个数量等级，纳米孪晶铜的延展性能相较粗晶铜也有着显著性提高，延展率约为13.5％，纳米孪晶铜的电阻率在室温下为1.78×10^-8Ω·m，与粗晶铜的电阻率相当，纳米孪晶铜在导电性能不变的情况下，大幅提升了其机械性能。利用纳米孪晶铜制成的线圈可有效抑制电枢线圈的电动力。

步骤(2)，采用纳米孪晶铜制成铜丝，铜丝的直径应略小于电流趋肤深度的2倍，以保证铜丝的整个横截面均可实现导电功能。当激励电流的频率为1000hz时，铜导线的线经应小于2.1mm。

步骤(3)，为避免电流在铜丝之间窜动，从而降低整个电枢线圈的有效导电面积，在每根铜丝的外侧均包裹一层聚酰亚胺(PEEK)或C/CSI复合材料，形成绝缘铜线。采用C/SI复合材料时，绝缘层最高可承受1000摄氏度的高温，保证高温状态下铜丝之间的绝缘。当然在考虑电枢制作成本的前提下，可不对铜丝做绝缘处理，但抑制电枢产热的能力有所降低。

步骤(4)，将步骤(3)中制成的多根铜丝进行捆扎以方便线圈缠绕，可采用漆包线的方式。

步骤(5)，采用铁基纳米晶或铁氧体材料制备导磁铁芯，以增强电枢驱动力，导磁铁芯的材料取决于线圈电流的频率，在电流频率为20～50khz时选用铁基纳米晶作为导磁铁芯材料，而在电流频率低于20khz时选用铁氧体作为导磁铁芯材料。导磁铁芯由20～30μm厚的磁性薄带叠压而成，以减小导磁铁芯中的涡流损耗。

步骤(6)，陶瓷导热结构体由上下两部分构成，上下两部分之间采用螺栓或卡扣进行紧固，其内部开槽以安装步骤(5)中的导磁铁芯，在陶瓷导热结构体外侧开螺旋凹槽以绕制电枢线圈，陶瓷导热结构体的前端为弹药室。

特别的，为减小步骤(6)中陶瓷导热结构体的加工难度，可采用树脂和陶瓷颗粒构成的复合材料替代陶瓷进行陶瓷导热结构体的制备，陶瓷颗粒的体积分数占比须高于50％，陶瓷颗粒的直径应为5～10μm。

第二种高耐热线圈炮电枢的具体制备方法：

步骤(1)，在若干钢包中放置不同元素配比的合金液，其中包括紫铜合金液以及掺加了不同铝元素比例的紫铜合金液，铝在合金液中的占比为2～7％。

步骤(2)，采用多水口浇铸的方式，浇铸形成环状合金锭，沿环状合金锭径向，近环内侧浇铸液中的铝元素占比较小，近环外侧浇铸液中的铝元素占比较大，电枢材料的该种分布在增大电枢表层硬度的同时，引导感应电流向电枢的更深层分布。

步骤(3)，对步骤(2)中形成的环状合金锭进一步加工，形成环状电枢，在电枢的内侧填装弹药以及电子装置，形成线圈炮弹丸。

本发明设计的第二种高耐热线圈炮电枢结构相比单一材料的线圈炮电枢具有如下优势：在单一材料的线圈炮电枢中，电流由于涡流效应集中分布于线圈炮电枢的表层，电流的集中分布可能导致电枢烧蚀，对于环状固体电枢而言，沿电枢径向材料的电阻率不同，近电枢外侧材料的电阻率较高，近电枢的内侧材料电阻率较低，这种电枢材料的分布可引导电流向电阻率较低的电枢深层分布，进而减弱了电流对电枢的烧蚀。

参照图1为电流在多根并绕线圈中的分布规律，电流分布于整个并绕导体截面，增大了导体横截面的利用率，图2为第一种高耐热线圈炮电枢的剖面图，显示了电枢各部件之间的装配方式，图3为环状固体电枢多水口浇铸图，形成了分层环状合金锭，图4为环状固体电枢的剖面图。

实施例一

步骤(1)，通过以硫酸铜(CuSO4)为电解液的脉冲电沉积法制备高纯度，具有高密度孪晶的纯铜。晶粒平均尺寸为400nm，孪晶的片层长度在100～1000nm之间，孪晶的片层厚度平均值为15nm。

步骤(2)，采用步骤(1)中的纳米孪晶铜制成铜丝，铜丝的截面直径应略小于电枢线圈中电流趋肤深度的2倍，保证铜丝的整个截面均可起到有效导电作用，在激励电流为1000hz情况下，铜丝的直径应小于2.1mm。如图1中2所示，其中2为铜丝横截面，也为电流在铜丝中的实际分布。

步骤(3)，在步骤(2)中铜丝的外侧包裹一层聚酰亚胺(PEEK)或C/CSI复合材料，以防止铜丝之间发生电流窜动。如图1中3所示，3为铜丝外侧的绝缘层。

步骤(4)，将步骤(3)中得到的多根铜丝进行捆扎，可采用漆包线的方式。如图1中4所示，4为捆扎铜丝的漆包线，以便于电枢线圈的绕制。

步骤(5)，根据电枢线圈中电流频率的不同，在电流频率为20～50khz时选用铁基纳米晶作为导磁铁芯材料，在电流频率低于20khz时选用铁氧体作为导磁铁芯材料，导磁铁芯由20～30μm厚的磁性薄带叠压而成，如图2中5所示，5为导磁铁芯。

步骤(6)，采用陶瓷材料或者陶瓷颗粒与树脂的复合材料制成陶瓷导热结构体，如图2中6所示，6为陶瓷导热结构体。当采用复合材料时，陶瓷颗粒的体积占比应大于50％，陶瓷颗粒的直径应为5～10μm。导热结构体由上下两部分构成，上下两部分通过螺栓或卡扣紧固，陶瓷导热结构体的外侧开有螺旋凹槽，如图2中8所示，用以绕制电枢线圈，图2中的7即为绕制于陶瓷导热结构体螺旋凹槽中的线圈。陶瓷导热结构体内部同样有进行开槽，其槽内安装步骤(4)中制成的导磁铁芯，如图2中5所示，以增强电枢的推力。图3中9为弹药室，其仅起到装载弹药的作用。

线圈炮发射过程中，向驱动线圈以及电枢线圈注入电流，由于电枢线圈采用了多根并绕结构，因而电枢电流不会因为涡流效应分布于某根导体的表面，而是分布于整个线圈导体截面，这种电流的均匀分布削弱了电流对线圈导体的烧蚀；此外，第一种高耐热线圈炮电枢内部安装有导磁铁芯，其对电枢线圈磁场具有增强作用，可使电枢获得更大的驱动力；电枢线圈绕制于陶瓷导热结构体外侧的螺旋凹槽，导磁铁芯安装于陶瓷导热结构体的内侧开槽，电枢线圈产生的焦耳热以及导磁铁芯中的涡流产热均可借助陶瓷导热结构体进行快速散失，避免了高温对电枢线圈以及导磁铁芯造成的不利影响。

实施例二

步骤(1)，在不同钢包中，盛放不同成分配比的合金液，如图3所示，其中13为钢包，10为铝含量7％的铜合金液，11为紫铜合金液，12为铝含量2％的铜合金液。

步骤(2)，将步骤(1)中不同成分的合金液使用多水口浇铸的方式，对模具进行浇铸，如图3所示，其中14为出水口，15为控制阀，16为模具外侧，17为模具内侧，18，19，20分别为内侧浇铸区域，中间浇铸区域以及外侧浇铸区域。使用合金液10对区域20进行浇铸，使用合金液11对区域18进行浇铸，使用合金液12对区域19进行浇铸。浇铸完成后，形成分层的环状合金锭，合金锭内侧材料的电阻率较低，合金锭外侧材料的电阻率较高。

步骤(3)，对步骤(2)中形成的合金锭进行机械加工得到环状固体电枢，在环状固体电枢内侧填装弹药以及电子元件，形成使用化的线圈炮弹丸，如图4所示，其中21为环状固体电枢最外侧，其浇铸材料为10，22为环状固体电枢中间层，浇铸材料为12，23为环状固体电枢最内层，浇铸材料为11，24为环状电枢内部填装的弹药以及电子器件。

线圈炮发射过程中，环状固体电枢因驱动线圈的磁场变化感应出电流，在涡流效应下，电流本应分布于电枢的表层，但由于环状固体电枢近电枢外侧材料的电阻率高，近电枢内侧材料的电阻率低，这种电枢材料的分布引导电流向电枢的更深层分布，可削弱涡流效应的影响，避免电流集中分布于电枢表层导致电枢烧蚀现象的发生。

Claims (8)

1.一种高耐热线圈炮电枢结构，其特征在于，该电枢线圈采用多根并绕结构替代传统的单一导电体结构，电枢内部安装有导磁铁芯，电枢线圈与导磁铁芯之间填充陶瓷导热结构体，弹头安装于电枢前端，电枢线圈，并绕铜丝的直径应略小于电流趋肤深度的2倍。在电流频率为1000hz时，铜丝的直径应小于2.1mm，电枢线圈，以CuSO₄为电解液原料，通过脉冲电沉积法制备的纳米孪晶铜制成。

2.根据权利要求1所述的一种高耐热线圈炮电枢结构中的电枢线圈，其特征在于，对铜丝进行绝缘处理，铜丝的外表覆盖聚酰亚胺PEEK或C/CSI复合材料，或不对铜导线进行绝缘处理。

3.根据权利要求1所述的一种高耐热线圈炮电枢结构中的电枢线圈，其特征在于，对铜丝进行捆扎以形成多根并绕结构，捆扎方式可采用漆包线的方式。

4.根据权利要求1所述的一种高耐热线圈炮电枢结构中的电枢线圈，其特征在于，导磁铁芯材料为铁基纳米晶或铁氧体材料，在电流频率为20-50kHz时选铁基纳米晶作为铁芯材料，在电流频率低于20kHz时选铁氧体作为铁芯材料，导磁铁芯由20-30μm的磁性薄带叠压而成。

5.根据权利要求1所述的一种高耐热线圈炮电枢结构中的电枢线圈，其特征在于，陶瓷导热结构体，其表面开螺旋槽，用以绕制电枢线圈，其内部开槽，用以安装导磁铁芯。

6.根据权利要求1所述的一种高耐热线圈炮电枢结构中的电枢线圈，其特征在于，陶瓷导热结构体，可用树脂与陶瓷颗粒的复合材料替代陶瓷，陶瓷颗粒的体积占比应大于50％，陶瓷颗粒的直径应在5-10μm。

7.一种高耐热线圈炮电枢结构，其特征在于，为环状固体电枢，电枢并非由单一材料构成，其材料沿电枢径向的分布规律为，近电枢外侧材料电阻率较高，近电枢内侧材料电阻率较低。

8.根据权利要求7所述的一种高耐热线圈炮电枢结构，其特征在于，所述的环状固体电枢，电枢厚度根据弹丸发射质量的不同，为5～10mm，电枢材料的电阻率沿电枢径向由内至外，按3～8％的梯度增大，电枢材料电阻率的调节通过在紫铜中掺加2～7％的铝元素实现。

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