CN112484567B - 一种重接式电磁发射装置的磁场调控方法 - Google Patents

一种重接式电磁发射装置的磁场调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电磁发射技术领域，具体涉及一种重接式电磁发射装置的磁场调控方法。所述的调控方法包括以下步骤：S1建立重接电磁发射装置的磁场模型；S2建立重接电磁发射装置的电磁力模型；S3根据磁场模型和电磁力模型添加E型导磁铁芯环绕驱动线圈后侧边；S4根据装置参数计算受力曲线，调整铁芯在线圈内部的宽度。本发明采用硅钢DW465‑50的导磁铁芯填充驱动线圈内部75.56％时，电磁力峰值提高54.35％，反向力出现时间延后4.2％，驱动电流峰值减小8.65％，单级出口速度提高64.67％，单级装置发射效率从13.56％提高到22.52％。

Description

一种重接式电磁发射装置的磁场调控方法
技术领域
本发明属于电磁发射技术领域，具体涉及一种重接式电磁发射装置的磁场调控方法。
背景技术
近年来我国国防、航天、高速运输以及科研等多个关键技术领域对电磁发射技术的应用与研究需求不断增长。目前电磁发射装置按装置结构分类主要有三种：导轨型、线圈型和重接型。导轨型电磁发射技术的产生时间最早，国内外研究成果最多。由于导轨存在严重烧蚀问题，导轨型电磁发射装置的导轨材料和发射体质量、形状受到严重限制，因此无法广泛应用。相比于导轨型电磁发射装置，线圈型装置的驱动线圈和电枢无接触，避免了导轨烧蚀问题。然而线圈型电磁发射装置只能通过轴向电磁力发射同轴线圈，因此拋体形状和质量受到严重限制，应用范围无法扩大。
重接型电磁发射技术起步较晚，相对于导轨型和线圈型，重接型电磁发射装置不仅具有无接触、稳定性高等优点；同时也具有对发射体的质量和形状没有限制、电枢的材料要求较低等优点，具有更大的研究和应用空间。受电磁感应原理限制，重接式电磁发射技术能量传输效率普遍较低，严重限制了重接式发射技术的应用。为提高重接式电磁发射效率，提出一种适用于重接式电磁发射装置以及含有重接式结构的新型电磁发射装置的磁场调控方法。
发明内容
根据重接式电磁发射装置的磁场模型和电磁力模型，本发明提出一种重接式电磁发射装置的磁场调控方法，该方法通过添加导磁铁芯调控磁场分布，提高正向加速力，延迟反向力出现的时间，有效的提高了装置的能量传输效率，同时降低了驱动线圈内的电流，减小线圈应力。
本发明提供技术方案如下：
一种重接式电磁发射装置的磁场调控方法，包括以下步骤：
S1：建立重接电磁发射装置的磁场模型；
S2：建立重接电磁发射装置的电磁力模型；
S3：根据磁场模型和电磁力模型添加E型导磁铁芯环绕驱动线圈后侧边；
S4：根据装置参数计算受力曲线，调整铁芯在线圈内部的宽度。
进一步的，所述S1中，在建立磁场模型时，通以时变电流的驱动线圈会产生时变磁场，时变磁场作用于驱动线圈中间的发射体，感应出变化的涡流。由于感应涡流远远大于导体中的位移电流，因此只考虑涡流对磁场分布的影响。补充本构方程以及其麦克斯韦形式方程组：
D＝εE (1)
B＝μH (2)
J＝σE (3)
Figure BDA0002809629570000021
Figure BDA0002809629570000022
Figure BDA0002809629570000023
设涡旋电流：
Figure BDA0002809629570000024
在磁场强度随驱动线圈内电流变化的同时，发射体相对驱动线圈向前运动，因此发射体内的感应电动势是感生电动势和动生电动势的叠加：
Figure BDA0002809629570000025
对式(4)两边做旋度运算，则有：
Figure BDA0002809629570000026
对上式左边应用向量恒等式
Figure BDA0002809629570000031
结合公式(5)、(6)、(7)、(8)，可得：
Figure BDA0002809629570000032
对于沿X轴正向运动的电枢板发射模型，由于其结构关于XY平面对称，驱动线圈中间的磁场垂直于XY平面，可认为电枢板内部磁场不随Z方向变化，涡流在XOY平面内呈闭合路径；同时，感应涡流关于X轴对称，因此可以忽略 Y方向的边缘效应。
在上述简化条件下，式(10)的复数形式表示为：
Figure BDA0002809629570000033
其中，
Figure BDA0002809629570000034
设x＝0处，有
Figure BDA0002809629570000035
则有
Figure BDA0002809629570000036
式(11)的一般解为：
Figure BDA0002809629570000037
进一步的，所述S2中，引入磁矢势
Figure BDA0002809629570000038
和标量电位
Figure BDA0002809629570000039
Figure BDA00028096295700000310
Figure BDA00028096295700000311
Figure BDA00028096295700000312
则电磁体积力密度可表示为：
Figure BDA00028096295700000313
进一步的，所述S3中，结合式(10)和式(16)，在重接式电磁发射装置中，磁感线环绕驱动线圈分布，在发射过程中，处于驱动线圈中间的电枢板后半边截断了环绕驱动线圈后侧边的磁力线，同时电枢板后边沿处的磁力线重新结合成有拉直趋向的弯曲磁力线。随着电枢向前运动，电枢板后沿的磁力线不断重新接合，推动电枢板加速。对式(12)求解，电路触发时，装置的磁场强度沿X方向呈不均匀分布，磁场强度峰值集中在电枢板后侧。根据安培定则，电枢受瞬态加速电磁力大小取决于电枢受力边磁场强度，考虑电枢在驱动线圈中部运动，选择添加上下对称的两个E型导磁铁芯环绕驱动线圈后侧边，增大受力边在受到加速力时的磁场强度。
进一步的，所述S4中，根据装置参数，包括驱动电路参数、初始发射位置、初始运动速度等，对式(16)求解，电枢先受到瞬态加速力后，由于磁通减小而感应出反向涡流，从而受到反向电磁力。根据电磁感应定律，考虑调控后侧边磁场强度增强使电枢获得更大的加速力，同时调整铁芯在线圈内部宽度大于反向力出现位置，减小电枢板的正向磁通变化速率，延迟反向电磁力出现的时间。
本发明的有益效果：
根据上述方法，在驱动线圈左侧和内部添加上下对称的两个E型导磁铁芯，磁场分布规律不变，电磁力峰值随铁芯磁导率和电导率变化，磁导率越高、电导率越低，电磁力峰值越大；导磁铁芯在驱动线圈内部的宽度大于反向力出现位置越多，反向力出现时间延后越多；导磁铁芯体积越大，驱动线圈内部电流越小。采用硅钢DW465-50的导磁铁芯填充驱动线圈内部75.56％时，电磁力峰值提高54.35％，反向力出现时间延后4.2％，驱动电流峰值减小8.65％，单级出口速度提高64.67％，单级装置发射效率从13.56％提高到22.52％。
附图说明
图1为重接式电磁发射装置结构示意图。
图2为重接式电磁发射装置仿真模型。
图3为驱动电路结构示意图。
图4为重接式电磁发射过程磁感线变化与受力示意图。
图5为电路触发时刻磁场强度沿X方向分布曲线。
图6为瞬态电磁力曲线。
图7为使用导磁铁芯进行磁场调控的重接式电磁发射装置结构剖面图。
图8为使用导磁铁芯进行磁场调控的重接式电磁发射装置仿真模型。
图9为导磁铁芯尺寸示意图。
图10为电枢发射过程中运动速度随时间变化曲线。
图11为电枢发射过程中电磁力随时间变化曲线。
图12为驱动电流随时间变化曲线。
具体实施方式
为了对本发明为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式：
一种重接式电磁发射装置结构如图1所示，包括驱动电路、箱式驱动线圈和板状电枢。在建立磁场模型时，通以时变电流的驱动线圈会产生时变磁场，时变磁场作用于驱动线圈中间的发射体，感应出变化的涡流。由于感应涡流远远大于导体中的位移电流，因此只考虑涡流对磁场分布的影响。补充本构方程以及其麦克斯韦形式方程组：
D＝εE (1)
B＝μH (2)
J＝σE (3)
Figure BDA0002809629570000051
Figure BDA0002809629570000052
Figure BDA0002809629570000053
设涡旋电流：
Figure BDA0002809629570000061
在磁场强度随驱动线圈内电流变化的同时，发射体相对驱动线圈向前运动，因此发射体内的感应电动势是感生电动势和动生电动势的叠加：
Figure BDA0002809629570000062
对式(4)两边做旋度运算，则有：
Figure BDA0002809629570000063
对上式左边应用向量恒等式
Figure BDA0002809629570000064
结合公式(5)、(6)、(7)、(8)，可得：
Figure BDA0002809629570000065
对于沿X轴正向运动的电枢板发射模型，由于其结构关于XY平面对称，驱动线圈中间的磁场垂直于XY平面，可认为电枢板内部磁场不随Z方向变化，涡流在XOY平面内呈闭合路径；同时，感应涡流关于X轴对称，因此可以忽略 Y方向的边缘效应。
在上述简化条件下，式(10)的复数形式表示为：
Figure BDA0002809629570000066
其中，
Figure BDA0002809629570000067
设x＝0处，有
Figure BDA0002809629570000068
则有
Figure BDA0002809629570000069
式(11)的一般解为：
Figure BDA00028096295700000610
引入磁矢势
Figure BDA00028096295700000611
和标量电位
Figure BDA00028096295700000612
Figure BDA00028096295700000613
Figure BDA0002809629570000071
Figure BDA0002809629570000072
则电磁体积力密度可表示为：
Figure BDA0002809629570000073
利用有限元软件ANSOFT对如图2所示的重接式电磁发射仿真模型进行仿真计算，驱动线圈内层尺寸为40*80*23mm，线圈截面3*6mm，电枢板边沿厚度10mm，质量5Kg，设置电枢初速度为50m/s，；图3所示为驱动电路，选取 1.2mF电容，初始充电电压2kv,电路触发位置为电枢板后边沿距离原点-30mm。
在不影响分析结论的情况下，做出如下假设：
(1)电枢沿X轴线运动，不考虑Y方向和Z方向的干扰力；
(2)驱动线圈各匝之间完全绝缘；
(3)忽略电枢运动过程受到的摩擦和空气阻尼对加速性能的影响；
(4)忽略硅钢片的磁致伸缩效应。
结合式(10)和式(16)对上述模型进行求解，如图4所示，在发射过程中，磁感线环绕驱动线圈分布，处于驱动线圈中间的电枢板截断了环绕驱动线圈后侧边的磁力线，同时电枢板后边沿处的磁力线重新结合成有拉直趋向的弯曲磁力线。随着电枢向前运动，电枢板后沿的磁力线不断重新接合，推动电枢板加速。电路触发时刻的装置内磁场强度沿X方向分布如图5所示，磁场强度峰值集中在电枢板后侧。对式(16)求解，得到瞬态电磁力曲线如图6所示，电枢先受到瞬态加速力后，由于磁通减小而感应出反向涡流，从而受到反向电磁力。根据电磁感应定律，考虑调控后侧边磁场强度增强使电枢获得更大的加速力，同时调整铁芯在线圈内部宽度大于反向力出现位置，减小电枢板的正向磁通变化速率，延迟反向电磁力出现的时间。
结合上述调控方法，考虑电枢在驱动线圈中部运动，选择添加上下对称的两个E型导磁铁芯环绕驱动线圈后侧边，增大受力边在受到加速力时的磁场强度。如图7所示，电枢板(8)位于驱动线圈(1)、(2)与(5)、(6)中间，E型导磁铁芯 (3)、(4)分别包裹驱动线圈侧边(1)、(5)，铁芯与线圈间浇注环氧树脂(7)进行电绝缘。
根据上述导磁铁芯结构和尺寸，对如图8所示的重接式电磁发射仿真模型进行仿真计算，铁芯尺寸如图9所示，设置上下导磁铁芯间距12mm，铁芯与线圈间隙5mm，改变驱动线圈内部铁芯宽度d分别为20mm、30mm、35mm，分别对不添加导磁铁芯、添加电工纯铁导磁铁芯、添加硅钢DW465-50导磁铁芯的单级重接式电磁发射模型进行仿真计算。根据有限元计算结果，得出如下结论：
(1)电枢发射速度变化曲线如图10所示，硅钢DW465-50导磁铁芯的加速性能优于电工纯铁导磁铁芯，驱动线圈内部的导磁铁芯宽度越大，加速性能越好，发射效率随驱动线圈内部的导磁铁芯宽度的增大而趋于饱和；
(2)电枢所受电磁力变化曲线如图11所示，导磁铁芯在驱动线圈内部的宽度越宽，反向力出现时间越晚，发射效率越高；
(3)驱动电流变化曲线如图12所示，添加导磁铁芯后装置总电感增大，放电电流随导磁铁芯体积的增大而减小，线圈应力和涡流损耗也随之减小。
(4)采用硅钢DW465-50的导磁铁芯填充驱动线圈内部75.56％时，电磁力峰值提高54.35％，反向力出现时间延后4.2％，驱动电流峰值减小8.65％，单级出口速度提高64.67％，单级装置发射效率从13.56％提高到22.52％。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的实际技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种重接式电磁发射装置的磁场调控方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立重接电磁发射装置的磁场模型；
S2：建立重接电磁发射装置的电磁力模型；
S3：根据磁场模型和电磁力模型添加E型导磁铁芯环绕驱动线圈后侧边；
S4：根据装置参数计算受力曲线，调整铁芯在线圈内部的宽度；
所述S1中，在建立磁场模型时，通以时变电流的驱动线圈会产生时变磁场，时变磁场作用于驱动线圈中间的发射体，感应出变化的涡流；由于感应涡流远远大于导体中的位移电流，因此只考虑涡流对磁场分布的影响；补充本构方程以及其麦克斯韦形式方程组：
D＝εE (1)
B＝μH (2)
J＝σE (3)
Figure FDA0002809629560000011
Figure FDA0002809629560000012
Figure FDA0002809629560000013
设涡旋电流：
Figure FDA0002809629560000014
在磁场强度随驱动线圈内电流变化的同时，发射体相对驱动线圈向前运动，因此发射体内的感应电动势是感生电动势和动生电动势的叠加：
Figure FDA0002809629560000015
对式(4)两边做旋度运算，则有：
Figure FDA0002809629560000016
对上式左边应用向量恒等式
Figure FDA0002809629560000017
结合公式(5)、(6)、(7)、(8)，可得：
Figure FDA0002809629560000021
对于沿X轴正向运动的电枢板发射模型，由于其结构关于XY平面对称，驱动线圈中间的磁场垂直于XY平面，可认为电枢板内部磁场不随Z方向变化，涡流在XOY平面内呈闭合路径；同时，感应涡流关于X轴对称，因此可以忽略Y方向的边缘效应；
在上述简化条件下，式(10)的复数形式表示为：
Figure FDA0002809629560000022
其中，
Figure FDA0002809629560000023
设x＝0处，有
Figure FDA0002809629560000024
则有
Figure FDA0002809629560000025
式(11)的一般解为：
Figure FDA0002809629560000026
所述S2中，引入磁矢势
Figure FDA0002809629560000027
和标量电位
Figure FDA0002809629560000028
Figure FDA0002809629560000029
Figure FDA00028096295600000210
Figure FDA00028096295600000211
则电磁体积力密度可表示为：
Figure FDA00028096295600000212
2.如权利要求1所述的一种重接式电磁发射装置的磁场调控方法，其特征在于，所述S3中，结合式(10)和式(16)，随着电枢向前运动，电枢板后沿的磁力线不断重新接合，推动电枢板加速；对式(12)求解，电路触发时，装置的磁场强度沿X方向呈不均匀分布，磁场强度峰值集中在电枢板后侧；根据安培定则，电枢受瞬态加速电磁力大小取决于电枢受力边磁场强度，考虑电枢在驱动线圈中部运动，选择添加上下对称的两个E型导磁铁芯环绕驱动线圈后侧边，增大受力边在受到加速力时的磁场强度。
3.如权利要求1或2所述的一种重接式电磁发射装置的磁场调控方法，其特征在于，所述S4中，根据装置参数，包括驱动电路参数、初始发射位置、初始运动速度，对式(16)求解；电枢先受到瞬态加速力后，由于磁通减小而感应出反向涡流，从而受到反向电磁力；根据电磁感应定律，考虑调控后侧边磁场强度增强使电枢获得更大的加速力，同时调整铁芯在线圈内部宽度大于反向力出现位置，减小电枢板的正向磁通变化速率，延迟反向电磁力出现的时间。
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