线圈型电磁发射器结构优化设计.pdf

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1、电磁线圈发射技术线圈型电磁发射器结构优化设计罗凌雁徐晓毛勇三○二设计研究所摘要线圈型电磁发射作为电磁发射的一种重要形式，在很多领域内有着很好的发展前景。本文介绍了线圈型电磁发射器的基本原理，以及线圈外形结构、弹体材料的设计准则。并通过有限元方法分析了影响线圈型电磁发射器发射速度的几个因素，得出了最优线圈型电磁发射器结构外形。关键词：电磁发射；线圈型电磁发射器；有限元分析1引言电磁发射的理论依据只有一个，但实现的技术途径却各有不同。电磁发射装置基本上可以分为三大类，即导轨型、线圈型和重接型，三种类型各自具有不同的技术特点，可以满足不同发射条件的要求。导

2、轨型电磁发射器研究起步较早，各方面技术都比较完善；而线圈型电磁发射器则有效率高，具（a）有发射大质量物体的优点；相对于其他两种发射方式而言，重接型电磁发射技术的研究工作开展得比较晚，现阶段仅处于理论研究阶段，并且其发射装[1]置结构比较复杂，不利于进行初步研究。本文以有限元磁场计算为手段，对线圈型电磁发射器的磁（b）（c）场分布进行了计算分析，这对于以后更进一步进行图1单匝同轴电磁发射器原理示意图线圈型电磁发射器研究提供了基本数据。2线圈型电磁发射器工作原理线圈型电磁发射器俗称“线圈炮”，早期又称“同轴加速器”，一般是指用序列脉冲或交流电流产生运动磁

3、场从而驱动带有线圈的弹体或磁性材料弹体的发射装置。由于其工作的机理是利用驱动线圈和被加速物体之间的耦合磁场，因此线圈型电磁[2]发射器本质上是直线电动机。线圈型电磁发射器的模型如图1所示。一个单匝的驱动线圈和一个带有线圈的弹体同轴排列。两图2多级线圈型电磁发射器原理示意图个线圈上通上电流，建立起一恒定磁场，两个线圈3单级线圈型电磁发射器的设计准则之间的互感M如图1b所示。当驱动线圈中通以图在对同步感应式线圈型电磁发射器进行结构设1c规律的电流时，弹体上始终要受到一个轴向力F，计的时候应考虑以两个方面的因素：线圈外形结构从而使其加速，沿着X轴的正方向前

4、进。和弹体方面因素。当两个线圈电流方向相同的时候，弹体将受到综合考虑以上因素的作用，优化整个发射系统吸力，反之，弹体线圈将受到斥力。一般地，为了的能效，最终设计出最佳发射器。减少轴向力F的波动和延长其加速行程，上述的驱3.1线圈设计准则动线圈和弹体线圈都做成多级结构，一个多级线圈在线圈型电磁发射器中，首先考虑的影响其效型电磁发射器的原理结构示意图如图2所示。2010年增刊31电磁线圈发射技术率的因素是驱动线圈与弹体线圈之间的磁耦合。而想模型。在这种模型中，向驱动线圈输入初始电流，线圈型电磁发射器的磁耦合的主要影响因素由两个并在弹体线圈离开驱动线圈电流

5、作用以前把驱动线方面，一是线圈的径向厚度，二是轴向的耦合长度。圈电流短路。此时系统的总能量如式（6）所示。在磁耦合中，耦合的磁通叫做感应磁通，不能耦合1i2i1i2W=L(i)+Mii+L(i)（6）mipppddd的磁通叫漏磁通，由于线圈型电磁发射器是不用铁22磁材料的空心结构机器，通常情况下，互感磁通和式中，物理量符号右上角i表示初始值。此后，漏磁通数量几乎相同。因此，为了最大的减少磁通弹体线圈运动而离开驱动线圈。因为不计电阻，故弹损失，提高系统的效率，在发热和热应力允许的条体线圈动能Wk用能量守恒原理求出如式（7）所示11件下，应尽可能的使线圈

6、的径向厚度最小，轴向长W=W藝L(if)2藝Mifif藝L(if)2（7）kmipppddd22度应尽量长。驱动线圈与弹体之间的间隙应尽可能式中物理量符号右上角标f表示终值。通过磁的小，从而增加线圈型电磁发射器系统的磁耦合紧[3]通守恒原理，得到最终电流和初始电流关系如式密程度。（8）、（9）所示。（1）单级线圈的数学模型Mif=i(1藝)（8）若以电容器作储能电源，可用图3表示单级脉ddLLpd冲感应线圈发射器的电路模型。通过两个闭合回路M的电压方程，把电路变量联系起来得到如式（1）、ii=藝ii，if=0（9）pdpL（2）所示pdididM解方

7、程（6）~（7），可以确定能量转换效率（输dpu=iR+L+M+iv（1）dddddtdtpdxp出动能和输入磁能之比），如式（10）所示。2dididMMu=iR+Lp+Md+iv（2）η=（10）m,kpdppdtdtddxpLLpd驱动线圈电压u和弹体线圈电压u的初始值由式（10）可知，理想的转变效率仅是初始磁dp可用最基本的表达式求出如式（3）、（4）所示耦合的函数，而这种耦合是比例不变的量，与两种dud=id（3）线圈的匝数无关。dtC为了使发射器有良好的性能，应当使η最大。m,ku=0（4）p在一般情况下，η是七个独立变量的函数:两种线m

8、,k而运动方程是式如式（5）所示圈的径向厚度、轴向长度、间距和半径。故要把ηdvdMm,kp=(ii)/M（