磁阻型電磁發射裝置分析與建模

王澤民　王中華

摘要：以磁阻型電磁發射裝置為研究對象，根據其電磁發射原理研究了發射電路的物理模型，進而建立了彈丸初速度與線圈匝數、線圈長度、彈丸長度、彈丸相對磁導率、電源電壓及放電電流等參數之間的數學模型，通過對該數學模型的仿真分析，結合實際應用中的一些常見問題，分析了磁阻型電磁發射裝置的主要參數設計原則及注意事項，為磁阻型電磁發射裝置的優化設計提供了依據。

關鍵詞：電磁發射；彈丸；電路模型；運動模型

中圖分類號：TM154.2 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）23-0232-03

Abstract： According to the principle of electromagnetic launch， the physical model of the circuit of launching is studied based on the reluctance electromagnetic launcher. The mathematical model is established between the parameters of the turn ratio， the coil length， projectile length， relative permeability of projectile， the supply voltage， and the discharge current. Through the simulation and analysis of the mathematical model， the design principles and considerations is given combined with some common problems in application. The reference is provided for improvement designing the reluctance electromagnetic launcher.

Key words： electromagnetic launch； projectile； circuit model； motion model

1引言

電磁發射實現的方式各不相同，但是其原理都是利用電磁系統中電磁場產生的洛倫茲力來對金屬炮彈進行加速的。電磁發射器從其類型上大致可以分為三類：導軌型、線圈型和重接型[1]，三種不同類型的發射器由于實現方式的不同各存在著其自身的優缺點。對于導軌型電磁發射技術的研究起步較早，各方面也比較完善，其發射速度可以很高，但是對電流的要求很大，而且對軌道腐蝕比較嚴重[2]；對于線圈型電磁發射器有著可以發射質量很大的物體以及效率很高等優點，但是對于其驅動線圈中電流時刻的控制非常復雜[3]；對于重接型電磁發射器有著無接觸、無燒蝕的優點，但是其還處于理論研究初期[4]。本文選擇了效率較高的磁阻型電磁發射裝置作為研究對象，通過建模分析解析出最優的一組影響其發射速度的因素，對以后進一步的研究提供一定的理論依據。

2磁阻型電磁發射原理

磁阻電磁發射裝置由一個驅動線圈和一個鐵磁性彈丸以及附屬部件構成。它是利用線圈的鐵磁磁路的磁阻變化吸引鐵芯運動來加速鐵芯彈丸的。它與普通線圈炮的不同之處在于彈丸是一整塊鐵磁材料，被加速的不是彈丸線圈或管狀彈丸[5]，其作用原理是磁阻最小原理。磁通總是趨向于經過磁阻最小的路徑，鐵磁性的彈丸具有比空氣高得多的磁導率，因此彈丸放置在驅動線圈內部時，在彈丸與空氣組成的磁路里，彈丸就會向磁阻最小的方向運動。也可以認為是驅動線圈中的電流與被磁化的鐵磁性彈丸中的磁化電流之間的安培力，由于磁化電流與驅動線圈中的電流具有相同的方向，因此彈丸受到吸力而加速，磁阻型電磁發射原理圖如圖1所示。

3磁阻型電磁發射的模型分析

對于磁阻型電磁發射裝置的分析分為兩個方面：電路模型和運動模型分析。

3.1電路模型

由磁阻型電磁發射原理可知，要求電源能給驅動線圈提供勵磁電流 [6，7]。由于電容器具有儲能密度高、一體化封裝、結構牢固、無噪聲、無污染等一系列優點，所以一般選擇電容器作為發射裝置的供電電源，由此建立電路模型如圖2所示。

彈丸的速度隨著線圈匝數的增加而變大。但在實際中不得不考慮線圈時間常數引起的過渡過程，由于電感對突變電流有阻礙的作用，所以這就會引起系統中放電電流的變化，由于電感與線圈匝數成正比，匝數的增加將會增大電感從而增加了放電電流在整個系統中的時間，如果放電時間控制不準確則會產生倒吸作用從而減慢彈丸的速度，同樣如果線圈匝數過少，線圈放電電流就會增大，由此帶來一系列如線圈散熱、損耗加大、大電流下開關器件的選擇等問題。因此，在實際設計時應綜合考試線圈匝數和放電電流等參數。

彈丸的相對磁導率越高，則彈丸的速度越快，因此在選擇彈丸的時候應盡量選擇質量較輕，而相對磁導率比較大的鐵磁材料。

電源電壓越大彈丸將獲得越大的速度，但是在實際系統中過度增加電源電壓將會產生較大的渦流，而渦流產生的電磁力將阻礙彈丸的向前運動，所以在提高彈丸速度的時候不能一味的增加電源電壓，應當從整個系統各個因素考慮。

彈丸速度隨著放電電流的增加而迅速變大，但是當彈丸達到線圈幾何中心以后持續放電將會對彈丸產生一個倒吸作用，阻礙彈丸運動，因此在盡可能增大放電電流的同時必須嚴格控制放電電流的持續時間。

5結論

通過對磁阻型電磁發射原理的研究分析建立了發射電路的物理模型和運動模型，推導了彈丸速度的計算公式。通過仿真給出了彈丸初速度與線圈匝數、線圈長度、彈丸長度、彈丸相對磁導率、電源電壓及放電電流等參數之間的關系曲線，結合實際中常見的問題，分析了磁阻型電磁發射裝置主要參數的設計原則及注意事項，為磁阻型電磁發射裝置的優化設計提供了依據。

參考文獻：

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