低速小过载异步感应线圈炮的仿真研究

2019-01-28 10:21:00 科技创新与应用2019年2期

路梅 蒋丽萍

摘 要:感应线圈炮分同步和异步感应线圈炮两大类。异步感应线圈炮不存在需要开关动作与抛体精确同步的问题,具有更为广阔的应用前景。对异步感应线圈炮进行仿真研究,主要有数值仿真和有限元仿真两种方法。文章采用仿真软件Ansoft对一种低速小过载(出口速度≥20m/s,过载<100g)的异步感应线圈炮进行了有限元仿真分析,分析结果满足设计要求,对异步感应线圈炮的设计优化及后期试验具有一定的指导意义。

关键词:异步感应线圈炮;低速小过载;有限元仿真;Ansoft

中图分类号:TP391.9 文献标志码:A 文章编号:2095-2945(2019)02-0013-04

Abstract: Induction coilgun is divided into two categories: synchronous and asynchronous induction coilguns. The asynchronous induction coilgun does not have the problem of precise synchronization between the switching action and the projectile, so it has a wider application prospect. There are two methods to simulate asynchronous induction coilgun: numerical simulation and finite element simulation. In this paper, the finite element simulation analysis of an asynchronous induction coilgun with low speed and small overload (exit velocity ≥ 20m/s, overload <100g) is carried out using the simulation software Ansoft, and the analysis results meet the design requirements. It has certain guiding significance for the design optimization and later stage test of asynchronous induction coilgun.

Keywords: asynchronous induction coilgun; low speed and small overload; finite element simulation; Ansoft

引言

感应线圈炮具有无机械接触、推力大、效率高、寿命长等较多优点,因而具有非常广阔的应用前景[1]。目前感应线圈炮主要用于高速发射,应用效果良好,但存在热效应大,冲击力大等缺点,对结构强度要求较高,且限制了系统的效率[5]。

感应线圈炮分同步感应线圈炮和异步感应线圈炮两大类。驱动线圈用脉冲电流分立激励,电枢电流感应而生,为同步感应线圈炮。驱动线圈使用多相(常为三相)交流产生磁行波,借其滑差速度在电枢内产生感应电流,为异步感应线圈炮。二者的主要区别在于驱动线圈的电流输入不同,电枢产生感应电流的方式不同。同步感应线圈炮的显著缺点在于,控制驱动线圈电流输入的开关动作必须与弹丸精确同步,方可持续加速电枢。异步感应线圈炮驱动线圈产生的行波磁场速度高于电枢速度,靠滑差速度来产生感应电流,拉动电枢加速前进,有效的降低了系统难度[1,9]。

本文针对一种用于低速小过载的异步感应线圈炮进行仿真研究。系统设计要求:将总重8kg的抛体加速至≥20m/s,过载<100g。

1 系统原理及组成

异步感应线圈炮系统包括驱动线圈、抛体(电枢和载荷)、供电储能设备和测控系统组成。异步感应线圈炮原理如图1所示。驱动线圈通过一定的方式同轴缠绕到绝缘骨架上,供电储能设备在开关控制下,以一定的相位差对驱动线圈进行放电。在磁耦合作用下,抛体线圈产生感应电流并被推动加速前进。测控系统实现整个系统的信号测量与控制。

2 仿真分析

对异步感应线圈炮进行仿真分析,可以采用数值仿真和有限元仿真两种方法。数值仿真基于系统数学模型的建立及系统参数的计算,通过对系统状态方程组进行求解,得到电流、速度、推力等主要参数。有限元仿真则主要是利用仿真软件进行分析,可以得到驱动线圈电流、抛体运动过程、抛体推力等。本文采用有限元仿真軟件Ansoft进行分析,同时列出数值仿真分析的数学模型,便于理解系统原理。

2.1 数值仿真分析数学模型

数字仿真分析基于数学模型的建立,异步感应线圈炮的数学模型主要包括电路方程和运动学方程。

(1)电路方程

将电枢均匀分割为n个独立的圆环线圈,驱动线圈为m 个。这里将电枢分割来计算和驱动线圈之间的电感参数。虽然增加了电枢分片之间的互感计算,增加了系统分析难度,但是可以使数值仿真的结果更接近实际。对驱动线圈和电枢进行网孔剖分,系统等效电路模型如图2所示。

采用网孔回路法进行分析,针对等效电路模型,感应线圈炮等效电路方程如下:

(2)运动学方程

2.2 Ansoft仿真分析

(1)模型及仿真参数

系统模型具有轴对称结构,故可以选择二维几何模型,简化求解过程,并进一步提高求解速度。系统几何模型主要包括驱动线圈、电枢、运动区域、求解域等,几何模型见图3所示。

仿真参数如表1、表2所示。异步感应线圈炮每段驱动线圈绕法相同,截面尺寸相同,匝数不同。电枢结构形式为筒型。电枢设计过程要同时兼顾系统设计总重要求,耦合性能及结构强度要求。厚度应与集肤深度接近,太厚不利于耦合。抛体长度管之间间隙1mm,壁厚5mm。

有限元仿真采用场路耦合协同仿真方式模拟感应线圈炮工作过程[3]。这里采用外电路链接实现激励源的添加,单段线圈炮外部加载电路如图4所示,具体加载参数见表3。

(2)仿真结果

驱动线圈电流曲线,抛体推力、速度、位移曲线,分别如下图5~图8所示。

由图可知,采用该异步感应线圈炮可以在71ms内将总重8kg的抛体(电枢和载荷)加速到24.5m/s。发射过程,抛体受最大推力為7.49kN,过载93.63g,满足设计要求。

3 仿真结果分析

感应线圈炮运行过程中,随时间变化,加载电流不同,磁场强度变化,抛体位置不同,感应电流大小也时刻变化,对驱动线圈和电枢磁场强度,及电枢感应电流进行瞬态仿真分析,选取典型时刻如下:

图9给出了4ms时刻磁场的分布情况及电枢的感应电流分布,其中磁场强度最大值为1.65T,感应电流最大1.96×108A/m2,抛体运动速度1.74m/s,位置基本没有变化,电枢上磁场、感应电流主要集中于中部及后端部。

图10为12.9ms时刻瞬态情况,此时电枢位于两段之间,磁场强度最大值为0.177T,感应电流最大7.74×107A/m2,抛体运动速度12.91m/s。驱动线圈上磁场分布相对均匀,电枢上磁场主要集中于中部及后端部、感应电流分布均匀。

图11为70.7ms时,电枢尾部离开线圈,磁场强度最大为0.56T,感应电流最大位于电枢尾部,达3.52×107A/m2,抛体运动速度24.5m/s。

4 结束语

针对低速小过载载荷需求,异步感应线圈炮推力不能过大,故系统总长相对较长,驱动线圈级数会相应增多,不利于系统放电控制。但驱动线圈加载过程中,电流变化率相对较为缓慢,驱动线圈受力发热等状况都会有所改善。此外,因磁耦合和集肤作用,系统工作过程中,电磁场主要集中在驱动线圈和电枢的外侧间隙,电枢中部和尾部外侧感应电流最大、磁场最强,故会产生较大的发热量和较高的温升,针对此现象,可考虑采用电枢尾部加厚方式对结构进行加强。

参考文献:

[1]王莹,肖峰.电炮原理[M].北京:国防工业出版社,1995.

[2]李献,王秋良,刘建华.直线感应电磁发射器分析与优化[J].电工电能新技术,2010,29(2):43-46.

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[7]王秋良,王厚生,李献,等.同轴线圈电磁推进技术述评[J].高电压技术,2015,41(8):2489-2499.

[8]ZHAO KEYI,CHENG SHUKANG,ZHANG RUIPING.Influence of driving current' s wave on accelerative performance of induction coil launcher[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2008,44(1):1-4.