磁通压缩发生器研究进展综述

蔡旭帆，雷 彬，吕庆敖，向红军，张 倩，苑希超，崔 亮

(陆军工程大学石家庄校区, 石家庄 050000)

磁通压缩发生器(Magnetic Flux Compression Generator,简称MFCG，在俄罗斯的众多文献中，更多的是称为磁累积发生器，Magnetocumulative Generator，简称MCG，以下统称MFCG)，是一种基于磁场冻结原理，将炸药的化学能转化为电磁能的一次性换能装置。MFCG从上世纪50年代的俄罗斯和美国开始发展至今，演化出很多种类。但按照输出特性，MFCG主要可以分为两类[1]：一类是以产生强磁场为目的的MFCG，又称为MC-1，第二类是以产生大电流为目的的MFCG，又称为MC-2。按照结构的不同，有螺线管型、同轴型、圆盘型、平板型、球型等类型。由于螺线管型MFCG具有初始电感大，能带动更高电抗的负载，在进行电流放大方面有更大的潜力，因此其应用与技术也更为成熟。如图1所示，螺旋管型MFCG的结构从右到左依次是：储能电容器、高压放电开关、雷管、平面波发生器、管状电枢、猛炸药、螺线管线圈、负载等。本文重点针对螺线管型MFCG进行探讨。

1 MFCG的理论和技术

磁通压缩发生器的基本原理是磁场冻结原理：即通过运动的理想导体中的任意一个闭合回路内的磁通量是守恒的。这个结论同样适用于快速运动的良导体。

螺线管型磁通压缩发生器的组成如图1所示：储能电容器、高压放电开关、螺线管线圈、负载、管状电枢，构成一闭合回路，当高压放电开关闭合时，电容器为回路充电形成LCR震荡的种子电流和初始磁场。控制雷管点火时刻，使当LCR震荡电流达到第一个周期的幅值时，雷管引爆炸药推动电枢扩张、刚好能够旁路电容器回路部分。这时，发生器内磁通量守恒，电枢的扩张使系统电感持续减小，电流被放大。电流随时间变化的关系如图2所示。螺线管型MFCG的等效电路图如图3所示。

图1 螺线管型MFCG一般结构组成示意图

图2 MFCG中电流随时间变化关系

图3 螺线管型磁压缩发生器等效电路图

从等效电路图，由法拉第电磁感应定律可得：

(1)

求解一阶线性微分方程可得：

(2)

(3)

积分后得到：

L(0)I(0)=L(t)I(t)

(4)

即磁通链数守恒，于是有：

(5)

则理想状态下电流增益G可以表示为：

(6)

式中:B为磁感应强度，N为螺线管线圈匝数，S为螺线管与电枢之间环形区域的横截面积，l为螺线管长度，R为回路总电阻，L为回路总电感，I为流经负载的电流，t为时间。图4为有电阻和无电阻情况下负载电流的变化曲线图。

图4 有电阻和无电阻情况下负载电流变化曲线

从式(2)可以看出，要想获得大的输出电流，在技术方面主要有5个途径：1) 减小负载电感在总电路中的比重，即L(t)∶L(0)尽可能小，如前文所述，相同体积下，螺线管型MFCG相比其他类型的MFCG电感更大，因此一般选用螺线管绕组；2) 使电路总电阻与总电感的比值远小于1，减小欧姆损耗的时间常数，使欧姆损耗尽可能小，即R(t)∶L(t)尽可能小，所以螺旋绕组和负载一般选用低电阻率的铜线，并使铜线的横截面积尽可能大；3) 减小发生器的运行时间也是减小欧姆损耗项的重要途径，从物理意义上讲，减小发生器的运行时间就是减小了磁通量向电枢内部扩散的时间，减小了磁通损耗。因此多采用高爆速猛炸药和低质量密度的铝电枢来减小发生器的运行时间；4) 增加系统的可靠性，避免不必要的磁通损耗。电枢在扩张过程中如果出现轴向裂纹，会增大感应电流方向的电阻，增加磁通损耗。选用铝作为电枢材料也是鉴于铝的延展性很好，在扩张过程中不易破裂。而且电枢外径与螺线管内径之比一般不小于0.5；5) 线圈击穿放电会使电磁能转化为热能，造成非常大的磁通损耗，向系统中充入SF6气体等绝缘措施能有效增加系统可靠性。

2 MFCG的发展进程

第一次磁通量压缩实验是洛斯阿拉莫斯实验室于1944年初进行的，是洛斯阿拉莫斯原子弹项目的一部分。俄罗斯的Andrey D.Sacharov在1952年提出将炸药的能量转化为磁场能量，随后俄罗斯联邦核中心(VNIIEF)采纳了他的建议，并进行了MC-1的早期实验；同年，美国的M.Fowler用磁控管的极片产生的初始磁场，运行了第一台平板型发生器；他们二人被公认为磁通压缩之父。之后俄罗斯投入大量人员持续进行研究，美国在这方面的投入相对较少。英国、法国、欧洲原子和中国在20世纪60年代开始了MFCG的研究，此后，日本、波兰、德国、罗马尼亚以及乌克兰、瑞典、韩国和南非的研究小组都加入了Megagauss Club[3]。关于MFCG的大量原始工作是在20世纪60年代和70年代进行的，其中许多工作都在国际IEEE脉冲功率会议和Megagauss会议上进行了报道。

进入21世纪，世界各国对MFCG的研究热情依旧高昂。国内对MFCG的研究大致以2010年为界可分为两个阶段。

2010年之前，国内中国工程物理研究院、国防科技大学、北京应用物理与计算数学研究所、北京理工大学、哈尔滨工业大学、军械工程学院等单位，对磁压缩发生器的进展做出了巨大的贡献。中国工程物理研究院研制出一系列小型MFCG，如8-4b、F-5、8-5-Ⅱ、8-5-Ⅲ、F-6A、8-6型等型号的MFCG,这些型号的MFCG质量都小于10 kg，输出电流在30～100 kA，输出电压在40～77 kV，使得小型MFCG具备了很高的输出能力。EMG-125型MFCG更是实现了在25 μH负载上输出大于3 MA的大电流，使我国MA量级的螺线管型MFCG技术更为成熟[4-7]。

国防科技大学以提升MFCG的输出性能为目标进行了一系列数值模拟和实验研究，发展了MFCG的实验技术，其中将蓄电池、高压逆变器及储能电容器作为MFCG初始能源的研究使得MFCG能够脱离电网的限制进行野外应用[8-11]；北京应用物理与计算数学研究所对各种类型的MFCG进行了数值仿真，对影响MFCG输出性能的电感、电阻、磁压等关键参数进行了计算，使得仿真结果能够更好地反映实验结果[12-14]。北京理工大学主要对MFCG的磁通损失进行了仿真分析，建立了磁通损耗模型来预测MFCG的运行结果[15-16]；哈尔滨工业大学[17]主要对射频MFCG的原理及各方面性能进行了持续研究，建立了射频MFCG的辐射模型，对提高装置辐射性能的因素进行了研究；军械工程学院对MFCG的物理原理进行了深入分析，提出了减小螺旋绕组的长度不能放大电流，减小螺旋绕组的截面积是减小系统电感并放大电流的物理本质，对活塞式MFCG的关键技术及应用进行了研究，指出了影响活塞式MFCG性能的关键因素，并对其作为电磁轨道炮电源的优势做了详尽的分析[18-20]。

2010年之后，国内对MFCG的研究方向有所转变，进入了第二阶段。中国工程物理研究院对柱面内爆型MFCG进行了大量研究，研制成功了单级MC-1装置，建立了一整套MC-1实验技术，能够稳定产生超过700T的轴向磁场，并进行了一维[21]数值模拟和高速摄影技术[22]的研究，同时对MC-1的小型化和输出稳定性[23]进行了研究。国防科技大学建立了MFCG的快速计算模型[24]和模拟[25]装置，对MFCG进行设计指导和预测性能，还对MFCG的阻抗匹配电路进行了设计，扩大了可匹配负载的范围。南京理工大学对MFCG的种子电流源小型化进行了深入探索，对使用铁电体[26]、铁磁体[27]提供初始磁通进行了大量的研究，还针对MFCG时序控制系统的电子化、小型化设计了爆轰驱动飞片型高功率放电开关，并建立了基于电路控制的延时系统[28]。军械工程学院对将MFCG作为射流箍缩的脉冲功率源[29]进行了探索和实验研究。哈尔滨工业大学对提高射频MFCG在电磁脉冲辐射[30]方面的效率进行了持续的研究，并提出一种紧凑型一体化辐射天线的方案，使射频MFCG有了新的发展方向。

国外近期对MFCG的研究工作以俄罗斯的工作较多。其中以俄罗斯联邦核中心、全俄物理实验室和俄罗斯科学院高温联合研究所为代表的机构进行了对圆盘形MFCG产生ns级大电流[31]以及MC-1[32-33]产生强磁场的数值仿真研究。美国的劳伦斯里夫莫国家实验室和洛斯阿拉莫斯实验室合作建立了一套MFCG的实验平台，对MFCG进行全功能实验测试，并通过仿真计算来预测MFCG的性能。

3 MFCG的难题及发展趋势

MFCG目前存在的难题主要有：

1) 能量转化效率过低：在MFCG运行过程中，由于系统存在电阻，会有磁通量渗透进入电枢和定子中无法压缩，造成磁通量损失；炸药起爆后造成电枢变形、升温以及高速运动与螺旋绕组碰撞造成炸药化学能的损失；发生器运行后期，巨大的电流使螺旋绕组温度急剧升高，造成导线电阻增大，大量的电能转变为焦耳热损失；由爆轰原理可知，圆柱形炸药两端部分区域的爆轰产物不对电枢做功，为能量损失。这些能量损失大多只能改善却无法避免，最终使得炸药化学能转化为电磁能的效率一般不足20%。虽然多数情况下对能量转化效率没有明确的要求，只是对输出参数提出了具体的要求，但更高的能量转化效率意味着只需要更少的炸药就可以达到要求。

2) 磁通的非线性扩散：MFCG运行过程中的磁通扩散主要有由于焦耳热引起的欧姆损耗和非欧姆损耗；非欧姆损耗主要包括由于趋肤效应导致的渗透进导体内部的磁通损耗以及接触磁通损耗。非欧姆损耗一般为非线性损耗，难以量化，对于准确预测MFCG的性能影响较大。

MFCG的发展趋势：

1) 可靠的仿真模型能够通过改变参数对现有的MFCG进行较为准确的模拟，也能够对新设计的MFCG进行性能预测，极大地减小了研发设计MGCF的成本和时间。由于目前还没有一个有效的模型能够对所有的MFCG进行可靠预测，因此，建立合适的数值模型及有限元模型，对MFCG的阻抗、损耗及性能进行仿真研究还会长期进行下去；

2) MFCG的小型化研究，MFCG作为一次性脉冲功率源，其强大的功率输出能力，在电磁炮、电磁脉冲弹等军事应用上的潜力非常巨大，而集成到炮和弹上意味着MFCG的体积及质量会受到很大的限制。因此脱离地面、轻便的要求也越来越高，针对军事应用的小型和微型MFCG的研究将会是今后的一个重要方向。

4 结论

本文分析了MFCG的结构组成、工作过程和工作原理，介绍了国内各研究机构对MFCG的发展所做的贡献，并分析总结出能量转化效率过低和磁通的非线性扩散是MFCG目前存在的难题，仿真研究和小型化发展是MFCG今后的发展趋势。