單級直流電機在電磁彈射器的應用原理

王智圣

(濟南市新技術研究所，山東濟南 250000）

單級直流電機在電磁彈射器的應用原理

王智圣

(濟南市新技術研究所，山東濟南 250000）

提出將單級直流電機展成直線電機應用于電磁彈射器(EMALS），給出構成方案，初步探討設計參數的計算方法。與現有的EMALS進行了比較，證明本文方案效率高而溫升低。

單級直流電機;直線電機;電磁彈射器

0 引言

現在已投入試驗或正在研制的電磁彈射器(EMALS）有直線感應電機和永磁直線同步電機2種類型［1］。美軍在20世紀40年代已經試驗了用直線感應電機彈射飛機，1978年后年又重新對EMALS進行開發，至2005年已開始在航母上試用。目前，EMALS的設計重點在于直線同步電機［2］。

直線同步、感應電機都是由相應的旋轉電機展開而成，二者的共同點是:都有用以產生移動磁場的定子線圈。而圖1所示單級直流電機［3］與此原理完全不同，具有如下特點:一是無需定子線圈用以產生移動磁場;二是轉子電流的方向始終不變;三是氣隙磁場在整個轉子圓周上是同極性的;四是在轉子電流的回路中僅有一條直線邊位于氣隙磁場中，其余部分都在氣隙磁場外。這種電機具有結構簡單、維護容易、效率較高的優點。若將這種旋轉電機展成直線電機應用于EMALS，其優點應能繼續保持。

本文據上述設想提出構成方案，初步探討主要設計參數的計算方法，并與現有的EMALS進行比較。

圖1 單級直流電機Fig.1 Homopolarmachine

1 構成方案

1.1 結構原理

圖2是構成方案原理圖。圖2(a）是其主視圖:含定子與動子兩大部分。其中定子由圖1之轉子展開而成，但在本方案中固定不動。定子1由基座及一些相互獨立的定子回路組成，這些回路沿z向(見圖2(b））相互平行，由定子的始點沿x向依次排列至終點，各回路間、以及回路與基座間用絕緣層相互隔絕。而動子由永磁體、磁軛及磁屏蔽 (圖中未示出）等附件構成，永磁體產生平行于y向的氣隙磁場Bg，當定子回路中導通電流時，可使動子平行于x向作直線運動。

1.2 磁路與電路

如圖2(b）和圖2(a）所示，在定子、動子中形成磁路與電路。

磁路由釹鐵硼材料制成的多塊永磁體、氣隙、載流體、基座及磁軛形成。永磁體可分為nm組，每組中含2塊極性互為反向的磁體，這2塊相對于磁軛的中心線對稱安裝，從而形成左右2個氣隙，2個氣隙磁場方向相反。這nm組永磁體之間都相互隔開，且都以軟磁材料制成的磁軛為磁力線通道，因此形成nm個并列磁路。

載流體和基座采用高磁導率、高飽和磁感應強度且低電阻率的軟磁材料 (如鐵鈷釩軟磁合金1J22）制成;而導流體由銅制成。由于銅的磁導率很低，因此磁力線穿過氣隙后經載流體透過絕緣層2直接進入基座1而不被導流體分流。

電路即定子迴路，每個迴路含左右2個子回路，每個子回路都由引流體 (銅制）、導流體、載流體和外電路 (銅導體）組成。流經載流體9的電流I平行于z向，但I在左、右子回路中的流向相反。另外，左右子回路并非相對于磁軛的中心線對稱布置，而是或左偏置、或右偏置，并且左偏定子回路與右偏定子回路相鄰排列(見圖2(c）），如此使得磁力線流經基座時有足夠寬的通道。

由于導流體、載流體采用不同材料制成，二者連接處若接觸不良會損耗大量電能，甚至會發熱燒蝕。二者間須采用焊接法連接，例如可采用擴散焊或閃光對焊技術［4］，回路中其他部位的連接，如引流體與導流體，皆可采用上述技術。

永磁體6之極性相對于流經子回路的電流I是不變的。

電流I與磁力線在載流體中交匯，Bg垂直于I，從而使得每個被Bg覆蓋的載流體都受到電磁作用力f。雖然左、右氣隙磁場方向相反，但左、右子回路中的電流方向亦相反，因此左、右力f方向相同。如圖2(a），Bg覆蓋著n個載流體，而且這些回路中的電流值都相等，則所生合力F=2nf的反作用力作用于動子，由于定子1固定不動，因此動子將被驅動前進。

圖2 結構原理Fig.2 Stucture principle

若在由起點至終點的所有定子回路中同時通以直流電流，則動子將受到連續力的驅動由始點加速前進至終點。但這種同時通電的方式耗能很大，因為在未被Bg覆蓋的定子回路中電能都消耗于電阻。因此應僅對Bg運動所至區域的各定子回路通以定流向的脈沖電流，而其他未被Bg覆蓋的定子回路予以斷電。為此須設置位置傳感器判定動子的瞬時位置，以控制回路的饋電。這與永磁直線同步電機的定子繞組激勵方式相似，但應強調的是，這二者有本質的不同:永磁直線同步電機的激勵方式是為了形成移動磁場以驅動定子，但本文所述饋電方式是為了節能而非形成移動磁場。

1.3 磁屏蔽

另外，如圖2(b）所示，定子基座1中的磁場作用于引流體中的電流也會產生力f'，該力f'與力f方向相反，削弱了對動子的驅動作用。為此在引流體外加裝用軟磁材料制成的磁屏蔽，使永磁體發出的磁力線在定子基座內繞行于銅制引流體(見圖2(c）），從而使得基座中的磁場與引流體隔絕。此外，在永磁體和磁軛外也加裝用軟磁材料制成的磁屏蔽 (圖中未示出），目的是為了避免外界磁場干擾主磁路，或引起永磁體退磁。

1.4 等效電路圖

圖3為定子回路之子回路的等效電路圖，各子迴路都并聯在同一充電總線上。每個子迴路的外電路中都有獨立的電源和開關裝置，用以在適當時刻提供定流向的脈沖電流－最理想是方波脈沖電流。電源可參考電磁發射器 (電炮）中的各種適用電源，例如可采用“鋰金屬硫化物蓄電池－雙電層電容器聯合電源”［5］。另外，由圖2(b）可知，由于磁力線都集中在基座中通過，因此外電路位于磁場之外。

圖3 等效電路Fig.3 Equivalent circuit

綜上可知，圖2所示方案具備引言中所提關于單級直流電機的4個特點。

2 比較與分析

目前，美國海軍的直線同步電機EMALS之設計效率為70%［2］。至于直線感應電機EMALS，由于其動子須用鋁、銅等非鐵磁性材料制成，使其氣隙及漏磁通都較大，因此效率要低于前者。而本文所提基于單級直流電機原理的EMALS，理論上其電機效率可超過80%，系統效率可超過75%，而且若采用性能更好的釹鐵硼材料以提高磁感強度，并設法增大永磁體的體積，且減小磁軛的質量，則效率還可進一步提高。

本文方案之EMALS無須使用緊密纏繞且用環氧樹脂澆鑄密封的定子線圈，而是采用大截面積的單根導體構成定子回路，使其具有如下優點:

1）由于大截面積的導體電阻小而熱容量大，因此與線圈相比，在通以相同脈沖長度及相同幅值的電流時，前者溫升較小。在本文實例中，單個子回路的溫升最大值僅為0.366℃。

2）大截面積的導體表面積大，而且這些導體構成的定子回路都排列在同一平面內，導體間無纏繞和疊壓，也無須密封，因此散熱條件良好。

3）大截面積的導體有較高的強度和剛性，因此有較強的抗沖擊能力，使得整個定子系統緊湊且具良好力學特性。

由于本文方案EMALS的特有結構，使得可能生成的3種渦流中，前2種或是可以設法消除，或是很微弱，而第3種渦流發生于基座中，但基座由厚重的金屬構成，因此由此產生的溫升亦很微弱，且散熱條件良好。

本方案EMALS的定子迴路由單根導體構成，因此很容易實現模塊化制造與裝配。動子僅由永磁體、磁軛、磁屏蔽、滾輪等少數元件構成，結構非常簡捷。因此使得整體構成簡單緊湊，易于制造、裝配、調試與維護。

3 結語

綜上所述，EMALS方案具有效率高、溫升低、散熱容易、結構簡單、維護方便等特點，因此在未來的EMALS設計與研制中，將會發揮很大作用。

［1］王福金，姚智慧.艦載機的電磁彈射器設計探討［J］.電子工業專用設備，2009(9）:59－64.

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［3］許實章.電機學(上冊）［M］.北京:機械工業出版社，1984.

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［5］王瑩，肖峰.電炮原理［M］.北京:國防工業版社，1995.

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［7］北京盈科宏業科技有限責任公司.釹鐵硼磁鐵介紹及性能 表 ［EB/OL］.http://www.sina.com.cn/s/blog 721c407e0100ry97.htm l，2011 －07 －01.

［8］李文堯，武中華.瞬變電磁法矩形線圈自感的精確表達式［J］.地質與勘探，2010，46(1）:160 －164.

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［10］漁翁.航空母艦用的高技術彈射系統－直線感應電機將代替蒸汽彈射器［J］.艦船科學技術，2005，27(1）.

The homopolar machine princip le applied in electromagnetic aircraft launch system

WANG Zhi-sheng
(Jinan Institute of New Technology，Jinan 250000，China）

The paper put forward the homopolar machine may be unfolded into linear motor and applied in the electromagnetic aircraft launch system(EMALS），gave a structure scheme，discussed the calculation of design parameters，and with the existing EMALSwere compared.

homopolarmachine;linearmotor;electromagnetic aircraft launch system

TM359.2，TM359.4

A

1672－7649(2014）09－0150－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.09.032

2012－12－24;

2014－07－28

王智圣(1947－），男，高級工程師，主要從事機電一體化產品設計與研發。