徑向磁場與環向電流作用的電磁發射模式

朱英偉 雷 勇 周 群 姚 領 孫照華

?

徑向磁場與環向電流作用的電磁發射模式

朱英偉 雷 勇 周 群 姚 領 孫照華

（四川大學電氣信息學院 成都 610065）

常規線圈型電磁發射器的徑向應力遠大于軸向加速力，因此構建了徑向磁場與環向電流作用的多極矩場電磁發射模式；介紹了多極矩場電磁發射器的系統設計，分析了彈射部分和多級加速部分電磁力的產生，基于拋體電流絲法建立了發射系統的機電方程；采用電磁場有限元與瞬態電路耦合法，仿真分析了單級8極矩場電磁發射的瞬態過程；搭建原理性縮比實驗，驗證了多極矩場電磁發射模式的可行性。

電磁發射 多極矩場電磁發射器 電流絲法 電磁場有限元法

0 引言

當前，常規電磁發射器遇到脈沖電源的限制、結構材料等難題。在面向未來大質量、大推力和超高速的發射要求下，需要對常規電磁發射模式進行改進和創新[1-8]。導軌型電磁發射器由于在MA級電流下進行工作，導軌、電樞和開關等部件均承受極大的電磁應力和熱應力沖擊，易造成燒蝕、磨損和剝落，這些制約著導軌發射器的壽命和性能[9,10]。線圈型電磁發射器通常是利用一系列長直螺線管線圈產生的磁行波來順序加速拋體線圈。電磁力分析表明，通電直螺線管線圈對拋體線圈的徑向應力遠大于軸向加速力，因此，常規線圈發射模式的電磁力利用率不高，推進效率較低[11-16]。

為了使線圈型電磁發射的軸向電磁加速力分量最大化，考慮電磁力的產生形式、作用大小、方向以及加速效果，本文構建徑向磁場與環向電流相互作用產生最大軸向加速力，提出多極矩場電磁發射的概念，該發射模式的特點是軸向推力大、徑向懸浮穩定，未來可以應用在火箭發射、隧道掘進、管道運輸以及高速彈射等方面。

1 多極矩場電磁發射模式的構建

1.1 徑向磁場與環向電流作用的思想

常規線圈型電磁發射器大多采用直螺線管線圈作為驅動線圈，該線圈產生的磁場主要沿軸向以及拋體電樞的電流沿環向，這樣，軸向磁場與環向渦流作用產生的電磁力主要表現對拋體徑向的壓縮力，而軸向的加速力相對較小，因此，傳統線圈型發射器的電磁力利用率較低。為了使線圈型電磁發射的軸向電磁加速力最大化，探索構造徑向磁場與環向電流相互作用產生軸向加速力的思想，如圖1所示。

圖1 徑向磁場與環向電流作用的示意圖

構造一定排列形狀的驅動線圈，可以產生指向圓心的徑向磁場，設拋體電樞攜載環向電流（或感應渦流），那么，載流拋體電樞受到驅動線圈的電磁力密度為

再將電磁力密度對拋體電樞進行圓周積分或體積積分，可以得到拋體電樞受到的電磁力為

由于電流密度為環向，磁感應強度為徑向，根據矢量叉乘公式，并考慮到圓柱對稱結構，可知電磁合力的方向為軸向，且模值為最大值。

采用多極矩磁場線圈能夠產生徑向磁場構型，多極矩場線圈一般常用在粒子加速和等離子體約束方面。在磁流體發電或磁流體推進技術中，也有利于“鞍型”磁體產生2極矩磁場作用于等離子流體。圖2為8極矩線圈產生徑向磁場與拋體電樞環向渦流作用的示意圖。8極矩場線圈相鄰磁極方向相反，這是遵循多極矩磁場的定義，同時考慮到多極矩線圈兩兩磁通耦合，可以實現發射結構穩定。

圖2 8極矩磁場與拋體渦流作用的示意圖

1.2 多極矩場電磁發射系統的設計

多極矩場電磁發射器的模型如圖3所示，主要由渦流彈射線圈、多極矩場加速線圈和拋體電樞組成。彈射線圈為餅式螺旋線圈，加速線圈為8極矩磁場線圈陣列，拋體電樞為良導體鋁塊。該發射模式的原理基于電磁感應渦流彈射和磁行波順序感應加速。

圖3 多極矩場電磁發射器模型

多極矩場推進整體系統框圖如圖4所示，彈射線圈設為初始級，多極矩線圈作為后續多級加速級，每一級有獨立的儲能電容器對線圈進行脈沖放電，由傳感器檢測拋體位置，同步邏輯芯片控制電源開關導通，從而實現逐級脈沖電流感應渦流加速。

圖4 多極矩場電磁發射器的系統框圖

2 多極矩場電磁發射過程的仿真分析

2.1 發射系統機電方程的建立

多極矩場電磁發射器的彈射部分和加速部分的工作機理基本一致，都是基于驅動線圈與拋體電樞之間的磁耦合原理，將電磁能轉化為動能[17-19]。

由于拋體電樞上的感應渦流分布不均勻，因此將拋體電樞劃分成許多獨立的電流絲，如圖5所示。根據驅動線圈與電流絲之間的互感耦合關系，建立電路方程。再根據電流線圈之間的電磁力公式，綜合運動學方程，可以得到發射系統的機電方程

式中，、是多極矩線圈和拋體電樞的自感與互感矩陣；是等效內阻矩陣；是電容矩陣；是多極矩線圈和拋體電樞的電流矩陣；是電容電壓矩陣；p、p和p是拋體電樞的質量、速度和位移。聯立式（3）～式（6），可得使用離散的四階龍格-庫塔迭代方法，可以求解每一時刻的電路參數和動力學參量值。

圖5 多極矩場電磁發射系統的分析模型

2.2 單級8極矩場電磁發射的瞬態仿真

采用Ansoft Maxwell3D仿真分析單級8極矩場電磁發射器的瞬態過程，仿真模型如圖6所示，仿真電路如圖7所示。拋體為鋁套筒，質量為200g。初始時刻拋體位于彈射線圈附近，初始速度為零。彈射線圈的供電電容為200mF、40kV，多極矩線圈的供電電容器組為400mF、50kV，由兩個高功率脈沖電容器串聯放電構成。8極矩小線圈首尾串聯，由電容器組對其放電。設定8極矩線圈的觸發放電位置：拋體尾端底面剛好通過8極矩線圈起端截面2mm。

圖6 多極矩場電磁發射器的仿真模型

圖7 多極矩場電磁發射器的仿真電路

瞬態仿真計算結果如圖8所示，分別為拋體所受電磁力曲線和發射速度曲線。結果表明：200g拋體在0.327ms內被加速到232.48m/s，峰值加速力為266kN，加速距離為40mm。電磁力曲線表明：拋體所受徑向力和的值趨近為零，而軸向加速力表現突出，說明此發射模式能夠實現拋體徑向懸浮穩定，且軸向電磁加速力的利用率高。

（a）拋體所受電磁作用力的變化曲線

（b）拋體速度與推進距離之間的變化曲線

圖8 單級發射過程瞬態仿真的計算結果

Fig.8 Transient simulation results of single stage launch

3 多極矩場電磁發射模式的實驗

考慮到高速發射的實驗成本和系統裝置的復雜性，通過原理性縮比實驗來驗證多極矩場電磁發射的可行性。圖9為已有課題組搭建的6極矩場電磁發射器系統的實驗裝置[8]，其中，拋體電樞為鋁套筒，質量為50.4g；6極矩線圈通過晶閘管連接脈沖電容器，脈沖電容器參數為200mF、3kV。

圖9 6極矩場電磁發射器系統實驗裝置

多次成功發射實驗結果見表1，拋體電樞的初始觸發位置不同，發射的出口速度不同。拋體電樞的初始位置為16mm時，存在最大的出口速度為13.3m/s。實驗結果表明，多極矩場電磁發射模式是可行的。

表1 多次推進實驗結果

Tab.1 Experiment results

4 結論

多極矩場電磁發射模式基于徑向磁場與環向電流作用獲得最大電磁加速力的思想，利用渦流彈射和多極矩場逐級感應加速，本文給出了多極矩場電磁發射系統的分析模型，仿真分析了多極矩場電磁發射系統的瞬態過程，并通過實驗驗證了多極矩場電磁發射模式的可行性。該發射模式的軸向加速力突出、徑向懸浮穩定，適合向大質量、大推力發展，在火箭發射、隧道掘進、管道運輸以及高速彈射領域具有一定的應用潛力。

參考文獻

[1] Kaye Ronald J. Operational requirements and issues for coilgun electromagnetic launchers[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2005, 41(1): 194-199.

[2] Engel T G, Neri J M, Veracka M J. Solid-projectile helical coil electromagnetic launchers[J]. Pro- ceedings 16th IEEE International Pulsed Power Conference, 2007: 1789-1792.

[3] Fair H D. Advances in electromagnetic launch science and technology and its applications[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2009, 45(1): 225-230.

[4] McNab I R. Progress on hypervelocity railgun research for launch to space[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2009, 45(1): 381-388.

[5] Skurdal B D, Gaigler R L. Multimission elect- romagnetic launcher[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2009, 45(1): 458-461.

[6] Li Liyi, Ma Mingna, Kou Baoquan, et al. Analysis and design of moving-magnet-type linear synch- ronous motor for electromagnetic launch system[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2011, 39(1): 121-126.

[7] Michael R, Wright, Steven B, et al. A lunar electromagnetic launch system for in situ resource utilization[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2011, 39(1): 521-528.

[8] Luo Wenbo, Wang Yu, Gui Zhixing, et al. Conne- ction pattern research and experimental realization of single stage multipole field electromagnetic laun- cher[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2013, 41(1): 3173-3179.

[9] 陳慶國, 王永紅, 魏新勞, 等. 電容驅動型軌道電磁炮電磁過程的計算機仿真[J]. 電工技術學報, 2006, 21(4): 68-71.

Chen Qingguo, Wang Yonghong, Wei Xinlao, et al. Computer simulation of electromagnetic process in the capacitor drived rail gun[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2006, 21(4): 68-71.

[10] 趙純, 鄒積巖, 何俊佳, 等. 三級重接式電磁發射系統的仿真與實驗[J]. 電工技術學報, 2008, 23(5): 1-6.

Zhao Chun, Zou Jiyan, He Junjia, et al. Simulation and experimental research of a three-stage reconne- ction electromagnetic launch system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2008, 23(5): 1-6.

[11] 趙科義, 李治源, 程樹康. 單級感應線圈炮工作過程的動態仿真[J]. 高電壓技術, 2008, 34(8): 1667-1671.

Zhao Keyi, Li Zhiyuan，Cheng Shukang. Dynamic simulation of working process of the single-stage induction coil-gun[J]. High Voltage Engineering, 2008, 34(8): 1667-1671.

[12] 李三群, 張朝偉, 鄧啟斌, 等. 多級同步感應線圈炮的動態特性仿真[J]. 高電壓技術, 2009, 35(12): 3065-3070.

Li Sanqun, Zhang Chaowei, Deng Qibin, et al. Simulation of dynamic characteristic of multi-stage synchronous induction coilgun[J]. High Voltage Engineering, 2009, 35(12): 3065-3070.

[13] 郭芳, 唐躍進, 任麗, 等. 基于交錯式線圈布局的連續脈沖磁行波電磁發射基礎研究[J]. 中國電機工程學報, 2010, 30(27): 123-128.

Guo Fang, Tang Yuejin, Ren Li, et al. Basic research in continuous pulsed magnetic traveling wave electromagnetic launch based on interlaced coil layout[J]. Proceedings of the CSEE, 2010, 30(27): 123-128.

[14] 劉守豹, 阮江軍, 彭迎, 等. 改進電流絲法及其在感應線圈炮場路結合分析中的應用[J]. 中國電機工程學報, 2010, 30(30): 128-134.

Liu Shoubao, Ruan Jiangjun, Peng Ying, et al. Improvement of current filament method and its application in field-circuit analysis of induction coil gun[J]. Proceedings of the CSEE, 2010, 30(30): 128-134.

[15] 劉赟, 俞集輝, 程鵬. 基于電磁-熱耦合場的架空輸電線路載流量分析與計算[J]. 電力系統保護與控制, 2015, 43(9): 28-34.

Liu Yun, Yu Jihui, Cheng Peng. Analysis and calculation on the ampacity of overhead transmission lines based on electromagnetic-thermal coupling fields[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(9): 28-34.

[16] 張鑫, 王秀和, 楊玉波. 基于改進磁場分割法的開關磁阻電機徑向力波抑制能力解析計算[J]. 電工技術學報, 2015, 30(22): 9-18.

Zhang Xin, Wang Xiuhe, Yang Yubo. The com- putation of vibration reduction capacity for switched reluctance motor based on improved magnetic field partition method[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2015, 30(22): 9-18.

Multipole Field Electromagnetic Launch Model Based on Radial Magnetic Field Interact with Loop Eddy Current

（School of Electrical Engineering and Information Sichuan University Chengdu 610065 China）

The axial acceleration force of the conventional coil electromagnetic launcher is much less than the radial compression force. This paper presents a novel multipole field electromagnetic launcher based on the interaction of radial magnetic field and loop eddy current. The operation principle and conception model are introduced. The electromagnetic acceleration forces of eddy-current catapult and induction acceleration are analyzed. Based on the current filament method, the system dynamic equations are established. By electromagnetic field finite element analysis coupling with circuit, the transient launch process of single stage of octupole field coil electromagnetic launcher is simulated. The experiment results of the principle prototype indicate that the multipole field coil electromagnetic launcher is feasible.

Electromagnetic launch, multipole field electromagnetic launcher, current filament method, electromagnetic field finite element method

TM153

朱英偉 男，1982年生，博士，碩士生導師，研究方向為電磁發射技術、電磁場仿真計算與分析。

E-mail: zhu-yingwei@163.com（通信作者）

雷 勇 男，1966年生，教授，碩士生導師，研究方向為新型傳感器的檢測與控制。

E-mail: yong.lei@163.com

2015-01-08 改稿日期 2015-07-06

國家自然科學基金（51207097）和教育部博士點基金（20120181120100）資助項目。