新型實時可控電磁復進機性能與控制特性分析

丁 寧，郭保全，黃 通，朱家萱，欒成龍

(1.中北大學 機電工程學院， 太原 030051； 2 中北大學 軍民融合協同創新研究院， 太原 030051)

復進機是火炮反后坐裝置的重要組成部分，復進機的主要功能就是在火炮后坐過程中儲存足夠的能量，用以在火炮后坐運動結束后將后坐部分推回到待發位置[1]。常見復進機的工作原理主要是利用彈性介質儲能，一般分為彈簧式和氣壓式，彈簧式復進機質量大，且長期使用容易產生疲勞斷裂，而氣壓式復進機受內部壓力影響較大，據統計，反后坐裝置故障率中有80%以上與復進機內部壓力異常有關，嚴重影響火炮使用安全性和可靠性，同時傳統復進機在結構設計完成后不便于控制，難以適應現代火炮的發展[2-3]。

近年來，直線電機技術由于取消了中間傳動環節，具有運行速度高，推力大，結構簡單，便于控制等優點，開始廣泛應用在工業自動化等領域[4-5]。本文基于火炮復進運動特性和直線電機的運行原理，提出了一種新型電磁復進機的結構設計方案。介紹了其工作原理和基本結構，建立了電磁復進機的理論數學模型，進而提出了一種利用負載阻值調控的電磁復進機力控制方法，并以某型火炮為研究對象，通過仿真分析對電磁復進機工作特性進行了探究。

1 基本原理

直線電機技術是利用永磁鐵在氣隙中產生行波磁場，通過載流導體與氣隙磁場的相互作用產生電磁推力，使得動子與定子之間產生相對運動[6]。按照勵磁方式的不同，直線電機可以分為永磁直線電機和直線感應電機兩類，永磁直線電機推力大，響應快，發熱少，精度高，但存在著安裝困難和排屑困難等問題；直線感應電機的優點在于安裝簡單，不存在排屑維護等問題，但效率較低，發熱較大。隨著近年來，永磁材料性能的不斷提高，特別是釹鐵硼永磁材料的熱穩定性不斷改善和價格的下降，加之電力電子的進一步發展，永磁直線電機逐漸成為了直驅伺服單元的首選[7]。從火炮復進機設計的角度考慮，永磁直線電機大推力，快響應，高精度的特點非常適用于火炮復進運動的要求，同時考慮到徑向電磁力對復進平穩性的影響，電磁復進機選擇了圓筒型永磁直線電機作為基礎設計方案，電磁復進機結構簡圖如圖1。

圖1 電磁復進機結構簡圖

電磁復進機主要由勵磁繞組，定子鐵心，永磁鐵組組成，勵磁繞組放置在定子鐵心的凹槽里，各槽繞組依次相連，并通過引線與外部電源電路連接，永磁鐵嵌套在硬質牽連棒上與后坐部分固連，定子鐵心固定在搖架上。在復進加速階段，外部電源向勵磁繞組中通入激勵電流，激勵電流在線圈繞組中產生與永磁鐵組極性相反的電磁場，推動永磁鐵組產生相對運動，永磁鐵組牽動后坐部分加速復進；在復進減速階段，外部電源通過外部電路控制向勵磁繞組中通入相反的激勵電流，激勵電流在線圈繞組中產生與永磁鐵組極性相同的電磁場，阻礙永磁鐵組產生相對運動，永磁鐵組阻滯后坐部分減速，直至復進到位。

2 運動分析

2.1 電磁復進機力特性分析

電磁復進機的復進機力實質上是載流勵磁繞組在永磁鐵組磁場中所受到的安培力，為了簡化計算模型，根據電磁復進機結構特性做出以下假設：

1) 假設牽連桿背負永磁鐵組始終沿軸線方向運動，忽略永磁鐵組偏心；

2) 假設永磁鐵組氣隙磁場沿圓周分布均勻，忽略徑向電磁力影響；

3) 假設磁路所在平面與運動軸向平行，忽略磁場切向分量；

基于上述假設條件，根據安培力計算公式有電磁復進機力[8]為

Fe=BδiL

(1)

式中:Fe為電磁復進機力；Bδ為氣隙磁感應強度；i為勵磁線圈中的電流；L為勵磁線圈長度。

氣隙磁感應強度是電磁復進機力的主要影響因素，氣隙磁感應強度是位置的函數。相關研究發現[9]，圓筒永磁直線電機氣隙磁感應強度計算公式為

(2)

式中：Br為剩余磁場強度；τ為極距；τp為磁極寬度；h為充磁高度；g為氣隙寬度。

顯然，氣隙磁感應強度和勵磁線圈長度由電磁復進機的結構參數決定，在電磁復進機結構設計確定以后也隨之確定。即由式(1)和式(2)可知，在結構設計完成后，電磁復進機力主要受到勵磁電流的影響，設K(x)為制造系數，則有

Fe=K(x)·i

(3)

式中，K(x)=BδL。

2.2 電磁復進機運動特性分析

火炮后坐結束后，后坐部分在復進機力的作用下，回復到待發位置。在復進過程中受到復進機力同時，還受到復進靜阻力的影響，復進機力與復進靜阻力的合力為復進剩余力，即

Fsh=Fe-F-FT-mhgsinφ

(4)

式中：Fsh為復進剩余力；Fe電磁復進機力；F為反后坐密封裝置摩擦力；FT為搖架導軌摩擦力；mh為后坐部分質量；φ為火炮射角。

采用傳統復進機的后坐部分復進運動主要是在復進剩余力和復進節制力的共同作用下完成的，其中復進節制力在復進減速階段提供較大的復進阻力來阻滯后坐部分，以保證復進到位的平穩。而電磁復進機力由于受到勵磁電流的影響，其力的方向可以隨著電流的方向而改變，因此，電磁復進機兼顧了復進節制器的功能，相對簡化了反后坐裝置設計。即采用電磁復進機的后坐部分復進運動微分方程為

(5)

式中：x為復進行程；Fφf為制退機流液孔液壓阻力。

2.3 機電耦合控制特性分析

由式(3)和式(5)可知，采用電磁復進機的后坐部分復進運動主要受到勵磁電流大小和方向的影響，通過對勵磁電流的調節，可以進一步控制后坐部分復進運動規律，以期望獲得理想的復進運動。根據電路歐姆定律，本文提出了一種通過調控負載阻值變化的勵磁電流控制方法。

根據電路歐姆定律有

(6)

式中：e為外部電源電壓；R為勵磁回路總阻值。其中，R=R0+Rδ，R0為回路固有阻值，Rδ為調節電阻。

聯立式(3)～式(6)可得：

(7)

由式(7)可以得到滿足給定復進運動規律所需的勵磁回路總阻值的調節規律。與傳統復進機相比，電磁復進機可以擬定理想的復進運動特性，以獲得相對應的阻值調控規律，對復進機力進行實時的控制。

3 控制特性分析

3.1 復進運動特性

本文以某型火炮為研究對象，按照傳統復進機復進制動圖擬定電磁復進機理想復進運動特性，擬定曲線如圖2所示。

圖2 理想復進運動規律曲線

如圖2所示，A點為制退機非工作腔真空消失點，B點為電磁復進機力反向點。在A點之前，電磁復進機力提供復進推力，此階段，復進運動為加速階段；A以后，制退機流液孔液壓阻力出現，阻礙復進運動，但由于該液壓阻力相對較小，復進運動仍然為加速運動，但與A點之前相比，加速運動減緩；B點之后，電磁復進機力反向，電磁復進機力開始提供復進阻力，以代替傳統復進節制器的作用，復進運動開始減速，直至復進到位。

3.2 電阻調節控制特性

由式(7)可知，回路阻值R是復進行程x的函數，現已知復進運動特性如圖2所示，在確定電磁復進機結構尺寸之后，即可以計算出回路電阻的變化規律。電磁復進機主要結構尺寸如表1所示。

由式(2)可知氣隙磁感應強度Bδ(x)是位置x的函數，根據電磁場原理可知，氣隙磁感應強度是一個呈類正弦變化的物理量。本文基于模型假設，建立電磁復進機的二維有限元電磁場模型如圖3所示，氣隙磁感應強度變化規律圖4所示。

表1 電磁復進機主要結構尺寸

圖3 電磁復進機二維有限元模型

由式(3)解得勵磁電流的變化規律曲線如圖5所示，由圖5可知，勵磁電流總體的變化趨勢與電磁復進機力一致，并呈現出類正弦變化的波動規律，這是由于直線電機的固有屬性引起的，具體反映在氣隙磁感應強度的類正弦變化規律上。本文基于直線電機推力波動的特殊性能，考慮到火炮復進運動的平穩性，為減小電磁復進機力的波動，采用了負載阻值調節勵磁電流變化的方法來控制電磁復進機力的平穩變化，將電磁復進機力固有的推力波動轉移到勵磁電流波動上，然后通過可調電阻來控制電流，最終實現阻值控制電磁復進機力的平穩運行。

可調電阻的阻值變化規律曲線如圖6所示，在復進運動前期，為了提高復進運動速度，減小復進時間，負載阻值相對較小，并產生與氣隙磁感應強度相對應的阻值波動，以消除磁感應強度波動對復進機力的影響，有利于復進運動平穩；在復進運動末期，即電流反向點之后，由于制退機流液孔液壓阻力的影響，反向復進機力值相對較小，因此負載阻值相對較大。

圖4 氣隙磁感應強度變化規律曲線

圖5 勵磁電流變化規律曲線

圖6 可調電阻阻值變化規律曲線

綜上所述，利用負載阻值調控方法能夠實現電磁復進機力的實時控制，利用電流方向控制電磁復進機力方向的方法能夠實現電磁復進機兼顧傳統復進機和復進節制器的作用。

4 結論

1) 電磁復進機可以兼顧傳統復進機和復進節制器的作用，有利于簡化火炮結構，提高復進效率；

2) 負載阻值是在電磁復進機結構參數確定以后可以對電磁復進機力進行調控的參數，通過負載阻值的調控能夠消除傳統直線電機的推力波動，有利于復進平穩；

3) 與傳統復進機相比，電磁復進機能夠對復進機力實時控制，使其滿足任意射角下的復進穩定性。