基于IGCT的單級磁阻型線圈發射器的效率研究

穆澤淵,張 軍,黃瑩倍

(南京理工大學 能源與動力工程學院,江蘇 南京 210094)

電磁線圈發射是全電武器概念下的一種全新的發射方式,在現代軍事戰爭中有很大應用前景。它可用于導彈發射,火箭發射,魚雷發射和無人機彈射等[1-3]。與傳統火藥發射相比,其優點包括:發射消耗的能量為存儲在脈沖源中的電能,較為安全且發射成本較低;發射過程中不會產生強大的沖擊波,后坐力較小;發射過程中不會產生明顯的火焰和煙霧,具有良好的隱蔽性;工作穩定,重復性好,不會出現傳統火藥發射中突然撞擊和加速度突變等問題[4-5]。

磁阻型線圈發射作為電磁線圈發射方式之一,可以用于艦載導彈垂直發射技術。傳統艦載導彈采用熱發射方式,需要通過熱管理系統排出導彈在發射倉內點火產生的高溫氣體,較大規模的導彈發射會使熱管理系統變得龐雜[6],而磁阻型線圈發射系統可以有效地避免這個問題。與導彈冷發射方式相比,磁阻型線圈發射可以通過改變脈沖源的儲能和驅動線圈的級數來適應各種型號的導彈發射時的需求,實現發射通用化[7]。

但是磁阻型線圈發射的發射機理會使導彈在發射到某個特定位置后產生一個反向的電磁力,這是導致磁阻型線圈發射效率降低的一個重要因素。本文將利用Matlab軟件建立單級磁阻型電磁線圈發射器的仿真模型。在此基礎上,在外電路中加入集成門極換流晶閘管(IGCT)支路來對模型進行優化,消除這部分反向電磁力,從而提高磁阻型線圈發射器的發射效率。

1 發射原理

如圖1所示,磁阻型電磁線圈發射裝置由鐵磁性材料彈丸、驅動線圈、脈沖源以及其他部件構成。

圖1 磁阻型電磁線圈發射器

與感應型電磁線圈發射裝置不同,磁阻型線圈發射裝置的發射物不是發射線圈彈丸或者銅、鋁等材料的管狀彈丸[8],而是一整塊鐵磁性材料的彈丸。其作用機理為磁阻最小原理,在線圈-空氣-鐵芯磁路中,由于鐵芯的磁導率遠大于空氣,鐵芯將向磁阻最小的方向運動。當鐵芯與驅動線圈兩者中心重合時,磁路的磁阻最小,即彈丸發射到某個位置之后,將會收到一個與運動方向相反的電磁力,這部分反向力將導致發射效率降低。

磁阻型電磁線圈發射的物理模型主要由外電路模型和動力學模型構成。

1.1 外電路模型

如圖2所示,電容器電容為C,初始電壓為U0,驅動線圈的電阻為R,電感為L,二極管D1起續流作用,防止電容器反向充電,開關S1為晶閘管。

圖2 外電路模型

將外電路放電過程分為2個階段,電容器從開始放電到完全放電為第1階段,續流支路起作用時為第2階段。

電容器兩端的電壓為

(1)

式中:i(t)為放電回路中的電流。

電阻兩端的電壓為

UR=i(t)R

(2)

電感兩端的電壓為

(3)

式中:Φ為通過電感的磁通量,又Φ=L(x)i(t)。

(4)

式中:v為電樞的速度。

放電過程第1階段的KVL方程為

UC+UR+UL=0

(5)

將式(1)～式(4)代入式(5),得:

(6)

放電過程第2階段的KVL方程為

UR+UL=0

(7)

將式(2)～式(4)代入式(7),得:

(8)

1.2 動力學模型

驅動線圈中儲存的能量:

(9)

電樞所受的電磁力:

(10)

由于艦載導彈是垂直發射,所以電樞還會受到一個垂直向下的重力mg(m為電樞的質量)。

由Ft=mv可知,電樞的動力學方程為

(11)

2 仿真分析

驅動線圈的電感與電流無關,只與線圈和鐵芯的尺寸、線圈匝數、鐵芯與線圈的相對位置有關[9]。通過Maxwell的靜態參數化功能,可以準確地計算出驅動線圈的電感,利用Matlab的擬合分析得到近似的驅動線圈的電感函數。表1為磁阻型電磁線圈發射裝置的部分參數,圖3為該參數下匝數N=1時的L(x)曲線。

表1 磁阻型電磁發射裝置參數

圖3 Maxwell靜態參數化下的電感曲線及其擬合曲線

圖3中,x表示電樞運動位置,區間[-0.18,0.18]為電樞運動范圍。x=0,表示電樞和驅動線圈中心重合;x<0,表示電樞在驅動線圈下方;x>0表示電樞在驅動線圈上方。如圖3所示,擬合后的電感函數曲線與Maxwell精確計算出的驅動線圈的電感曲線差異很小,這表明擬合后的驅動線圈的電感函數可以準確地描述驅動線圈在電樞運動區間內的電感。

2.1 單級磁阻型線圈發射仿真模型

得到驅動線圈的電感函數L(x)后,按照外電路放電過程,采用Matlab建立了磁阻型電磁線圈發射裝置的兩段仿真模型。

如圖4所示,圖4(a)為磁阻型電磁發射裝置電容器完全放電的外電路仿真模型,描述圖2中電容器初始電壓U0變為0時的外電路的放電過程;圖4(b)為該階段的總仿真模型,描述電容型脈沖源完全放電階段電磁發射器的發射過程。圖中,v1,i1,x1分別表示第1階段仿真結束時電樞的速度、回路電流和電樞位置。

圖4 磁阻型電磁發射裝置放電過程第1階段的仿真模型

如圖5所示,圖5(a)為磁阻型電磁發射裝置放電過程第2階段的仿真模型,描述圖2中驅動線圈與二極管D1、晶閘管S1組成續流回路時的外電路放電過程。圖5(b)為該階段的總仿真模型,描述該階段電磁發射器的發射過程。圖中,i2為第2階段仿真的回路電流。

圖5 磁阻型電磁發射裝置放電過程第2階段的仿真模型

電容的初始電壓U0=2 500 V,電容C=4 mF,驅動線圈電阻值R=0.1 Ω,匝數N=80,電樞質量m=50 kg,初始位置x0=-0.07 m,在此參數下,對磁阻型線圈發射裝置進行了仿真實驗,仿真結果如圖6所示。

圖6 磁阻型電磁發射裝置的v(t),F(t),i(t)曲線

2.2 優化后的單級磁阻型線圈發射仿真模型

圖7為發射裝置未進行優化時電樞處于不同運動位置所受的電磁力曲線。

圖7 未優化時發射器的電樞不同運動位置點所受的電磁力曲線

如圖7所示,當電樞位置由x<0變為x>0時,電樞所受電磁力由正向變為反向。由式(10)可知,可以通過減小此時驅動線圈的電流來減小電樞運動過程中的這部分反向電磁力。在電感型脈沖源技術中,可通過半導體斷路開關來實現對某一回路電流的切斷。在半導體型斷路開關中,IGCT單管容量大,應用成熟,因此本文將外電路中的半控型器件晶閘管替換為全控型器件IGCT。當位置傳感器識別到電樞中心與驅動線圈中心重合時,IGCT的門極驅動電路控制其關斷,使驅動線圈的電流迅速降低,從而消除這部分反向電磁力。如圖8所示,可用Switch模塊組實現這一過程。

圖8 優化后的電磁發射裝置第2階段總仿真模型

由于電容器完全放電時間很短,以及電樞速度較低,當電容器完全放電完成時,電樞遠遠未運動到驅動線圈中心點,即電磁力還未改變方向,優化后的第1階段仿真模型與優化前一致。

磁阻型線圈發射裝置的參數不變,對該裝置進行仿真實驗,仿真結果如圖9所示。

圖9(a)、9(b)和9(c)分別為磁阻型線圈發射裝置優化后的電樞速度曲線v(t),電樞所受電磁力曲線F(t)和放電電流曲線i(t)。t1時刻之后,門極驅動電路控制IGCT完成關斷,驅動線圈的電流迅速降為0;圖9(b)中電樞所受電磁力變為0;圖9(a)中電樞的速度曲線相比圖6中下降趨勢明顯放緩,出口速度為7.07 m/s;發射效率η=10.0%。相比未優化前,發射效率得到了提升。

圖9 改進后發射裝置的v(t),F(t),i(t)曲線

2.3 初始位置對模型改進前后發射效率的影響

其他參數條件不變時,研究初始位置對模型改進前后的發射效率的影響,結果如圖10所示。

圖10為電磁發射裝置未進行優化時初始位置為-0.11 m,-0.10 m,-0.09 m,-0.08 m,-0.07 m,-0.06 m時的電樞速度曲線,其中初始位置從-0.11 m變化到時-0.06 m,出口速度先變大后變小,這表明存在一個最佳的初始位置。可以看到當x0=-0.09 m時,出口速度達到最大,為6.79 m/s,則模型未優化時最大發射效率為9.22%。

圖10 未優化時不同初始位置下的電樞速度曲線

圖11為電磁發射裝置優化后初始位置為-0.11 m,-0.10 m,-0.09 m,-0.08 m,-0.07 m,-0.06 m時的電樞速度曲線,其中初始位置從-0.11 m變化到-0.06 m時,出口速度同樣先變大后變小?？梢钥吹?模型優化后x0=-0.08 m時出口速度達到最大,為7.28 m/s,則模型優化后的最大發射效率為10.6%。

圖11 優化后不同初始位置時的電樞速度曲線

由上可知,模型改進后提高了發射效率的最大值,且由于消除了反向的電磁力,最佳初始位置點在發射管道內將會前移,這樣可以使電樞在加速區獲得更好的加速效果。

2.4 電樞初速度對最佳初始位置的影響

其他參數條件不變,電樞初速度分別取0 m/s,2 m/s,4 m/s,6 m/s時,研究改變初始位置對改進后仿真模型發射效率的影響,仿真結果如圖12所示。

圖12 電樞不同初速時不同初始位置的發射效率

由圖12可知,電樞初速度不同時,最佳初始位置也會不同。電樞初速度增加時,最佳初始位置不斷向左偏移,即電樞最佳初始位置在發射管道中不斷后移。這表明對于多級磁阻型電磁線圈發射系統,為了增加發射效率,每級發射系統的初始距離應隨著級數的增加而增大,電樞初速度每增加2 m/s,發射系統的初始距離需相應增加0.01 m。

3 結論

本文通過Matlab和Maxwell建立了單級磁阻型電磁發射裝置的仿真模型,在此基礎上,在外電路中加入了斷路開關IGCT支路,對其模型進行了優化,消除了電樞運動過程中受到的反向電磁力。仿真分析結果表明:模型優化可以大大提高磁阻型電磁發射裝置的發射效率,且最佳初始位置將會前移,而電樞初速度的增加會使最佳初始位置后移。本文研究結果為多級磁阻型電磁發射裝置的設計和優化提供了基礎。