Key design parameters and optimum method of medium- and high-velocity synchronous induction coilgun based on orthogonal experimental design

The energy conversion efficiency of a multistage synchronous induction coilgun(MSSICG) has become one of the key factors that restricts its industrialization. To improve the launch efficiency of medium-and high-velocity MSSICG,we propose an optimization design scheme combining orthogonal experimental design(OED) and self-consistent design method in this paper. The OED is introduced to reduce the number of iterations and improve the identification accuracy and efficiency. A self-consistent design model is established to overcome a defect that the parameters that need to be optimized will multiply as the number of coil stages increases. The influence of six factors(radial thickness of armature, axial length of armature, axial length of coil, capacitance, wire diameter, and slip speed) on the launch efficiency are then evaluated by range analysis. This work presents a valuable reference for optimizing medium-and high-velocity MSSICG.

基于电容吸收拓扑电路的新型磁阻线圈发射器

磁阻线圈发射器具有出口速度一致性好、可靠性高和能源清洁等优点。但是现有磁阻线圈发射器普遍效率较低,限制了其工程应用。为提高发射效率,提出一种基于电容吸收拓扑电路的新型磁阻线圈发射器方案。首先建立了传统二级磁阻式发射器的模型,采用有限元软件进行了仿真计算。结果显示,在电枢经过线圈中心后,驱动线圈中剩余电流产生的磁场会使电枢受到反向电枢拖拽力而减速。针对上述问题,提出一种新型的基于电容吸收拓扑电路的能量回收方案,分析了各阶段的放电特性。计算结果表明:与传统放电电路相比,新型放电电路可以使驱动线圈的剩余电流被电容器吸收实现快速衰减,电枢出口速度由21.46 m/s提高至26.19 m/s,效率由14.50%提高至21.59%。新型放电电路能够对电枢加速后的剩余能量进行回收,明显减小电枢拖拽力,提高了发射速度与能量回收效率。

基于BA-KELM法的多级同步感应线圈发射器结构优化研究

用随机优化算法对多级同步感应线圈炮的结构参数进行优化,场模型和场电路耦合模型均耗时较长。将主流机器学习方法作为新的工具建立多级同步感应线圈炮的非参数模型。基于混合测试设计样本空间,用最小二乘支持向量机(LSSVM)、核极限学习机(KELM)和BP神经网络对有限元法获得样本集进行学习;用布谷鸟搜索(CS)算法和蝙蝠算法(BA)实现超参数(C,σ~2)优化,结合仿生鸡群优化(BCSO)确定BP神经网络的权值及阈值;最后,以三级同步感应线圈炮的结构优化为例验证所述方法的实用价值。结果表明:将BA-KELM方法用于多级同步感应线圈炮的非参数建模准确可行,与需大规模迭代计算的参数优化方法相比,具有较高的计算效率,结论可为多级同步感应线圈炮的结构设计与工程应用提供新思路。

多级电磁感应线圈炮级间电磁力耦合分析

基于多级电磁感应线圈炮在消防领域发射灭火弹的工程应用,提取多级电磁感应线圈炮具有代表性的首端-中部-尾部驱动线圈搭建电磁-结构耦合分析模型,由麦克斯韦方程组得到了电涡流场的控制方程,分析了驱动线圈反作用方程及反作用力,通过运用ANSYS电磁-结构分析工具,结合工程实际,对多级电磁感应线圈炮驱动线圈的电磁-结构耦合进行仿真分析,分析了多级电磁感应线圈炮级间电磁力耦合特性。表明多级电磁感应线圈炮位于不同部位的驱动线圈触发后运行的动态特性有所不同,驱动线圈级联运行存在电磁耦合现象,在相同电枢、相同脉冲电源触发供电运行时,该耦合力幅值受到驱动线圈级间距影响。

磁阻型线圈发射减速力研究

磁阻型线圈发射对铁磁体弹丸有吸引力作用能够实现加速发射,本文通过对磁阻型线圈发射弹丸受力情况的理论分析和仿真计算,发现磁阻型线圈发射在弹丸高速度、驱动线圈强磁场的发射条件下会出现较强作用的涡流减速力,弹丸速度不会增加反而减小。文中提出减小铁磁弹丸的电导率和对弹丸进行开槽处理,仿真结果表明这两种方法可以有效地减弱涡流对磁阻型线圈发射弹丸减速力的影响。

考虑电枢速度的多级感应线圈炮最佳触发位置

针对多级感应线圈炮中,电枢的速度会影响驱动线圈的最佳触发位置,分析影响电枢受力的变量的特点,给出了电磁力的曲线。基于冲量定理,分析电枢的速度增量与电磁力及其作用时间之间的关系,得出最佳触发位置会随着电枢速度增加而不断提前的结论。为验证理论分析结果,建立感应线圈炮的仿真模型,对不同电枢初始速度下的驱动线圈最佳触发位置进行了仿真。仿真结果和分析完全一致,而且当电枢速度较高时最佳触发位置甚至会提前到电枢处于制动力的位置。通过仿真得到电枢初始速度与驱动线圈最佳触发位置之间的关系曲线,并据此给出多级感应线圈炮的触发控制策略。

同步感应线圈炮的电枢减速特性

为了使同步感应线圈炮获得较大的出口速度和较高的能量转化效率,对同步感应线圈炮固有的电枢减速特性进行了分析研究。从集总参数模型推导并分析了电枢减速特性产生的原因,采用场路耦合的方式进行了定量的仿真计算。根据分析结果,从驱动线圈和电枢线圈之间磁场耦合的角度提出了减小电枢减速特性的方法,并进行了有限元仿真分析。结果表明,改变电源参数如提高电容初始电压或者增加电容值,改变电枢参数如减小电枢质量、采用绕线式电枢,都可有效减小电枢减速特性,提高系统效率。搭建4级线圈炮发射系统进行了实验,对比仿真和实验结果表明,改变电枢参数减小电枢减速特性符合实际需求。结论可供同步感应线圈炮的设计参考。

基于meat-grinder脉冲电源的感应线圈炮发射性能仿真分析

为了减小脉冲电源的体积,探索电感储能脉冲电源用于感应线圈炮的可行性,在线圈炮系统中引入了电容转换的meat-grinder脉冲电源电路。首先对该脉冲电源驱动感应线圈炮负载的工作原理进行了分析。然后基于Maxwell 2D仿真环境,建立了单级感应线圈炮的2维有限元模型,瞬态仿真确定了触发放电位置,并分析了驱动线圈电感和电容器电容值对发射性能的影响。仿真结果表明:电容转换的meat-grinder电路用于驱动感应线圈炮是可行的;触发放电位置、驱动线圈的电感和电容器的电容值对发射性能都存在影响;选择合理的参数可以提高发射效率。在系统设计时,驱动线圈电感和电容器电容值的选取需要从降低断路开关电压,保持较高发射效率,以及降低电容器容量要求等方面综合考虑。

多级同步感应线圈炮的动态特性仿真

电磁发射过程中,动态特性源于电磁场变化、温度场变化以及应力变化等,它们同电枢的触发位置、初速度、结构等参数密切相关。为提高多级同步感应线圈炮的性能,基于Maxwell 2D仿真环境,建立了同步感应线圈炮的二维有限元模型,对影响其性能的触发位置、初速度,特别是它们之间的配合问题进行了极为重要的动态仿真分析。仿真及分析结果表明:对于多级同步感应线圈炮,初速度不同,电枢有不同的最佳触发位置,它们之间的有效配合对提高多级同步感应线圈炮的性能有重要影响;而多级同步感应线圈炮级数有限制,并非越多越好。

电容器参数对感应线圈炮发射特性影响的分析

为提高感应线圈炮抛体加速力、出口速度和系统效率,在介绍了发射原理后建立了单级同步感应线圈炮的等效电路模型,将抛体电枢的电阻和电感通过互感反映到驱动线圈回路电路中以简化抛体电枢加速力的计算过程并采用电磁场有限元计算与嵌入式外电路耦合的方法,瞬态仿真分析了电容器不同电容值和不同电压值对感应线圈炮发射性能的影响。仿真结果表明:感应线圈炮发射时的放电脉冲电流波形与独立的LCR放电波形不同,驱动线圈与抛体之间的互感变化对放电时间常数有影响,抛体涡流引起的反感应电动势对驱动线圈的电流变化有阻碍作用,增大电容器的电容值或电压值都能够增强抛体的加速力,但是系统发射效率并不一定提高。最后指出,在高速感应线圈炮的设计中,应当减小脉冲电容器的电容值,同时提高电容器的充电电压值。

电磁驱动线圈的力学特性及制作方法

为给线圈式电磁发射装置提供可耐高压的高强度电磁驱动线圈,对驱动线圈的实时电磁力、结构特性及制作方法进行了研究。首先采用ANSOFT软件对线圈绕组时变电磁力进行分析。结果表明,径向电磁力集中到线圈截面的中心右侧,轴向电磁力集中在线圈截面中心偏下部,线圈径向电磁力远大于轴向电磁力,因此litz线制作较带状线圈更适合制作高强度线圈。然后采用ANSYS软件对线圈的接触特性进行分析,结果表明,绕组受到径向电磁力往线圈外侧挤压,形变集中在绕组外侧;上下层绕组沿轴向方向向中间挤压;总电磁力的作用使线圈绕组向外部封装的中间处挤压。设计并制作了高强度驱动线圈,测试结果表明:该线圈满足耐高压、高强度的应用要求。研究结果可为高强度线圈的制备提供理论依据和指导。

单级同步感应线圈炮电枢的磁场-温度场有限元分析

为了研究电枢在同步感应线圈炮发射过程中的温度分布规律以及影响电枢温度分布的因素,依据瞬态涡流场和计算传热学的相关理论建立单级同步感应线圈炮电枢磁场-温度场耦合分析的数学模型,利用APDL建立了电枢和驱动线圈的有限元模型,将线圈炮发射过程中电枢中感应的焦耳热损耗作为体积热源,通过顺序耦合的方法实现电枢的磁场-温度场有限元分析。研究结果表明:电枢中感应的涡流和温度分布不均匀,当电流载荷最大时,电枢中的感应的涡流最大、温升最高,最高温度达70.29℃,且都位于电枢的底部的外侧;随着加载电流载荷的增大电枢的温升愈大;增大电枢表面的对流换热系数、发射率以及降低电枢的初始温度都可以减小电枢的温升;增大电枢的热导率可以降低电枢的最大温差。

螺旋线圈电磁发射器径向受力仿真与电枢设计

通过数值仿真,根据螺旋线圈电磁发射器(HCEL)驱动线圈的径向磁场分布,提出一种"D"形截面电枢并确定其最佳受力位置。计算表明,相同线度的"D"形电枢比矩形电枢加速度更大,即在炮长(弹丸加速长度)相同的情况下,"D"形电枢比矩形电枢具有更高的出口速度。以"D"形电枢为例,分析了弹丸线圈与驱动线圈上的轴向、径向受力分布。结果表明,弹丸线圈与驱动线圈的径向力主要为向外的膨胀力,在炮结构的工程设计中应在线圈外围进行加固。

60mm口径电磁感应线圈炮的实验研究

介绍了一种电磁感应线圈发射装置，把直径为６０ｍｍ、１ｋｇ重的抛体加速到６０ｍ／ｓ的速度。对电磁感应线圈炮的作用原理和系统性能进行了分析，给出了该系统的结构及测试控制系统。

新概念动能武器—电磁炮

电磁炮是现代战争中的一代新概念武器,目前国外的技术发展已达到实用阶段。用物理学中关于电流的磁场、电磁感应和涡流的基本理论对轨道炮、线圈炮、重接炮三种电磁炮的基本原理进行了分析;研究了轨道炮、线圈炮、重接炮的特点、应用前景;探讨了脉冲电源技术、材料技术、发射装置设计等电磁炮关键技术;最后总结了电磁炮的发展现状,展望了未来发展趋势。

线圈炮—电磁同轴发射器及其系统分析

线圈炮在宇航与国防中有重要应用前景。本文先简述其分析模型与方程。方程为非线性变系数常微分方程的初值问题，有时呈刚性。用Ｔｒｅａｎｏｒ方法求解，所得结果与国外已有装置的试验数据符合良好。并对一个小炮做了初步的原理设计。

线圈炮(电磁同轴发射器)综述

文中主要包括:1、线圈炮的基本原理;2、主要的结构型式,每种类型举出几个有代表性的装置,说明其运行机制与性能;3、应用前景。

基于过载控制的多级同步感应线圈发射器优化分析

为给电磁发射器系统平稳加速应用研究和发射过载精确控制提供指导,研究了给定过载约束条件的多级同步感应线圈发射器系统的优化设计。提出了以发射速度、发射效率和发射过载加速度为组合目标函数的多级同步感应线圈发射器优化设计方法,并建立了发射器系统仿真模型,通过遗传算法对5级发射器进行了优化分析。得到0.5 m口径、1 m长的5级发射器用于发射625 kg载荷,最大过载限制为33g(重力加速度g=9.8 m/s2)的优化设计方案:各级驱动电路参数相同,充电电压7 kV,电容量7.4 mF,驱动线圈轴向长度185 mm,径向厚度119 mm,匝数308;电枢轴向长度193 mm,径向厚度131 mm;相对各级驱动线圈底部与电枢底部的触发位置分别为122、1、-73、-158、-218 mm。最终发射速度为20.1 m/s、发射效率为15.7%。结果表明,基于组合目标函数的优化设计方法满足给定过载限制条件和平稳加速的设计要求、并且达到发射速度和效率最优。

基于磁场方向变化的同步感应线圈发射器效率提升分析

提升同步感应线圈发射器的能量转换效率是电磁发射研究的热点之一。电枢在运动过程中,磁场沿轴向剧烈变化,使得电枢产生了感生电流和动生电流,电枢受力不均匀。在磁场同向的条件下,电枢加速主要集中在驱动线圈电流的上升沿,电枢截面电流分布不均匀。由于驱动线圈电流的减小和电枢的运动,导致磁场迅速减小,影响了系统的发射效率。身管内的磁场变化对于电枢加速具有重要影响,通过改变线圈的电流方向,电枢初速显著提高。电枢加速主要集中在驱动线圈电流的下降沿,电枢截面电流显著增加,有利于增加电磁推力和提高发射效率。实验结果表明,磁场反向后电枢初速和效率得到了显著的提高,该方法为多级线圈发射装置的设计提供了参考。

电磁线圈炮计算程序的收敛性与实验验证

根据电磁线圈炮中推力线圈与电枢之间的感应耦合方程和电枢动态响应方程,考虑发射过程中推力线圈和电枢的欧姆加热,开发了电磁线圈炮的计算程序,给出了程序的算法和流程。分析了程序的收敛性,认为最大时间步长和电枢最大网格均依赖于驱动脉冲波形的上升时间。通过模拟结果与单级线圈炮实验测量结果的比较,验证了程序的有效性。模拟的线圈电流波形与实验波形吻合较好,模拟的出口速度比测量速度大约6.5%。程序收敛性和有效性的验证表明该程序可用于电磁线圈炮系统的初步设计。