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。

螺旋线圈炮换向过程中的能量损失

从弹丸加速过程中炮系统的反向电压和单匝换向的互感储能变化2个不同角度研究了螺旋线圈电磁发射器(HCEL)的能量转化和损失问题。结果表明:恒流模式下HCEL加速弹丸的动能等于换向过程中损失的电磁能,单匝换向过程中损失的磁能为驱动线圈通电部分前端接通电流匝增加的磁能与其尾部断开匝的剩余磁能之差。

感应线圈炮的电枢受力分析

基于电磁感应定律讨论感应线圈炮的工作原理后建立了等效电路模型。用McKinney法详细分析电枢受力并进行有限元仿真分析的结果表明:电枢轴、径向受力不均匀,尾部的径向压力较大,易使电枢变形;电枢初始位置对抛体出口速度影响较大,故实用中应增强电枢强度、合理选择电枢的初始位置。

多级电磁感应线圈炮的级间耦合特性

多级电磁感应线圈炮在发射过程中,前面各级驱动线圈放电产生的磁场和电枢自身感应电流产生的磁场都会耦合进入下一级驱动线圈,对驱动线圈的加速性能产生影响。基于多级感应线圈炮等效电路模型,建立了带有续流二极管的多级感应线圈炮数学模型,得到了其推力方程和运动方程。基于电磁感应定律,分析了2种耦合因素作用时下一级驱动线圈中感应电动势和感应电流的变化。基于场路耦合,对多级感应线圈炮进行了仿真,得到了不同情况下的耦合特性。研究结果表明:多级线圈发射中存在耦合效应;根据耦合磁通的不同,后面各级驱动线圈上会产生正向或反向串联的电动势;正向串联电动势有利于线圈炮的加速。

同步感应线圈炮内磁场及涡流场的有限元分析

为了研究感应线圈炮内磁场及涡流场的分布,根据单级实心电枢同步感应线圈炮的结构模型,基于矢量磁位和标量电位相结合的方法建立了其导体区域涡流场的数学模型。对套箍和炮管非导体区域、气隙区域分别采用矢量磁位、标量磁位来描述磁场。在电枢区域涡流场的控制方程中,考虑了电枢运动效应和位移电流效应的影响;在驱动线圈区域涡流场的控制方程中,考虑了位移电流效应的影响。采用Ansoft有限元分析软件对单级实心电枢同步感应线圈炮内的涡流场分布情况进行了仿真研究。仿真结果表明:单级实心电枢同步感应线圈炮内的磁场在电枢尾部发生明显畸变,电枢内的涡流主要分布在电枢的外表面和尾部,其方向与驱动电流的方向相反。这些工作体现了单级实心电枢同步感应线圈炮实际工作过程中磁场、涡流场以及能量损耗的分布规律,为感应线圈炮的优化设计提供了参考依据。

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。

单级感应线圈炮工作过程的动态仿真

为了更好地对多级同步感应线圈炮进行设计和试验研究,为储能脉冲电容器驱动的单级感应线圈炮建立了描述其动态工作过程的数学模型(包括电路方程和电枢运动方程),并利用Ansoft有限元分析软件和2-D瞬态求解器进行了仿真研究。这种方法可以避免驱动线圈自感、电枢自感以及驱动线圈与电枢之间互感等参数计算的难题。仿真结果给出了驱动电流波形、电枢受到的电磁力、位移以及速度等参数随时间变化的波形。这对于预测单级感应线圈炮的加速性能具有十分重要的意义。仿真结果表明:感应线圈炮的主要加速作用发生在驱动电流的第1个半周期内(主要加速时间小于半周期),驱动电流有时对电枢起制动作用,制动作用范围与感应线圈炮的初始工作状况有关。研究结果表明:该仿真方法可用于对单级感应线圈炮的最佳初始位置进行优化,也可用于多级同步感应线圈炮工作过程的动态仿真。

改进电流丝法及其在感应线圈炮场路结合分析中的应用

对线圈炮路方法——电流丝法进行了修改,通过对激励线圈进行剖分提高了等效网络中的互感计算精度,使电流丝法能够更准确地分析线圈炮的性能。为了验证修改后电流丝法的有效性并对线圈炮的电磁暂态进行研究,将电流丝模型计算得到的激励线圈电流加载到对应的场模型中,实现对线圈炮的场路结合分析。线圈炮的场模型基于三维组合网格法建立,组合网格法使用2套网格分别离散静止和运动区域,2套网格之间没有拓扑约束从而克服了常规有限元法在处理运动导体涡流场问题时需要重剖分的麻烦。通过电流丝法改进前后场路结合法计算结果的对比可知,对激励线圈进行剖分可以提高场分析和路分析结果的一致性。提出的场路结合法使感应线圈炮的精细化分析成为可能。

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。

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。

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。

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。

基于蚁群算法的同步感应线圈炮结构参数优化

能量转换效率一直是制约同步感应线圈炮(SICG)工程应用的重要因素。对于SICG系统,任何机电参数的改变都会直接或者间接地影响系统能量转换效率。为了提高SICG系统的能量转换效率,建立了SICG的机电模型,以驱动线圈的结构参数、电枢结构参数以及两者的轴向中心距为变量,以能量转换效率为目标函数,采用蚁群算法对60 mm口径的SICG系统进行了优化研究。研究结果表明,优化后系统能量转换效率从5.32%提高到15.2%.为了验证优化结果,搭建了SICG实验装置并进行了效率验证实验,优化结果得到了有效验证。

三级同步感应线圈炮内弹道过程仿真

为了研究多级同步感应线圈炮的弹丸内弹道运动规律,建立了多级同步感应线圈炮的机电模型,绘制了机电模型的仿真程序流程框图.采用轴对称线圈磁场的数值计算方法和微分方程的前向差分法编写了仿真程序,并对一个三级同步感应线圈炮的弹丸内弹道运动过程进行了仿真.结果表明,电枢中的感应电流从尾部往前部依次减小,电枢尾部电流最大,温升和受力也最大,因此电枢尾部最容易被破坏.

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。

单级感应线圈炮弹丸出口速度与效率影响研究

驱动线圈是同步感应线圈炮的主要组成部分,其结构对系统性能有着重要的影响。通过分析储能型单级感应线圈炮的工作原理和电路模型,利用Ansoft有限元软件,分别建立了短距、中距、长距3种结构驱动线圈模型,计算了多种弹丸启动速度下的最佳触发位置及单级线圈效率。计算结果表明:3种结构驱动线圈最佳触发位置均随弹丸启动速度增加向线圈底部(炮尾)方向移动;短距线圈效率最低,随弹丸启动速度增加而降低;中距线圈效率最高,先随弹丸启动速度增加而增加,增加到一定值随后再降低;长距线圈效率居中,随弹丸启动速度增加而增加。

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。

感应线圈炮性能的场路结合分析

线圈炮性能分析对于线圈炮的实验研究和电磁结构优化非常重要。本文使用电流丝模型对线圈炮进行路仿真,电流丝模型将线圈炮控制方程归结为非线性变系数常微分方程组的初值问题,路模型易于编程实现,从中可发现系统性能对可变参数的依赖关系。使用组合网格法建立线圈炮场模型,组合网格法使用两套相互独立的网格对场域进行离散,克服了常规有限元法在处理运动电磁问题上需要重剖分的麻烦。文中使用路模型和场模型相结合的方法对三级同轴感应线圈炮进行了仿真,实现了对线圈炮这类复杂的运动导体涡流场的三维场分析,获得了线圈炮发射过程中空间磁场分布和电枢涡流分布。通过对比两种模型的仿真结果,证实了它们的一致性和有效性。

基于场路耦合的多级感应线圈炮内弹道分析

为研究多级感应线圈炮中电枢的受力、加速和过载等内弹道特性,基于电磁场理论,建立了同步感应线圈炮的数学模型,并给出了线圈炮的控制方程和电磁力计算方法.结合场路耦合模型,对3级感应线圈炮进行了有限元仿真.该仿真模型得到的最大过载可达15 000g.仿真分析表明:发射过程中,电枢不仅会受到很大的过载,而且其受到的电磁力在运动中会发生反向;随着电枢速度的提高,电磁力反向时刻不断提前,电磁制动力不断增大,加速力不断减小.