直流螺旋线圈电磁发射器的能量转换效率

综合考虑换向过程、炮口剩余磁能和电阻的能量损耗等因素,建立等效电路模型,通过理论、数值计算和实验的方法,对比分析了常规螺旋发射器和一种新型螺旋发射器的效率。结果表明:电阻焦耳热损耗的能量最大,其次是换向磁能损失,而炮口剩余磁能损失最小。降低电阻、增大互感梯度、减小驱动线圈单元的匝数、增大工作电流等方式可以有效提高发射器的能量转换效率。然而,较大的互感梯度也会带来较大的换向磁能和炮口磁能损失,造成炮管烧蚀甚至损坏、能量泄放和效率降低。另外,恒流工作模式的螺旋发射器理论效率超过轨道炮,且新型螺旋发射器结构的理论效率接近100%,未来有望在超导或较低电阻的情况下实现应用。

平面螺旋线圈电磁发射器磁场及发射体受力分析

平面螺旋线圈电磁发射器具有结构简单、推力大等优点。首先介绍了平面螺旋线圈电磁发射器的工作原理,给出了驱动线圈的磁场方程、发射体的涡流方程和受力方程。用有限元法对驱动线圈磁场和发射体的受力进行了仿真计算,并分析了驱动线圈载荷频率变化、截面形状变化和发射体位置变化对发射体受力的影响。仿真结果表明:驱动线圈的电流频率对发射体受力影响较大,电流频率越高,发射体受力越大;在驱动线圈载荷相同的情况下,方形截面的驱动线圈使发射体受到的电磁力较大。

一种新型电磁线圈发射器的动态特性

传统电磁线圈发射器对电枢的推力主要来自于侧面的螺旋线圈,而在底部没有直接的物体作用。设计了一种新型电磁线圈发射器,在底部增加一个圆盘线圈,在筒状电枢的尾部增加一个圆盘电枢。介绍了新型电磁线圈发射器的组成和工作原理,对发射器模型和外接电路进行场路耦合分析,得到了线圈电流、电枢加速力和速度等动态特性;把场路耦合得到的线圈电流结果加载到发射器三维有限元模型上进行磁-结构耦合分析,得到了线圈的应力分布规律。结果显示新型电磁线圈发射器在发射器第一级中电枢同时被两个线圈推动向前运动,产生的推力更大,适合大质量物体的发射。

一种新型磁阻型电磁发射器的数值分析

新型磁阻型电磁发射器结合了磁阻型电磁发射器的工作原理和螺旋线圈型电磁发射器的基本结构。基于有限元方法,对弹丸受力的影响因素,如线圈与弹丸的相对位置、电流大小、线圈尺寸和弹丸尺寸等进行了数值分析。研究结果对新型磁阻型电磁发射器的研制具有参考价值。

一种HEML的弹丸受力仿真

利用Ansoft Maxwell有限元分析软件建立了一种螺旋线圈型电磁发射器(Helical electro-magnetic launcher,HEML)弹丸的受力仿真模型,该种弹丸含有两个线圈,能产生更大的加速力;对弹丸线圈与驱动线圈的相对位置、尺寸对弹丸受力的影响,以及两个弹丸线圈间相互作用力、弹丸所受法向力进行了仿真计算;结果表明,弹丸的受力大小与弹丸线圈与驱动线圈的相对位置有关,且有一个受力最大位置;弹丸的最大受力大小随着弹丸线圈长度、驱动线圈长度增大而增大,且增大趋势逐渐变缓;在选择弹丸材料及加工工艺时,需考虑前、后弹丸线圈间的相互作用力,以及弹丸线圈所受法向力对弹丸的影响。

HEML换向过程的续流回路设计

利用PSpice电路仿真软件建立了螺旋线圈型电磁发射器(Helical electromagnetic launcher,HEML)换向过程的等效电路模型,分析了换向过程中后换向匝断开时的能量转化情况,并在此基础上针对HEML设计了2种续流方案;结果表明:换向结束之后,后换向匝仍有大量的能量剩余,容易造成匝间电弧放电;通过将二极管反接在后换向匝两端可以将后换向匝中剩余能量释放,有效抑制匝间电弧的产生;利用二极管将后换向匝与激励区连接可以将后换向匝中剩余能量前馈到激励区,以此抑制匝间电弧的产生,并且提高换向过程能量转换效率。