一种新型同步线圈型电磁发射器研究
魏登武，刘少克
(国防科技大学，湖南长沙410073)
摘要：基于电磁场有限元分析软件，对同步线圈电磁发射器的结构参数进行了仿真分析，根据仿真结果和相关理论，设计了一种新型发射器结构，该结构能使弹丸在整个发射过程中，一直处于电磁加速力****的相对位置。
关键词：电磁发射；磁场分析；仿真
中图分类号：TM35 文献标识码：A 文章编号：1004—7018f2008)08—0005—03
0引 言
同步线圈电磁发射器是由两种线圈构成的，一种是固定的驱动线圈，另一种是被驱动的弹丸线圈。弹丸线圈中的电流可以是被感应出的，也可以是外部提供的。
本文设计的发射器驱动线圈和弹丸线圈由外部同一电源供电。电流在一对相互连接的线圈中产生吸引或排斥的磁场，从而产生弹丸加速力。理论上，精确的解析方法求解加速力有一定的困难，因为其中有椭圆积分的计算，故必须采用基于有限元的数值计算方法。
1理论分析
同步线圈发射器一般采用分立的驱动线圈，单相激励工作．如图l所示，当弹丸到达某驱动线圈的特定位嚣时，使该线圈和弹丸线圈同步放电，以此产生加速力。这种线圈炮的明显特点是，需要开关动作与弹丸位置精确的同步，这就增加了控制和功率调节系统的复杂性。
新型同步线圈发射器的结构如图2所示[1]，弹丸和驱动线圈同轴排列，弹丸在驱动线圈的外面。外部电源通过导轨和电刷1～3给驱动线圈和弹丸线圈供电，电刷1、2与驱动线圈滑动接触，且相对位置关系不变；通过电刷2将驱动线圈与弹丸线圈电路上串联在一起。在弹丸发射过程中，驱动线圈与电刷滑动接触，故驱动线圈的通电部分是不断变化的。如果把两个线圈看成是单一导体，那么其工作原理类似于传统的导轨炮[1]。
忽略电阻压降损失，假设驱动线圈和弹丸线圈中的电流为I，发射嚣中的感应电势为：
式中：Le为发射器总的等效电感。
式(1)中的第一项是与机械运动有关的动生电动势，第二项为感生电动势。发射器总的等效电感是弹丸位置的函数，可以表示为：
式中：Lr(x)为导轨自感，La为弹丸线圈自感，Ls为驱动线圈自感，时(x)为驱动线圈和弹丸线圈之间的互感。
由图l结构可知，La和Ls为常数。如果驱动线圈和弹丸线圈产生的磁场是相加的，互感项M(x) 为正；如果驱动线圈和弹丸线圈产生的磁场是相减的，互感项M(x)为负。
式中：v为弹丸(线圈)速度，L(x)为导轨的电感梯度，M(x)为驱动线圈和弹丸线圈的互感梯度。
可以用如下公式估算两线圈之间的互感[2]：
式中：n1、n2为两线圈的匝密度；rn、Bn是与两线圈的形状和相对位置有关的参数，n=1，2，3，4。
加速弹丸的力是发射器电感储存能量的梯度，可以表示为[4]：
由式(5)可看出，在电流一定的条件下，增大导轨的自感梯度或者驱动线圈和弹丸线圈的互感梯度，能够提高弹丸的加速力。在实际中Lr(x)要比M(x)小得多，故此由导轨自感梯度引起的作用力远小于由驱动线圈和弹丸线圈的互感梯度引起的作用力[4]。
2仿真与设计
2．1仿真模型的建立
考虑发射器主体为圆柱形，用二维R-Z柱坐标系进行分析较为合适。由图2可知在发射的过程中，驱动线圈只 |
