一种新型磁阻型电磁发射器的数值分析
欧阳建明，刘振祥，杨丽佳，沈志，杨栋，蒋雅琴
（国防科技入学，湖南长沙410073）
摘要：新型磁阻型电磁发射器结合了磁阻型电磁发射器的丁作原理和螺旋线罔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。
关键词：电磁发射器；螺旋线圈型电磁发射器( hcel)；数值分析
中图分类号：tm301. 4+4 文献标识码：a 文章编号：1004-7018( 2010) 07-0025-03
o引言
电磁发射器是一种利用电磁力加速物体的装置，一般可以划分为导轨型、线圈型和重接型；按照加速机理的不同，线圈型电磁发射器又可以划分为同步感应型、异步感应型、磁阻型等类型。磁阻型电磁发射器本质上是利用线圈磁场与铁磁质弹丸上磁化电流之间的作用力来加速弹丸，具有结构简单、可控性好、可靠性高等优点。
由于铁磁材料磁化的非线性，很难解析得到铁磁材料在非均匀磁场中的受力公式和加速过程的运动方程，而借助有限元分析软件对磁阻型发射器的性能进行数值分析是一种较好的方法：本文基于maxwell有限元分析软件建立了一种新型磁阻型电磁发射器的数值分析模型，并研究r弹丸位置、电流大小、线圈尺寸和弹丸尺寸等因素对弹丸受力的影响，得到了一些对新型磁阻型电磁发射器研制具有指导意义的规律。
1模型
普通的线圈型电磁发射器一般每级线圈都具有较大的匝数，这在增加了线圈磁场的同时也增加了线圈磁场建立的时间，因此需要进行提前接通，而相应的提前量很难控制。螺旋线圈型电磁发射器（以下简称hcel）。能够解决这一问题，它具有加速力大、炮管短和效率高等优点。如图1所示。
电流由电源一导轨一电刷1_—电刷2一线圈中的一段一电刷3一弹丸线圈一电刷4一导轨—电源。；
本文采用hcei。的基本结构，将弹丸换成铁磁质内置式弹丸，设计了一种新型磁阻型电磁发射器。其结构与hcel类似，如图2所示，发射器由导轨、线圈、弹丸组成。线圈的内表面磨去绝缘层，弹丸由电刷、环形电刷（可以有效增加接触面积，避免打火）、铁磁弹芯和同化物组成，电刷分别将导轨与线圈连通，形成心路：电源一导轨l一电刷1一环形—电刷l一线圈的一段一环形电刷2一电刷2一导轨2 一电源。铁磁质弹芯、电刷和环形电刷用绝缘材料固化为一体，构成弹丸，在弹丸运动的过程中，电刷l随弹丸运动．电刷之间的一段线圈被导通，在弹丸运动过程中弹丸和接通段的相对位置固定：与hecl有所不同：hcel利用炮管线圈和弹丸线圈之间的作用力加速弹丸，而新型磁阻型电磁发射器采用磁阻型电磁发射器加速机理，利用线圈与铁磁质弹丸}一磁化电流的作用力来拉动弹丸运动，其基本原理与传统的磁阻型线圈炮一致。由于铁磁质材料在磁场具有高度的非线性，很难利用一般的磁通分析方法分析其性能，一般采用非线性有限元方法。
基于以上物理模型，利用有限元分析软件maxwell软件，构建了二维r-z柱坐标模型，如图3所示。其中弹丸为圆柱形铁磁材料，线圈采用方形铜导线绕制，单层。一般模型中都是把线圈当作具。有一定电流密度的圆筒处理，但考虑到电磁发射器工作的电流较大，需要较大的匝间距，模型中将线圈用多个导线环进行近似，更符合实际情况。其中：sa为弹丸长度，p为弹丸运动前方端面与线圈端面的距离，r为弹丸半径，r为线圈内径。
2弹丸与线圈相对位置对受力的影响
弹丸与线圈相对位置不同，所处的磁场不同，受力也不相同。在仿真模型中，我们采用如下参数：线圈绕线线径为2 mm，匝间距为1 mm，匝数n为10匝；线圈电流i为10 ka；弹丸半径r为20 mm，长度sa为30 mm；弹丸与线圈内壁缝隙为1 mm。后续计算中除变量外，其它参数与此相同。
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