摘要：线圈驱动器是用电磁能推动电枢的一类发射装置。由于在驱动过程中，驱动线圈受到非常大的反作用力，可能使驱动线圈断裂或破坏，影响线圈驱动器的正常的工作。应用有限元软件ANsYs，采用场一路耦合的分析方法对驱动线圈的结构变形进行分析，提出了增大驱动线圈强度的一些措施。
关键词：场一路耦合；强度；变形，断裂；有限元法；驱动线圈
0 引 言
线圈驱动器是电磁驱动器发展的最早形式。
线圈驱动器是基于直线电动机原理工作的。它是一种用脉冲或交变电流产生磁行波并以此来驱动电枢(通常为金属圆筒)的驱动装置。驱动线圈是多级同步感应线圈驱动器的关键部件，依靠电容器提供大脉冲电流。因此驱动线圈要通过磁场产生极大的磁场力，磁场强度就是一个重要的因素。
本文利用了场一路一耦合的方法，仿真了驱动线圈的实际工作过程，指出其工作过程所产生的磁场分布和结构变形量，从而提供了驱动线圈的****负载量。
1驱动线圈的结构型式
驱动线圈的外形为两层平板形状，中间用螺旋线圈连接，每一层线圈有6匝，横截面的长宽分别为10Inm和2 mm，匝间距为2 mm，材质为紫铜。图1为三维实体模型。
2路一场一耦合法
所谓的路一场一耦合分两步实现。第一步先进行电路一磁场耦合，是指驱动线圈内部按“微分”观点即“场”来处理，而外部则连接若干诸如电阻、电源、电感、电容等集中参数的电路。这样将电流作为未知量来处理更符合实际。如图2所示。
这里作为磁场激励的电流，需满足电路的外电压的约束。显然，该方法既考虑了电路电流的传导，又考虑了驱动线圈的电磁场的有限元分析。
磁通密度{B}，磁场强度{H}，磁力和焦耳热都可以由节点磁矢量位{A}计算出来。
第二步是把驱动线圈中产生的磁场力导致其结构变形，亦即把驱动线圈内部按“微分”观点用有限元划分，只不过把原来的磁场物理场转到结构物理场，利用驱动线圈前一步产生的磁场力作为结构分析的输入，从而把最初的电路参数作为已知量，其它的都是未知量，这样可以更加准确地进行结构应力分析。磁场耦合方程为：
式中，{U}为线圈电压矢量；{A}为节点磁矢量位；[K、[km]为耦合劲度矩阵；{F}为力矩阵{ψi为磁链。
应用ANSYS软件对驱动线圈进行分析时，将驱动线圈视为一个块状的导体。分析时需注意：
(1)线圈区域所用的单元的自由度为Az(向量磁位)、c(电流)、V(电压)及E(电动势)，而外围的绝缘物质所用单元的自动度仅为Az。
(2)因为线圈有****的电流及电势，在线圈区域都必须耦合c和V的自由度，且每个组耦合都必须有独立的耦合设置号。
(3)根据使用体会，耦合c和y自由度的操作需放置在建立电路单元的命令之前。
(4)如果结构变形反过来又影响磁场变化，这属于高度非线性分析，需要打开大变形效应，而且需用较多载荷步和斜坡加载方式，同时还要用空气单元将变形体包围起来。
3计算结果及讨论
为了便于比较上述各种的计算结果，定义矢量磁位为：
图3给出了驱动线圈磁场的不同时刻的的磁位大小。其中磁位在z方向上是随着时间的增加而增大的，在X方向和y方向是向负的方向增加的，且Ax比Ay增加速度快。
根据磁感应强度与磁位的关系可以算出磁感应强度的大小。这样可以看出磁感应强度在空间中的分布如图4所示。可以看出在空间位置上成轴对称分布，且在z方向上有****值。
根据上述分析，可以看出磁感应强度和磁场力成正比例关系。由图4可以看出在线圈内部中心周围磁感应强度比较大，磁场力也应该是较大的，线圈在这个位置上的变形较大。另从图4看出，在外围的磁感应强度是逐渐减小的，这样可以判断驱动线圈的变形是从中心沿径向逐渐变小的，从线圈仿真来看也同上述结论符合，如图5。
从图5可以看出驱动线圈变形情况，也可以判断随着加载电压的增大，线圈的变形量也是不断增加的。但线圈材料允许的变形量是有限的，当电压达到一定程度时，线圈就要张裂破坏而不能使用。因此，有必要对驱动线圈材料进行力学分 析。本文中，驱动线圈的材料特性如表1所示：
在上述材料条件下，利用弹性力学中第四强度理论，即形状改变比能理论：材料的危险状态是由于形状改变比能达到极限值引起的，也就是说，无论在什么应力状态下，只要构件内一点的形状改变比能uf达到单向应力状态下的极限值(uf)。材料就要发生屈服破坏。由此即可得出这一强度理论所建立的强度条件为
从仿真中得到在每个时刻所对应的电流值和线圈的变形量。利用MATLAB的拟合曲线的功能得出驱动线圈电流与变形的关系如图6所示：
从图5和图6可以看出，驱动线圈模型的位移和应力随着磁场的不断增强而不断地变大，随着磁场的减弱而不断变小。在每个时刻，模型的****位移节点和****应力节点是不变的，****位移位置为11349节点(坐标为：一0．0176076，O．0227356，O．00427563)，****应力位置为4261节点(坐标为：一0．0096842，O．00529048，O．00493929)。而紫铜的屈服强度为235．5 MPa，若考虑安全系数，取安全系数值为I_3，则允许强度极限值[ο]约为182 MPa，当紫铜刚好达到许用的强度极限值时，这时驱动线圈中的极限应力可以根据上式求出来，再根据路一场一耦合的办法，可以求出在这个极限应力相对应的极限电压，就可以知道电容器的容量，从而有助于电容器的选择。
4结语
驱动线圈结构形式影响磁场的分布，线圈材料影响线圈的变形，进而影响着电压、电流等电路参数，从而影响着驱动能力，因此对驱动线圈进行磁场结构分析。应用路一场一耦合法，把除了基本的电路参数外，一切都看成未知量，这样能够较真实反映的磁场分布和结构变形实际情况；根据第四强度理论求出极限应力，从而求出电路中极限电压，有助于驱动器进一步的优化。
参考文献
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