电枢初速对电磁轨道炮性能的影响

电枢预加速是改善轨道炮性能的重要途径,为了研究电枢预加速条件下电磁轨道炮特性,仿真分析了电枢初速对电磁轨道炮电流波形、电枢速度、炮口动能和系统效率的影响。建立了电磁轨道炮的电路模型和电枢动力学模型,并通过Simulink对电磁轨道炮电枢的发射过程进行了仿真计算。结果表明:在一定范围内提高电枢的初始速度能够改善电流波形、减小电枢速度增量、增大动能增量、提高系统效率;在同等轨道炮性能需求条件下,电枢预加速可降低对电磁轨道炮电气元件的性能要求。以上结果可为电磁轨道炮设计和优化提供参考。     

螺旋线圈电磁发射器径向受力仿真与电枢设计

通过数值仿真,根据螺旋线圈电磁发射器(HCEL)驱动线圈的径向磁场分布,提出一种"D"形截面电枢并确定其最佳受力位置.计算表明,相同线度的"D"形电枢比矩形电枢加速度更大,即在炮长(弹丸加速长度)相同的情况下,"D"形电枢比矩形电枢具有更高的出口速度.以"D"形电枢为例,分析了弹丸线圈与驱动线圈上的轴向、径向受力分布....     

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.     

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。     

单级同步感应线圈炮结构参数研究

针对单级同步感应线圈炮系统中影响弹丸速度和系统效率的主要因素——驱动线圈和电枢的结构参数、电容器的电容和放电电压以及电枢的触发放电位置,笔者对不同结构参数的单级同步感应线圈炮物理模型进行有限元分析与仿真,得出各项结构参数对弹丸速度的影响规律,提出了一组最佳的结构参数并根据优化的结构参数进行了发射实验。仿真和实验结果均表明该结构参数可以有效地提高弹丸速度和系统效率。     

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一温度场有限元...     

单级感应线圈发射装置动态特性仿真及实验验证

为提高单级感应线圈发射装置发射性能,建立了单级感应线圈发射装置的等效数学模型;分析了电枢受力的影响因素。结果表明,电枢受力大小取决于驱动线圈和电枢的电流大小及它们之间的互感梯度。通过电磁场有限元计算的方法,瞬态仿真分析了电容器参数及触发位置对单级感应线圈发射装置出口速度的影响。得出了驱动线圈电流、加速电枢电磁力及电枢速度的变化规律,并进行了实验验证,仿真结果与测量值吻合较好。     

驱动线圈结构参数对电枢力学性能的影响

为了研究驱动线圈的结构参数对电枢受力的影响,根据电路—电磁耦合理论,采用ANSYS有限元分析软件建立了三维线圈炮的模型并分析了驱动线圈各个参数对电枢性能的影响。仿真结果表明:当驱动线圈横截面宽度减小了,长度增加,匝数增加时,电枢推力增加,但增幅不是很大,只有层数增加,电枢推力变化较大。但从加工角度考虑,故选择横截面参数0.5 mm×10 mm,匝数25匝,层数11层。为进一步设计线圈炮提供了依据。     

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。     

电磁驱动器驱动线圈温度场数学模型研究

电磁驱动器是用脉冲或交变电流产生磁行波来驱动带有电枢弹丸的发射装置,利用驱动线圈和电枢间的磁耦合机制工作,本质上是一台直线电动机。热损耗影响电磁炮的效率和性能,驱动线圈内过高温升会降低线圈的机械强度和绝缘材料的绝缘性能影响其使用寿命,甚至会烧毁线圈,所以在提高线圈炮初速和射速时必须考虑温升的影响。分析了线圈炮结构原理及发射原理,在单级感应线圈炮机电模型基础上建立了单发瞬态温度场数学模型,根据传热学原理建立了驱动线圈多发稳态等效热路模型以计算线圈内部导热。     

弹丸配重对线圈炮最佳初始位置影响研究

在单级感应线圈炮的发射过程中,弹丸初始位置是影响电磁发射效率的因素之一,而弹丸配重又对弹丸最佳初始位置有很大影响。因此,本文针对不同弹丸配重,以弹丸初始发射位置为变量,以弹丸所能达到的最大出口速度为目标,应用有限元法对单级线圈炮系统进行研究。研究结果表明,对于给定的单级感应线圈炮系统,配重确实影响最佳初始位置,随着配重增加,最佳初始发射d增大、弹丸出口速度降低、系统效率降低,为以后的工程实践提供参考。     

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。     

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。     

低加速力波动感应线圈型发射器的外电路设计

感应线圈型发射器中每级驱动线圈都会对电枢产生脉冲形式的电磁推力,导致电枢在发射过程中加速力波动较大。过大的加速力峰值以及加速力波动都可能对载荷造成不利影响甚至损坏其内部携带的敏感电子器件,因而限制了感应线圈型发射器在实际工程应用中的价值。针对上述问题,提出一种多电容分时触发的新型驱动电路,并通过分析电容值和电枢触发位置变化对发射器发射效率的影响,说明了该电路的可行性。设计三种模式的驱动电路进行对比,研究结果表明：相比于其他电路触发模式,提出的分时触发模式在初始储能相同和电枢出口速度近似的情况下,电磁加速力峰值降低了2.04 kN,加速力波动降低了2.36 kN。因此,采用分时触发电容的驱动外电路,可以有效降低电枢的加速力峰值和加速力波动,并为携带敏感载荷的感应线圈型发射器的设计提供了参考价值。     

感应型直线电磁驱动器耦合特性及控制优化研究

为了研究多级同步感应型直线电磁驱动器的级间耦合效应,将其以感应电动势反映到电路模型中,仿真分析了电枢速度和驱动线圈级间距离对感应电动势的影响。研究结果表明:随着电枢速度增加以及驱动线圈的级间距离减小,抛体上的涡流在后级驱动线圈中感应的反向电动势逐渐增强,从而降低后级驱动线圈中的电流和电枢的加速力。在此基础上提出了一种控制策略,通过控制外电路开关的闭合时间来抑制电枢上反向涡流,减小后级驱动线圈中反向感应电动势,并通过数值仿真对4级同步感应型直线电磁驱动器进行了研究,结果表明优化外电路情况下的电磁驱动器的加速力增大,系统发射效率提高。     

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。     

电磁轨道炮的电路建模及参数特性分析

利用非线性暂态电路仿真计算分析了电磁轨道炮系统的几个参数对系统性能的影响特性,包括脉冲功率电源的电容值及时序触发时间、调波电感及其电阻值、续流二极管和晶闸管电阻、轨道的电阻梯度和电感梯度参数等,系统性能指标为电枢加速时间和出口速度.在参数灵敏度分析的基础上,设计了一个电磁轨道炮系统.     

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。     

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。     

电磁轨道炮封装中涡流损耗的抑制方法

以脉冲电流作为激励的电磁轨道炮可在封装上感应出很大的涡流,涡流密度的高度集中将危害绝缘层的性能和寿命,而且,涡流的存在削弱了电枢的推进力,导致弹丸出口速度减小。为此基于电磁轨道炮3维瞬态有限元模型,分析了封装上涡流的分布,对涡流损耗进行了计算,并通过改变封装材料、封装尺寸、脉冲电流幅值与波形等影响因素研究了涡流能耗、最大涡流密度以及电枢推进力的变化规律。结果表明:高磁导率低电导率的材料作为封装能有效的抑制涡流,大幅提升电枢推进力;增大封装内径或减小其厚度对涡流的抑制比较有限;减小脉冲电流的幅值并加宽波形的平顶可使涡流的危害降至最低。