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。     

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。     

单级异步感应线圈炮的设计仿真分析

异步感应线圈炮是一种多相电源供电的电磁推进装置,线圈炮的性能分析对电磁结构优化和后期实验研究非常重要。在初级的发射过程中,影响电枢出口速度的因素很多,在电容参数一定的条件下,首先利用Ansoft有限元软件确定最佳电枢初始位置,接着分析驱动线圈连接方式和电枢材料两因素对电枢电磁力和出口速度的影响,为下一步设计多级电磁感应线圈炮提供参考。     

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。     

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。     

同步感应线圈炮最佳触发放电位置仿真研究

以驱动线圈与弹丸触发放电时的中心距为变量，以弹丸所能达到的最大速度为目标函数，采用轴对称线圈磁场的数值计算方法和微分方程的前向差分法，对三级同步感应线圈炮进行了仿真研究。研究结果表明，对于给定的同步感应线圈炮，存在一组最佳的触发放电位置能使弹丸的速度达到最大。仿真计算得出了这些最佳触发放电位置。     

不同弹丸结构的单级感应线圈炮仿真研究

不同的弹丸结构对同步感应线圈炮的发射性能有着重要的影响。通过分析储能脉冲电容器驱动的单级感应线圈炮的工作原理和电路模型,选择Ansoft有限元软件的2D瞬态求解器进行仿真研究。针对圆筒型和绕线型两种不同结构的弹丸,以驱动线圈与弹丸触发放电时的中心距为变量,以弹丸所能达到的最大速度为目标函数,对单级感应线圈炮进行了仿真分析。仿真结果表明,两种结构的弹丸都具有最佳的触发位置,且并不重合,绕线型弹丸出口速度较高,对比了两者的电流密度分布,为以后研究不同弹丸的工程应用提供了理论参考。     

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。     

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。     

多级电磁感应线圈炮的级间耦合特性

多级电磁感应线圈炮在发射过程中,前面各级驱动线圈放电产生的磁场和电枢自身感应电流产生的磁场都会耦合进入下一级驱动线圈,对驱动线圈的加速性能产生影响。基于多级感应线圈炮等效电路模型,建立了带有续流二极管的多级感应线圈炮数学模型,得到了其推力方程和运动方程。基于电磁感应定律,分析了2种耦合因素作用时下一级驱动线圈中感应电动势和感应电流的变化。基于场路耦合,对多级感应线圈炮进行了仿真,得到了不同情况下的耦合特性。研究结果表明:多级线圈发射中存在耦合效应;根据耦合磁通的不同,后面各级驱动线圈上会产生正向或反向串联的电动势;正向串联电动势有利于线圈炮的加速。     

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。     

电磁发射中固体电枢的磁探针测速方法研究

为测量固体电枢运动速度应用电磁感应原理,分析了电磁发射中固体电枢所产生的磁场以及B-dot磁探针中的感应电动势,给出了根据磁探针的感应电压信号以及驱动电流信号计算固体电枢运动速度的迭代算法。在小电流、低速运动的模拟实验中,通过探针上感应电压信号的仿真计算结果和实验条件合理设计了探针的结构尺寸,结合实际应用中所遇到的问题加以改进。利用所设计的探针和改进的算法实测电枢的运动速度的结果与实际情况较为符合,该算法可以有效测得电枢的运动速度随时间的变化曲线。     

一种螺旋线圈电磁发射器弹丸受力的仿真研究

对一种螺旋线圈电磁发射器(HCEL)弹丸受力的影响因素,如弹丸与驱动线圈相对位置、弹丸线圈和驱动线圈尺寸、电流大小等进行了静态模拟。结果表明,HCEL弹丸的受力大小与其相对驱动线圈的位置有关,且有一个最大受力位置。线圈半径固定时,弹丸最大受力随线圈轴向长度增大而增大,线圈轴向长度较小时弹丸加速度达到最大。弹丸最大受力与线圈每匝电流平方成正比,最大受力位置不随电流改变。仿真结果验证了HCEL的基本理论,并为HCEL结构的设计提供了参数支持。     

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。     

螺旋线圈电磁炮驱动线圈的应力及其影响因素

基于Ansoft-Maxwell有限元分析软件,建立了磁阻型螺旋线圈电磁发射装置的3D仿真模型,分析了此种发射装置的三维应力场问题,在导轨材料、求解器、求解精度等保持不变的情况下,通过单独改变某一参数,得到了电枢与驱动线圈的相对位置、电流大小、电枢尺寸、驱动线圈尺寸等参数与其驱动线圈所受应力之间的关系。分析结果表明,弹丸与线圈存在一个最佳位置,在这一位置驱动线圈所受的应力最小;驱动线圈应力与电流的平方成正比;最大应力随着电枢长度的增加先是逐渐减小,然后逐渐增大,存在一个最佳电枢长度使应力最小;同质量铁磁质弹丸,弹丸长径比约为1时,驱动线圈应力达到最小值。最大应力随线圈长度(通电线圈匝数)增加而减小,但减速逐渐变缓;最大应力随线圈内径的增加逐渐增加。     

Driving characteristics analysis of stationary discontinuous armature permanent magnet linear synchronous motor for factory automation systems

The stationary discontinuous armatures in permanent magnet linear synchronous motors (PM-LSMs), which consist of several stator sections that are distributed along the track and that the mover with PM is running without thrust force between these sections, have been proposed as a driving source for transportation systems. This design is very economical in long-distance transportation systems in factories, because the armature is engaged only when accelerated and decelerated operation is necessary. However, the stationary discontinuous armature PM-LSM contains the outlet edges which always exist as a result of the discontinuous arrangement of the armature. For this reason, the high alteration of the thrust force and the attractive force produced between the armature’s core and the mover’s permanent magnet when a mover goes through the between the armature’s installation part and non-installation part has been indicated as the problem of the stationary discontinuous armature PM-LSM. As a result, the stationary discontinuous armature design involves the velocity ripple of the mover with PM during acceleration when freewheeling changes over to re-acceleration. We have proposed and examined constant load angle control without position feedback in order to suppress the velocity ripple which occurs at the re-accelerator with the aim of achieving smooth drive of the stationary discontinuous armature PM-LSM. This paper describes the examination of constant load angle control without position feedback with the aim of suppressing the velocity ripple, which occurs in the re-acceleration portion. Also, we have examined the analysis of the effect of the outlet edge on the mover’s drive which exists as a result of the discontinuous arrangement of the armature side based on the re-acceleration characteristics obtained using constant load angle control without position feedback.     

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....