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。     

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。     

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。     

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。     

同步感应线圈炮圆筒型电枢几何结构优化

电枢是同步感应电磁线圈炮中的一个关键部件,电枢的结构是影响同步感应电磁线圈炮发射效率的重要因素.建立了同步感应线圈炮电枢磁-结构耦合的数学模型,以电枢总体积为目标函数,建立了基于设计变量、约束条件和收敛准则的圆筒型电枢结构优化数学模型.利用Ansys基于APDL的有限元优化技术进行优化求解,得到了电枢的最佳设计变量,仿真结果表明该设计变量既能满足电枢的几何约束条件和性能约束条件,又使电枢体积较初值减小了78.89％,有效地降低了电枢在弹丸中的配重.     

同步感应线圈炮磁场分布研究

当同步感应线圈炮驱动线圈馈入强脉冲电流时,形成变化的磁场,驱动线圈和弹丸线圈之间将产生强大的磁场力,磁场力使弹丸线圈发射出去.而磁场力的大小和方向是由磁场的大小和分布直接决定,因此,非常有必要对同步感应线圈炮的磁场分布进行研究.文章根据同步感应线圈炮的工作原理,建立其磁场计算模型,通过该模型,利用Matlab编制程序对同步感应线圈炮磁场进行仿真分析,得出其磁场的分布规律,为进一步改善同步感应线圈炮的结构和提高其性能提供可靠的参数.     

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。     

单级同步感应线圈炮场-路耦合分析与参数优化

为了准确地确定驱动线圈中的响应电流,建立了单级同步感应线圈炮二维场-路耦合的数学模型,利用APDL编制了基于场-路耦合数学模型的仿真程序。利用该程序对美国桑迪亚国家实验室公布的同步感应线圈炮模型进行了仿真并与SLINGSHOT仿真结果进行了比较;进行了单级同步感应线圈炮发射实验,测量了放电回路中的响应电流并与仿真结果进行了比较,比较结果均验证了仿真程序的合理性。基于场-路耦合程序建立了单级同步感应线圈炮回路参数的优化数学模型,对放电回路参数进行了优化,根据优化结果进行了发射实验并测量了电枢速度,优化后系统的发射效率1.14%提高到2.02%。     

基于磁场方向变化的同步感应线圈发射器效率提升分析

提升同步感应线圈发射器的能量转换效率是电磁发射研究的热点之一.电枢在运动过程中,磁场沿轴向剧烈变化,使得电枢产生了感生电流和动生电流,电枢受力不均匀.在磁场同向的条件下,电枢加速主要集中在驱动线圈电流的上升沿,电枢截面电流分布不均匀.由于驱动线圈电流的减小和电枢的运动,导致磁场迅速减小,影响了系统的发射效率.身管内的磁...     

感应线圈炮电枢的磁-结构耦合分析

电枢是感应线圈炮的关键部件,其在工作过程中易发生破坏。为了设计高强度的电枢,以保证感应线圈炮实验研究的顺利进行,建立了电枢磁-结构耦合过程的数学模型;用有限元仿真程序建立了感应线圈炮的仿真模型,并对所建模型进行了仿真,得到了电枢的涡流、电磁力、变形及应力分布规律;分析了电枢后端部壁厚变化对电枢应力的影响规律。结果表明:电枢的涡流密度、所受电磁力和结构变形在电枢的后端部最大,最大应力值位于电枢后端部内侧,并且随着电枢壁厚的增加,电枢的最大应力值逐渐减小,故在设计电枢时其后端部应采取加固措施以提高电枢的强度。     

电磁发射系统C型固体电枢的电流密度分布特性及其机理分析

为得到C型固体电枢的电流密度、焦耳热分布特性,在假设电枢与轨道之间是不分离接触、理想全接触的前提下,基于数值仿真分析了C型电枢的电流密度和温度场分布特性及其产生机理,并进一步探讨了电枢结构尺寸变化对电流密度特性分布规律的影响及其影响机理。得出了集肤效应与邻近效应对电枢的特性分布有重要影响。     

双凸极无刷直流发电机的非线性数学模型

用变网络等效磁路法建立电励磁双凸极发电机等效磁路模型。在考虑磁路饱和、电枢磁场和励磁磁场相互作用的基础上 ,给出了描述该发电机非线性电感的函数 ,函数值与转子位置、各相电枢电流和励磁电流有关。有限元法验证了该函数的计算结果具有很高精度。在基于电感数值解基础上建立了该无刷直流发电机负载时一个工作模态非线性数学模型 ,给出了描述该数学模型的微分方程。理论计算结果和样机实验结果对比验证了该模型的正确性 ,为研究双凸极发电机的工作性能提供理论依据     

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....     

双水内冷同步调相机定子温度场分析

温度场的研究对双水内冷同步调相机安全运行具有重要的意义。针对双水内冷同步调相机,采用有限元法建立了电磁场二维模型以及流体-温度三维温升计算模型,求取了电机不同运行工况下的电枢电流、励磁电流以及对应的电机定子损耗。在此基础上,根据流体-温度耦合的传热理论,以定子线圈和铁心损耗为热源,求解定子各部分温度分布,研究电枢电流、冷却水流速、冷却水进水温度对定子温升的影响。结果表明,双水内冷同步调相机运行时定子下层线圈温度高于定子上层线圈温度,定子线圈最高温升与电枢电流的二次方呈正比,且其温升与冷却水的流速相关,与进水温度成正比。本文中关于温度场的研究可为大型同步调相机散热结构优化及过载能力分析提供理论参考价值。     

Transient stability of fully superconducting damperless generator at system fault and study of methods to suppress fault currents

A fully superconducting generator possesses both superconducting armature windings and superconducting field windings. Thus it has great potential merits to increase efficiency and decrease size and weight compared with a partially superconducting generator that has normal armature windings and superconducting field windings. To obtain these merits, the warm and cold dampers should be omitted. However, a fully superconducting and damperless generator (FSDG) has the following problems when it is operated while connected to a power line system: (1) the dynamic stability of the generator operation is deteriorated because the FSDG has no damping elements; and (2) when the power system is subject to a fault, large transient currents and electric torque are induced in the superconducting armature and field windings, which may cause quenching in the windings. As to problem (1), it was shown that the generator could be stabilized in wide range of the operation by controlling the excitation voltage of the field winding in the authors' previous work. In this paper, problem (2) is addressed. The authors investigate methods to suppress the peak values of the transient currents in the armature and field windings and the transient torque by adjusting electric parameters of the generator and introducing superconducting current limiters (the inductance type and the resistance type). Characteristics of these methods are studied by numerical simulation and it is shown that the introduction of the resistance-type current limiter is the most effective. © 1997 Scripta Technica, Inc. Electr Eng Jpn, 118 (1): 15–27, 1997     

同步感应电磁推进系统中电枢制造材料的选择

对同步感应电磁推进系统进行了理论分析并建立了单级系统的电路模型,直接建立了电枢制造材料的基本物理参数与电枢感应涡流之间的联系.通过有限元仿真软件模拟比较了不同材质的电枢对电枢受力及电枢加速速度的影响,计算了不同材质电枢对整体系统能量转化效率的影响.结果表明:电枢制造材料的选择将影响电枢的受力方式、整体系统的能量转化率及有效加速载荷的质量,铝制材料在几种电枢制造材料中表现最优.以上分析可为同步感应型电磁推进系统的电枢设计提供参考.     

永磁游标直线电机磁场解析计算

永磁游标直线电机(linear permanent magnet vernier motor,LPMVM)依靠磁场调制原理工作,其电枢开槽引起气隙磁导变化,为考虑齿槽效应的影响,将其气隙磁场等效为无槽气隙磁场与有槽时气隙相对磁导函数共同作用结果。用气隙磁导波法分析其基本工作机理,给出结构关系式。用分层模型法建立无槽LPMVM求解场域矢量磁位解析模型,推导出各区域磁场解析表达式。结合气隙相对磁导函数建立考虑齿槽效应时的LPMVM磁场解析模型,计算出考虑齿槽效应时气隙磁密分布曲线。解析解与有限元解结果表明:无槽时气隙磁密在切向分量和法向分量计算准确,考虑齿槽效应后基于气隙相对磁导函数的磁场解析模型适用于求解气隙磁密法向分量,且主要谐波磁场与永磁体极对数和电枢绕组极对数有关。     

被动补偿脉冲发电机气隙磁场及电枢电感计算

对被动补偿脉冲发电机电枢绕组分布进行简化，建立拉普拉斯方程，得到气隙中磁场分布，根据能量关系，导出电感计算的解析式，对电机参数及优化设计具有指导意义．     

中小型同步电机电磁参数的数值计算

本文对应用电机电磁场的数值计算方法计算同步电机的参数问题作了分析,给出了具体的算法,得出了电机直、交轴电枢反应时稳态、瞬态、超瞬态等不同情况下电机内的电磁场分布图。计算结果表明,应用常规的电机设计方法所得出的参数与应用数值计算法所得结果相比,交轴参数较一致,直轴参数有一定偏差。