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。     

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。     

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。     

串联充电-并联放电型电感储能线圈炮系统的研究

建立了串联充电-并联放电型电感储能单级脉冲感应线圈炮的系统模型,利用PSpice对系统特性进行了仿真,分析了弹丸线圈时间常数、转换电容、初始位移等参数对发射过程的影响,并对比了单个电感线圈储能和两个电感线圈串联充电-并联放电型电源拓扑的发射结果。搭建了由两个电感线圈构成的串联充电-并联放电的小型线圈炮实验系统,其中控制电路以DSP芯片TMS320F2812为基础设计而成。实验结果和仿真结果吻合较好,验证了系统模型的正确性。     

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。     

基于超导储能电感的meat-grinder脉冲电源

为了探索高温超导储能用于线圈型同步感应电磁推进脉冲电源的可行性,研究了超导电感和电容混合型meat-grinder脉冲电源电路。设计并研制了一个小型的高温超导储能脉冲变压器,提出了高温超导储能脉冲变压器使用meat-grinder电路拓扑结构的脉冲成形方案,并以3个电感线圈作模拟同步感应电磁推进系统负载,进行了仿真分析和实验验证。在77 K和储能电流96 A的情况下,实验得到了2.35~3.04 kA的电流脉冲输出,并有望在20 K温度下满足线圈型电磁推进的应用要求。结果表明,提出的脉冲电源模式是可行的。因负载电流脉冲受负载阻抗影响较大,在实际电磁推进应用中,需要减小线路电阻和常导电感的内阻。     

混合储能脉冲电源中电容重复利用方案设计及仿真

在基于超导电感-电容混合储能脉冲电源中,两个储能电感比值较大时转换电容的容量要求也较大,降低了超导储能的体积优势。针对这一问题,本文分析了转换电容对单模块电路工作特性的影响,提出了多模块超导电感-电容混合储能脉冲电源电路共用一个转换电容支路的设计思路,并以三模块为例对同时放电和延时放电模式进行了仿真验证。仿真结果表明:多模块超导电感-电容混合储能脉冲电源电路可以共用一个转换电容支路,两种放电模式对负载电流脉冲都进行了改进,但同时放电模式进一步降低了超导储能的优势,而延时放电模式可大幅提高超导储能的优势。     

电感储能连续脉冲电源驱动电磁发射系统仿真

为探索连续电磁轨道发射用超导电感储能脉冲电源,建立基于单模块高温超导脉冲变压器的连续脉冲电源电路,对脉冲电源电路驱动电磁发射系统的不同放电阶段进行数学建模,仿真分析电路参数对电磁发射特性的影响,最后实验验证脉冲电源的可行性。仿真中基于储能27.72 kJ的单模块的高温超导脉冲变压器,当耦合系数为0.95,转换电容为400μF,副边电感为9.2μH,抛体质量为21.61 g时,得到510 m/s的发射速度,原边电感在放电结束后可回收剩余能量6 kJ。结果表明基于高温超导脉冲变压器的连续脉冲电源用于电磁发射系统是可行的,并有利于系统能量利用效率的提高和连续电磁发射的实现。     

新型电感储能型电磁炮脉冲电源拓扑

提出了一种用于电磁发射的电感储能型电磁炮脉冲电源拓扑。该拓扑中两储能电感充电时串联,放电时并联,以实现电流倍增。与meatgrinder电路相比,该电路两储能电感之间不需要磁耦合,具有设计简单灵活、容易制造的特点。为避免电感储能断路时断路开关出现过电压问题,用电容作为能量转换器件可实现开关的零电压断路。对该脉冲电源系统的工作原理进行了理论分析,搭建了小型实验系统,验证了该电源拓扑的可行性。以轨道炮为负载,对电感、电容参数对系统性能的影响进行了仿真分析,结果表明多个电源模块的并联运行能明显提高系统能量转换效率。     

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。