一種新型磁阻型電磁發(fā)射器的數(shù)值分析
歐陽建明，劉振祥，楊麗佳，沈志，楊棟，蔣雅琴
（國防科技入學(xué)，湖南長沙410073）
摘要：新型磁阻型電磁發(fā)射器結(jié)合了磁阻型電磁發(fā)射器的丁作原理和螺旋線罔型電磁發(fā)射器的基本結(jié)構(gòu)：基于有限元方法．對(duì)彈丸受力的影響因素，如線圈與彈丸的相對(duì)位置、電流大小、線圈尺寸和彈丸尺寸等進(jìn)行了數(shù)值分析。研究結(jié)果對(duì)新型磁阻型電磁發(fā)射器的研制具有參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：電磁發(fā)射器；螺旋線圈型電磁發(fā)射器( hcel)；數(shù)值分析
中圖分類號(hào)：tm301. 4+4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 文章編號(hào)：1004-7018( 2010) 07-0025-03
o引言
電磁發(fā)射器是一種利用電磁力加速物體的裝置，一般可以劃分為導(dǎo)軌型、線圈型和重接型；按照加速機(jī)理的不同，線圈型電磁發(fā)射器又可以劃分為同步感應(yīng)型、異步感應(yīng)型、磁阻型等類型。磁阻型電磁發(fā)射器本質(zhì)上是利用線圈磁場與鐵磁質(zhì)彈丸上磁化電流之間的作用力來加速彈丸，具有結(jié)構(gòu)簡單、可控性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。
由于鐵磁材料磁化的非線性，很難解析得到鐵磁材料在非均勻磁場中的受力公式和加速過程的運(yùn)動(dòng)方程，而借助有限元分析軟件對(duì)磁阻型發(fā)射器的性能進(jìn)行數(shù)值分析是一種較好的方法：本文基于maxwell有限元分析軟件建立了一種新型磁阻型電磁發(fā)射器的數(shù)值分析模型，并研究r彈丸位置、電流大小、線圈尺寸和彈丸尺寸等因素對(duì)彈丸受力的影響，得到了一些對(duì)新型磁阻型電磁發(fā)射器研制具有指導(dǎo)意義的規(guī)律。
1模型
普通的線圈型電磁發(fā)射器一般每級(jí)線圈都具有較大的匝數(shù)，這在增加了線圈磁場的同時(shí)也增加了線圈磁場建立的時(shí)間，因此需要進(jìn)行提前接通，而相應(yīng)的提前量很難控制。螺旋線圈型電磁發(fā)射器（以下簡稱hcel）。能夠解決這一問題，它具有加速力大、炮管短和效率高等優(yōu)點(diǎn)。如圖1所示。
電流由電源一導(dǎo)軌一電刷1_—電刷2一線圈中的一段一電刷3一彈丸線圈一電刷4一導(dǎo)軌—電源。；
本文采用hcei。的基本結(jié)構(gòu)，將彈丸換成鐵磁質(zhì)內(nèi)置式彈丸，設(shè)計(jì)了一種新型磁阻型電磁發(fā)射器。其結(jié)構(gòu)與hcel類似，如圖2所示，發(fā)射器由導(dǎo)軌、線圈、彈丸組成。線圈的內(nèi)表面磨去絕緣層，彈丸由電刷、環(huán)形電刷（可以有效增加接觸面積，避免打火）、鐵磁彈芯和同化物組成，電刷分別將導(dǎo)軌與線圈連通，形成心路：電源一導(dǎo)軌l一電刷1一環(huán)形—電刷l一線圈的一段一環(huán)形電刷2一電刷2一導(dǎo)軌2 一電源。鐵磁質(zhì)彈芯、電刷和環(huán)形電刷用絕緣材料固化為一體，構(gòu)成彈丸，在彈丸運(yùn)動(dòng)的過程中，電刷l隨彈丸運(yùn)動(dòng)．電刷之間的一段線圈被導(dǎo)通，在彈丸運(yùn)動(dòng)過程中彈丸和接通段的相對(duì)位置固定：與hecl有所不同：hcel利用炮管線圈和彈丸線圈之間的作用力加速彈丸，而新型磁阻型電磁發(fā)射器采用磁阻型電磁發(fā)射器加速機(jī)理，利用線圈與鐵磁質(zhì)彈丸}一磁化電流的作用力來拉動(dòng)彈丸運(yùn)動(dòng)，其基本原理與傳統(tǒng)的磁阻型線圈炮一致。由于鐵磁質(zhì)材料在磁場具有高度的非線性，很難利用一般的磁通分析方法分析其性能，一般采用非線性有限元方法。
基于以上物理模型，利用有限元分析軟件maxwell軟件，構(gòu)建了二維r-z柱坐標(biāo)模型，如圖3所示。其中彈丸為圓柱形鐵磁材料，線圈采用方形銅導(dǎo)線繞制，單層。一般模型中都是把線圈當(dāng)作具。有一定電流密度的圓筒處理，但考慮到電磁發(fā)射器工作的電流較大，需要較大的匝間距，模型中將線圈用多個(gè)導(dǎo)線環(huán)進(jìn)行近似，更符合實(shí)際情況。其中：sa為彈丸長度，p為彈丸運(yùn)動(dòng)前方端面與線圈端面的距離，r為彈丸半徑，r為線圈內(nèi)徑。
2彈丸與線圈相對(duì)位置對(duì)受力的影響
彈丸與線圈相對(duì)位置不同，所處的磁場不同，受力也不相同。在仿真模型中，我們采用如下參數(shù)：線圈繞線線徑為2 mm，匝間距為1 mm，匝數(shù)n為10匝；線圈電流i為10 ka；彈丸半徑r為20 mm，長度sa為30 mm；彈丸與線圈內(nèi)壁縫隙為1 mm。后續(xù)計(jì)算中除變量外，其它參數(shù)與此相同。
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