磁阻发射器结构参数与时序控制分析_齐文达.pdf

磁性材料及器件 第 54 卷 第 3 期 2023 年 5 月 90 磁阻发射器结构参数与时序控制分析齐文达 1，向红军 2，贾学斌 3，孟学平 4(1.河北交通职业技术学院 轨道交通系,河北石家庄 050035；2.陆军工程大学 弹药工程系,河北石家庄 050003；3.中国人民解放军3302厂 技术部,河北石家庄 050030；4.中国人民武装警察部队 研究院,北京 100012)摘要：为了获得较高的弹丸出口速度，研究了磁阻发射器对弹丸的作用规律，首先通过不同长度弹丸在不同匝数线圈下的速度仿真计算，表明长度一定时弹丸出口速度和动能随线圈匝数增大先增后降，弹丸越长其最大速度对应的线圈匝数越多，匝数相同时弹丸出口动能随着弹丸长度增大而增大；接着在线圈匝数和弹丸直径和长度一定的情况下分析了弹丸出口速度与线圈放电时序、回路电阻的关系，发现放电时序一定时弹丸出口速度随回路电阻增大先增后降，并最终获得了弹丸最大出口速度时的放电时序和回路电阻；最后通过仿真计算与实验结果对比，表明二者吻合较好，验证了弹丸出口速度随放电时序的变化。关键词：磁阻发射器；弹丸；出口速度；放电时序；线圈中图分类号：TJ99文献标识码：A文章编号：1001-3830(2023)03-0090-06DOI:10.19594/ki.09.19701.2023.03.015著录格式：齐文达,向红军,贾学斌,等.磁阻发射器结构参数与时序控制分析J.磁性材料及器件,2023,54(3):90-95./QI Wen-da,XIANG Hong-jun,JIA Xue-bin,et al.Analysis on structural parameters and timing-control of reluctance launcher J.Journal of Magnetic Materials and Devices,2023,54(3):90-95.Analysis on structural parameters and timing-control of reluctance launcherQI Wen-da1,XIANG Hong-jun2,JIA Xue-bin3,MENG Xue-ping41.Department of Rail Transit,Hebei Jiaotong Vocational and Technical College,Shijiazhuang 050035,China;2.Department of Ammunition Engineering,Army Engineering University,Shijiazhuang 050003,China;3.Technology Department,3302 Factory,the Chinese Peoples Liberation Army,Shijiazhuang 050030,China;4.Academy of Chinese Peoples Armed Police Force,Beijing 100020,ChinaAbstract:In order to obtain a higher projectile exiting speed of the reluctance launcher,the effect of reluctance launcher on projectile is studied.Firstly,through the velocity simulation calculation of projectile with different length under different coil turns,it is obtained that the exit velocity and kinetic energy of projectile with a certain length change from small to large and then decrease with the increase of coil turns,and the longer the projectile,the greater the coil turns corresponding to the maximum velocity,and the exit kinetic energy of projectile increases with the increase of projectile length when the number of turns is the same.Then,when the number of coil turns and the diameter and length of projectile are constant,the relationship among the coil discharge sequence,loop resistance and the projectile exit velocity is analyzed,when the discharge sequence is constant,the projectile exit velocity increases first and then decreases with the circuit resistance increasing,and the discharge sequence and circuit resistance at the maximum exit velocity of the projectile are obtained.Finally,through the comparison of simulation and experimental results,it shows that both of them are in good agreement,which verifies the change of projectile exit velocity with the discharge sequence.Key words:reluctance launcher;projectile;exiting speed;discharge time;coil收稿日期：2022-06-09 修回日期：2022-07-25通讯作者：贾学斌 E-mail:齐文达等：磁阻发射器结构参数与时序控制分析 91 1 引言磁阻发射器作为一种新型的电磁武器，是利用通电螺线管对铁磁性弹丸产生的电磁力对弹丸产生加速作用使其具备一定的速度和动能1-4，以实现对既定目标的打击，它具有发射声音小、重量轻、隐蔽性、便携性、非爆炸性及非致命性等特点，应用前景良好。由于磁阻发射为多参数耦合作用，目前还没有一套成熟的理论用于磁阻发射最优方案设计；同时目前对多级磁阻发射主要集中在光电触发方面，还没有开展利用单片机进行时序触发控制的研究，而时序触发能够在一定程度上解决光电触发存在的反拉力作用。为此本文在理论分析的基础上对磁阻发射结构参数和多级线圈放电时序进行了大量数值计算，得出了达到最佳射击效果时线圈结构、弹丸尺寸及放电时序之间的规律性，为磁阻发射器的设计提供参考。2 磁阻发射弹丸受力过程分析磁阻发射原理图如图1所示5-6。当开关闭合时电容器开始放电，脉冲电流通过螺线管产生磁场，铁磁性弹丸在磁场的作用下产生磁化电流，根据右手定则，在磁化电流与垂直于磁化电流的脉冲磁场分量作用下，弹丸受到向前的电磁力作用并开始加速；弹丸飞出线圈时，如果线圈还存在电流，根据右手定则，这时弹丸受到的电磁力就会反向，弹丸开始减速，所以应尽量减小这种减速作用。弹丸从进入线圈至完全离开线圈，电感先增大再减小，磁阻先减小后增大，这与磁阻电机中磁阻最小原理相符。为此要分析磁阻型线圈发射器工作过程的发射性能，需确定其磁场分布，磁场分布是分析弹丸受力及弹丸出口速度等性能指标的基础，以下对内部置有铁磁性弹丸的单级驱动线圈进行磁场分析。图2中螺线管长度L=2l，总匝数为N，线圈中电流为I，O点为线圈轴线中心，则薄层dr在O点处产生的磁感应强度dB大小为dB=02j2cos1dr(1)式中电流密度|j=NI2l(R2-R1)cos1=ll2+r2(2)得到dB=02j2ll2+r2dr(3)线圈轴线中心点O处总磁感应强度B0大小为B0=0jlR1R21l2+r2dr=0jllnR2+R22+l2R1+R21+l2(4)上式表明，线圈中电流密度一定的情况下，线圈中心的磁感应强度与线圈长度和线圈厚度(线圈层数)密切相关。若在线圈中放入铁磁性弹丸，则铁磁性弹丸会被磁化，磁化的宏观效果相当于在铁磁性弹丸侧面出现环形磁化电流，单位长度内的磁化电流i=M，则磁化电流产生的磁场B大小为B=0i2(cos1-cos2)=0M2(cos1-cos2)(5)其中cos1=-cos2=ld2+l2=l/d1+(l/d)2(6)式中，d为弹丸直径，l为弹丸长度，得到B=0M(l/d)1+(l/d)(7)故在驱动线圈中放置铁棒后，总的磁感应强度B的大小为 RCSWITCH续流二极管弹丸线圈+图1 磁阻发射原理 R 1 R 2 d r 2 1 O 图2 多层密绕线圈磁场分析磁性材料及器件 第 54 卷 第 3 期 2023 年 5 月 92 B=B0+B=0jllnR2+R22+l2R1+R21+l2+0M(l/d)1+(l/d)(8)由(8)式可看出，线圈结构参数、弹丸结构参数及流经驱动线圈的电流，均会影响驱动线圈周围的磁场。在结构参数一定的情况下，电流越大，磁场越强，其随驱动线圈和弹丸结构参数呈非线性变化。对多层密绕线圈磁场进行理论分析，由于弹丸在驱动线圈电流的作用下是运动的，故单级磁阻型线圈发射器每时每刻的电磁特性是不同的。3 线圈与弹丸结构参数对发射性能的影响为了防止电容器反向充电，采用了具有续流功能的控制电路，如图3所示7-10。假设弹丸的长度、直径和密度分别为h、d和d，线圈为铜漆包线，其匝数、内径、外径和长度分别为N、D2、D1和h，那么线圈铜线的长度l和截面积s可估算为l=D1+D22N,s=h()D1-D22N螺线管等效电阻R=ls=N2()D1+D2h()D1-D2(9)弹丸质量m=d(d2)2h(10)为了分析线圈匝数和弹丸长度对弹丸发射速度的影响，为此设电容C=1000 F、充电电压U=500 V时、弹丸直径为8 mm、线圈长度和厚度分别50 mm和6 mm、线圈内外径分别为8.6 mm和20.6 mm，弹丸头部与线圈端部齐平放置且初速为0，考虑到弹丸飞出线圈时有可能受到减速作用及必须获得一定的出口速度，分析时弹丸长度最大为55 mm。线圈匝数的改变直接影响了铜漆包线的截面积和线圈电阻，而弹丸长度变化其质量随之变化，通过仿真计算可得出对应不同弹丸长度时弹丸出射速度、出射动能与线圈匝数之间的关系，分别如图4和图5所示。从图4可以看出，随着匝数N的增多，不同长度弹丸的出射速度均呈现出先增后降的规律，即对于某一长度的弹丸具有最佳的线圈匹配匝数，随着弹丸长度的增大，与之相对应的线圈最佳匹配匝数逐渐增多，不同长度弹丸的最大出口速度逐渐降低；当超过一定匝数后，随着弹丸长度的增大，出射速度逐渐增大。以上结果是电路、线圈结构和弹丸材料结构等多参数耦合作用的结果。从图5可以看出，不同长度弹丸出口动能均随着线圈匝数N的增多先增后降；在不同匝数下，出口动能随着弹丸长度的增大而逐渐增大。图4和图5表明，弹丸长度小能获得最大速度高，出口动能小，并且这时所需线圈匝数少，所需铜丝直径变大；而长度大的弹丸与长度小的弹丸相比能获得的最大速度低，出口动能大，并且这时所C二极管开关续流二极管R弹丸线圈L 图3 等效电路 图4 弹丸出射速度随线圈匝数变化曲线图5 弹丸出射动能随线圈匝数变化曲线齐文达等：