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，湖南長沙410073）
摘要：新型磁阻型電磁發(fā)射器結合了磁阻型電磁發(fā)射器的丁作原理和螺旋線罔型電磁發(fā)射器的基本結構：基于有限元方法．對彈丸受力的影響因素，如線圈與彈丸的相對位置、電流大小、線圈尺寸和彈丸尺寸等進行了數(shù)值分析。研究結果對新型磁阻型電磁發(fā)射器的研制具有參考價值。
關鍵詞：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：tm301. 4+4 文獻標識碼：a 文章編號：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，一般可以劃分為導軌型、線圈型和重接型；按照加速機理的不同，線圈型電磁發(fā)射器又可以劃分為同步感應型、異步感應型、磁阻型等類型。磁阻型電磁發(fā)射器本質上是利用線圈磁場與鐵磁質彈丸上磁化電流之間的作用力來加速彈丸，具有結構簡單、可控性好、可靠性高等優(yōu)點。
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動方程，而借助有限元分析軟件對磁阻型發(fā)射器的性能進行數(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彈丸受力的影響，得到了一些對新型磁阻型電磁發(fā)射器研制具有指導意義的規(guī)律。
1模型
普通的線圈型電磁發(fā)射器一般每級線圈都具有較大的匝數(shù)，這在增加了線圈磁場的同時也增加了線圈磁場建立的時間，因此需要進行提前接通，而相應的提前量很難控制。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。如圖1所示。
電流由電源一導軌一電刷1_—電刷2一線圈中的一段一電刷3一彈丸線圈一電刷4一導軌—電源。；
本文采用hcei。的基本結構，將彈丸換成鐵磁質內置式彈丸，設計了一種新型磁阻型電磁發(fā)射器。其結構與hcel類似，如圖2所示，發(fā)射器由導軌、線圈、彈丸組成。線圈的內表面磨去絕緣層，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，電刷分別將導軌與線圈連通，形成心路：電源一導軌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2一導軌2 一電源。鐵磁質彈芯、電刷和環(huán)形電刷用絕緣材料固化為一體，構成彈丸，在彈丸運動的過程中，電刷l隨彈丸運動．電刷之間的一段線圈被導通，在彈丸運動過程中彈丸和接通段的相對位置固定：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)射器加速機理，利用線圈與鐵磁質彈丸}一磁化電流的作用力來拉動彈丸運動，其基本原理與傳統(tǒng)的磁阻型線圈炮一致。由于鐵磁質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，構建了二維r-z柱坐標模型，如圖3所示。其中彈丸為圓柱形鐵磁材料，線圈采用方形銅導線繞制，單層。一般模型中都是把線圈當作具。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導線環(huán)進行近似，更符合實際情況。其中：sa為彈丸長度，p為彈丸運動前方端面與線圈端面的距離，r為彈丸半徑，r為線圈內徑。
2彈丸與線圈相對位置對受力的影響
彈丸與線圈相對位置不同，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；彈丸與線圈內壁縫隙為1 mm。后續(xù)計算中除變量外，其它參數(shù)與此相同。
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