螺旋线圈电磁发射器能量转换相关技术研究

发布时间：2020-08-04 19:33

【摘要】：能量转换效率是衡量螺旋线圈电磁发射器(HEML)性能好坏的一个重要指标,也是其应用方向的一个重要依据。论文围绕与HEML能量转换相关的一些问题进行了研究,主要内容包括以下几个方面:对HEML的能量转换相关问题进行了理论分析。将HEML工作的物理过程分为加速和换向两个部分进行讨论,得到加速过程的能量转换关系,即功率平衡方程。建立前、后换向过程的等效电路模型,得到发射过程的能量转换效率公式;发射器的能量转换效率主要受到互感梯度、焦耳热损耗、换向损耗和管口损耗等因素的影响。对发射器的理论效率及其影响因素进行了研究,结果表明HEML在恒定电流工作模式下的理论效率可以超过50%。导出了恒流工作模式下HEML理论效率大于50%的结构参数条件。当某一典型结构的电枢线圈匝数为109匝、发射器长度为3m时,计算得到该结构发射器的理论效率可以达到82.1%。对HEML的电磁加速力进行了分析与优化。采用网格法和等效圆环法计算发射器的电磁加速力,其中网格法具有较好的普适性和计算精度(0.1%),等效圆环法具有更快的计算速度(单次耗时~4ms)。得到了加速力大小与电枢线圈位置的关系,从而确定了电枢线圈的最大加速力位置;仿真分析了电枢线圈和驱动线圈的结构对加速力的影响,提出了D形双线圈电枢结构使加速力增大一倍;分析了驱动线圈所承受的应力情况,设计了一种加固的单元型、模块化驱动线圈结构,能够承受更大的加速力;仿真分析了封装材料和封装结构对发射器的加速力等发射性能的影响,并进行了实验验证。结果表明,铁磁质材料封装有利于增强发射器的加速磁场,且封装与驱动线圈间隙越小则效果越好,而导体封装中可能存在的涡流对电枢产生回拉力,且产生焦耳热损耗降低能量转换效率。实验设计的单元身管型HEML的身管长度为1m,口径为120mm,抛体质量为4.5kg;实验得到抛体速度47.5m/s,能量转换效率8.72%。经过多次发射验证,该单元型身管结构能承受峰值35kA的工作电流。对HEML换向和管口磁能损失进行了研究。研究了换向感应电压的影响因素,导出了换向感应电压的计算公式。在工作电流和抛体速度一定的情况下,电枢线圈和驱动线圈匝数越大,引起换向电弧烧蚀的可能性就越大。通过理论分析确定了电枢线圈的匝数使满足完全感应换向条件,避免换向过程中出现大电流的通断。改变电枢线圈匝数进行了实验研究,对比换向电刷的烧蚀情况,验证了理论计算结果。研究了多匝换向的电流转换情况,多匝换向时换向匝内电流变化较缓,且换向感应电压较低。通过公式计算得到典型的换向感应电压值为13.2V;当采用两匝换向策略时,计算得到换向感应电压为5.1V。建立了HEML的瞬态物理模型、控制方程及其数值解法;仿真研究了管口磁能损失的影响因素,提出了非均匀匝密度的驱动线圈结构。该结构使管口电流下降了45%,有效抑制了管口电弧的形成,同时提高了发射器的能量转换效率。最后,对发射器的结构参数进行了整体优化。提出了待优化的数学模型,设计了改进型自适应遗传算法,在温升、发射器长度等约束下,对HEML的结构参数进行发射速度、发射能量效率和发射功率等多目标优化。改进的遗传算法使得变异概率随种群的多样性变化在P_(m0)/3(25)P_m _0之间自适应改变;另外,改进的遗传算法采用优解保留策略后,使得程序执行早期的优解被保留下来,大大地提高了优化算法的执行效率。计算结果表明,该优化算法能够针对不同的应用需求提供合理的发射器结构参数。
【学位授予单位】：国防科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TJ866
【图文】：

电磁发射器,螺旋线圈,结构示意图,电刷

国防科技大学研究生院博士学位论文线圈由一均匀匝密度的螺线管构成。导轨电刷起到馈电作用，又称馈电电刷起到换向作用，又称换向电刷。电枢线圈与驱动线圈通过换向电刷，两根导轨通过馈电电刷向发射器线圈馈电。固定在抛体上的前后换向线管部分激励，并使该激励段（驱动线圈）与电枢运动保持同步，完成.1 所示排斥型结构中，驱动线圈电流方向与电枢线圈的电流方向相反，电到电磁排斥力的作用加速向前。表 1.1 常见 HEML 的分类分类方法 HEML 类型电枢结构外置空心电枢内置实心电枢单线圈电枢双线圈电加速力性质吸引型排斥型磁阻型驱动线圈结构均匀匝密型非均匀匝密型动线圈激励方式常规类型消磁波类型

电磁发射器,螺旋线圈,电枢,结构示意图

(c) 抛体结构 (d) 实心抛体图 1.2 实心电枢螺旋线圈电磁发射器的结构示意图螺旋线圈电磁发射器在军事、航天、材料工业等领域具有广阔的应用前景。在军事上，可以用作主动式电磁装甲[4]、导弹发射装置[5]，作为线圈炮实现超高速发射，作为电磁迫击炮实现近程火力支援[6]，作为舰载电磁弹射器实现航空母舰上的飞机弹射等[7]。利用螺旋线圈电磁发射器向太空发射载荷，将会极大地降低发射的成本[8][9]。另外，线圈发射器可以在真空发射管中将小质量抛体加速到几百千米/秒的极高速度，用于研究高压物理中的有关材料特性、金属成形和焊接，以及进行超高速碰撞核聚变的可行性研究等[10]。用线圈发射器原理推进的磁悬浮列车，可以实现地面高速运输。E. Narevicius, A. Libson 和 C. G. Parthey 等人利用连续脉冲电磁线圈实现了一种分子线圈炮，用于减速并停止超声速的氧气分子[11]。T. G.Engel 等人利用 HEML 的原理设计了往复直线电机、加速度计和冲击测量等装置[12]-[15]。

科学博物馆,奥斯陆,发射器,挪威

研究螺旋线圈电磁发射器的能量转换情况构选取和参数设计具有重要意义。本文将针对上，为线圈发射器实现高性能、大质量载荷发射探1.3 国内外研究现状螺旋线圈电磁发射器的发展及研究现状国科学家法拉第发现了电磁感应现象。随后，各磁力发射物体的装置。早期研究的电磁发射装置国华盛顿哥伦比亚学院的 Charles 教授将四个或更管，利用电池供电将约 1.4kg 的铁棒抛射到 12~1陆大学物理学教授 Birkeland 获得了第一个线圈发线管线圈，将质量 500g 的抛体加速到 50m/s；这科学博物馆内，如图 1.3 所示[60]。这是电磁发射技

【相似文献】