单级同步感应线圈炮设计优化仿真研究.pdf

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1、14单级同步感应线圈炮设计优化仿真研究雷达技术单级同步感应线圈炮设计优化仿真研究徐前程李文涛杨京华(陕西黄河集团有限公司设计所西安710043)摘要：不同的弹丸结构尺寸、驱动线圈结构尺寸，对同步感应线圈炮的发射性能都有着重要的影响。通过分析储能脉冲电容器驱动的单级同步感应线圈炮的工作原理和电路模型，选择Ansoft有限元软件Maxwell14的2D瞬态求解器进行仿真研究。建立单级同步感应线圈炮模型，以弹丸和驱动线圈的结构尺寸、驱动电路参数、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

2、最大发射效率为目标函数，对单级同步感应线圈炮进行了设计仿真分析。仿真结果表明，单级同步感应线圈炮的结构、电气各个参数对最大发射效率都有影响，各参数须逐个科学优化，本文所采用的设计优化方法为以后工程应用提供了理论参考。关键词：线圈炮设计优化方法有限元分析最大发射效率1引言同步感应线圈炮具有弹丸加速力大，驱动电流相对较小，不与驱动线圈直接接触避免了摩擦和导轨烧蚀，利用效率较高，寿命长等特点，应用前景非常广阔。但是驱动线圈的结构、控制系统也更加复杂，同步性要求比较高，高速时弹丸线圈的电流比较大，需要考

3、虑热力学问题[2]。对于同步感应线圈炮而言，弹丸和驱动线圈的结构尺寸、驱动电路参数、驱动线圈与弹丸触发放电时的中心距都影响弹丸所能达到的最大发射效率，是一个复杂的多变量方程组。本文利用Ansoft公司的大型磁场分析软件Maxwell对问题求解，循序渐进的优化系统参数，为同步感应线圈炮实验装置设计和实验验证提供了理论参考。2同步感应线圈炮原理2．1基本原理同步感应线圈炮的工作原理类似于圆筒型直线异步感应电动机，定子线圈产生的磁场因施加的脉冲电流而发生变化时，抛体线圈产生感生电流，抛体线圈电流产生的

4、磁场与定子线圈的磁场相互作用，产生轴向的力推动抛体前进，产生的径向力使弹丸悬浮。单级感应线圈炮的工作原理，如图1所示。感应线圈炮的电源目前多选取具有高储能密度的电容器C，通过放电开关控制向驱动线圈供电，驱动线圈C1产生圆环电流ia，变化的电流在炮管内产生变化的磁场，从而金属性质的弹丸C2产生了与驱动线圈同轴的环形电流i，圆环电流i和i产生的磁场相互作用，从而推动弹丸前进。多级感应线圈炮利用脉冲功率电源依次对多个串列的线圈进行放电，实现多级加速。多个线圈采用相同的内径，炮管采用非导磁材料。弹丸依次

5、经过多级线圈的逐级加速，最终将弹丸加速到发射速度。雷达技术单级同步感应线圈炮设计优化仿真研究15图1单级感应线圈炮工作原理2．2电路模型线圈炮的工作过程比较复杂，电、磁、机械联系比较紧密，影响的因素比较多，为了简化分析，做了如下的简化：忽略了弹丸与炮管之间的摩擦；忽略了弹丸的空气阻力；忽略了回路的固有电感；忽略了线圈发热引起的结构变化等。在上述的简化条件下单级感应线圈炮的电路模型如图2所示。M图2单级感应线圈炮电路模型图中，Uo为储能电答器C的初始电压，Rd为放电回路的总电阻，Ld为驱动线圈的电

6、感，L为弹丸的总电感，_R为弹丸的总电阻，M为驱动线圈和弹丸之间的互感，是位置z的函数。通过以下两个方程将两个闭合回路联系起来r1]。a—aRa+La警+M警+dMRp+L誓+M警警蝴为线圈感应电压，为弹丸感应电压，ia为线圈电流，i为弹丸感应电流，为弹丸速度。由初始条件可得dUd一一鱼dtC一0(2)dl一运动方程一一警。dp㈤m为弹丸质量。16单级同步感应线圈炮设计优化仿真研究雷达技术通过联立以上的方程组，就可以得到所要求的结果，但是，互感和互感梯度是包括三阶椭圆积分的复杂函数，椭圆积分是无

7、法用初等函数表示的，这就是说方程组无法得到解析解，但是，用有限元仿真就可以得到比较好的近似结果，可以很轻易的求解复杂的电磁耦合问题。3单级同步感应线圈炮有限元分析3．1分析方法对于整个系统而言，首先可以先确定弹丸的尺寸、重量、材质，然后给定一组电路的参数(电容电压和容量)，求解最优结果下的驱动线圈具体结构尺寸，当确定了驱动线圈后，反过来以电容容量和电压为变量来再次求解最优结果，确定电路参数。此方法可减少每次参与计算的变量数量，更快得出结果。3．2求解条件和目标求解条件：假设弹丸重量200克(包括

8、负重)，外半径25mm，轴向长度50mm，壁厚2mm，材料为铝。电容容量2000F，电容电压3000V。求解结果：为了能够衡量最佳线圈炮参数，定义'7为线圈炮效率，效率越高越好。为弹丸质量，为弹丸速度，C为电容器容量，E为电容器电压。3．3线圈尺寸对线圈炮的影响1．粗略模型根据资料，弹丸和线圈弹丸长度近似时，效率较高，所以弹丸长度为50mm时，线圈长度取50mm，仿真模型如下：线圈厚度设为变量M，从5mm到35，步进15mm；初始位置设为变量L，从5mm变化到5Omm，步进15ram；线圈匝数设