弹丸触发位置对单级电池驱动型磁阻发射器发射性能的影响

曹祥飞，王瑞林，李耀龙，于 鑫

(1.军械工程学院 弹药工程系，河北 石家庄 050003；2.武汉军械士官学校 步兵武器教研室，湖北 武汉 430075)



弹丸触发位置对单级电池驱动型磁阻发射器发射性能的影响

曹祥飞1，王瑞林1，李耀龙1，于 鑫2

(1.军械工程学院 弹药工程系，河北 石家庄 050003；2.武汉军械士官学校 步兵武器教研室，湖北 武汉 430075)

弹丸触发位置是磁阻发射器设计的重要参数，其对发射性能的影响至关重要。通过设置弹丸与驱动线圈的相对位置，利用Ansoft Maxwell仿真弹丸发射过程，得到弹丸触发位置对单级电池驱动型磁阻发射器发射性能的影响。仿真结果表明：弹丸触发位置对单级电池驱动型磁阻发射器产生影响，而且最佳触发位置不受电池电压电流的影响，触发位置z=0 mm时，弹丸出口速度最大，且效率最高。根据仿真模型，搭建单级电池驱动型磁阻发射器试验平台，并进行试验，试验结果与仿真相一致。试验结果为电池驱动型磁阻发射器的工程化提供了有力支撑。

磁阻发射器；触发位置；电池驱动型；Ansoft Maxwell

磁阻发射器作为一种新型的电磁发射方式，具有可控性高、隐蔽性好和安全性高等优势，因此可以用于构建非致命电磁枪[1]。磁阻发射器利用电流产生的磁场与弹丸耦合作用，从而加速铁磁性弹丸。

根据储能元件的不同，可分为电容器驱动型和电池驱动型发射器。储能元件选用电池时，放电开关需采用全控型开关，一般为IGBT，可以承受高压大电流并能有效关断放电回路。

美国BRESIE等[2]首次提出磁阻发射器的设计概念，通过有限元法来分析磁阻发射器的过程，为后来的研究奠定了基础。INGRAM等[3]提出了一种基于有限元、数值积分的控制算法。SLADE[4]建立了一种简单统一的磁阻发射器的模型，其模型结果和试验相符。EL-HASAN[5]建立的单级电容器驱动型磁阻发射器，将弹丸出口速度提高到了212 m/s。

支彬安等研究了触发位置对电容器驱动型磁阻发射器的影响[6]，影响表明电容器驱动型磁阻发射器触发位置存在一个最佳值使弹丸能获得最大的出口速度及发射效率，但其给定条件下最佳触发位置在驱动线圈内部，在实际操作中很难实现。笔者在设计触发位置时考虑实际情况，触发位置都设定在驱动线圈外部。孟学平等研究了形位参数对电容器驱动型磁阻发射器的影响[7]，给出了特定条件下的最佳触发位置。对于结构参数不同的电容器驱动型磁阻发射器，其最佳触发位置一般不同。

目前对采用电池驱动的磁阻发射器研究较少。相比利用电容器，采用电池可以有效地减少空间，放电波形稳定，涡流损耗较小，理论射速得以提高，不需要每次发射都要给电容器组进行充电。笔者研究了弹丸触发位置对电池驱动型磁阻发射器发射性能的影响规律，对采用电池作为储能元件的非致命磁阻枪工程化具有指导作用。

1 工作原理

图1为单级电池驱动型磁阻发射器原理图，主要分为电池、放电开关、铁磁性弹丸、驱动线圈、枪管等部分。Rb为放电回路中除去驱动线圈的电阻。

其工作过程为：放电开关闭合后，电池产生电流，驱动线圈由于电流作用产生磁场；在磁场的作用下，铁磁性弹丸磁化，产生磁化电流；磁化电流与磁场相互作用产生电磁力，驱动弹丸向前运动。

该运动过程也可根据磁阻最小原则进行解释。磁阻是指磁通通过磁路时所受到的阻碍作用，而电磁力的方向总是向着磁阻减小的方向。弹丸使磁阻发生变化而产生电磁力，从而加速弹丸[8]。弹丸由于采用铁磁性物质，使磁感应通量易于穿过其内部。在弹丸与驱动线圈中心对称的前提下，弹丸中心与驱动线圈中心重合时，系统的磁阻最小，弹丸的受力为0。弹丸在枪管中运动时，其受力中心对称。图2为恒流通电下，单级磁阻发射器弹丸的受力曲线图。弹丸与线圈对称中心为x=17 mm的位置，此时弹丸所受电磁力为0。

由于磁阻发射器受力的特性，要更好地加速弹丸，必须使弹丸运动到驱动线圈中心之前关断放电电流。试验中一般采用位置检测法，利用弹丸的位置变化和光电检测电路以达到适合位置放电的目的。此种方法较为简单，普遍性强，利用弹丸遮挡光电检测环等装置，使放电电路能在弹丸加速到驱动中心之间完成关断。

磁阻发射器的效率是指弹丸动能增量与放电过程总消耗的能量之比。对于单级电池驱动型磁阻发射器，其效率η可表示为

(1)

式中： Wk为弹丸的出口动能；Wc为电池在一个放电周期(t0～t1)中所消耗的电能。

2 仿真分析

使用AnsoftMaxwell有限元分析软件对所建立的单级电池驱动型磁阻发射器进行二维瞬态场的仿真分析[9]。

2.1 结构及仿真参数设置

图3为单级电池型磁阻发射器的仿真模型，包括运动区域、空气域、铁磁性弹丸及驱动线圈。弹丸采用Φ=10mm，l=50mm的圆柱形弹丸，材料设为Steel_1010，质量为30.91g；线圈内径设为12mm，外径为24mm，根据实际所缠绕线圈，匝数设为250，材料设为铜；运动区域和空气域设为空气。铁磁弹丸和驱动线圈网格最大长度设为1mm，运动和空气域最大长度设为5mm，仿真时间50ms，步长0.1ms。

设触发位置为z(z≤0)，光电检测环位置为z=0mm位置，弹丸运动方向为正，分别设置z为15、10、0、-10、-15mm共5个位置作为初始触发位置进行仿真，加载外电路如图4所示。

通过位置触发开关模拟光电位置检测和IGBT的通断，弹丸运动50mm后，关断回路电流。电源电压为23V，线圈的电阻R为400mΩ。

2.2 仿真结果及分析

如图5所示，仿真得到了不同触发位置弹丸的受力及速度曲线。z=-15mm时，弹丸离线圈较远，受力很小，导致其几乎不动。z=15、10、0、-10mm时，弹丸电磁力的曲线基本趋势相同，加速时间分别为11、13、15、43ms。z值越小，弹丸加速时间越慢。最终出口速度分别为7.54、8.26、8.67、7.36m/s。触发位置越大，发射器的出口速度越大。

根据式(1)计算得到发射器能量转化效率为：z=15mm，η=6.31%；z=10mm，η=6.43%；z=0mm，η=6.60%；z=-10mm，η=6.16%；z=-15mm，η=0.02%。所以，触发位置越靠近z=0mm，相对发射器的效率越高。

图6给出了不同触发位置时放电电流的变化曲线。电流是弹丸受力的决定因素。不同触发位置的放电电流呈一种趋势，电流基本恒定。由于铁磁性物质磁化后运动会使线圈内部的磁通变化，产生感应电动势致使在放电结束时放电电流出现降低[10]。

2.3 电池电压对触发位置的影响分析

由上可得在选用23V电池时，其最佳触发位置z=0mm。为了使结果更具一般性，验证电压电流对电池驱动型磁阻发射器对触发位置的影响，采用了46V和92V的电池进行仿真，其电磁力、速度和线圈电流在不同出发位置时随时间的变化曲线如图7、8所示。

通过图7、8的仿真结果可以看出，在不同的电池参数下，选用不同的触发位置，z=0mm位置的速度都最大。由此可以得出对于单级电池型磁阻发射器，电池电压参数的改变对最佳触发位置没有影响。

3 试验平台搭建

单级电池驱动型磁阻发射器试验平台如图9所示。试验中，利用示波器测量回路电流和弹丸出口速度。电池选用23V的高放电倍率电池。采用三菱公司型号为CM300DY-12NF的IGBT和普实鸿飞PSHI23H驱动板。IGBT参数为UCE=600V，IC=300A。

利用绕线机绕制与仿真参数相同的线圈，为了绝缘，在绕制层与层之间粘贴绝缘胶布，绕制完成后再套以热塑管并热封。

为使电磁力一直加速弹丸，需在适当位置将放电回路中的电流断掉，采用光电检测的方式。光电检测的电路如图10所示。D1为光敏二极管，采用L358N作为比较器，比较器1引脚接PSHI23H驱动板的输入端。当弹丸头部经过时，光敏电阻两端电压接近电源电压，比较器输出端为高电平，IGBT导通；当无弹丸时或者弹丸尾部飞出时，比较器输出端为低电平，IGBT关断。

试验中，将另一光电检测环置于弹丸飞出方向的一侧，此光电环为测速光电环。测定R2两端电压可以得到弹丸加速过光电环的时间。在给定弹丸长度的条件下，可以根据v=s/t，得到弹丸的出口速度。

试验中，回路放电电流由电阻分压器测量。通过在放电电路中串联电阻分压器，利用示波器测量电阻分压器两端的电压求得放电过程中的电流。分压器电阻为3.75mΩ，不足线圈电阻的1%，可忽略对放电电流的影响。

4 试验结果

由于线圈的结构原因，光电环只能放在z≤0的位置，z=-15mm时，弹丸没有发生位移，因此试验时调节光电检测环与触发位置z=0、-10mm。试验获得波形如图11所示。

放电波形与仿真结果较吻合，在放电结束末端都出现了电流的下降。在IGBT关断时，瞬间产生的磁通变化使测速通道CH2出现了脉冲。

弹丸出口速度呈现下降的趋势，这与仿真分析中的结果相一致。通过测量并计算得到两种触发位置下弹丸的出口速度分别为6.76、5.77m/s。试验结果与仿真结果的速度存在较大误差，原因在于枪管存在摩擦力、枪管直线度不够精确等。下一步将对试验平台进行改造，提高平台的精度。

5 结束语

笔者通过仿真分析了弹丸触发位置对单级电池驱动型磁阻发射器的影响，并进行了试验验证。结果表明：弹丸触发位置对单级电池驱动型磁阻发射器产生影响。单级电池驱动型磁阻发射器的最佳触发位置较为固定，改变电池参数对最佳触发位置没有影响，触发位置z=0mm时，弹丸出口速度最大，且效率最高。

)

[1]支彬安. 磁阻式电磁线圈发射器性能参数研究[D]. 石家庄: 军械工程学院, 2010,36(8): 96-98.ZHIBin’an.Circuitparameters’influenceonthelaunchperformanceofreluctancedriver[D].Shijiazhuang：OrdanceEngineeringCollege, 2010，36(8)：96-98.(inChinese)

[2]BRESIE D A , ANDWERS J A. Design of a reluctance accelerator[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 1991, 27(1): 623-627.

[3]INGRAM S K , PRATAP S B. A control algorithm for reluctance accelerators[J]. IEEE Transactions on Magne-tics, 1991, 27(1): 156-159.

[4]SLADE G W. A simple unified physical model for a reluctance accelerator[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2005, 41(11): 4270-4276.

[5]EL-HASAN T S. Design of a single stage supersonic reluctance coilgun[C]∥2011 IEEE Pulsed Power Conference.Chicago:IEEE, 2011. 964-969.

[6]支彬安, 雷彬, 李治源, 等. 触发位置对磁阻驱动器发射性能的影响[J]. 电子测量技术, 2010, 33(4):45- 48. ZHI Bin’an LEI Bin,LI Zhiyuan,et al.Trigger position’s influence on the launch performance of reluctance driver[J]. Electronic Measurement Technology ,2010, 33(4): 45-48. (in Chinese)

[7]孟学平, 雷彬, 李治源, 等. 弹丸形位参数对磁阻发射器性能影响研究[J]. 火炮发射与控制学报, 2013 (3): 15-19. MENG Xueping,LEI Bin,LI Zhiyuan,et al.Study of influe-nce of shape and position parameters on the launcher properties of the reluctance launcher[J]. Journal of Gun Launch & Control ,2013 (3): 15-19. (in Chinese)[8]崔鹏, 刘少克, 罗宏浩. 一种四级线圈发射器模型研究[J]. 火炮发射与控制学报, 2005 (4): 20-24. CUI Peng, LIU Shaoke, LUO Honghao. Research of a model of four-stage coil launcher[J]. Journal of Gun Launch & Control,2005 (4): 20-24. (in Chinese)

[9]赵博， 张洪亮. Ansoft 12在工程电磁场中的应用[M]. 北京：中国水利水电出版社, 2010：130-153. ZHAO Bo, ZHANG Hongliang. Application of Ansoft 12 on engineering electromagnetic field[M]. Beijing: China Water Power Press, 2010:130-153. (in Chinese)

[10]赵凯华, 陈熙谋. 电磁学[M].2版. 北京: 高等教育出版社, 2006：324-325. ZHAO Kaihua, CHEN Ximou. Electromagnetic[M]. 2nd ed. Beijing: Higher Education Press, 2006：324- 325. (in Chinese)

The Influence of Trigger Position on the Single-stage Battery Driven Reluctance Coil Launcher

CAO Xiangfei1, WANG Ruilin1,LI Yaolong1, YU Xin2

(1.Department of Ammunition Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, Hebei,China；2.Department of Infantry Weapons, Military Representative Office in Wuhan, Wuhan 430075,Hubei, China)

The trigger position is an important parameter of the reluctance coil launcher and is vital for the emission performance. With the establishment of the electromagnetic analysis software Ansoft Maxwell and the relative position of the projectile and drive coil, a study is made of the influence of the re-lative position in the single-stage battery driven reluctance coil launcher. The simulation results suggest that the trigger position have an influence on the single-stage battery driven reluctance coil launcher, and that the optimal trigger position is not affected by the battery voltage and current. Whenz=0 mm for the trigger position, the best muzzle velocity and efficiency are obtained. Based on the simulation model, the test platform of the single-stage battery driven reluctance coil launcher is set up with the experiment being carried out. The experiment result is in agreement with that of the simulation. Simulation result will provide a powerful support for the engineering of the full-controlled reluctance coil launcher.

reluctance coil launcher; trigger position; battery driven; Ansoft Maxwell

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.04.004

2016-03-10

曹祥飞(1991—)，男，硕士研究生,主要从事轻武器和电磁技术研究。E-mail：m15831962250@126.com

TM55

A

1673-6524(2016)04-0015-05