電磁轉(zhuǎn)換關(guān)系分析及建模分析案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u3920電磁轉(zhuǎn)換關(guān)系分析及建模分析案例概述 1287521.1電磁發(fā)射系統(tǒng)分析 1107101.2電磁感應(yīng)模型建立 2306881.1.1導(dǎo)軌式電磁感應(yīng)模型建立 4116111.1.2重接式電磁感應(yīng)模型建立 6163361.1.3線圈式電磁感應(yīng)模型建立 7314081.3兩種電磁感應(yīng)模型放電特性分析 847411.3.1導(dǎo)軌式電磁感應(yīng)模型放電特性分析 8215261.3.2重接式電磁感應(yīng)模型放電特性分析 9電磁發(fā)射系統(tǒng)主要通過電磁力做功，推動射彈進行運動，由于發(fā)射部處電磁力做功的方式存在多種形式，所以不同類型電磁炮對相應(yīng)的射彈做功產(chǎn)生的出口速度會有很大的不同。本章首先簡單介紹了電磁發(fā)射系統(tǒng)的組成及工作狀態(tài)，然后對不同類型電磁發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射部進行了建模與分析。1.1電磁發(fā)射系統(tǒng)分析電磁發(fā)射系統(tǒng)一般由電源、射彈、電樞幾部分構(gòu)成。電源就是指為電磁發(fā)射系統(tǒng)的正常運行作業(yè)提供能量以及儲存的構(gòu)件，是整個電磁發(fā)射系統(tǒng)的油箱；電樞為射彈的發(fā)射提供發(fā)射場所，同時為電能與磁能兩種不同形式的能量提供轉(zhuǎn)換的載體從而推動射彈進行拋體運動，是整個電磁發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)動機，由此可以看出電樞是整個電磁發(fā)射系統(tǒng)的核心部件，它的性能及工作狀態(tài)直接決定了電磁發(fā)射系統(tǒng)的性能。射彈是電磁發(fā)射系統(tǒng)的戰(zhàn)斗單位，與電樞結(jié)合在一起構(gòu)成發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射部。因為電磁力的可調(diào)節(jié)性，理論上電磁發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射部可以承擔(dān)任意重量射彈的發(fā)射任務(wù)。圖2-1簡單電磁炮示意圖在脈沖功率技術(shù)中，電炮可謂后起之秀。電炮技術(shù)涉及許多學(xué)科理論，諸如電學(xué)、磁學(xué)、等離子體物理、工程力學(xué)，化學(xué)，材料學(xué)，量子力學(xué)，計算物理，固體物理、核物理和流體力學(xué)等。電炮技術(shù)又是多學(xué)科的交叉滲透，并非簡單的機-電一體化的混合體。因此現(xiàn)在和未來必然產(chǎn)生一些新的機-電構(gòu)型問題和一些混亂的術(shù)語問題。隨著電炮技術(shù)的成就，用一些較準(zhǔn)確的術(shù)語從實質(zhì)上對各種電炮的發(fā)射概念進行分類十分必要。1987年，韋爾登（Weldon）在“非導(dǎo)軌性電磁加速器討論會”上僅對電磁炮進行了本質(zhì)分類，他以電樞的激勵、定子場控制和工作方式把電磁炮分為導(dǎo)軌型和線圈型。電炮的分類方法有多種，諸如以炮的形式、電源性質(zhì)（阻抗或交直流）、射彈與炮管有無接觸，射彈受力部位（彈底還是沿長度）、加速度比是高還是低、循環(huán)功率的高低等方面分類。但最能體現(xiàn)實質(zhì)的應(yīng)從工作原理分類，在工作原理相同的情況下，按工作方式分類。據(jù)此，我們把電炮分為：圖2-2電炮分類1.2電磁感應(yīng)模型建立電磁發(fā)射系統(tǒng)是完全利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生的電磁力來推動射彈進行拋體運動的，即完全是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生的電磁能進行工作的。電磁發(fā)射系統(tǒng)存在包括軌道型電磁發(fā)射系統(tǒng)、線圈型電磁發(fā)射系統(tǒng)和重接型電磁發(fā)射系統(tǒng)在內(nèi)的多種電磁發(fā)射系統(tǒng)。但是，所有的電磁發(fā)射系統(tǒng)，其實質(zhì)都是按電機機理以及電磁感應(yīng)進行工作的。站在電動力學(xué)的角度上看，電磁發(fā)射過程中所有射彈所受到的推力，都來自洛倫茲力（LorentzForce，）或安培力(Ampere'sforce，)。帶有電量q的質(zhì)點以速度v通過磁感應(yīng)強度B的磁場時，會受到一個力Fl的作用，這種力叫洛倫茲力，大小為： （2-1）載流導(dǎo)體處于磁感應(yīng)強度B的磁場時，導(dǎo)體的電流元I與導(dǎo)體的長度元dl構(gòu)成的任一電流元Idl會受到一個力FA的作用，這種力叫做安培力，大小為： （2-2）對以上兩種力的分析過程：首先使用畢奧-薩伐爾-拉普拉斯定律（Biot-SavartLaw）可求出載流導(dǎo)體上電流元當(dāng)前所受到的磁場強度B值，然后可通過積分法求得整個載流導(dǎo)體上各個電流元所受力的總和。然而在不同情況下，例如在采用等離子體電樞的軌道型電磁發(fā)射系統(tǒng)上，電磁發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射部射出的射彈主要受洛倫茲力的影響，在固體電樞軌道型電磁發(fā)射系統(tǒng)或線圈型電磁發(fā)射系統(tǒng)和重接型電磁發(fā)射系統(tǒng)上，電磁發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射部射出的射彈主要受安培力的影響。因此，從原理上講，射彈所受到的電磁力是安培力或洛倫茲力需視電磁發(fā)射系統(tǒng)的類型和發(fā)射環(huán)境具體分析。不同類型電磁發(fā)射系統(tǒng)也有不同的力的表達公式。簡單軌道型電磁發(fā)射系統(tǒng)，射彈（或發(fā)射部）受到的電磁力為洛倫茲力，大小是： （2-3）式中，為導(dǎo)軌發(fā)射器的導(dǎo)軌的電感度（H/m），I為電源通過導(dǎo)軌及電樞的電流（A）。對于同步感應(yīng)線圈型電磁發(fā)射系統(tǒng)，線圈或射彈所受的電磁力為安培力，大小是： （2-4）式中，為驅(qū)動線圈的脈沖電流，為其內(nèi)的彈丸線圈自感，m為外部固定的驅(qū)動線圈和內(nèi)部攜帶射彈運動的彈丸線圈間的互感，為沿運動方向坐標(biāo)距離x的互感梯度。對于板狀射彈重接型電磁發(fā)射系統(tǒng)，板狀射彈所受的力為安培力，大小是： （2-5）式中，和分別為重接發(fā)射器驅(qū)動線圈的電流和電感梯度，為磁壓力p對射彈的有效作用面積，為射彈尾端橫截面積，是密度為的射彈的長度。1.1.1導(dǎo)軌式電磁感應(yīng)模型建立導(dǎo)軌炮（railgun）又稱軌道炮。簡單導(dǎo)軌型電磁炮實際上是一種單匝的直線直流電機，它的主要構(gòu)件有平行金屬導(dǎo)軌、電樞、射彈以及脈沖電源。如圖2-3所示。其中電樞置于兩個平行金屬導(dǎo)軌間，多由導(dǎo)電金屬物質(zhì)設(shè)計制作，例如可以是固態(tài)金屬，也可以是等離子體更或是兩的者有機結(jié)合。因為電樞在運動時需要與平行金屬導(dǎo)軌保持良好的接觸，故在射彈速度在3km/s以上時多使用等離子體制作電樞。射彈初始位置在兩平行金屬導(dǎo)軌間和電樞前?？梢暡煌拇驌魣龊鲜褂貌煌螤詈筒牧系纳鋸?。兩平行金屬導(dǎo)軌必須具有良好的導(dǎo)電性能，其材料應(yīng)有良好的機械強度同時需具有能耐燒蝕和磨損的特性。這種金屬導(dǎo)軌沿高強度的復(fù)合材料絕緣筒內(nèi)壁平行放置，共同構(gòu)成電磁發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射部。導(dǎo)軌不僅需要傳導(dǎo)巨大的電流用于推動射彈外，還用于迫使電樞按指定方向運動和校正射彈的發(fā)射方向。使用扇形橫截面的導(dǎo)軌可搭建圓口徑炮；使用矩形橫截面的導(dǎo)軌可搭建方口徑炮。高功率脈沖電源提供106A量級的脈沖電流，104V量級的輸出電壓，而此類包含有高功率脈沖電源一般通過開關(guān)與導(dǎo)軌相連接，不直接與導(dǎo)軌接觸。圖2-3簡單電磁導(dǎo)軌炮模型1-電樞；2-射彈；3-導(dǎo)軌；4-絕緣桶；5-饋電母線；G-脈沖電源；S-開關(guān)簡單導(dǎo)軌型電磁炮處于待機發(fā)射狀態(tài)時，可通過將開關(guān)S進行閉合，此時電流I通過核心控制電路、平行金屬導(dǎo)軌、電樞﹐最后返回儲能電源以構(gòu)成發(fā)射回路，最終在發(fā)射回路內(nèi)產(chǎn)生磁場(其磁感應(yīng)強度用B表示)。電樞內(nèi)流過的電流與電樞內(nèi)形成的磁場相互作用的結(jié)果是在電樞上產(chǎn)生FA(對固體電樞而言)或Fl(對等離子體電樞而言)。若此時電樞電流密度為J，則電樞被大小為J×B的電磁力所加速，電樞推動射彈前進。由于此處J和B均正比于電流i，所以加速彈丸的力F∝i2?，F(xiàn)在從電學(xué)的觀點研究簡單導(dǎo)軌型電磁炮。將導(dǎo)軌型電磁炮看成是高功率脈沖電源的一個用電負載﹐炮管看成是一個沿炮管徑向長度分布的電阻和電感。在這個角度下導(dǎo)軌型電磁炮很像一根普通的傳輸線。在發(fā)射期間電樞和射彈相互作用導(dǎo)致運動，所以此用電負載的總電阻和總電感隨射彈位置坐標(biāo)x的偏移而線性地增加。兩平行金屬導(dǎo)軌的阻抗可簡單模型化成由一組變化電感和電阻與電樞電弧的電壓降u的串聯(lián)產(chǎn)生。簡單導(dǎo)軌型電磁炮的負載變化電感和電阻大小分別為： （2-6） （2-7）式中導(dǎo)軌電阻梯度，，為導(dǎo)軌電感梯度，，為初始負載電阻，為初始負載電感寫出電路的回路電壓方程，發(fā)射部處電壓為： （2-8）可以將項寫成包含射彈速度的形式： （2-9）因此發(fā)射部處電壓變?yōu)椋? （2-10）將式（2-6）和（2-7）代入式（2-10），則得： （2-11）可見，簡單導(dǎo)軌型電磁炮負載的電學(xué)特性取決于射彈的偏移位置和瞬時速度。對于固體電樞導(dǎo)軌型電磁炮，若采用脈沖電流I進行激勵，其發(fā)射部處瞬時電壓表示式可大為簡化為： （2-12）由此獲得的平行金屬導(dǎo)軌有效電阻為： （2-13）1.1.2重接式電磁感應(yīng)模型建立重接型電磁發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。為了簡化分析，重接型電磁發(fā)射系統(tǒng)運行過程可以簡單理解為多匝電磁線圈在經(jīng)過瞬時急劇短路的過程后釋放的釋放能量推動電樞的過程，電磁線圈在這個過程中可以用等效為一個電感儲能元件。重接型電磁發(fā)射系統(tǒng)的電路方程較為簡單，當(dāng)開關(guān)二極管正常進入續(xù)流區(qū)間內(nèi)電路狀態(tài)可表示為： 或 （2-14）上式方程求解得到： （2-15）式中，L為續(xù)流后驅(qū)動線圈的等效電感，是一個隨拋體位置和時間變化而變化的空間變量，R為驅(qū)動線圈的等效電阻，I為電路的初始電流即，L為電路的等效初始電感即。電磁線圈的等效電感儲存的電磁能為： （2-16）將（2-16）式代入（2-15）中求解得 （2-17）式中，E為重接型電磁發(fā)射系統(tǒng)等效電路中初始儲存的磁能即?，F(xiàn)階段可暫用以上等效電路模型分析重接型電磁發(fā)射系統(tǒng)的基本電學(xué)特性，從（2-15）推導(dǎo)出的電流公式中可以看出，電磁線圈的瞬時電流波形隨著電磁線圈的等效電感和電阻的變化而改變，因此在重接型電磁發(fā)射系統(tǒng)電路中電磁線圈的接入方式對系統(tǒng)發(fā)射性能有著至關(guān)重要的影響。圖2-4重接炮模型1.1.3線圈式電磁感應(yīng)模型建立線圈型電磁炮（coilgun）是電磁炮家族的重要一支，與導(dǎo)軌炮比較，在很長的一段時期內(nèi)它沒有受到應(yīng)有的重視，主要是因為它的技術(shù)較為復(fù)雜，有很多技術(shù)難題等待突破。近幾年來，由于脈沖功率技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，人們逐漸認識到線圈型電磁感應(yīng)系統(tǒng)發(fā)射部電磁線圈的電感梯度與射彈發(fā)射規(guī)模無關(guān)，且在較大比例尺寸的電磁感應(yīng)線圈中，電感梯度也已取得重大突破。近年來，人們對線圈型電磁感應(yīng)系統(tǒng)的興趣又愈發(fā)濃厚起來。目前，線圈型電磁感應(yīng)系統(tǒng)已與導(dǎo)軌型電磁感應(yīng)系統(tǒng)并行不悖地發(fā)展著。目前投入使用中的線圈型電磁感應(yīng)系統(tǒng)，一般是指利用高頻脈沖或萬安級交變電流產(chǎn)生的電磁波來驅(qū)動帶有電磁線圈的射彈或使用鐵磁性材料制作而成的射彈的發(fā)射裝置。它利用電磁線圈和射彈線圈間相互作用時的磁耦合機制工作，究其本質(zhì)，仍可將其視為一臺直線電機。就一般情況而言，最簡單的線圈型電磁感應(yīng)系統(tǒng)是由兩部分構(gòu)成：一種是固定于固定導(dǎo)軌上的定子線圈，起驅(qū)動射彈的作用，一般稱作稱作驅(qū)動線圈(d)，也可稱炮管電磁線圈﹔另一種是被驅(qū)動的電樞，稱作射彈線圈(P)，其內(nèi)裝有射彈或是其它形式的拋體。定子線圈和射彈線圈的相對位置排列主要有兩種形式，一種是按軸線進行平行的排列，如圖2-5(a)所示，射彈線圈在定子線圈上平行加速運動；第二種是按軸線重合地進行同軸排列，如圖2-5(b)所示，射彈線圈由驅(qū)動線圈內(nèi)(或外)運動。圖2-5線圈炮的兩種基本模型1.3兩種電磁感應(yīng)模型放電特性分析1.3.1導(dǎo)軌式電磁感應(yīng)模型放電特性分析為了更加方便地獲取具有恒加速度和最大出膛速度的射彈以及較短的炮管長度，應(yīng)當(dāng)最大程度的使用恒流作為輸入電流。但由于在使用恒流的情況下，當(dāng)射彈離開炮口，平行金屬導(dǎo)軌上的電感L將會殘存大量的剩留電磁能(L，I2/2)。出現(xiàn)這種情況主要是當(dāng)射彈出膛時導(dǎo)軌回路仍會保持有電流I；當(dāng)且僅當(dāng)此時I可以無限趨近于0，否則殘留的電磁能是很難被電源回收或轉(zhuǎn)換成其他形式的能量。與此同時，在沒有安裝消弧器的簡單導(dǎo)軌型電磁感應(yīng)系統(tǒng)中，殘留的電磁能一般以炮口出的電弧放電從而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芤赃M行消耗，但通常電磁感應(yīng)系統(tǒng)不應(yīng)出現(xiàn)電弧：其一是因為電磁感應(yīng)系統(tǒng)中能量以熱能的形式損失從而造成浪費，降低了整個系統(tǒng)的發(fā)射效率﹔其二是由于電弧會在發(fā)射的過程中產(chǎn)生很強的可見光，易被作戰(zhàn)雙方觀測，在前發(fā)現(xiàn)及破壞的戰(zhàn)略下十分不利﹔其三是電弧會向四周產(chǎn)生輻射，敵對勢力可通過探測電磁輻射的方位和強度能了解我方的位置以及武器性能，這對作戰(zhàn)武器的前瞻性會產(chǎn)生很大損失；其四此處產(chǎn)生的電弧會燒蝕炮口處的材料，影響炮口的形狀以及射彈的精度，從而會降低電磁炮的使用壽命。1.3.2重接式電磁感應(yīng)模型放電特性分析重接型電磁發(fā)射系統(tǒng)中的導(dǎo)軌處每單位長度轉(zhuǎn)換給射彈的動能要比其它形式的電磁發(fā)射系統(tǒng)的多。重接型電磁發(fā)射系統(tǒng)沒有實際形式上的炮管﹐同時可用于加速的射彈體積比其它電磁發(fā)射系統(tǒng)的又大得多，并且?guī)缀醪皇芟拗啤Ｖ亟有碗姶虐l(fā)射系統(tǒng)具有一對互補的N-S或S-N極性的大型加速電磁鐵，此處重接型電磁發(fā)射系統(tǒng)的線圈設(shè)計不同于線圈式電磁發(fā)射系統(tǒng)為了方便射彈自我校準(zhǔn)而采用N-N或S-S方位排列，因而損失的電能很少，但是重接型電磁發(fā)射系統(tǒng)不同于線圈式電磁發(fā)射系統(tǒng)存在加速和減速的中和作用，因此它的加速度（或射彈受力）小。重接型電磁發(fā)射系統(tǒng)有無接觸、無燒蝕等線圈式電磁發(fā)射系統(tǒng)的優(yōu)點外，與此同時它的徑向磁力極小，而軸向加速用的磁力極大，因此歐姆導(dǎo)致的損失相對其他電磁發(fā)射系統(tǒng)而言小得多。重接型電磁發(fā)射系統(tǒng)適用于加速像火箭或飛機這類自推進的大型以及不宜有實際接觸的發(fā)射體。當(dāng)發(fā)射體的質(zhì)量遠大于幾百克時，重接型電磁發(fā)射系統(tǒng)的效率優(yōu)于導(dǎo)軌型電磁發(fā)射系統(tǒng)，重接型電磁發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射部特征長度將比導(dǎo)軌型電磁發(fā)射系統(tǒng)低一個數(shù)量級。因此，它對大型發(fā)射體能產(chǎn)生更高的加速度，并且隨射彈質(zhì)量增加而加速度卻不降低。同時它的發(fā)射體面臨的峰值壓力與平均壓力之差基本為0。重接型電磁發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射體在飛行中具有很大的穩(wěn)定性，因此不必擔(dān)心它會出現(xiàn)各種橫動、俯仰和偏航等異常現(xiàn)象。這種固有的穩(wěn)定性是因為電磁線