增強(qiáng)型電磁驅(qū)動器建模及參數(shù)的確定

王福勝

（二重（德陽）重型裝備有限公司，四川德陽 618013）

0 引言

電磁軌道驅(qū)動因具有初速高、動能大、初速可控等優(yōu)點(diǎn)被廣泛研究和應(yīng)用，但驅(qū)動過程處于強(qiáng)磁場、大電流、超高溫和高速摩擦磨損等極端條件下，十分復(fù)雜，電樞速度作為最基本的參數(shù)對驅(qū)動系統(tǒng)具有重要意義。電樞初速受到多種驅(qū)動參數(shù)的影響，如加載電流的大小、電樞的質(zhì)量、電樞的裝載位置以及電樞初始預(yù)緊力的大小等。

為了使用盡量少的試驗(yàn)來達(dá)到較好的試驗(yàn)效果，本文對增強(qiáng)型電磁驅(qū)動過程進(jìn)行分析，對電樞所受電磁力、摩擦力及空氣阻力等進(jìn)行動力學(xué)建模，并結(jié)合驅(qū)動器電感梯度、電阻梯度等關(guān)鍵參數(shù)建立了增強(qiáng)型電磁軌道驅(qū)動系統(tǒng)模型。通過仿真與實(shí)際驅(qū)動試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了所建立模型的有效性，對實(shí)際驅(qū)動試驗(yàn)中參數(shù)的選擇、驅(qū)動器的設(shè)計及驅(qū)動過程的分析具有重要意義。

1 增強(qiáng)型電磁軌道驅(qū)動數(shù)學(xué)模型

增強(qiáng)型電磁軌道驅(qū)動系統(tǒng)主要由脈沖電源模塊、軌道和電樞3 部分組成（圖1）。由脈沖電源模塊放電形成脈沖電流，為電樞提供電磁力，使得電樞在軌道中加速并獲得較高的初速[1]。

圖1 增強(qiáng)型驅(qū)動器原理

由上述分析可知增強(qiáng)型電磁軌道驅(qū)動模型主要包括脈沖功率電源模塊模型、軌道模型和電樞動力學(xué)模型3 部分。

1.1 脈沖功率電源模型

多個脈沖成形網(wǎng)絡(luò)組成脈沖功率電源模塊，每個脈沖成形網(wǎng)絡(luò)相互獨(dú)立，可根據(jù)實(shí)際驅(qū)動需要選擇使用個數(shù)。脈沖成形網(wǎng)絡(luò)主要由脈沖電容器（C1…Cn）、晶閘管（T1…Tn）、電感（L1…Ln）、續(xù)流硅堆（D1…Dn）和電阻（R1…Rn）等組成，其放電過程主要包括脈沖電容器放電和電感續(xù)流兩部分。

1.2 軌道模型

增強(qiáng)型電磁軌道驅(qū)動器軌道模型主要包括軌道電感梯度、電阻梯度及接觸電阻3 個部分[2]。對于圖2 所示的軌道截面的增強(qiáng)型軌道驅(qū)動器模型，可以通過Batteh 公式得到電感梯度[3]：L′=

圖2 軌道截面

1.3 電樞動力學(xué)模型

電樞在驅(qū)動過程中除受到電磁力外、還受到摩擦力、空氣阻力及燒蝕、刨削等阻力，其中摩擦力是影響電樞速度的關(guān)鍵因素[4]。電樞在運(yùn)動過程中，主要受到前進(jìn)方向上的摩擦力和空氣阻力，因此在運(yùn)動方向上的主應(yīng)力

其中，F(xiàn)0為初始正壓力，u為材料泊松比，F(xiàn)e為電磁力，F(xiàn)p為彈前空氣阻力，A為電樞橫截面積，S 為樞軌接觸面積。

電樞所受滑動摩擦力Ff=4v-0.4Ftot，電樞受到的空氣阻力Fp=其中r為氣體比熱比。

軌道刨削和燒蝕產(chǎn)生的阻力K1sin（ωt）和隨機(jī)產(chǎn)生的軌道刨削現(xiàn)象Bkε（t）有關(guān)，故可將刨削和燒蝕采用階躍模型表示為：

2 模型搭建及仿真

本文是以多個脈沖電源模塊從驅(qū)動器尾部供電，金屬電樞作為推進(jìn)材料的電磁驅(qū)動系統(tǒng)，根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型，分析各模塊模型之間的關(guān)系，按圖3 所示關(guān)系構(gòu)建驅(qū)動模型。

圖3 電磁驅(qū)動系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)充電電壓為2000 V，其他參數(shù)見表1，結(jié)合仿真模型得到的放電電流、電樞位移及電樞速度曲線如圖4～圖7 所示。

由圖4 可以看出，電流上升時間短、下降相對較快，符合實(shí)際驅(qū)動對電源要求。在驅(qū)動起始階段，電樞速度受到靜摩擦力作用，使得速度基本為零，并未明顯移動。隨后電磁力起主導(dǎo)作用，使得電樞速度快速增加，但隨著電流的下降，電磁力減小，摩擦力、空氣阻力等因素對電樞速度的影響變大，電樞加速緩慢，速度變化較小。符合圖5 和圖6 電樞速度變化率先增大后減小的規(guī)律，仿真結(jié)果可以體現(xiàn)電樞速度變化過程。

圖4 放電電流曲線

圖5 電樞位移曲線

圖6 電樞速度曲線

3 試驗(yàn)結(jié)果對比分析

按照表1 參數(shù)進(jìn)行驅(qū)動試驗(yàn)，在軌道上放置20 個磁探針用于測量驅(qū)動過程中電樞速度，并使用羅氏線圈結(jié)合電流積分器測量單個脈沖電源的放電電流。羅氏線圈輸出電壓最大值為3.48 V，結(jié)合羅氏線圈輸出電壓與電流積分比值160，可得單個脈沖電源放電電流峰值為21.75 kA，與仿真模型中10 個脈沖電源模塊放電電流峰值202.2 kA 相差不大，且羅氏線圈所測得的放電電流曲線和仿真所得放電電流曲線一致。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

電磁驅(qū)動過程時間短暫，當(dāng)磁探針距離遠(yuǎn)小于軌道長度時，電樞通過兩個相鄰磁探針的平均速度可代替電樞在磁探針位置處的瞬時速度，選擇磁探針感應(yīng)電壓過零點(diǎn)對應(yīng)的時間作為電樞通過磁探針的時間。將試驗(yàn)測量得到的電樞速度和仿真獲得的電樞速度曲線進(jìn)行對比，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 試驗(yàn)與仿真電樞速度對比

磁探針?biāo)鶞y速度存在一定的波動，這是由于磁探針測速精度及電樞存在轉(zhuǎn)捩等現(xiàn)象導(dǎo)致。試驗(yàn)測得的電樞速度和仿真所得到的電樞速度稍有偏差，表明所建立的模型中某些參數(shù)可做進(jìn)一步調(diào)整來提高模型精度，但從整體上看，仿真模型與實(shí)際驅(qū)動試驗(yàn)電樞速度趨勢一致，仿真結(jié)果可以較好地擬合實(shí)際驅(qū)動試驗(yàn)，對實(shí)際試驗(yàn)的設(shè)計和指導(dǎo)具有重要意義。

4 結(jié)論

本文建立了包含脈沖電源充電電壓、電樞質(zhì)量、電樞初始位置及初始壓力等參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，來模擬增強(qiáng)型軌道驅(qū)動器的動態(tài)驅(qū)動過程。該模型可用于分析不同試驗(yàn)參數(shù)對驅(qū)動過程的影響，從而對實(shí)際試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，在達(dá)到預(yù)期試驗(yàn)效果的前提下減小試驗(yàn)次數(shù)并降低驅(qū)動成本。增強(qiáng)型電磁軌道驅(qū)動模型有效解決了實(shí)際驅(qū)動試驗(yàn)中參數(shù)選擇等問題，為電磁驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計提供了有益的參考。