论文导读:：对于多级同步感应线圈炮来说，在以前的文献中比较成熟的模型是基于电流丝方法建立起来的机电模型，它的优点计算速度快，缺点无法考虑线圈炮的外围结构和材料特性对其产生的影响，针对这种情况，推导给出了总体采用矢量磁位 、电路中的驱动线圈中电流 作为求解对象的场路耦合瞬态电磁场模型，利用节点力法计算电枢所受的电磁力，根据电枢运动学模型，进一步推导出耦合运动的多级感应线圈炮的机电模型，并进行有限元离散求解。应用上述模型对5级感应线圈炮进行分析，计算结果与实验结果相吻合，验证了该模型的正确性。
论文关键词：多级感应线圈炮，耦合运动，时步法，瞬态模型
0、引言
感应线圈炮是电磁发射器中的一种，它适宜将质量较大的有效载荷加速到高速，在未来军事领域具有十分广阔的应用前景[1,2]。在感应线圈炮的研究领域，美国桑地亚国家实验室和美国德克萨斯大学机电中心等研究单位一直处于领先地位。到目前为止，国内外分析和研究感应线圈炮的数值模型主要包括：柱状电流层模型、丝状圆环电流法以及电路方法[3,4,5]。但以上模型对感应线圈炮内涡流场分布研究较少。而基于场的角度建立感应线圈炮机电模型更少论文格式范文。文献[6]提出了利用有限元和边界元耦合的方法建立感应线圈炮二维机电模型，并进行了分析，但此文中没有电路方程瞬态模型，而实际感应线圈炮都是被电压源激励的；文献[7]分析了感应线圈炮中运动效应的影响，并利用运动坐标系去掉了控制方程速度项，使离散矩阵对称性，求解方便，但此文中没有具体考虑电路方程，只给出一个场路耦合象征方程，而且没有把运动学和磁场控制方程耦合求解。
基于以上情况，本文在多级同步感应线圈炮三维结构模型的基础上，基于麦克斯韦方程组建立了感应线炮内部的场控制方程，利用运动坐标系去掉控制方程中速度项，同时将多级同步感应线圈炮的馈电电路简化为RLC电路，建立了线圈炮外部电路方程，从而得到了基于场路耦合方法的感应线圈炮数学模型；根据所得到的矢量磁位利用节点法计算电枢所得电磁力，并根据电枢运动学方程，结合上面推导的场路耦合方程瞬态模型，建立多级同步感应线圈炮的机电模型，并进行有限元离散求解。
1、多级感应线圈炮三维结构模型
 多级同步感应线圈炮的主要结构组成包括：各级线圈绕组、电枢、线圈本体和炮管。其三维结构图如图1所示。其中区域Ω1、Ω2、Ω3、Ω4别代表电枢、驱动线圈、气隙和炮管。
2、多级感应线圈炮耦合运动磁场控制模型
为了便于建立多级感应线圈炮内磁场及涡流场的控制模型，现假定如下：
（1）不考虑电枢的横向偏移，假定电枢轴线中心、炮管中心以及驱动线圈中心重合，满足轴对称条件；
（2）不考虑电枢在电磁力的作用下而产生形变。
在上述假定条件下，多级感应线圈炮内磁场及涡流场的控制方程可由麦克斯韦方程导出，并考虑电枢运动效应可推出多级感应线圈炮的三维控制方程，第k级驱动线圈放电时磁场控制方程：
 （1）
 （2）
假定在源电源区域不考虑涡流效应，因此对于第1级驱动线圈区域：
同理可得第2级驱动线圈区域磁场控制方程、第3级驱动线圈区域磁场控制方程……第k级驱动线圈区域磁场控制方程如下：
 （3）
其中，
式中，——电枢区域矢量磁位；
 ——第i级驱动线圈放电在电枢区域产生的矢量磁位；
 ——电枢的电位；
 ——电枢的速度；
 ——电枢的磁阻率；
 ——电枢的电导率；
如图1所示中，一体化弹丸区域Ω1是涡流区，故控制方程为式（1）；在驱动线圈区域Ω2为源电流区，故控制方程为式（3）；对于气隙区域Ω3、炮管区域Ω4， 其控制方程为式（2）。这样就建立了多级感应线圈炮的磁场控制方程。
要想求解多级感应线圈炮的磁场控制方程瞬态模型，除了初始条件外，还要有各区域边界条件。假设 为区域Ω1和区域 的交界面， 为的单位法向量，S为的外边界，分为两部分 和 ， 为S的单位法向量，其中上已知磁场强度法向分量，上已知磁场强度切向分量论文格式范文。
由上面的假设可写出求解的边界条件：
 在上（4）
 在上（5）
 在上（6）
3、方程中运动项处理—运动坐标系
在以上对运动涡流场的数学描述中，速度反映在方程的对流项 中。这是由于对系统中静止和运动的区域采用了同一套坐标系（例如实验室坐标系）进行描述，这种描述称为Eulerian描述，也常称静止坐标系描述。但是假如观察者本身处于运动体上，即在每一处运动区域上用一套与运动区域一同运动的坐标系进行描述，则对流项将不会显式地出现在方程中，这种描述称为Lagrangian描述，或称运动坐标系描述。
1/3 1 2 3 下一页 尾页 |
