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电磁感应线圈发射器的电磁温度场研究

龚宇佳  
【摘要】:电磁线圈发射技术采用电能作为动力能源,产生电磁力将物体发射出去,与传统火炮相比其优势明显。然而,电磁线圈发射器对高速运动的需求使得线圈储存能量较多,消耗能量较大,在连续脉冲放电工况下温度会过度累积,引发线圈绝缘破坏、电枢熔融等问题,最终导致发射失败。因此,准确计算研究电磁线圈发射器的连续脉冲放电温度分布规律并采取温度控制措施具有十分重要的意义。本文以单级感应线圈发射器为主要研究对象,建立了线圈发射器的详细模型,采用多物理场耦合计算方法对电磁线圈发射器的内部温度分布规律进行研究,主要研究内容如下:(1)简单介绍了电磁感应线圈发射器的基本原理,提出基于集总参数的电流丝法,计算电磁感应线圈发射器运动情况下的电磁-温度场。并讨论电枢剖分的影响与温度是否影响热学参数的对比,研究表明温度不影响电阻率和比热容时与温度影响参数相比,电枢的动能更大,线圈温升更小,但是差距较小。(2)介绍了多物理场耦合计算数学模型中的电磁场控制方程与温度场控制方程以及直接耦合与间接耦合的仿真计算流程。以单次脉冲放电单级感应线圈发射器为研究对象,采用有限元法对模型电磁-温度场进行研究与讨论,将结果与电流丝法进行比较。并开展了单级感应线圈发射器单次脉冲放电温度测量试验,试验结果表明,试验电流结果与仿真基本一致,在考虑温度传感器测量滞后性与采样频率的误差下,线圈与电枢的温度测量最大温差为6.1%。(3)对单级感应线圈连续脉冲放电的电磁-温度场进行了仿真,计算结果表明随着发射次数增多,电枢与线圈温度逐渐升高,电阻增加,相同能量下线圈与电枢通过电流减小,线圈与电枢连续脉冲放电的单次冲击温升降低。随后开展了单级线圈发射器的连续脉冲放电温度测量试验,试验结果表明,试验电流结果与仿真基本一致,考虑温度传感器测量滞后性与采样频率的误差下,线圈与电枢的温度误差最大为9.59%,验证了仿真结果。(4)结合单级感应线圈发射器温度场与连续脉冲放电温度场仿真的计算结果及试验验证,分析了强制风冷、不同匝数与外电路增加续流电阻等方法对线圈与电枢连续脉冲放电温升的影响,并且对续流电阻控制方法展开温度试验,验证了仿真结果,最后提出了电枢与线圈的电磁感应线圈发射器连续脉冲放电温升控制方案。


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