基于电流丝法的多级同步感应线圈炮电枢温升计算

针对同步感应线圈炮常用的导体圆筒式电枢,结合电流丝法,建立了电枢温升计算模型;通过搭建三级同步感应线圈炮试验平台,验证了计算模型的正确性,并分析了电枢材料和剖分设置对电枢温升计算的影响。结果表明：发射过程中电枢的最高温升位于其底部外侧,电枢前端也有较高温升;当调节载荷使铜、铝电枢等质量时,前者的温升虽然更高,但温升对其发射效率的影响却小于后者,这是因为铜的电阻率温度系数小于铝;电枢的剖分设置对电枢温升的计算的影响比较明显。因此从电枢温升对发射过程的影响来看,铜电枢比铝电枢更适合用于高速发射。     

线圈炮电枢电磁-热耦合仿真分析

从麦克斯韦方程组和导热微分方程出发,导出了3维多级感应线圈炮电磁场、温度场分布的基本方程,并以电磁场和温度场有限元分析为基础,建立了3维有限元分析模型,忽略级间的相互影响,多级线圈炮中电枢温升可以等效为多个单级电枢的温升,运用通用有限元分析软件ANSYS的耦合计算流程,对单级感应线圈炮中电枢电磁场和温度场进行仿真。计算中考虑了材料物理参数随温度变化对温度场的影响。仿真结果表明：电枢内的温升主要分布在电枢的外表面和尾部;电枢的温度随着电容器组电压和电容增加而升高,这是因为总能量增大,电枢中涡流也增大,从而电枢的温度升高;电枢的触发位置和速度匹配关系,也会对电枢温升造成很大的影响;电枢的温度随着级数的增加逐渐升高,说明电枢在一定级数后达到了材料的熔点而被破坏。     

单级同步感应线圈炮堵驻电磁力研究

堵驻状态下,单级同步感应线圈炮(SSICG)的电枢位置固定,电枢与线圈间的互感和互感梯度保持不变,且电磁力与线圈电流平方存在一定的线性关系。分别利用Matlab和Ansoft软件建立了SSICG电流丝等效电路模型以及有限元模型,对不同放电电压下的堵驻电磁力进行了仿真计算。最后利用实验室设计生产的SSICG样机对堵驻电磁力进行了测量,试验数据与仿真结果吻合较好,验证了电磁力与线圈电流平方的线性关系,为SSICG动态发射提供了试验基础。     

单级同步感应线圈炮堵驻电磁力研究

堵驻状态下,单级同步感应线圈炮（SSICG）的电枢位置固定,电枢与线圈间的互感和互感梯度保持不变,且电磁力与线圈电流平方存在一定的线性关系。分别利用Matlab和Ansoft软件建立了SSICG电流丝等效电路模型以及有限元模型,对不同放电电压下的堵驻电磁力进行了仿真计算。最后利用实验室设计生产的SSICG样机对堵驻电磁力进行了测量,试验数据与仿真结果吻合较好,验证了电磁力与线圈电流平方的线性关系,为SSICG动态发射提供了试验基础。     

线圈炮电枢电磁-热耦合仿真分析

 从麦克斯韦方程组和导热微分方程出发,导出了3维多级感应线圈炮电磁场、温度场分布的基本方程,并以电磁场和温度场有限元分析为基础,建立了3维有限元分析模型,忽略级间的相互影响,多级线圈炮中电枢温升可以等效为多个单级电枢的温升,运用通用有限元分析软件ANSYS的耦合计算流程,对单级感应线圈炮中电枢电磁场和温度场进行仿真。计算中考虑了材料物理参数随温度变化对温度场的影响。仿真结果表明：电枢内的温升主要分布在电枢的外表面和尾部;电枢的温度随着电容器组电压和电容增加而升高,这是因为总能量增大,电枢中涡流也增大,从而电枢的温度升高;电枢的触发位置和速度匹配关系,也会对电枢温升造成很大的影响;电枢的温度随着级数的增加逐渐升高,说明电枢在一定级数后达到了材料的熔点而被破坏。     

多级感应线圈炮最优发射控制策略

基于电路理论,建立了多级感应线圈炮数学机电控制模型;分析了电枢受力的影响因素,结果表明,电枢受力决定于驱动线圈和电枢的电流大小和它们之间的互感梯度。总结了多级同步感应线圈炮设计原则,根据设计原则,提出了感应线圈炮的最优发射控制策略,并从理论上证明其可行性,最后以10级线圈炮为例,归纳了多级感应线圈炮的触发公式,并进行了实验验证,其结果表明,通过修正触发公式,仿真结果与测量值吻合较好。     

多级感应线圈炮最优发射控制策略

基于电路理论,建立了多级感应线圈炮数学机电控制模型;分析了电枢受力的影响因素,结果表明,电枢受力决定于驱动线圈和电枢的电流大小和它们之间的互感梯度。总结了多级同步感应线圈炮设计原则,根据设计原则,提出了感应线圈炮的最优发射控制策略,并从理论上证明其可行性,最后以10级线圈炮为例,归纳了多级感应线圈炮的触发公式,并进行了实验验证,其结果表明,通过修正触发公式,仿真结果与测量值吻合较好。     

基于遗传算法的同步感应线圈发射装置参数优化

发射速度和能量转换效率是同步感应线圈型电磁发射装置（SICEML）最重要的两项指标。驱动线圈和电枢的结构参数、驱动线圈匝数以及电枢初始触发位置都会对这两项指标产生影响。以上述参数为变量,以发射速度和能量转换效率之积为目标函数,引入遗传算法对单级SICEML参数进行了优化设计,并利用有限元软件进行了仿真验证。结果表明：在储能与发射装置总体体积不变的前提下,优化后的系统效率由5.38%提高到13.6%,出口速度由38 m/s提高到61 m/s,系统性能得到明显改善。利用单级SICEML样机进行了堵驻试验,结果与仿真结果吻合较好,验证了本文提出的遗传算法的可行性。     

60 mm口径电磁感应线圈炮的实验研究

 介绍了一种电磁感应线圈发射装置，把直径为60 mm、1 kg重的抛体加速到60 m/s的速度。对电磁感应线圈炮的作用原理和系统性能进行了分析，给出了该系统的结构及测试控制系统，并对实验结果和理论预估作了对比和讨论。     

电磁线圈炮计算程序的收敛性与实验验证

根据电磁线圈炮中推力线圈与电枢之间的感应耦合方程和电枢动态响应方程,考虑发射过程中推力线圈和电枢的欧姆加热,开发了电磁线圈炮的计算程序,给出了程序的算法和流程。分析了程序的收敛性,认为最大时间步长和电枢最大网格均依赖于驱动脉冲波形的上升时间。通过模拟结果与单级线圈炮实验测量结果的比较,验证了程序的有效性。模拟的线圈电流波形与实验波形吻合较好,模拟的出口速度比测量速度大约6.5%。程序收敛性和有效性的验证表明该程序可用于电磁线圈炮系统的初步设计。     

Key design parameters and optimum method of medium- and high-velocity synchronous induction coilgun based on orthogonal experimental design

The energy conversion efficiency of a multistage synchronous induction coilgun(MSSICG) has become one of the key factors that restricts its industrialization. To improve the launch efficiency of medium-and high-velocity MSSICG,we propose an optimization design scheme combining orthogonal experimental design(OED) and self-consistent design method in this paper. The OED is introduced to reduce the number of iterations and improve the identification accuracy and efficiency. A self-consistent design model is established to overcome a defect that the parameters that need to be optimized will multiply as the number of coil stages increases. The influence of six factors(radial thickness of armature, axial length of armature, axial length of coil, capacitance, wire diameter, and slip speed) on the launch efficiency are then evaluated by range analysis. This work presents a valuable reference for optimizing medium-and high-velocity MSSICG.     

基于感应变压器原理的多路开关同步触发技术

为满足直线变压器驱动源(LTD)中大规模开关同步触发的技术需求,提出了一种采用逆LTD结构、基于感应变压器原理的多路LTD开关同步触发技术（LTD-trigger）。它的工作原理类似若干个串联工作的脉冲变压器,即初级输入一个高压快脉冲,通过脉冲变压器的感应耦合后在次级输出多路的同步触发脉冲,且能够与LTD中的气体开关形成很好的对应关系。与传统的触发技术相比,LTD-trigger的同轴结构有效地减小了触发脉冲的延时与抖动,并且通过合理设计,能够满足LTD模块对于同步触发的要求。分析了LTD-trigger的工作原理,建立了电路模型和仿真模型,通过仿真结果和一些故障模式分析,结合已开展的初步实验结果,验证了同步触发技术的可行性。     

基于感应变压器原理的多路开关同步触发技术

为满足直线变压器驱动源(LTD)中大规模开关同步触发的技术需求,提出了一种采用逆LTD结构、基于感应变压器原理的多路LTD开关同步触发技术（LTD-trigger）。它的工作原理类似若干个串联工作的脉冲变压器,即初级输入一个高压快脉冲,通过脉冲变压器的感应耦合后在次级输出多路的同步触发脉冲,且能够与LTD中的气体开关形成很好的对应关系。与传统的触发技术相比,LTD-trigger的同轴结构有效地减小了触发脉冲的延时与抖动,并且通过合理设计,能够满足LTD模块对于同步触发的要求。分析了LTD-trigger的工作原理,建立了电路模型和仿真模型,通过仿真结果和一些故障模式分析,结合已开展的初步实验结果,验证了同步触发技术的可行性。     

高温超导电机电枢线圈临界电流密度研究

高温超导线材的临界电流密度受磁场的影响,在设计计算时,通常假设在线圈截面上电流密度是均匀分布的。但是,实际上在线圈截面上,电压是一致的。由于线圈中的磁场不均匀分布,各处的临界电流密度是不同的。采用数值模拟的方法,分析了高温超导线圈截面上的临界电流分布。结果显示,临界电流密度的分布是不均匀的,总的临界电流可比按均匀分布时的计算结果提高25%以上。     

不同轨道结构下电枢电流分布特性

解决轨道和电枢的烧蚀问题是六极轨道电磁发射器走向实际应用的关键环节,引起轨道和电枢烧蚀的原因之一就是轨道和电枢中电流分布不均匀。利用有限元仿真软件Ansoft Maxwell对三种不同轨道进行仿真,得到了电枢表面电流密度分布情况以及电枢受力。结果表明：矩形轨道对应电枢表面电流密度最大值在三种轨道中最小,凸出半圆形轨道枢轨接触面电流分布最均匀,在发射过程中可以有效减少轨道和电枢的烧蚀,凹陷半圆形轨道对应的电枢受力最大,可用于大质量物体的发射。     

Numerical simulation of inductive method for determining spatial distribution of critical current density

The inductive method for measuring the critical current density j_C in a high-temperature superconducting (HTS) thin film has been investigated numerically. In order to simulate the method, a non-axisymmetric numerical code has been developed for analyzing the time evolution of the shielding current density. In the code, the governing equation of the shielding current density is spatially discretized with the finite element method and the resulting first-order ordinary differential system is solved by using the 5th-order Runge–Kutta method with an adaptive step-size control algorithm. By using the code, the threshold current I_T is evaluated for various positions of a coil. The results of computations show that, near a film edge, the accuracy of the estimating formula for j_C is remarkably degraded. Moreover, even the proportional relationship between j_C and I_T will be lost there. Hence, the critical current density near a film edge cannot be estimated by using the inductive method.     

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根据等离子体边界附近的磁场测量信号,利用电流丝模型快速识别了等离子体的边界。介绍了该模型的基本原理,并重点研究了目标函数的选择对快速识别等离子体边界的影响。