小型电磁发射模型的设计及线圈参数寻优

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电阻值等等 ,但是这些因素在整个设计过程中可以归结为初始
条件 ,已经是确定值 ,不在我们的寻优过程考虑范围中 。控制过
程对初始环境的寻优 ,围绕在如下主要因素 l 、n、x 的有限取值
区域中进行 。
线圈长度 线圈 能量转化率 线圈长度 线圈 能量转化率
(m)
层数
均值
(m)
层数
均值
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《自动化技术与应用》2006 年第 25 卷第 4 期
工业控制与应用
Industry Control and Applications
3 发射模型结构设计
本文所设计的发射模型由固定线圈 、发射管 、抛体 、电容 、检 测装置构成 。它由储能电容供电 。发射模型的尺寸为 :炮管外 径为 11210cm ,内径为 01986cm ,壁厚为 01112cm ,抛体为磁性材 料 (钢) ,长 81320cm ,重 361551g ,线圈长度分别为 4cm ,6cm ,8cm , 10cm。本实验要用这四种长度的线圈发射抛体 ,并且每种线圈 都要在 400v - 1200v 之间的各种电压下发射抛体 。
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表 1 不同长度 、不同层数一级电磁发射装置能量转化率平均
考虑到实际实验的抛体长度为 81320cm ,我们的设定 :放电 线圈的长度 l 区域为 (0cm ,10cm) ,放电线圈的层数 n 的区域为 (2 ,20) 层 ,对入口位置 x 的取值的选择 ,参照有关文献与以往的
[4 ] 高志军 1 一种基于 8031 单片机的瞬时测速方法[J ]1 洛阳工学 院学报 ,1999 , 20 (3) :43 - 45.
[ 5 ] SHUN - SHOU GAO , etc1 Test and analysis of a 3 一 stage reconnec2 tion coilgun[J ]1 IEEE Tran on MAG 1999 , 35 (1) : 142 - 147.
《自动化技术与应用》2006 年第 25 卷第 4 期
小型电磁发射模型的设计及线圈参数寻优
柴 猛 , 高俊山 , 孙百瑜
(哈尔滨理工大学 , 黑龙江 哈尔滨 150080)
摘 要 :本文基于电磁感应原理 ,设计和制作了电磁发射模型 。本模型采用光纤传感器探测抛体出口速度 。该模型在 400v - 1200v 电压下测出 4cm、6cm、8cm、10cm ,四种长度线圈发射抛体的出口速度 ,并利用数学优化算法对所获得的数据进行寻优获得一 个最佳模型 。
如图 1 ,若线圈中与抛体中电流同向 ,当抛体位于定子左侧 时 ,由电磁感应定律可知 :电枢受到的洛仑兹力向右 ,从而推动 抛体向前加速 。若抛体通过定子线圈的中面以后 ,线圈中与抛 体中电流仍同向 ,则抛体受到的力向左 ,从而变成减速力 。
收稿日期 :2005 - 12 - 16
图 1 电磁发射器原理图 Technique s of Automation &Applications | 61
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本文主要设计单级电磁发射模型 ,利用不同长度的线圈和 不同的电压发射抛体 ,测出抛体的出口速度 。再根据实验数据 分析各种线圈和电压发射的效果 ,从中寻优选择比较合适的线
圈长度和层数等参数使电磁能量转化成抛体出口动能的效率达 到最佳 ,为以后的多极线圈发射做准备 。
2 电磁发射器原理
电磁发射器是一种电磁驱动发射装置 ,其基本原理概括起 来就是导体在磁场中受到洛仑兹力的作用而被推动前进 。定子 线圈被激励而产生磁场 ,而抛体中也带有电流 (可以是外界提 供 ,也可以由定子线圈感应产生) ,感应产生的轴向磁场力推动 抛体运动 ,径向力则保持抛体悬浮以减少与导管的摩擦 。
图 412 4 层线圈速度Π电压 图 413 8 层线圈效率Π电压
图 414 8 层线圈速度Π电压
图 3 测控系统 本实验放电电压在 400v - 1200v 的区间上 ,因此为了保证实 验人员的安全本试验采用单片机控制晶闸管的导通 ,使实验人 员远离高压区 。 首先对电容充电 ,当电容中储能达到所需要求时 ,按下测控 电路中的启动开关 ,触发晶闸管导通使电容放电 ,发射线圈发射 抛体 。在炮口处有两个光纤传感器 。抛体通过第一个传感器时 传感器传送信号到单片机启动单片机的定时器 T0 开始定时 。 抛体通过第二个传感器时单片机接收到传感器的信号 ,定时器 T0 停止定时 。利用两个传感器之间的距离 s 和计时时间 t 通过 公式 v = sΠt 计算出出口速度 。
图414层线圈效率电压图424层线圈速度电压图438层线圈效率电压圈448层线圈速度电压圈4512层线圈效率电压图4612层线圈速度电压性能测试置产茎耋品兰量主差茎通过本文所设计的模型进行了大量的实验测得了大量的磁能量转化成抛体出口动能的效率不一定提高
工业控制与应用
Industry Control and Applications
关键词 :电磁发射 ; 参数优化 ; 光纤传感器 中图分类号 : TN97212 文献标识码 : A 文章编号 : 100327241 (2006) 0420061203
Desi g n a n d Pa ra m et e r Op ti mizati o n of a Pi nt- size d a Ma g netic La u nchin g M o del
工业控制与应用
Industry Control and Applications
《自动化技术与应用》2006 年第 25 卷第 4 期
装置电磁能量转化成抛体出口动能的效率达到最佳 。
一阶电磁发射系统的效率函数设为 :
f(l
, n , x)
=
1Π2 3 m 3 1Π2 3
v2 ( c3
l ,n u2
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projectiles are measured by the fiber sensor. The parameters of the winding is optimized based on the measured velocity. Key words : Electromagnetic launcher ; Parameter optimization ; Fiber sensor
实验经验 ,得出结论 :入口位置的优化于放电线圈的长度相关 , 在本次试验中我们选择的入口位置为发射线圈的长度的八分之 一左右 。此外抛体的质量 ,是一个重要的计算参数 。表 1 列出 了我们应用定义的效率函数部分计算结果 ,这些结果经过实际 试验的修正 。
考虑到我们定义区域的特殊性 ,寻优过程实际上是有限区 域的半整数规划 。显然寻优区域是一张复杂的高维曲面 ,且效 率函数是典型的非线性函数 ,针对本次实验我们采取了统计均 值回归解决方案 ,将区域简化为 l 和 n 的二维网格 ,将电压变化 作为统计回归的变因 ,计算结果如上 。从网格表里可以看出 ,在 初始条件确定的前提下 ,一级电磁发射装置的最优设计以大概 率趋近于线圈长度为 0104m、层数为 10 的小区间 。
据 ,利用 Matlab 软件绘制出如下的曲线图 : 图 411 4 层线圈效率Π电压
图 2 电磁发射模型
4 发射系统测控回路
本文所设计的测控回路如图 3 。采用电容器组为电磁发射 装置的线圈供电 ,220v 交流电经整流电路为电容器组充电 ,通过 控制晶闸管的导通控制电容放电 。主控芯片主要采用的是单片 机 ,传感器采用的是抗电磁干扰能力强的光纤传感器 [4] 。用微 机电源为测控电路提供 5v、15v 电源 。
参考文献 :
[1 ] 李小鹏 ,等 1 重接式电磁发射技术的现状及应用前景 [J ]1 微 电机 ,2002 ,35 (4) :39 - 46.
[2 ] 王静端 ,等 1 电磁发射技术的发展及其军事应用 [J ]1 火力与 指挥控制 ,2001 ,26 (1) :5 - 7.
[3 ] 李勇 ,等 1 电磁弹射技术的原理与现状 [J ]1 微特电机 ,2001 , (5) :3 - 18.
CHAI Meng , GAO Jun- shan , SUN Bai- yu
( Harbin University of Science and Technology , Harbin 150080 , China) Abstract :This paper presents the design of an electromagnetic launcher model based on the electromagnetism induction theory. This the velocity of the
,
x)
其中
m 为抛体质量 ,c
为
供电电容的值 (确定) ,u 为电容的充电电压 ,v (l ,n ,x) 为抛体的
出口速度函数 ,自变量 l 为一级发射线圈的长度 ,n 为发射线圈
的层数 ,x 为抛体在一级放电线圈的入口位置 ,在整个系统中 ,
还存在一些影响抛体出口速度的因素 ,如抛体的磁导率 ,导线的
5 性能测试
通过本文所设计的模型 ,进行了大量的实验测得了大量的 实验室数据 ,去掉其中由于系统的不稳定性带来的不合理的数 62 | Technique s of Automation &Applications
图 415 12 层线圈效率Π电压
图 416 12 层线圈速度Π电压 通过上述图表可以看出提高发射线圈发射电压后 ,发射装 置产生的电磁能量将随之增大 ,从而提高抛体的出口速度 ,但电 磁能量转化成抛体出口动能的效率不一定提高 。因此利用优化 算法对所得数据进行寻优 ,找到一组比较合理的参数 ,使得发射
1 引言
电磁发射器 (FM Launcher) ,就是利用电磁力提升和推动物 体 ,或者把物体加速到超高速 ( > 3kmΠs) 的装置 ,由于最初仅以 作武器为目的 ,因此又称电磁炮 (FM gun) 。
第一个 提 出 电 磁 发射 概 念 并 进 行 试 验 的 是 挪 威 奥 斯 陆 ( (OSLO) 大学物理学教授伯克兰 (Birkeland ) ,之后几起几落 ,历 经沧桑 。直到 1978 年 ,澳大利亚国立大学 R. A. 马歇尔 (Mar2 shall) 博士在 5m 长的轨道电磁炮上把 313g 的聚碳酸脂弹丸加速 到 519kmΠs ,从实验上证明了电磁发射的可行性 。从此 ,电磁发 射的研究工作迈入了新阶段 ,各军事强国纷纷投入大量人力财 力进行研究 、试验 。目前美国处于领先地位 ,1992 年美国电磁轨 道炮已经走出实验室 ,德克萨 斯 大 学 把 214kg 的 弹 丸 加 速 到 216kmΠs ,其能量可用于实战 ,美国正式宣布 2010 - 2015 年电磁 炮将用于实战[1 - 3] 。
6 结论
本文介绍了电磁发射的原理 ,设计了发射模型和测控电路 。 利用该发射模型进行了多次发射实验测得了大量的实验数据 , 并对实验数据进行分析 。结果表明 :从线圈的长度 、厚度及效率 之间的关系曲线可以看出 ,线圈的长度一定时 ,层数越多放电时 间越长 ,当放电电压初始值达到某个临界值时 ,抛体不出膛 。尽 管实验数据有偏差 ,有时甚至很大 ,但是可以看出在特定条件下 某个电压范围内效率趋于最大 。通过利用优化算法对数据寻 优 ,得出在本次试验的模型中 10 层的 4cm 长线圈发射效果比较 好的结论 。