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多级同步感应线圈炮的出口速度影响因素分析

汤靖 丁承瀚 郝冠宇 林福昌 张钦

汤靖, 丁承瀚, 郝冠宇, 等. 多级同步感应线圈炮的出口速度影响因素分析[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202638.250337
引用本文: 汤靖, 丁承瀚, 郝冠宇, 等. 多级同步感应线圈炮的出口速度影响因素分析[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202638.250337
Tang Jing, Ding Chenghan, Hao Guanyu, et al. Analysis of influencing factors on outlet velocity of multi-stage synchronous induction coil gun[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202638.250337
Citation: Tang Jing, Ding Chenghan, Hao Guanyu, et al. Analysis of influencing factors on outlet velocity of multi-stage synchronous induction coil gun[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202638.250337

多级同步感应线圈炮的出口速度影响因素分析

doi: 10.11884/HPLPB202638.250337
详细信息
    作者简介:

    汤 靖,tang_jing@hust.edu.cn

    通讯作者:

    郝冠宇,haoguanyu@hust.edu.cn

  • 中图分类号: TM89

Analysis of influencing factors on outlet velocity of multi-stage synchronous induction coil gun

  • 摘要: 多级同步感应线圈炮的电枢出口速度受线圈-电枢发射系统的结构参数、材料参数及线圈激励电路参数等多种因素的综合影响。由于电枢出口速度直接取决于其受到的轴向电磁力,而电磁力与线圈电流和电枢感应涡流等因素正相关,因此增大电枢出口速度的本质是增大电枢所受电磁力或电枢感应涡流。为探究线圈发射中影响出口速度的因素,基于等效电路模型探讨了提高出口速度的理论路径;并以5级线圈驱动32 kg电枢为研究对象,利用有限元软件Ansys Maxwell仿真分析了影响出口速度的因素。主要结论如下:等效电路分析表明,减小回路总电感可提高出口速度;在实际发射系统中,减小单级线圈匝数、降低矩形导线截面形状因子(径向宽/轴向宽)、增大电枢厚度与长度、减小线路电感,均可提高电枢出口速度;其中,线圈匝数由48匝降至24匝时,出口速度提升5.2%;电枢长度由110 mm增大至440 mm时,出口速度提升15.3%。最终仿真实现5级线圈驱动32 kg电枢的出口速度达202.1 m/s,发射效率为33.3%。本文研究结果为设计多级同步感应型线圈发射实验方案提供了一定的理论支撑。
  • 图  1  仿真设置示意图

    Figure  1.  Simulation setting diagram

    图  2  5级线圈-电枢简化电路

    Figure  2.  The 5-stage coil-armature simplified circuit

    图  3  第i级线圈-电枢T型等效电路

    Figure  3.  The i-stage coil-armature T-type equivalent circuit

    图  4  离散化空心圆环电枢

    Figure  4.  Discrete hollow ring armature

    图  5  线圈电流波形分析

    Figure  5.  The analysis of coil current waveforms

    图  6  不同线圈匝数的有限元仿真结果

    Figure  6.  Finite element simulation results with different coil turns

    图  7  矩形导线截面

    Figure  7.  Rectangular wire section

    图  8  不同α的有限元仿真结果

    Figure  8.  Finite element simulation results with different α

    图  9  不同电枢厚度时回路等效电感

    Figure  9.  Loop equivalent inductance at different thickness of armature

    图  10  不同电枢厚度的有限元仿真结果

    Figure  10.  Finite element simulation results with different thickness of armature

    图  11  不同电枢长度时回路等效电感

    Figure  11.  Loop equivalent inductance at different length of armature

    图  12  不同电枢长度的有限元仿真结果

    Figure  12.  Finite element simulation results with different length of armature

    图  13  不同线路电感Ll的有限元仿真结果

    Figure  13.  Finite element simulation results of different line inductance Ll

    图  14  电枢速度和电磁力有限元仿真结果

    Figure  14.  Finite element simulation results of armature velocity and electromagnetic force

    图  15  优化参数下线圈电流-时间曲线

    Figure  15.  Coil current-time curve under optimized parameters

    图  16  单级线圈-电枢磁场与范式等效应力仿真(80 kA)

    Figure  16.  Simulation of single-stage coil-armature magnetic field and von mises stress (80 kA)

    表  1  线圈匝数与电枢出口速度、发射效率间的关系

    Table  1.   The relationship between coil turns and armature outlet velocity, launch efficiency

    N armature outlet velocity/m·s−1 launch efficiency
    24 192.9 30.4%
    30 191.1 29.8%
    36 189.0 29.2%
    42 186.8 28.5%
    48 183.4 27.5%
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    表  2  α与导线截面尺寸的对应关系

    Table  2.   The corresponding relationship between α and wire section size

    α section size(radial width*axial width)/(mm2)
    4/3 8×6
    1 6.928×6.928
    3/4 6×8
    12/25 4.8×10
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    表  3  α与电枢出口速度、发射效率间的关系

    Table  3.   The relationship between α and armature outlet velocity, launch efficiency

    α armature outlet velocity/m·s−1 launch efficiency
    4/3 183.1 27.4%
    1 188.7 29.1%
    3/4 192.9 30.4%
    12/25 197.1 31.7%
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    表  4  电枢厚度与电枢出口速度、发射效率间的关系

    Table  4.   The relationship between the thickness of armature and armature outlet velocity, launch efficiency

    D armature outlet velocity/m·s−1 launch efficiency/%
    10 188.2 28.9
    20 192.9 30.4
    30 194.4 30.8
    40 194.9 31.0
    50 195.2 31.1
    60 195.4 31.2
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    表  5  电枢长度与电枢出口速度、发射效率间的关系

    Table  5.   The relationship between the length of armature and armature outlet velocity, launch efficiency

    H armature outlet velocity/m·s−1 launch efficiency/%
    110 168.9 23.3
    220 192.9 30.4
    330 194.8 31.0
    440 194.8 31.0
    550 194.8 31.0
    660 194.8 31.0
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    表  6  Ll与电枢出口速度、发射效率间的关系

    Table  6.   The relationship between Ll and armature outlet velocity, launch efficiency

    Ll armature outlet velocity/m·s−1 launch efficiency/%
    0 194.6 30.9
    5 193.2 30.5
    12.5 192.9 30.4
    20 191.4 29.9
    25 189.8 29.4
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    表  7  线圈结构参数

    Table  7.   Coil structure parameters

    parameter type N α cross-sectional area of
    rectangular wire/mm2
    optimization parameters 24 12/25 48
    initial parameters 36 3/4 48
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    表  8  线圈激励电路参数

    Table  8.   Coil excitation circuit parameters

    parameter type storage capacitor/mF voltage of storage capacitor/kV line inductance/μH line resistance/mΩ
    optimization
    parameters
    16 7 5 8.6
    initial
    parameters
    16 7 10 8.6
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    表  9  电枢结构参数

    Table  9.   Armature structure parameters

    parameter type D/mm H/mm
    optimization parameters 20 300
    initial parameters 30 220
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-10-11
  • 修回日期:  2025-12-25
  • 录用日期:  2025-12-16
  • 网络出版日期:  2026-01-10

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