一种共轴圆柱电感平行放置的电磁力发生装置

本发明涉及航天器冲击动力试验、舰载机电磁弹射领域，尤其涉及一种共轴圆柱电感平行放置的电磁力发生装置。

随着我国国防军事装备的飞速发展，大吨位火箭发射、航母电磁弹射需要的推力大幅提升，在模拟火箭爆炸分离地面、舰载机电磁弹射等航空航天航海领域的冲击动力试验中，要求实验的动力加载装置提供的推力以及加速度也大幅提升。

目前，国内外对电磁推力装置的研究很多，主要集中在用于电路开关分离等场合的线盘式电磁推力装置上，这些装置推力小且结构复杂，不能应用在航天器冲击动力试验、舰载机电磁弹射等实验中。

同时，在火箭爆炸分离地面模拟场合，现有用于航天器冲击动力测验的电磁式霍普金森杆装置，其动力加载装置只采用了一个主动线圈和次级线圈，这种结构的电磁装置由于磁通密度小导致电磁推力不大，在电磁推力、加速度等方面不能满足新一代火箭的实验要求。并且，由于这些电磁推力装置只有一个主动线圈，只能产生单一波形的电磁推力，无法满足某些场合对复合型电磁力波的需要。

综上所述，现有电磁推力装置结构复杂、电磁推力小、加速度低，无法满足当前大吨位航天器冲击试验、舰载机弹射实验的需求，急需一种新方案来满足实验要求。

本发明主要的目的在于解决现有电磁推力装置无法满足航天器冲击动力试验、舰载机电磁弹射等场合对大推力、高加速度的需求的问题。

为此，本发明提出了一种共轴圆柱电感平行放置的电磁力发生装置。这种电磁力发生装置采用了一种平行放置的共轴圆柱电感结构，是螺线-盘式电磁推力装置，主要包括一个及以上的空心圆柱电感和一个次级线圈。

所述空心圆柱电感为主动线圈，由线圈螺线式绕制而成；

本发明所述平行放置的共轴圆柱电感结构是指，各个空心圆柱电感相互嵌套，处于同一中心轴线上，且各个空心圆柱电感一端保持平齐；

所述共轴圆柱电感平行放置的电感结构中，各个相邻的空心圆柱电感之间保持有一定的间隙，便于绝缘和安装。

所述次级线圈可以为金属盘，电阻率越小，越能产生更大的涡流，提供更大的电磁推力；所述次级线圈的初始位置靠近共轴圆柱电感保持平齐的一端，可以沿着所述共轴圆柱电感结构的轴线向外运动；所述次级线圈形状可根据需要进行调整，可以是金属圆盘、圆环、圆锥或者圆柱等形状，也可以是圆盘、圆环、圆锥、圆柱的组合体。

本发明所述空心圆柱电感两端连接有相应的脉冲放电电路，串联形成一个闭合电路。各个脉冲放电电路结构相似，均由充电电路、放电电路组成；所述电磁力发生装置的主电路可由多个脉冲放电电路并联而成。

本发明提出的共轴圆柱电感平行放置的电磁力发生装置，具有如下特点：

1、本发明所述电磁推力装置具有加速度高、初始电磁推力大的优点，可提供高加速度、高数值、可变电磁力波形的电磁力。本发明中次级线圈形状可根据需要进行调整。可以设计为圆盘形状；可以在次级线圈的一侧设计凹槽，实现负载位置的固定；也可以使次级线圈的一部分夹在电感结构里。

2、本发明可通过脉冲放电电路元器件的设置来控制的主动线圈产生磁场的大小。因此，通过主电路的控制，可在主动线圈周围获得大小可控的磁场，所述次级线圈与该磁场相互作用，产生可控的脉冲电磁推力，推动次级线圈及负载在预期范围内快速地移动；

3、本发明可提供任意波形的电磁推力。由于电感产生的电磁力波形会随着通过电感的电流波形而变化，所述装置可以通过设置各个脉冲放电电路的电流波形，使各个空心圆柱电感产生的电磁力波形叠加，最终可以合成任意波形的电磁推力，获得满意的复合型电磁力波。

4、本发明所述主电路控制各个脉冲放电电路同时放电，各主动线圈同时通电，产生叠加的磁场，多个空心圆柱电感共同为次级线圈提供磁场，次级线圈处磁通量密度增强，使次级线圈及负载获得叠加的更大推力。在装置外围半径相同的情况下，本发明所述电磁力发生装置产生的推力远大于线圈式电磁力发生装置；在本发明所述电感结构下，随着嵌套个数提升，所述电磁力发生装置产生的推力也显著提升。本发明可以使负载在短时间内达到更快的速度，满足一些场景例如航天器冲击动力实验中对大力度、高加速度的需要。

本发明所述电磁推力装置结构简单，始动时间短，能够获得更大的电磁力，可以用在冲击动力测试、舰载机弹射实验、高压断路器推力装置、电磁炮等场合。

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明仅用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是本发明电磁发生装置的示意图；

图2是根据本发明实施例1的电磁发生装置的示意图；

图3是根据本发明实施例1的电感结构的示意图；

图4是根据本发明实施例2的电感结构的示意图及次级线圈的侧视图；

图5是拥有三个电感的电磁力发生装置的二维轴对称模型及电磁推力仿真曲线；

图6是线圈式电磁力发生装置的二维轴对称模型及电磁推力仿真曲线；

图7是拥有单个电感的电磁力发生装置的二维轴对称模型及电磁推力仿真曲线；

图8是拥有两个电感平行放置的电磁力发生装置的二维轴对称模型及电磁推力仿真曲线；

附图标记说明：1-基座；2-外壳；3、5-主动线圈；4、6-绝缘外壳；7-次级线圈；8-负载；9-交流电源；10-升压变压器；11-整流桥；12、17-充电开关；13、18-放电开关；14、15、19、20-电容器组；16、21-限流电阻。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本实施例提供一种电磁霍普金森杆实验装置，以下结合附图2、附图3，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。

本实施例结构特点是：有两个长度一致的同轴空心圆柱主动线圈相互嵌套，所述各个主动线圈的轴向侧面水平，径向侧面平齐；空心圆柱主动线圈右侧放置有圆盘形状的次级线圈。

具体结构：

图2是实施例2的电磁发生装置的示意图，参考图2，所述系统包括：基座1、外壳2、主动线圈3、主动线圈5、次级线圈7、负载8以及主电路；

基座1结构为圆柱形，其两侧垂直于外壳2的内壁，基座1、外壳2与主动线圈保持在同一中心轴上；外壳2结构为空心圆柱，罩设在基座1上，且右端与基座1的右端平齐；所述基座与所述外壳均为金属材料，起固定电感位置、防止磁场外泄的作用。

如图2所示，本实施例中，平行放置的共轴圆柱电感结构由主动线圈3、主动线圈5组成，所述主动线圈为空心圆柱电感，由铜线螺线式绕制而成，电感外围套有一层绝缘外壳，所述绝缘外壳起到绝缘的作用。

所述主动线圈3外围的绝缘外壳4和外壳2的内壁面之间留有间隙且保持平行，该间隙可供磁通经过；

所述次级线圈7为金属圆盘，与所述电感结构同轴，径向截面与轴线相垂直；所述次级线圈7可以在共轴圆柱电感结构的内部沿着中心轴线向右运动。

所述负载8由放大器、压缩头以及钛合金材质的霍普金森杆组成，三者均与所述电感结构同轴。

所述实施例的主电路由2个脉冲放电电路并联而成，各个脉冲放电电路结构相同，皆由充电电路、放电电路组成，各脉冲放电电路共用交流电源9、升压变压器10以及整流桥11。

在主动线圈3两端所串连的脉冲放电电路中，充电电路由电容器组14、15、整流桥11、限流电阻16、充电开关12以及升压变压器10组成，放电电路由主动线圈3、放电开关13、电容器组14、15组成；主动线圈5两端所连接的脉冲放电电路，电路结构与上述脉冲放电电路相同，由升压变压器10、整流桥11、充电开关17、放电开关18、电容器组19、20以及限流电阻21组成；

具体实施步骤，如下所示：

电磁推力系统工作时，首先电路通电，2个脉冲放电电路的充电开关闭合、放电开关断开，交流电源9经过升压变压器变压器10变压、二极管整流电路11整流，然后对各个电容器组充电，电容器组将能量储存起来。当充电电压达到设定电压后，可以开始放电。

放电时，控制两个脉冲放电电路的放电开关13、18同时闭合，电容器组对连接的主动线圈瞬间放电，所述电流会在主动线圈周围产生磁场；所述磁场将使次级线圈7内产生感应涡流，所述感应涡流会在次级线圈7周围引起与主动线圈磁场方向相反的磁场，该反方向磁场会使主动线圈和次级线圈7之间产生大小可控的电磁强推力F，所述强推力将推动次级线圈7及负载8快速移动。同时，所述电磁推力F被所述负载中的放大器放大，表现为压缩应力波。放大后的压缩应力波通过所述压缩头传入所述霍普金森杆中，实现霍普金森杆的应力波加载。

在本实施例中，主电路控制2个脉冲放电电路的放电开关同步。即：所述主电路控制放电开关13、18同时闭合，多个脉冲放电电路同时放电，主动线圈3、5共同为次级线圈7提供磁场。由于产生了叠加的磁场，次级线圈处磁通量密度增强，次级线圈7及霍普金森杆获得更大的推力和加速度。

实施例2

本实施例提供另一种可用于电磁霍普金森杆实验的电磁发生装置，以下结合附图4，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。

本实施例中有两个长度一致的同轴空心圆柱主动线圈相互嵌套，所述各个主动线圈的轴向侧面水平，径向侧面平齐；电感外围套有一层绝缘外壳，所述绝缘外壳起到绝缘的作用；两个空心圆柱主动线圈之间夹有圆环形状的次级线圈7。

所述负载8由应力波放大器、压缩头以及钛合金材质的空心霍普金森杆组成，三者均与所述电感结构同轴。本实施例中圆环形的次级线圈7受力后可以推动空心的霍普金森杆移动。

在本实施例中，控制主动线圈3、5同时通电，产生叠加的磁场，使次级线圈7及霍普金森杆获得更大的推力和加速度。

需要说明的是，如图1、图3、图4所示，本发明次级线圈的形状可根据需求进行调整。次级线圈可以是金属圆盘、圆环或者圆柱等形状，也可以是圆盘、圆环、圆柱的组合体。

需要说明的是，本发明空心圆柱电感的数量不受实施例的限制，在实际情况允许下，可嵌套更多的电感。

本发明可以采用电磁场有限元仿真软件Comsol进行建模来研究电磁力发生装置的运动特性。以Comsol软件仿真为例，由于电磁力发生装置为轴对称结构，故采用Comsol的二维平面来建立等效的轴对称模型。可通过放电电容的电压以及主动线圈、电容的数值来控制产生的磁场推力的大小、加速度以及时间。

如图5所示，三个竖直的矩形为三个嵌套的主动线圈的二维轴对称模型，水平的矩形为次级线圈7的二维轴对称模型；此处仿真了由三个空心圆柱电感平行放置所构成的本发明所述电感结构放电时，圆盘形状的次级线圈7受到的电磁推力随时间变化的曲线。如图6所示，从上至下，水平的两矩形分别为次级线圈7、线盘式主动线圈的二维轴对称模型；此处仿真了线盘式主动线圈放电时，圆盘形状的次级线圈7受到的电磁推力随时间变化的曲线。

通过图5、图6对比，可以看出三个嵌套的螺线式主动线圈与线盘式主动线圈外围半径相同，此时，与线盘式电磁力发生装置相比，本发明所述电磁推力装置产生的最大推力提升了一倍多。同时，通过仿真可以证明，随着本发明所述装置嵌套电感个数的增加和电感匝数的优化，相较于现有线盘式电磁推力装置，本发明所述电磁推力装置的最大推力可提升十倍以上。

说明在装置半径相同的情况下，本发明所述电磁力发生装置产生的推力远大于线圈式电磁力发生装置，可以大幅度提升电磁力发生装置产生的推力，使负载获得更大的加速度，在短时间内达到更快的速度。

如图7所示，竖直的矩形为主动线圈5的二维轴对称模型，水平的矩形为次级线圈7的二维轴对称模型；此处仿真了单个空心圆柱电感放电时，圆盘形状的次级线圈7受到的电磁推力随时间变化的曲线。如图8所示，从左至右，竖直的两个矩形分别为主动线圈5、主动线圈3的二维轴对称模型，水平的矩形为次级线圈7的二维轴对称模型；此处仿真了两个水平放置的共轴空心圆柱电感放电时，圆盘形状的次级线圈7受到的电磁推力随时间变化的曲线。

通过图7、图8对比，可以看出电磁推力装置产生的推力峰值时间不变；与单个电感的电磁力发生装置相比，多嵌套有一个电感的电磁推力装置产生的最大推力提升了4倍多。说明在本发明所述电感结构下，随着嵌套个数提升，所述电磁力发生装置产生的推力也显著提升。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。