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螺旋线圈式电磁炮发射机理与静动态电磁特性研究

作　者: 郑明华
导　师: 刘少克
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 电磁发射电磁炮螺旋线圈炮电刷换向弹丸电磁特性
分类号: TJ399
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

电磁炮是利用电磁力将弹丸加速到高速度,使电源电能转换为物体动能的新概念武器。与传统火炮相比,电磁炮具有速度高、性能优良和可控性好等诸多优势。电磁炮主要包括导轨炮、线圈炮和重接炮。在过去一段时间,导轨炮由于结构简单且易于达到超高速,一直被当作电磁发射领域的重点研究对象,但其能量利用率一般只有3%左右,且存在烧蚀、导轨刨削、电枢电接触的转捩现象,同时结构部件要求高强度和刚度、且能承受高强电流,因而限制了其应用范围。而线圈炮由于弹丸与炮管之间几乎没有摩擦,能发射较重的弹丸,电能转换成动能的效率较高,尽管结构和供电系统比较复杂,但在工程应用方面发展迅速。本文通过研究电刷换向式螺旋线圈炮的电磁发射工作机理,提出了电源、弹丸组件和驱动线圈三个子系统的设计准则,仿真分析了螺旋线圈炮的静动态电磁特性。结合铁磁弹丸的优点,以提高发射速度和发射效率为目的,提出并设计了一种新型高效螺旋线圈式电磁炮试验系统,并进行了初步实验研究。主要研究内容如下:1、对电刷换向式螺旋线圈炮工作原理进行研究,建立其动力学方程和等效电路模型,进而得到了弹丸的运动解析解。在理论分析的基础上提出了螺旋线圈炮电源、弹丸组件及驱动线圈部分的设计准则。2、采用Maxwell 2D模块和Matlab/Simulink软件对螺旋线圈炮的静、动态电磁场特性分别仿真,求得了最大出口速度前提下螺旋线圈炮的最佳结构参数。3、结合铁磁弹丸的优点,以提高发射速度和发射效率为目的,提出了两种改进方案,并分别与纯线圈情况下进行比较,最终确立了一种新型高效螺旋线圈式电磁炮试验系统。特别探讨了在不同条件下,针对弹丸部分的设计方法。4、在理论推导和仿真分析的基础上,设计了一套新型高效电刷换向式螺旋线圈型电磁炮的实验系统。实验测试表明本文的理论分析和仿真计算是可信的。

全文目录

摘要  9-10
ABSTRACT  10-12
第一章绪论  12-23
  1.1 课题研究背景及意义  12
  1.2 电磁炮简介  12-19
    1.2.1 三种类型的电磁炮简介  13-16
    1.2.2 电磁发射的优点  16-17
    1.2.3 电磁发射的应用前景  17-19
  1.3 螺旋线圈炮技术研究现状  19-21
    1.3.1 电磁炮研究现状  19-20
    1.3.2 螺旋线圈炮研究现状  20-21
  1.4 主要内容与章节安排  21-23
    1.4.1 主要内容  21
    1.4.2 章节安排  21-23
第二章螺旋线圈炮的原理与设计准则  23-37
  2.1 螺旋线圈炮基本工作原理  23-32
    2.1.1 螺旋线圈炮的工作原理  23-24
    2.1.2 动力学分析  24-25
    2.1.3 电路分析  25-30
    2.1.4 能量转换效率分析  30-32
  2.2 螺旋线圈炮的设计准则  32-36
    2.2.1 电源设计准则  32-34
    2.2.2 弹丸组件设计准则  34-36
    2.2.3 驱动线圈设计准则  36
  2.3 本章小结  36-37
第三章螺旋线圈炮的静动态特性分析  37-53
  3.1 螺旋线圈炮有限元仿真模型分析  37-39
    3.1.1 建立几何模型  38-39
    3.1.2 有限元分析网格划分  39
  3.2 螺旋线圈炮结构参数设计  39-43
    3.2.1 相对位置对电磁力的影响  40-42
    3.2.2 线圈长度对电磁力的影响  42-43
    3.2.3 弹丸和驱动线圈壁厚对电磁力的影响  43
  3.3 螺旋线圈炮的有限元动态仿真分析  43-48
  3.4 螺旋线圈炮的 Matlab/Simulink 仿真对比  48-52
  3.5 本章小结  52-53
第四章新型螺旋线圈炮的电磁发射动态特性分析  53-64
  4.1 方案设计  53-55
  4.2 无弹丸线圈时铁磁弹丸尺寸及位置对电磁力及加速度的影响  55-58
  4.3 新型螺旋线圈炮动力学特性分析  58-59
    4.3.1 方案一动力学特性分析  58
    4.3.2 方案二动力学特性分析  58-59
  4.4 新旧方案动力学特性比较  59-63
  4.5 本章小结  63-64
第五章新型高效螺旋线圈型电磁炮实验研究  64-75
  5.1 新型高效螺旋线圈式电磁炮的实验方案  64-65
  5.2 实验系统的硬件结构  65-68
    5.2.1 电源部分  65
    5.2.2 主电路  65-66
    5.2.3 驱动线圈  66
    5.2.4 导轨  66-67
    5.2.5 弹丸组件  67-68
  5.3 驱动线圈电流测试  68-69
  5.4 铁磁弹丸速度测试  69-72
  5.5 实验结果及分析  72-74
  5.6 本章小结  74-75
第六章结束语  75-77
  6.1 总结  75-76
  6.2 展望  76-77
致谢  77-78
参考文献  78-81
附录Ⅰ作者在学期间发表的论文  81

螺旋线圈式电磁炮发射机理与静动态电磁特性研究

内容摘要

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