感應(yīng)線圈驅(qū)動(dòng)器平板螺旋狀驅(qū)動(dòng)線圈磁場(chǎng)分析

感應(yīng)線圈驅(qū)動(dòng)器平板螺旋狀驅(qū)動(dòng)線圈磁場(chǎng)分析

2007年4月27日獲得的。線圈發(fā)射器是電磁發(fā)射器發(fā)展的最早形式,線圈發(fā)射器是基于直線電動(dòng)機(jī)原理工作的。它是一種用脈沖或交變電流產(chǎn)生磁行波,并以此來驅(qū)動(dòng)電樞(通常為金屬圓筒)的發(fā)射裝置。在線圈發(fā)射器家族中,電樞組件中電樞內(nèi)電流為感生電流(非外電源直接饋給)的線圈統(tǒng)稱為感應(yīng)線圈炮。當(dāng)驅(qū)動(dòng)線圈饋入強(qiáng)脈沖電流時(shí),形成變化的磁場(chǎng),驅(qū)動(dòng)線圈和電樞之間將產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁力,以此加速電樞超高速飛出。驅(qū)動(dòng)線圈是多級(jí)同步感應(yīng)線圈發(fā)射器的關(guān)鍵部件,靠電容器給它提供大脈沖電流。因此,驅(qū)動(dòng)線圈要通過磁場(chǎng)產(chǎn)生極大的磁場(chǎng)力,這樣磁場(chǎng)強(qiáng)度就是一個(gè)很重要的因素。因此,利用強(qiáng)大的ANSYS軟件提供了一整套用于靜態(tài)、交流、瞬態(tài)低頻電磁場(chǎng)分析的完整工具,進(jìn)行磁場(chǎng)分析。1各向同性媒質(zhì)中本構(gòu)方程的為著名的麥克斯韋方程組是研究一切宏觀電磁場(chǎng)問題的基礎(chǔ),也是電磁場(chǎng)有限元分析的依據(jù)和出發(fā)點(diǎn)。其微分形式如下:?×H=J+?D?t,?×E=??B?t,??D=ρ,??B=D。?×Η=J+?D?t,?×E=-?B?t,??D=ρ,??B=D。式中H—磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量;B—磁通密度矢量;E—電場(chǎng)強(qiáng)度矢量;D—電位移矢量;J—電流密度矢量;ρ—自由電荷體密度;D—電位移標(biāo)量。在電磁場(chǎng)問題中,各向同性媒質(zhì)中本構(gòu)方程為D=εE;B=μH;J=σE。式中ε—介電常數(shù);μ—磁導(dǎo)率;σ—電導(dǎo)率。在線性、均勻、各向同性的媒質(zhì)中,ε、μ和σ都是恒定不變的常數(shù)。以穩(wěn)定磁場(chǎng)為例,這里所謂線性,就是指媒質(zhì)中各點(diǎn)磁通密度B的大小與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的大小成正比;所謂均勻,就是指媒質(zhì)的組成情況處處相同,各點(diǎn)的導(dǎo)磁性能一樣;所謂各向同性,就是指沿著空間不同方向,媒質(zhì)的導(dǎo)磁性能相同,因此磁通密度矢量與磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量在空間有著同一方向、同范圍,這時(shí)只討論線性、均勻、各向同性媒質(zhì)。2模擬磁體的步驟2.1建模功能的實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)線圈的外形為兩層螺旋形狀,線圈共有5匝,橫截面的長寬分別為10mm和2mm,匝間距為0.5mm,材質(zhì)為紫銅?；贏NSYS強(qiáng)大的建模功能:如圖1為在ANSYS中三維實(shí)體模型。在創(chuàng)建有限元模型之前,除了輸入電磁發(fā)射線圈的三維模型外,分析中還需利用ANSYS的建模功能,建立絕緣體(環(huán)氧樹脂)的實(shí)體模型。絕緣體與驅(qū)動(dòng)線圈澆鑄在一起,其形狀十分復(fù)雜,為此先建立一個(gè)能夠?qū)⒕€圈包住的圓柱體,然后用布爾操作中的(Overlap)運(yùn)算,生成絕緣體的實(shí)體模型。至此,發(fā)射組件的物理模型已經(jīng)建立,如圖1所示。2.2設(shè)置單元類型和網(wǎng)格劃分2.2.1單元節(jié)點(diǎn)+自由度在確定單元類型之前,先選擇進(jìn)行電磁場(chǎng)分析的方法?；趩卧叺姆椒ㄖ械淖杂啥扰c單元邊有關(guān)系,而與單元節(jié)點(diǎn)沒關(guān)系。這種方法同基于節(jié)點(diǎn)的矢勢(shì)法相比計(jì)算更精確。因此,選用SOLID117單元,對(duì)導(dǎo)電區(qū)(線圈)用AZ-VOLT自由度,對(duì)不導(dǎo)電區(qū)(絕緣層)用AZ自由度。2.2.2自由網(wǎng)格剖分在剖分網(wǎng)格之前應(yīng)先分析確定采用自由網(wǎng)格還是映射網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行分析。對(duì)于自由網(wǎng)格而言,無單元形狀的限制,網(wǎng)格也不遵循任何模式,適合于復(fù)雜形狀的面和體的網(wǎng)格剖分。它對(duì)實(shí)體模型無特殊要求。任何幾何模型,盡管是不規(guī)則的,也可以進(jìn)行網(wǎng)格剖分。如圖2所示為驅(qū)動(dòng)線圈的網(wǎng)格劃分。2.3負(fù)荷和邊界條件2.3.1載流塊導(dǎo)電載荷線圈被當(dāng)作載流塊導(dǎo)體。此時(shí)假定由電流源發(fā)出的凈電流為短路回流,該電流不受外界影響。ANSYS要求導(dǎo)體區(qū)自由度為AZ和VOLT,并耦合導(dǎo)體一端截面的VOLT自由度,在該端截面上的任一節(jié)點(diǎn)上加總電流值。圖3給出了載流塊導(dǎo)體施加載荷的示意圖。在另一端截面上,加電壓值為0。2.3.2多個(gè)載荷步加載有限元分析的任務(wù)是求解系統(tǒng)對(duì)載荷的響應(yīng),加載形式是求解的重要一步,而對(duì)于多載荷步來說,加載的方法比一個(gè)載荷步來說相對(duì)復(fù)雜。在進(jìn)行多個(gè)載荷步加載時(shí),必須對(duì)每一個(gè)載荷步都要生成相應(yīng)的載荷步文件,在求解時(shí),通過讀取載荷步文件進(jìn)行加載。根據(jù)分析情況,先給出恒流加載電流如圖4所示:2.3.3有限元模型邊界條件既可以給實(shí)體模型(關(guān)鍵點(diǎn)、線、面),也可以給有限元模型(節(jié)點(diǎn)和單元)加邊界條件。在求解時(shí),ANSYS程序會(huì)自動(dòng)將加到實(shí)體模型上的邊界條件轉(zhuǎn)遞到有限元模型上。這里對(duì)于模型的邊界(絕緣層的外表面)加磁力線平行條件,即設(shè)定AZ=0,磁力線垂直邊界條件自然發(fā)生。2.4但是，解決對(duì)模型施加6kA的恒定電流,圖5給出了線圈的加載情況。加載完畢后,選擇波前求解器進(jìn)行求解。3anasas的電磁仿真模型剖分后,單元總數(shù)為285687個(gè),其中驅(qū)動(dòng)線圈的單元數(shù)為220868個(gè),求解完畢后,圖6至圖13給出了ANSYS的電磁場(chǎng)仿真結(jié)果。(1)如圖6和圖10所示由于線圈螺旋結(jié)構(gòu)的軸對(duì)稱性,線圈組件的磁通量密度圖和磁場(chǎng)強(qiáng)度分布在X向的分量關(guān)于線圈的Y中性面是對(duì)稱的。(2)如圖7和圖11所示由于線圈螺旋結(jié)構(gòu)的軸對(duì)稱性,線圈組件磁通量密度圖和磁場(chǎng)強(qiáng)度分布在Y向的分量的數(shù)值關(guān)于線圈的X中性面是對(duì)稱的。(3)如圖8和圖12所示由于線圈的螺旋軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),線圈組件磁通量密度圖和磁場(chǎng)強(qiáng)度在Z向的分量在XOY平面內(nèi)沿徑是定值且最大。(4)如圖9和圖13所示由于線圈的螺旋軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),線圈組件總磁場(chǎng)量密度和總磁場(chǎng)強(qiáng)度在Z的方向上有最大值。(5)恒定電流模型仿真因此,如果考慮驅(qū)動(dòng)線圈的螺旋因素,則每個(gè)線圈就不能看成是一組由單個(gè)空心圓柱線圈的組合。這樣在利用ANSYS軟件仿真過程中,模型加載以及仿真中更接近于實(shí)際,對(duì)載有恒