电磁轨道炮电枢与轨道接触面大小对电流密度的影响分析_申泽军

DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.2014.04.018 高电压技术

High Voltage Engineering Vol.40, No.4: 1084-1090

April 30, 2014

电磁轨道炮电枢与轨道接触面大小对电流密度的

影响分析

申泽军，左 鹏，袁建生

（清华大学电机工程与应用电子技术系，北京100084）

摘 要：增加或保障电枢与轨道具有较大接触面是电磁轨道炮设计与试验中的一个重要目标，但实际上接触面大小的作用仍有待探讨。为此，通过仿真计算分析了接触面上电流分布区域的位置与电流大小。结果表明：电流仅从小部分接触面穿过，在满足该接触面大小的情况下，接触面再增加或接触面大小对轨道电枢接触的电磁性能影响不大；同时，电流流过的区域大小与电枢和轨道的尺寸以及电流随时间的变化有关。对被分析的结构，在电流平顶阶段，接触面积为电枢侧面的20%(接触面长度约为8 mm，实际接触面大小约为240 mm2)已可认为足够大，接触面再加大最大电流密度已基本不变。因此，在固定尺寸的电磁轨道炮中，不必过分追求大电枢/轨道接触面，保证一个接触面大小满足电接触的电气性能即可。

关键词：电磁轨道炮；电枢接触面；最大电流密度；电磁性能；轨道炮设计；有效接触面

Influence of Contact Area Size Between Armature and Rails in Railguns on Current Density

SHEN Zejun, ZUO Peng, YUAN Jiansheng

(Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract：A main goal in the design and operation of railguns is to make a larger contact area between the armature and rails. However, it is not necessary to make a very large one, since the current only flows on the part of the contact area from the rail to the armature, and the other part is almost useless. By simulating, we analyzed the location and the size of the area where current flows. The results show that current only flows through a small contact area, and after meeting the requirements of the contact area, the size of the contact area has little influence on electromagnetic behavior of the railgun. The size of area that current flows depends on the structure of the armature and rails as well as the time-varying characte-ristic of the existing current. For the certain structure with U-shape armature analyzed in this paper, the contact area is about 20% of the whole armature flank surface(the length of the contact area is about 8 mm, the actual contact area is about 240 mm2), and the maximum current density keeps almost the same for larger contact areas.

Key words：electromagnetic railgun; armature contact area; maximum current density; electromagnetic behavior; railgun design; effective contact area

0 引言1

电磁炮是一种新概念武器，主要包括电磁轨道炮和线圈炮，高速运动的电枢是其核心部件。在轨道炮中，由于电枢与轨道是滑动电接触，需要良好的直接接触，因此电枢与轨道的接触问题是关键问题之一。本文所讨论的问题即为此接触问题。由于线圈炮的电枢与驱动线圈是磁耦合，不需要直接接触，所以接触问题不是关键问题，主要工作为研究电枢受力与动态过程及驱动线圈触发问题———————

基金资助项目：国家自然科学基金（51177075）。

Project supported by National Natural Science Foundation of China (51177075).

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电磁轨道炮电枢与轨道的滑动电接触受到多种因素影响，如摩擦磨损枢运动速度

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，接触压力

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，电

，脉冲电流波形等。原则上讲，轨。然而，由于加

道炮的电枢与轨道接触面越大越好，在电枢设计中尽量加大接触面是一项重要工作

[16]

工工艺、安装误差，特别是在电枢运动过程中的振动和应力变形等原因，会使得电枢仅部分表面与轨道接触，一般可认为实际接触面小于期望值。然而，多大的接触面为期望值，小于期望值的接触面对于电流分布、发射性能、甚至烧蚀的影响程度如何，需要认真分析、正确对待。过分追求较大的接触面可能并不必要。

。

申泽军，左 鹏，袁建生：电磁轨道炮电枢与轨道接触面大小对电流密度的影响分析 1085

为了分析接触面对发射性能的影响，从而确定一个合理的接触面期望值，观察与分析电流在接触面上的分布应该是问题的关键和基础，包括分析电流从多大面积上穿过，从哪里穿过，接触面变化对电磁性能的影响程度。同时，接触面上的电流分布在电流的上升沿、平沿和下降沿相差甚大该分别给予分析。

[17-23]

，应

1 计算方法与计算模型

本文通过计算仿真，分析不同接触面大小的U形电枢上，电流在接触面上的分布特性和功率损耗特性，分别分析了电枢头部和电枢尾部不同接触面大小的影响。

计算采用有限元软件ANSYS，对于电枢与轨道的接触，在计算中需要特殊处理。为了计算方便，对电枢进行分段建模，对于接触部分采用ANSYS的接触单元将其与轨道进行电气耦合，对非接触面部分则不做处理，使非接触部分在几何上与轨道接触但电气上不接触，具体讲就是电枢与轨道几何建模时贴在一起，但不将它们进行ANSYS的Glue(粘接)命令操作，如图1所示。

这种几何接触而电气不接触的处理方法不适于计算时变电磁场，仅适合于计算恒定电流场，所以该模型的计算是在轨道中通有直流电流(设电流 为1 MA)的情况，其结果仅能反映电流平沿的情况。

在ANSYS中建立的计算模型如图2所示(由于对称性，只建立一半模型)，轨道和电枢的尺寸在图3中标出。采用ANSYS直流电流场对上面建立的电枢与轨道接触模型进行计算，单元选用传导电流单元SOLID231；轨道和电枢材料都为铜，电阻率为1.72×10 Ω·m。耦合轨道的输入电流端面的节点电位，并施加1 MA的总电流。

图3 轨道和电枢尺寸

Fig.3 Dimension of rail and armature

−8

图1 电枢分接触与非接触段建模

Fig.1 Model of armature with contact and non-contact

segments

图2 建立的轨道与电枢ANSYS模型 Fig.2 ANSYS model of armature and rail

2 不同接触面下电流分布计算结果

为了确定电流主要流经的接触区域及接触区域的大小，有必要计算不同接触区域及接触面大小时的电流分布情况。本文选择了典型的电枢头部附近和电枢尾部附近2种接触情况进行计算。 2.1 电枢头部部分接触

假设从电枢头部有lc长度的区域与轨道接触，其他部分不接触。则随着lc从小(2%电枢总长la)到大(电枢总长la)，电枢电流密度的最大值Iamax的变化如图4所示；图5给出了lc=2%la和lc=50%la时电

枢与轨道表面的电流密度分布。最大电流密度发生在电枢的头部边缘，这是因为这里距离U形头最近，电流试图走最短路径形成回路，所以轨道电流从这里汇聚后进入电枢。

从图4可以看出，当接触面较小时，电枢电流密度的最大值随接触面增大而下降剧烈，这表明刚开始增加接触面对于电气特性具有明显影响；而当lc大于20%la(此时lc约为8 mm，实际接触面积约为

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图4 电枢头部接触时电枢电流密度的最大值

随接触面大小的变化

Fig.4 Maximum current density of armature vs. contact

area nearby the armature head

240 mm)后，再增加接触面，电流密度最大值基本不再变化。

电枢电流密度的最大值是电流分布特性的一种体现，与电枢和轨道的温升、烧蚀等直接相关，由此可以估计接触面变化对其他电气特性的影响。因此，由图中电流密度最大值的变化(减小程度)说明存在一个有效的接触面大小，接触面大于该值后再增加对电气特性影响较小。对于本文电枢的几何尺寸结构，20%的接触面(接触面长度约为8 mm，实际接触面大小约为240 mm)已足够大，不必再追求更大的接触面。 2.2 电枢尾部部分接触

假设从电枢尾部有lc长度的区域与轨道接触，其他部分不接触。随着lc从小到大电枢电流密度的最大值变化如图6所示；图7给出了lc=2%la和lc=50%la时电枢与轨道表面的电流密度分布。电流密度最大值仍发生在靠近电枢头部的接触面边缘。

从图6可以看出，当接触面较小时，电枢电流密度的最大值随接触面增大而下降剧烈；而当lc大于20%la(此时lc约为8 mm，实际接触面积约为240 mm)后，再增加接触面，该最大值变化不大。因此对于该结构，20%的接触面(接触面长度约为8 mm，实际接触面大小约为240 mm)已足够大。

电枢头部接触与尾部接触相比，所需的有效接触面基本相同。从而可以推断，电枢中部接触所需的有效接触面也应该类似。

需要注意的是，在此仅分析了接触面连续且为规则矩形的情况，对分散接触或接触面形状不规则

2

2

2

2

图5 电枢头部接触时不同接触面下的电枢与轨道表面电流

密度分布

Fig.5 Current density of armature and rail contacting at

the head part of armature

的情况，电流密度最大值的变化有待进一步分析。此处仅为了说明接触面面积基本要求并非太大。

申泽军，左 鹏，袁建生：电磁轨道炮电枢与轨道接触面大小对电流密度的影响分析 1087

图6 电枢尾部接触时电枢电流密度的最大值

随接触面大小的变化

Fig.6 Maximum current density of armature vs.

contact area nearby the armature tail

4 有效接触面随电枢、轨道尺寸的变化

由电枢电流密度最大值随电枢与轨道接触面积变化的关系，可以看出电枢电流密度最大值随接触面积的变化逐渐变小。可以定义一个有效接触面的概念，当接触面积大于该值时，随着接触面积变化到完全接触，电流密度最大值的变化都不大于其参考变化值的一定比例值(例如<5%)。对于上面电枢尾部与轨道接触的例子，当电枢与轨道的接触面积为20%的电枢侧面积(实际接触面大小约为240 mm)时，电枢电流密度最大值为1.029×10 A/m，电枢电流密度最大值的参考变化值可以取lc=2%la时(7.292×10 A/m)与完全接触时(0.817×10 A/m)的差值6.475×10 A/m。故当接触面积大于20%的电枢侧面积时，随着接触面积变化到完全接触，电枢电流密度最大值的变化都≤1.029×10 A/m−0.817×10 A/m，即0.277×10 A/m，也即参考变化值6.475×10 A/m的4.3%。该有效接触面的大小应与电枢轨道的尺寸有关，包括电枢与轨道的长度，厚度和高度。下面对有效接触面大小随电枢轨道尺寸的变化也进行了分析。 4.1 有效接触面随电枢、轨道长度的变化

在电枢与轨道其他尺寸都不变的情况下，只改变电枢的长度la，计算各个电枢长度取值下电枢最大电流密度值随实际接触长度lc的变化关系，可以得到各个电枢长度la取值下的电枢与轨道有效接触面积，从而可以得到电枢与轨道有效接触面积随电 枢长度la的变化关系。电枢长度la取值分别为30、

图7 电枢尾部接触时不同接触面下的电枢与轨道表面

电流密度分布

Fig.7 Current density of armature and rail contacting

at the tail part of armature

10

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40、50、60 mm，计算结果如图8所示。可见，电枢与轨道的有效接触面大小随电枢长度la变化不

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大。可以推断，电枢与轨道的有效接触面积与轨道长度lr关系也不大。对于本文计算的结构，有效接触面长度lc约为8 mm，实际接触面大小约为240 mm。 4.2 有效接触面随电枢、轨道厚度的变化

在电枢与轨道其他尺寸都不变的情况下，只改变电枢厚度da，通过计算可以得到电枢与轨道有效接触面积随电枢厚度da的变化关系。电枢厚度da取值分别为6、8、10、12、14 mm，计算结果如图9所示。可见，电枢与轨道的有效接触面大小随着电枢厚度da的增大而略有增大。

同样，只改变轨道厚度dr，可以得到电枢与轨道有效接触面大小随轨道厚度dr的变化关系。轨道厚度dr取值为10、12、15、18、20 mm，计算结果如图10所示。可见，电枢与轨道的有效接触面随轨道厚度dr的增大基本没有变化。

2

4.3 有效接触面随电枢、轨道高度的变化

在电枢与轨道其他尺寸都不变的情况下，只改变电枢的高度ha，通过计算可以得到电枢与轨道有效接触面积随电枢高度ha的变化关系。电枢高度ha取值分别为26、28、30、32、34 mm，计算结果如图11所示。可见，电枢与轨道的有效接触面的长度值基本不随电枢高度ha变化。进而可以推断，电枢与轨道的有效接触面的长度也不会随轨道的高度hr发生变化。由于电枢高度ha变化，有效接触面积会随电枢高度变化而变化，但有效接触面的长度基本不变。对于本文分析的结构，有效接触面的长度约为8 mm。

5 有效接触面随电流波形的变化

不同电流波形时电流在轨道和电枢中的分布

图8 电枢最大电流密度与电枢长度la的关系 Fig.8 Relationship between the large-enough size of con-tact area and the armature length la

图10 电枢与轨道有效接触面积随轨道厚度dr变化关系 Fig.10 Relationship between the large-enough size of con-tact area and the rail thickness dr

图9 电枢与轨道有效接触面积随电枢厚度da的变化关系 Fig.9 Relationship between the large-enough size of con-tact area and the armature thickness da

图11 电枢与轨道有效接触面积随电枢高度ha的变化关系 Fig.11 Relationship between the large-enough size of con-tact area and the armature height ha

申泽军，左 鹏，袁建生：电磁轨道炮电枢与轨道接触面大小对电流密度的影响分析 10

情况不同，因此有效接触面积也会发生变化。由于不能直接计算电流在上升沿、下降沿时的电枢与轨道的接触情况，故需要通过电枢与轨道完全接触的情况进行推断。

图12是文献[17]给出的U形电枢接与轨道良好接触情况下触面上的电流密度分布。从图12(a)给出的电流上升沿阶段的电流密度分布可以看出，接触面的绝大部分区域上几乎没有电流通过，这部分区域是否接触对系统电磁性能几乎没有影响；图12(b)给出的电流平沿阶段接触面电流分布区域会大一些，但有效区域也不大于整个接触面的1/3；图12(c)给出的电流下降沿阶段电流有效区域也不大于整个接触面的1/2。

由于在电流上升沿阶段电流更贴向轨道内表面，所以需要的有效接触面要小于电流平沿阶段；

而电流下降沿电流在轨道内偏向外侧区域，所以需要的有效接触面要大于电流平沿阶段。

在分析电流的有效区域基础上，还可以进一步分析力学特性，分析没有电流区域力学特性的优略，即这部分区域是接触好，还是不接触好。接触会增大电枢的刚度，不接触则会增加其柔度。如果分析结论是不接触更有利，那就可以考虑制作表面上“开槽挖坑”的电枢，这需要今后进一步分析。

6 结论

1）一般来说，电枢与轨道的接触面越大越好。但根据仿真结果，存在一个接触面面积大小，当接触面再大于该面积时，已无明显电气优势。因此，不必过分追求大接触面。

2）在本文计算的U形电枢结构尺寸和连续规

图12 电流不同阶段电枢与轨道表面电流密度分布 Fig.12 Current density under different currents

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申泽军

1988—，男，博士生

2010年于哈尔滨工业大学获工学学士学位，同年保送至清华大学攻读博士学位至今。主要从事电磁轨道炮的电磁仿真计算研究 E-mail: szj10@mails.tsinghua.edu.cn

SHEN Zejun Ph.D. candidate

左 鹏

1987—，男，博士生

2009年于华北电力大学获工学学士学位，同年保送至清华大学攻读博士学位至今。主要从事电磁轨道炮的电磁仿真计算研究 E-mail: zuop09@mails.tsinghua.edu.cn

ZUO Peng Ph.D. candidate

收稿日期 2013-12-19 修回日期 2014-01-24 编辑 肖 铮

则矩形接触面下，在电流平沿阶段，电枢侧面积的20%接触(接触面长度约为8 mm，实际接触面大小约为240 mm)已足够大。

3）电枢与轨道有效接触面的长度随电枢厚度的增大而增大，与电枢和轨道其他尺寸关系不大。

4）不同电流波形时最小接触面积也不相同，在电流上升沿阶段最小接触面要小于电流平沿阶段；而电流下降沿电流要大于电流平沿阶段。

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