轻小型脉冲电源驱动的电磁发射系统建模

针对脉冲电容器储能密度过低的问题,首先提出了一种基于轻小型脉冲电源(补偿脉冲发电机)驱动的电磁发射系统设计方案;然后,在分析了系统的基本原理的基础上,分别从电路模型、运动学模型出发建立了该电磁发射系统的数学模型;最后,通过算例进行了计算分析,其结果验证了系统数学模型的正确性,也表明以补偿脉冲发电机作为电磁轨道炮的脉冲电源是可行的。     

脉冲电源系统传输电缆短路故障研究

针对电磁发射系统脉冲电源到发射装置的输电过程中可能的短路故障进行了研究,通过理论分析研究了故障情况下的电路结构,分析了回路故障电流及其影响因素并进行了仿真。仿真结果表明:电缆短路故障可能导致发射装置端回路存在极大的电流,故障位置距离发射端越近,发射装置端回路可能遭受的故障电流越大,因此需要采取保护措施对电缆进行故障限流,限流器的安装位置应位于电缆的发射装置端;对于PFN模块端回路,其故障电流受故障位置的影响比较小,主要取决于调波电感、储能电容及充电电压。     

残余电压对连发型脉冲功率电源的影响

为了研究残余电压对连发型脉冲功率电源的影响,分析了混合储能型脉冲功率电源的充放电过程及残余电压的来源及其对连续充放电过程的影响,并进行了仿真。仿真结果表明:混合储能型脉冲功率电源可以合理利用残余电压,从而缩短脉冲功率电源的充放电时间,有利于提高电磁发射装置的连发频率,通过能量回收还有利于提高发射效率。     

基于电容吸收拓扑电路的新型磁阻线圈发射器

磁阻线圈发射器具有出口速度一致性好、可靠性高和能源清洁等优点。但是现有磁阻线圈发射器普遍效率较低,限制了其工程应用。为提高发射效率,提出一种基于电容吸收拓扑电路的新型磁阻线圈发射器方案。首先建立了传统二级磁阻式发射器的模型,采用有限元软件进行了仿真计算。结果显示,在电枢经过线圈中心后,驱动线圈中剩余电流产生的磁场会使电枢受到反向电枢拖拽力而减速。针对上述问题,提出一种新型的基于电容吸收拓扑电路的能量回收方案,分析了各阶段的放电特性。计算结果表明：与传统放电电路相比,新型放电电路可以使驱动线圈的剩余电流被电容器吸收实现快速衰减,电枢出口速度由21.46 m/s提高至26.19 m/s,效率由14.50%提高至21.59%。新型放电电路能够对电枢加速后的剩余能量进行回收,明显减小电枢拖拽力,提高了发射速度与能量回收效率。     

锂电池储能在电磁发射中的应用

随着电磁发射技术的发展，储能环节成为其中不可或缺的一部分。对基本储能单元需求进行分析，以用电系统功率和能量需求为牵引，以储能系统体积重量适装性最优为目标，充分对比现有各类电池参数指标，从安全性、功率密度、能量密度和循环寿命四个方面进行考虑，确定基本储能单元类型为锂电池。面对舰上不同电磁发射设备电压、电流的需求，需要研究能够实现锂电池组快速灵活串并转换的拓扑结构。在实现电池组稳定并联之前，需保证电池组的一致性，因此需计算出电池荷电状态并进行均衡；针对短脉冲大倍率连续放电工况下荷电状态估算不准确的问题，提出以蓄电池组作为研究对象，采用动态辨识方法进行估算。由于各电池组之间存在不一致性，并联起来放电时可能导致输出电流不均衡，使得本来就处于高倍率放电的电池组超限使用，因此将提出一种电池组均流方法来解决此问题。     

电磁发射用多级混合储能装置充电策略

针对多级混合储能装置这种特殊、新型储能结构必须实现蓄电池到脉冲电容器的快速充电才能充分展现其技术优势的特点,首先在时序串联充电策略基础上提出了一种效率更高的改进充电策略,在蓄电池组数不变的情况下首先并联电池组对电容充电,电压达到一定水平后改变电路结构即将并联电池组转换为串联继续对电容器充电,从而提高充电效率;然后,建立了仿真实验平台,对改进策略和此策略中引入的系数α进行了分析,结果显示:α的不同取值对充电效率与恒流区宽度有较大影响,改进后充电效率提高最多可达40.7%。蓄电池到脉冲电容的新型充电策略极大地提高了充电效率,为混合储能更好地应用于电磁发射奠定了理论基础。     

电磁发射电池组杂散电感提取方法

在电磁发射锂离子电池储能系统中,电池组杂散电感的准确提取对合理设计系统方案具有重要意义。针对该需求,对电池组脉冲放电过程进行建模与分析,得到适合杂散电感提取的放电阶段。通过将离散傅里叶变换求解数值微分的方法更改为滑动窗递推形式,并与多新息最小二乘算法结合,从而提出一种可充分利用波形数据的杂散电感提取方法。通过实际的电池组脉冲放电测试波形对该方法进行验证,结果表明该方法相比传统方法能更加准确、可靠地提取电池组的杂散电感,在不同放电电流下的提取结果具有很好的一致性。     

混合储能蓄电池组放电均衡优化研究

首先,以电磁发射用混合储能系统蓄电池组铅酸电池为研究对象,分析了储能系统放电过程中可能带来的蓄电池组一致性问题;其次,在研究电池模型的基础上,结合蓄电池放电均衡方法,分析了基于电池组容量的均衡指标;再次,针对混合储能系统放电电路的特点,提出了一种以蓄电池组均衡一致性为优化目标的放电均衡策略,改进了放电结构并实现了铅酸电池的放电均衡;最后,对比了改进前后的放电电路并进行了仿真分析,并在混合储能蓄电池组平台上进行了实验,实验结果验证了该放电均衡策略的可行性。     

电感储能高功率微波系统的数值模拟

介绍了REFORM程序,使用等效电路模型,研究了电感储能驱动高功率微波系统的性能问题。电路中考虑了初级能源,脉冲变压器,电爆炸丝切断开关,同轴传输线,火花隙陡化开关,以及微波二极管负载等。由模拟结果得到了一些有用的结论,即通过电路参数优化可以提高整个系统的效率,进而验证电感储能高功率微波系统方案的可行性。     

新型爆磁压缩脉冲功率调制电路

爆磁压缩发生器一般具有较低阻抗,在驱动较高阻抗负载时需要脉冲功率调制电路。传统的脉冲功率调制电路需要脉冲变压器,体积庞大,若其后再采用传输线作中间电容储能,尽管输出波形有改善,但体积更大。提出一种无需脉冲变压器,把传输线当作电感储能元件的功率调制电路。该方案具有电路结构简单、体积紧凑、绝缘压力小等优点。文中同时给出了电路的仿真结果。该功率调制方案将使爆磁压缩的应用更加广泛。     

电磁轨道炮系统建模与分析

轨道炮利用电能将电枢及弹丸推动至超高速,是具有武器应用背景的复杂机电系统。介绍了轨道炮基本原理,在分析了轨道炮电路、运动学、能耗特点基础上,利用MATLAB建立了系统的数学模型,计算了不同电感梯度条件下轨道炮系统的发射电流、电枢速度、溃入炮体能量,分析了发射过程中不同形式的能量损耗及能量利用效率。结果表明,在特定电源参数条件下,一定范围内提高电感梯度值,电流幅值降低,炮口动能和发射效率提高明显。这对研究轨道炮电能应用特点有一定的参考价值。     

轻小型电磁发射脉冲电源电磁损耗分析与计算

补偿脉冲发电机(compensated pulsed alternator,CPA)是电磁发射系统最具有应用前景的轻小型高功率脉冲电源之一,由于其高峰值脉冲放电的特殊性,使得电机内部温升急剧,对永磁体的安全工作、电枢绝缘材料的绝缘性能以及其他子系统的正常运行都会带来极大的隐患。为此,针对所研究的外转子式永磁励磁CPA的特殊放电形式,首先分析了其电磁损耗的产生机理,并在ANSYS Electromagnetics Maxwell中建立了CPA的二维瞬态电磁损耗分析有限元模型;然后,为模型设置了简化的外部开关放电电路;最后,分别计算得到了CPA短路放电工况和单脉冲放电工况对应的铁芯损耗、补偿筒涡流损耗及电枢欧姆损耗,为后续的温度场分布有限元计算提供了精确全面的热源数据。     

电磁发射用脉冲功率电源放电建模分析

为高效研究电磁发射用脉冲功率电源放电性能，为电磁发射提供技术支持，降低研发成本，电磁发射过程的相关建模与仿真工作需要重点研究。对弹丸在轨道中实际运动物理过程建立数学模型，对脉冲功率电源建立电路模型，采用联合两种模型的方法对脉冲功率电源放电系统进行研究，提出一种基于发射过程多物理现象的脉冲功率电源放电系统仿真模型。通过实验验证了提出方法的有效性，为后续脉冲功率电源放电研究提供了依据。     

电磁发射系统改进FAHP-神经网络健康评估方法

准确定量评估电磁发射系统发射前的健康状态意义重大。针对模糊层次分析方法(Fuzzy Analytic Hierarchy Process, FAHP)在评估电磁发射系统串行结构同级元素健康值时存在较大偏差,且无法适用系统非线性变权重需求的缺陷,提出改进FAHP-神经网络方法。通过在计算同级元素健康指数时构造能够满足串行结构健康评估的非线性函数进行计算,并在数学上证明该方法的有效性；通过引入神经网络系统,在已有的系统先验信息和测量数据的基础上训练模型解决系统健康评估非线性变权重需求。基于电磁发射系统脉冲成形网络系统建立健康评估模型,开展评估试验。结果表明,提出的方法健康评估精度较高,在各种系统健康状态下,评估结果均符合系统实际的健康状况；对比传统的FAHP,提出的改进方法评估精度大幅提升,且在评估试验中没有出现故障误报和漏报的情况,从而验证了提出方法的可行性和工程实用价值。     

基于曼彻斯特编解码的脉冲电源同步控制策略

为了解决电磁发射技术中的脉冲电源高精度同步控制问题,采取了一种基于曼彻斯特编解码的光纤环网的方法。该方法首先对曼彻斯特编解码方式进行时序仿真分析,并将其应用于光纤环网通信中;然后,利用光纤环网通信进行脉冲电源同步控制模拟实验;最后,通过对曼彻斯特编解码波形仿真以及逻辑分析仪的采样数据进行分析。仿真和实验结果表明:该方法能够在一定程度上解决脉冲电源高精度同步控制需求问题,可以有效地将时钟同步精度控制在100ns以内。     

基于分布式馈电的电磁发射系统效能分析

针对电磁发射系统的系统结构优化问题中馈电方式对系统效能的影响进行了分析,并提出了改进的系统结构。通过引入分布式馈电模式,改变轨道接入PFN放电回路的程度,降低轨道上的损耗,提高了系统效率。仿真分析表明:采用新的时序触发分布式馈电方式,相比单个放电阶段的简单系统以及基于多级电源的时序放电系统,不仅实现了安全稳定的能级跃升,并且克服了使用单个电源的分布式电流馈入方式电流衰减的问题,具有结构新颖、安全可靠、能量利用高效的特点,适合新的系统结构改进设计的要求。     

高压脉冲储能电容器特性分析

针对高压脉冲储能电容器的高功率密度、高电压、大电流、强脉冲储能及小型化的应用特点,分析了金属化薄膜电容器的工作特性、影响因素以及大电流脉冲放电条件下的金属化薄膜电容器失效机理,同时分析了金属化薄膜失效的直接影响因素、畸变电场的形成过程及其影响因素,为金属化薄膜电容器应用于电磁发射工程领域奠定了技术基础。     

高压纳秒脉冲形成电路的分析与设计

分析了储能线和储能电容脉冲发生器中各种因素对脉冲前沿的影响,比较了二者的优劣,并设计了一种储能线脉冲形成电路。初步的试验表明,该装置能产生脉宽为3～4ns的脉冲。     

同步感应线圈炮的技术瓶颈与应用前景分析研究

介绍多级同步感应线圈炮的工作原理,分析目前同步感应线圈炮在储能电源小型化、位置触发及驱动线圈寿命等方面的技术瓶颈,得出同步感应线圈炮更适用于中低初速载荷发射的结论．同时,研究同步感应线圈炮在电磁线圈迫击炮、大质量载荷弹射和引信动态试验等方面的应用前景,为科学制定同步感应线圈炮发展战略奠定了基础．     

电磁轨道炮的三维电热力耦合数值模拟

基于有限元和边界元混合算法,辅以外电路模拟程序,开发了电磁发射三维电热力耦合数值模拟程序(Railgun3D)。该程序可描述电磁发射过程中电磁加载、欧姆加热、电枢运动等物理过程,为电磁发射系统的设计提供参考。对使用电磁轨道炮三维电热力耦合数值模拟程序的计算结果与经验公式计算以及串联增强型电磁轨道炮发射的试验结果进行了比较和分析,结果表明:所开发的程序不仅能模拟电磁发射过程,还能给出发射中电、热、力参数的变化,有助于提高对电磁发射过程的理解,可为电磁发射器的设计提供参考。