基于超导恒磁通感应电流过零换向的电磁发射装置及方法

技术领域

本发明涉及电磁发射技术领域，具体而言，涉及基于超导恒磁通感应电流过零换向的电磁发射装置及方法。

背景技术

电磁发射是利用电流与磁场之间的安培力来加速抛体运动的一项技术。目前较为常用的线圈型电磁发射方式为磁阻型线圈发射，该发射方式的关键技术难点在于，当抛体电枢运动到驱动线圈中心时，要尽快释放掉驱动线圈中的电流，避免产生反向减速力；同时，要求控制系统与抛体电枢运动同步，选择设定合适的提前放电时刻和触发放电位置，以便最大化地利用电磁加速力。然而，在大推力、超高速、大电流、多级发射情况下，随着抛体速度越来越快，换向电路开关的通断压力越来越大，驱动线圈中的电流难以同步、快速、准确地完成放电。

发明内容

本发明的目的在于提供基于超导恒磁通感应电流过零换向的电磁发射装置及方法，以解决抛体运动到驱动线圈中心时，因电流不能及时释放时产生反向减速力。本发明提出采用超导线材绕制驱动线圈，使用超导块材制作抛体电枢，设计释能换向电路转存磁能，给出使驱动线圈电流自动过零的比例值计算方法。

本发明解决了传统线圈型发射模式的内阻损耗过大问题，克服了驱动线圈电流难以快速同步精准换向难题，同时，降低了释能电路换向开关的通断压力，有效地解决了抛体线圈发射过程中受到制动减速力的问题，有效地提高了线圈型电磁发射效率。

本发明的实施例通过以下技术方案实现：

第一方面，提供基于超导恒磁通感应电流过零换向的电磁发射装置，包括驱动线圈，所述驱动线圈采用超导线材或带材绕制，多个所述驱动线圈组成发射通道；抛体线圈，所述抛体线圈采用超导块材或线材绕制；超导直流电源，所述超导直流电源用于为驱动线圈、抛体线圈提供初始电流。

第二方面，基于超导恒磁通感应电流过零换向的电磁发射方法，应用于上述的基于超导恒磁通感应电流过零换向的电磁发射装置；发射方法如下：

发射前，使用超导直流电源为超导驱动线圈励磁充电至电流I

发射初始时刻，利用超导直流电源为超导抛体线圈励磁充电，使超导抛体线圈产生电流I

发射时，超导驱动线圈和超导抛体线圈中的电流同向，产生相互吸引的电磁力，拉动抛体线圈加速运动。当超导抛体线圈不断靠近驱动线圈时，由于电磁感应相互作用和超导恒磁通原理，超导驱动线圈中的电流I

通过预设的初始电流设定，可以使得：当超导抛体线圈运动到超导驱动线圈中心点位置时，超导驱动线圈中的电流I

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

通过为超导驱动线圈与超导抛体线圈分别注入预设比值的电流，即超导抛体线圈的磁通与超导驱动线圈的磁通满足预设比例关系，使得超导抛体线圈的中点位于超导驱动线圈轴向中心处时，超导驱动线圈中的电流自动衰减过零，进而避免超导驱动线圈对超导抛体线圈产生反向拉力；

所提技术方案可以解决传统线圈型发射模式的内阻损耗过大问题，克服驱动线圈电流难以快速同步精准换向难题，同时，降低释能电路换向开关的通断压力，可有效地解决抛体线圈发射过程中受到制动减速力的问题。该发射模式充分回收并利用耦合磁能，避免传统线圈发射器剩留磁能的损失，有效地提高了线圈型电磁发射效率。

附图说明

图1为本发明的超导恒磁通感应发射原理图；

图2为本发明的超导恒磁通感应发射线圈电流自动过零图；

图3为本发明的超导恒磁通感应发射方法流程图；

图4为本发明的超导恒磁通感应发射系统框图；

图5为本发明的释能换向电路原理图；

图6为本发明的瞬态过程驱动线圈和抛体线圈的电流变化曲线图；

图7为本发明的瞬态过程抛体线圈所受加速力和速度变化曲线图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

本发明采用超导线材绕制驱动线圈，使用超导块材或线材制作抛体线圈，提出基于超导恒磁通感应电流过零换向的电磁发射新模式。该发射模式使用超导直流电源为驱动线圈和抛体线圈注入电流，预设电流在驱动线圈和抛体线圈中闭环运行产生磁场，进而利用驱动线圈和抛体线圈两者的磁场相互吸引而加速。根据电磁感应和楞次抵抗磁通原理，当抛体线圈不断靠近驱动线圈，驱动线圈中的电流将不断减小。通过恰当的预设电流设定，可以使得抛体线圈运动到驱动线圈轴向中心点位置时，驱动线圈中的电流自动衰减过零。此时，断开驱动线圈原回路，利用中间电容器回收暂存换向磁能，保证抛体线圈不受到反向减速力。该发射模式可以大大降低驱动线圈电流换向的开关压力，同时，也可以将中间储能电容器对下一级驱动线圈后半段放电，进而对抛体线圈产生斥力加速。这样，实现超导驱动线圈对抛体线圈先拉后推的全程加速。该发射模式充分回收并利用耦合磁能，避免传统线圈发射器剩留磁能的损失，可以大大提高系统发射效率。

上述的基于超导恒磁通感应电流过零换向的电磁发射新模式的原理如下：

超导体具有零电阻和迈斯纳效应。利用超导线材绕制成超导线圈，当超导线圈通载电流，并通过超导开关闭环运行时，由于回路的电阻趋于为零，超导线圈回路的电流将持续不变，这即是超导磁通守恒定律。

基于超导磁通守恒定律，考虑同轴放置的两个超导线圈，如图1所示，一个作为抛体线圈p，一个作为驱动线圈d。驱动线圈的电感为L

在发射之前，抛体线圈和驱动线圈分别由超导直流电源供电励磁，达到设定初始电流值后，利用超导开关使之闭环运行。由于超导线材的无阻特性，超导线圈中的闭环电流可以持久运行。在无外部电磁相互作用和能量损耗情况下，驱动线圈和抛体线圈各自回路中的磁通保持不变。设定抛体线圈和驱动线圈中电流的方向一致，则抛体线圈将受到驱动线圈的吸引力而加速运动。

在发射初始时刻，设抛体线圈与驱动线圈的中心点相距S

φ

φ

发射过程中，抛体线圈不断靠近驱动线圈，两线圈之间的互感值不断变化，由于电磁感应作用，各自回路的电流值也将发生变化。若抛体线圈的磁通量大于驱动线圈的磁通，驱动线圈中的电流将逐渐减小。当抛体线圈加速运动到驱动线圈轴向中心点位置时，驱动线圈与抛体线圈之间的互感值为M

φ

φ

联立关系式(1)、(2)、(3)、(4)，可得初始抛体线圈电流与驱动线圈电流的比值k为：

上式(5)即为抛体线圈到达驱动线圈轴向中心位置时，驱动线圈电流刚好衰减为零的条件，也即是实现电流自动过零的条件。该条件要求初始时刻抛体线圈和驱动线圈的电流满足过零比例系数k，该比例值由初始位置时抛体线圈和驱动线圈各自的电感L

基于上述实现原理，本发明提供基于超导恒磁通感应电流过零换向的电磁发射方法，如图3所示，该方法可应用于基于超导恒磁通感应电流过零换向的电磁发射装置，系统框图如图4所示；具体如下：

发射前，使用超导直流电源为超导驱动线圈励磁充电至电流I

发射初始时刻，利用超导直流电源为超导抛体线圈励磁充电。根据上述的超导恒磁通感应电流自动过零原理，推算初始抛体线圈电流与驱动线圈电流的比值满足预设比例值k，使超导抛体线圈达到电流I

发射时，超导驱动线圈和超导抛体线圈中的电流同向，产生相互吸引的电磁力，抛体线圈将受到驱动线圈的吸引力而加速运动。

当超导抛体线圈不断靠近驱动线圈时，两线圈之间的互感值和耦合磁通将不断增大，超导驱动线圈中的电流将不断减小。通过上述的初始电流设定，可以使得：当抛体线圈运动到驱动线轴向中心点位置时，驱动线圈中的电流刚好自动衰减过零。此时，可以轻松断开驱动线圈第一回路，同时释能换向第二回路闭合，利用中间电容器释能并回收暂存换向磁能，保证驱动线圈电流持续为零，从而使得抛体线圈不受到反向减速力作用，其中混合换向电路如图5所示。

上述的过程中，超导驱动线圈可以是一级驱动线圈也可以是多级驱动线圈的组合；需要注意的是，即使在多级驱动线圈的应用场景中，抛体线圈与每一级驱动线圈的初始电流比值依然符合如公式(5)中的比值k，并且每一级驱动线圈的电路结构、电流变化过程以及开关闭合条件均与上述过程一致。

此处通过仿真案例进一步对上述方法进行验证。在工程电磁场仿真软件中，建立超导恒磁通感应线圈发射模型和耦合电源电路。首先在初始位置时，利用静磁场模块计算抛体线圈和驱动线圈各自的电感L

基于上述原理以及方法，本申请所提供基于超导恒磁通感应电流过零换向的电磁发射装置，包括驱动线圈、抛体线圈和超导直流电源、释能换向电路。其中，驱动线圈采用超导线材或带材绕制，由于超导体具有零电阻和迈斯纳效应。利用超导线材绕制成超导线圈，当超导线圈通载电流，并通过超导开关闭环运行时，由于回路的电阻趋于为零，超导线圈回路的电流将持续不变或产生较小的衰减，达到一定程度的磁通守恒。本申请中，通过多个上述驱动线圈组成发射通道。

在一种实施方式中，所述发射通道由在同一直线上间隔设置多个驱动线圈的级联构成。这种方式是一种较为简单发射通道布置方式，虽然其对抛体所能产生的加速度的上限不足以达到理想的高度，但是其依然具有众多的应用场景。如可以应用在如电磁枪抛射弹丸的场景，弹丸在穿过以多个驱动线圈的级联作为的发射通道时，使弹丸在发射过程中能受到持续的加速力；当然，可以理解的是，其应用场景并不局限与此。

在一些应用领域，需要让一些重量较大的物体在短时间内产生一个较大的加速度，若仅仅是利用前面提及的发射通道布置方式，其所需要的电流将达到难以承受的地步，因此我们还需要另一种发射通道布置方式，即发射通道由多级多极矩线圈组构成，且多级多极矩线圈组沿抛体线圈的运动方向延伸。在同样长发射通道的情况下，该方式中机电系统耦合的磁能更大，进而产生更为巨大的电磁力加速抛体，该发射通道可以应用在机车推进、火箭助推、舰载电磁弹射以及真空管道运输中。

抛体线圈，所述抛体线圈采用超导块材或超导线材绕制；可以知晓的是，在传统的电磁发射中，抛体一般选用的是铁芯或其他金属块材，而铁磁抛体在强电磁发射中，易被磁化且存在磁饱和问题，进而导致抛体的发射性能降低；同时，这种传统抛体的使用，需要配合精确的驱动线圈电流控制手段，即当抛体的中点运动至驱动线圈的轴向中心点处时，需要及时关断电流并使电流反向，否则由于吸引力将会降低抛体的加速度，使出口速度大大降低。基于该问题；本申请提出使用由超导块材或线材绕绕制的抛体线圈替代传统抛体。需要说明的是，该抛体线圈可以是嵌入设置在非金属块材中，或缠绕在非金属块材的表面。采用这种抛体线圈的情况下，在发射之前需要为其注入预设的电流值，尤其需要注意的是，抛体线圈中的磁通与驱动线圈中的磁通应满足预设的比例值。进而在发射过程中，由于电磁感应和楞次抵抗磁通原理，在抛体线圈不断靠近驱动线圈时，驱动线圈中的电流将不断减小，可以使得抛体线圈在运动到驱动线圈的中心处时，驱动线圈中的电流中点衰减过零。

超导直流电源其作用主要在于为驱动线圈和抛体线圈提供电流。其中，驱动线圈直接接通超导直流电源，当电流达到预设值时，闭合超导开关，使预设电流在超导线圈中闭环运行。该超导开关可以是传统的热控式、磁控式，半导体可控开关等，可以理解的是，超导开关并不局限于以上类型。

超导直流电源为抛体线圈提供电流可用无接触式供能，此时则需要一个启动线圈，所述启动线圈设置在抛体线圈的初始发射位置，所述启动线圈通过开关连接储能电容器，当开关闭合，储能电容器向所述启动线圈脉冲放电，使位于初始发射位置的抛体线圈产生感应电流。另外，本申请还可以使用磁通泵为抛体线圈进行励磁供电。

为避免抛体线圈运动到驱动线圈轴向中心处，驱动线圈中的电流未衰减至0的情况，本发明方案中还设置有位置传感器，所述位置传感器用于监测抛体线圈的所在位置，当位置传感器监测到抛体线圈运动到驱动线圈轴向中心时，则断开驱动线圈电流回路和/或打开反向开关，进而避免产生反向拉力。

可以理解的是，上述位置传感器可以是设置在抛体线圈的初始发射位置的激光测距设备；也可以是设置在驱动线圈轴向中心处的光电位置监测传感器。

本发明中的驱动线圈连还接有释能换向电路，在一种实施方式中，所述释能换向电路包括第一回路和第二回路，如图5所示；其中，第一回路包括依次连接的驱动线圈、电阻R1与开关Sd1，而第二回路包括依次连接的驱动线圈、电阻R1、二极管D1与电容器C1；其中，R2为回路内阻。此处的开关Sd1为超导开关或晶闸管换向开关。

需要说明的是，第二回路中的电容器C1，可以防止超导驱动线圈两端出现较大的感应电压，电容器C1可以起到保护的作用；另外，电容器C1还可以将能量收集起来，准备对下一级驱动线圈后半段放电，进而对抛体线圈产生斥力加速。这样，实现超导驱动线圈对抛体线圈先拉后推的全程加速。

通过为超导驱动线圈与超导抛体线圈分别注入预设比值的电流，即抛体线圈中的磁通与驱动线圈中的磁通应满足预设的比例值，使得超导抛体线圈的中点位于超导驱动线圈轴向中心处时，超导驱动线圈中的电流衰减至0，也减轻了回路中的换向开关的通断压力。

以上仅为本发明的优选实施例而已，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保护范围之内。