王媛 張偉

(北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100124)

艦載機(jī)懸浮式電磁彈射器的系統(tǒng)研究*

王媛?張偉

(北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100124)

電磁彈射技術(shù)一直是世界發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相發(fā)展的高新技術(shù)，電磁彈射器將代替目前航母上使用的蒸汽彈射器．本文從艦載飛機(jī)起飛運(yùn)動(dòng)分析入手，以磁懸浮導(dǎo)軌技術(shù)和永磁無(wú)刷直線電機(jī)技術(shù)運(yùn)用到磁懸浮電磁彈射設(shè)計(jì)中，簡(jiǎn)述了該項(xiàng)技術(shù)的基本原理、組成及其特點(diǎn)，并對(duì)懸浮電磁彈射系統(tǒng)進(jìn)行分析．

電磁彈射， EMALS， 磁懸浮， 永磁無(wú)刷直線電機(jī)

引言

蒸汽彈射器是目前航母常規(guī)固定翼艦載機(jī)起飛主要的彈射裝置，但其存在著體積大、能量效率低、噪聲大等缺點(diǎn)，尤其是隨著戰(zhàn)機(jī)的性能、質(zhì)量、速度的提高，蒸汽彈射器已難以滿足發(fā)展需求［1］．電磁飛機(jī)彈射系統(tǒng)EMALS(Electromagnetic aircraft launch system)以電磁力(或洛侖磁力)為加速原理，可以在短距離內(nèi)用電磁推力使艦載機(jī)達(dá)到起飛速度，彈射時(shí)全程可控，效率高，體積重量小，維護(hù)方便的一種新型發(fā)射方式［2］．從理論上分析，其動(dòng)能不受傳統(tǒng)蒸汽彈射發(fā)射方式的能量限制，因而成為新興的航空母艦艦載機(jī)起飛技術(shù)．隨著技術(shù)的發(fā)展，電磁彈射技術(shù)使裝備更先進(jìn)、質(zhì)量更大、速度更快的戰(zhàn)機(jī)從航母上起飛成為可能．

在電磁彈射器的研究上，國(guó)內(nèi)方面，國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)羅宏浩等人［3］，提出了一種基于動(dòng)磁型永磁無(wú)刷直線直流電機(jī)的彈射器設(shè)計(jì)方案，結(jié)合理論分析與有限元仿真對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì);武漢理工大學(xué)的丁國(guó)良［4］對(duì)磁懸浮式電磁發(fā)射結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和磁場(chǎng)分析，為國(guó)內(nèi)電磁發(fā)射方面的研究提供了參考;國(guó)外方面，文獻(xiàn)［2］中提出了無(wú)槽型永磁同步直線電機(jī)的EMALS，對(duì)系統(tǒng)的總體構(gòu)成進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，但沒(méi)有分析電機(jī)性能，線圈受力的問(wèn)題也沒(méi)有解決．Patterson等人［5］，提出了基于齒槽結(jié)構(gòu)的永磁同步直線電機(jī)的EMALS，對(duì)系統(tǒng)的電源和靜態(tài)推力特性進(jìn)行了仿真分析．Stumberger等人［6］，對(duì)電磁飛機(jī)彈射系統(tǒng)中使用線性永磁同步電機(jī)和直線感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和比較，結(jié)論是線性永磁同步電機(jī)更適合電磁彈射系統(tǒng)．

懸浮式電磁彈射系統(tǒng)將磁懸浮導(dǎo)軌技術(shù)與永磁無(wú)刷直線電機(jī)相結(jié)合設(shè)計(jì)一種新型的彈射器．充分利用了磁懸浮導(dǎo)軌技術(shù)使動(dòng)子運(yùn)動(dòng)無(wú)摩擦，方便控制的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，這樣該電磁彈射系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效的性能，從而提高航母的作戰(zhàn)能力．

1 電磁彈射原理分析

1．1 懸浮原理及特征

本懸浮彈射電機(jī)采用磁吸型懸浮原理，其系統(tǒng)組成和功能如圖1所示［7］．圖1電磁鐵固定在導(dǎo)軌兩側(cè)，鐵磁體及彈射平臺(tái)處于懸浮狀態(tài);電磁鐵周圍纏繞了線圈，與鐵磁體及氣隙形成閉合的磁路．通電后，電磁鐵和鐵磁體在間隙將產(chǎn)生磁吸力．如要實(shí)現(xiàn)物體的穩(wěn)定懸浮，就要根據(jù)電磁鐵及彈射平臺(tái)的的懸浮位置連續(xù)不斷地調(diào)節(jié)線圈纏繞的電磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度．傳感器檢測(cè)懸浮位置偏離參考點(diǎn)的位移，控制器將檢測(cè)到的位移信號(hào)轉(zhuǎn)變成控制信號(hào)，最后功率放大器將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制電流，控制電流將修正電磁鐵中產(chǎn)生的電磁力，從而保證彈射平臺(tái)懸浮位不變，實(shí)現(xiàn)動(dòng)子及彈射平臺(tái)的懸

?。?］．

圖1 電磁鐵固定圖Fig．1 Electromagnet fixed

1．2 永磁無(wú)刷直流電機(jī)的原理

永磁無(wú)刷直流電機(jī)共分為兩種—?jiǎng)尤κ胶蛣?dòng)磁式．動(dòng)圈式即將永磁體裝在定子上，電機(jī)動(dòng)子上有鐵心繞組，存在拖線的問(wèn)題，且質(zhì)量較大，不適宜將電機(jī)做得較長(zhǎng)，不適用于在短時(shí)間內(nèi)推動(dòng)負(fù)載快速的加速;動(dòng)磁式即永磁體裝在電機(jī)動(dòng)子上，動(dòng)子無(wú)鐵心，質(zhì)量較小，定子的鐵心繞組接線方便，可將電機(jī)做得稍長(zhǎng)，并可以實(shí)現(xiàn)推動(dòng)負(fù)載以較大的加速度加速，因此本彈射電機(jī)選用動(dòng)磁式永磁無(wú)刷直流電機(jī)，定子對(duì)稱裝配在左右導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)上;動(dòng)子位于兩側(cè)的導(dǎo)軌內(nèi)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)子上部與彈射裝置裝配成一體，使動(dòng)子直線運(yùn)動(dòng)時(shí)始終保持在兩個(gè)定子的對(duì)稱中心［8］．

圖2 直線永磁無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖Fig．2 Schematic structure of linear permanent magnet brushless DC motor

本直線電機(jī)的設(shè)計(jì)依據(jù)是參考文獻(xiàn)［4］提出的一種動(dòng)磁式雙邊直線永磁無(wú)刷直流電機(jī)，如圖2所示，動(dòng)子中的永磁體在導(dǎo)軌間產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)與定子線圈之間相互作用產(chǎn)生電磁力，推動(dòng)動(dòng)子做直線運(yùn)動(dòng)．想實(shí)現(xiàn)改變動(dòng)子運(yùn)動(dòng)的方向，可以通過(guò)改變定子電流的方向即可實(shí)現(xiàn)．因此在完成一次彈射后，彈射架可快速減速至彈射的位置，為下一次彈射做準(zhǔn)備．如采用單側(cè)定子與動(dòng)子，其之間會(huì)產(chǎn)生很大的磁吸力，選用雙邊型的定子后，當(dāng)動(dòng)子始終保持在直線電機(jī)中間位置時(shí)，兩邊的吸引力完全可以抵消，從更有利于推動(dòng)動(dòng)子的加速運(yùn)動(dòng)．

永磁無(wú)刷直線直流電機(jī)的推力公式為:

式中:K:繞組的序號(hào);M:電機(jī)定子的繞組總數(shù);φk:代表第k個(gè)繞組所包圍的磁通;x:磁極運(yùn)動(dòng)方向坐標(biāo);I:初級(jí)繞組電流;w:鐵心齒的寬度;B(x):鐵心表面沿x分布的磁通密度函數(shù);N:繞組匝數(shù);L:鐵芯長(zhǎng)度．

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析

通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析，明確機(jī)構(gòu)的所處位置、速度、加速度和時(shí)間的關(guān)系，明確直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力與動(dòng)子在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)系，進(jìn)而確定驅(qū)動(dòng)力和定子及動(dòng)子在彈射過(guò)程中的力的關(guān)系．下面分別對(duì)飛機(jī)及電磁彈射器動(dòng)子部分進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析［9］．

2．1 艦載機(jī)起飛時(shí)的受力分析

飛機(jī)自身要設(shè)置一個(gè)最佳的起飛狀態(tài)，如加力大小、起飛迎角等．僅作為初步研究，只進(jìn)行縱向運(yùn)動(dòng)分析，其運(yùn)動(dòng)方程形式如同陸基飛機(jī)．

圖3 飛機(jī)起飛時(shí)受力分析Fig．3 Aircraft take － off force analysis

在彈射起飛過(guò)程中，艦載飛機(jī)達(dá)到指定的起飛速度、脫離彈射裝置即完成彈射過(guò)程．飛機(jī)在航母甲板彈射滑跑時(shí)，將飛機(jī)視為質(zhì)點(diǎn)，設(shè)甲板坡度為零．在不計(jì)艦載機(jī)彈性變形、輪胎壓縮量及起落架的液壓支柱的壓縮量的剛性假設(shè)條件下，艦載機(jī)電磁彈射加速時(shí)的受力分析如圖3［9］．其中OXZ，為整體的質(zhì)心航跡坐標(biāo)系，OXiZi為艦載機(jī)機(jī)體坐標(biāo)系．

在OXZ坐標(biāo)系上，飛機(jī)在X、Z方向的彈射起飛運(yùn)動(dòng)方程組為:

式中:m1為飛機(jī)質(zhì)量;G為重力;T為飛機(jī)推力;N為甲板對(duì)飛機(jī)的支撐力;Ff為飛機(jī)與甲板摩擦力;Ft為彈射器在飛機(jī)上的作用力;FL為飛機(jī)升力;Fd為飛機(jī)前進(jìn)方向上的動(dòng)阻力，它是飛行速度V的函數(shù);σp為發(fā)動(dòng)機(jī)的推力安裝角;α為飛機(jī)起飛預(yù)置迎角．

其中，飛機(jī)升力FL、動(dòng)阻力Fd可以由下式計(jì)算:

式中:Cx:飛機(jī)風(fēng)阻系數(shù);Cz:升力系數(shù);ρ:航母艦面上的空氣密度;S:飛機(jī)的迎風(fēng)面積．Cx、Cz、S不同的飛機(jī)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)差別很大．飛機(jī)與甲板摩擦力由下式計(jì)算:

其中μ是艦載機(jī)起飛時(shí)飛機(jī)輪胎與航母甲板的滾動(dòng)摩擦系數(shù)．

2．2 動(dòng)子滑塊的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析

在電磁力作用下，動(dòng)子滑塊在推動(dòng)飛機(jī)前進(jìn)過(guò)程中，將受到彈射飛機(jī)的反作用力、自身慣性力及風(fēng)阻力的作用．圖4是電磁彈射器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖．

圖4 電磁彈射器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig．4 Electromagnetic catapult structure diagram

將動(dòng)子滑塊進(jìn)行簡(jiǎn)化，其加速段受力分析簡(jiǎn)圖如圖5所示．

動(dòng)子滑塊在加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的電磁力作用方程為:

式中:m2:動(dòng)子質(zhì)量;F:推動(dòng)動(dòng)子滑塊所需的電磁力;Fm:加速運(yùn)動(dòng)的動(dòng)子滑塊的慣性力，方向與運(yùn)動(dòng)方向相反;a:動(dòng)子的加速度;Fo:向上的懸浮力;FF:動(dòng)子滑塊運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的風(fēng)的阻力．

設(shè)動(dòng)子位移x，運(yùn)動(dòng)時(shí)間t，將式(1)至式(5)整理得:

圖5 動(dòng)子加速段受力分析簡(jiǎn)圖Fig．5 Mechanical Analysis of acceleration of the mover

制動(dòng)時(shí)，動(dòng)子將受到制動(dòng)電磁力、機(jī)械制動(dòng)力、風(fēng)阻力作用．動(dòng)子滑塊減速段簡(jiǎn)化受力分析簡(jiǎn)圖如圖6所示

圖6 動(dòng)子減速段受力分析簡(jiǎn)圖Fig．6 Mechanical analysis of the deceleration of the mover

動(dòng)子受力作用方程為:

式中F'為制動(dòng)電磁力;Fq為機(jī)械制動(dòng)力．

當(dāng)直線電機(jī)通入電流I時(shí)，動(dòng)子處于懸浮狀態(tài)，開(kāi)始加速運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，則產(chǎn)生的洛侖茲力會(huì)使動(dòng)子進(jìn)一步加速，在時(shí)間t內(nèi)達(dá)到起飛速度V2，艦載機(jī)機(jī)與動(dòng)子拖鉤分離，而具有高速運(yùn)動(dòng)的動(dòng)子將迅速在短距離減速至零，再在電磁力作用下，返回彈射初始位置，完成一個(gè)工作循環(huán)．

3 系統(tǒng)功能組成

航母艦載機(jī)電磁彈射系統(tǒng)彈射飛機(jī)的示意圖如圖7所示，彈射系統(tǒng)組成如圖8所示［10］．其彈射系統(tǒng)主要由儲(chǔ)能分系統(tǒng)、彈射電動(dòng)機(jī)分系統(tǒng)、電力調(diào)節(jié)分系統(tǒng)、控制分系統(tǒng)以及與艦船和外部的信息接口等分系統(tǒng)組成．

圖7 電磁彈射系統(tǒng)概念安排Fig．7 Electromagnetic aircraft launch system arrangement

圖8 電磁飛機(jī)彈射系統(tǒng)組成框圖Fig．8 Electromagnetic aircraft launch system

3．1 各分系統(tǒng)及其功能

(1)彈射電動(dòng)機(jī)分系統(tǒng)

彈射電動(dòng)機(jī)分系統(tǒng)是一種將輸入的電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)子直線運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能的功率執(zhí)行部件，從而實(shí)現(xiàn)艦載機(jī)在短時(shí)間內(nèi)快速加速至規(guī)定起飛速，因此它是彈射系統(tǒng)的核心部分．本系統(tǒng)中采用永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置．

(2)儲(chǔ)能分系統(tǒng)

彈射電機(jī)在工作過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)大質(zhì)量的艦載機(jī)在短時(shí)間完成彈射，需要極大的能量供給，因而需要在一定時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存足夠的電網(wǎng)能量，并在工作時(shí)瞬時(shí)釋放出來(lái)，為彈射電機(jī)供電．本系統(tǒng)中的儲(chǔ)能裝置可以選用電容器或交流飛輪發(fā)電機(jī)等設(shè)備．

(3)電力調(diào)節(jié)分系統(tǒng)

電力調(diào)節(jié)分系統(tǒng)即根據(jù)彈射電動(dòng)機(jī)需要的形式把輸入電源進(jìn)行變換，同時(shí)根據(jù)不同的工作要求(彈射飛機(jī)的質(zhì)量)提供不同的能量，根據(jù)儲(chǔ)能形式選用直－直、交－直變換裝置或其他形式的調(diào)節(jié)系統(tǒng)．

(4)控制分系統(tǒng)

控制分系統(tǒng)是由各種高性能傳感器、光纖通訊網(wǎng)絡(luò)、控制器和智能化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等器部件組成，該系統(tǒng)會(huì)根據(jù)艦載機(jī)類型、所處環(huán)境條件及其它各種條件進(jìn)行綜合運(yùn)算，輸出工作信號(hào)，實(shí)現(xiàn)即時(shí)的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)彈射艦載機(jī)的控制功能，使磁懸浮電磁彈射系統(tǒng)成為一種高可靠性和高性能的艦載機(jī)彈射系統(tǒng)．

(5)外部信息接口

外部信息接口是彈射時(shí)外界工作條件、參數(shù)的輸入口，是速度、位移、電流、電壓等參量的彈射電動(dòng)機(jī)分系統(tǒng)的輸出口，其是實(shí)現(xiàn)有序安全運(yùn)行必要的交換的接口．

3．2 系統(tǒng)方案分析

該艦載機(jī)磁懸浮電磁彈射系統(tǒng)方案有一定的理論依據(jù)，而從原理試驗(yàn)可以看出，磁懸浮式電磁彈射系統(tǒng)只要輸入足夠的電流是完全可以把載荷加速至規(guī)定要求的速度，因此這一方案的原理是可行的．彈射系統(tǒng)主要由以上五個(gè)分系統(tǒng)組成，只要把對(duì)應(yīng)分系統(tǒng)的相關(guān)類型裝置或設(shè)備在滿足特性要求、接口匹配的前提下，即成為一個(gè)完整的電磁彈射系統(tǒng)．

4 結(jié)論

懸浮式電磁彈射系統(tǒng)通過(guò)對(duì)懸浮技術(shù)以及永磁無(wú)刷直流電機(jī)的研究表明，該方案的原理是可行的，從理論上講是可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)彈射的．通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析，確定了在彈射過(guò)程中驅(qū)動(dòng)力和定子及動(dòng)子的力的關(guān)系，進(jìn)而明確機(jī)構(gòu)的位置、速度、加速度和時(shí)間的關(guān)系．對(duì)于彈射系統(tǒng)的組成，各分系統(tǒng)之間必須相互協(xié)調(diào)、高度統(tǒng)一、充分發(fā)揮各自效能，從而保證整個(gè)系統(tǒng)工作高效、持久、可靠．

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10 李梅武，魏建中，薛飛．一種航母電磁飛機(jī)彈射系統(tǒng)研究．艦船科學(xué)技術(shù)，2007，1(29):33～35(Li M W，Wei J Z，Xue F．Research on a sort of electromagnetic aircraft launch system．Ship Science And Technology，2007，1(29):33～35(in Chinese))

*The project supported by the Key National Natural Science Foundation of China(10732020)and the National Natural Science Foundation of China(11072008)

? Corresponding author E－mail:sandyzhang0@yahoo．com

MAGLEV ELECTORMAGNETIC CATAPULT SYSTEM FOR SHIPBOARD AIRCRAFTS*

Wang Yuan?Zhang Wei
(College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing100124，China)

As a more advanced technology than the current steam catapult on the aircraft carrier，electromagnetic launch technology is a research focus for many developed countries．Based on the analysis of the plane’s take－off motion from carriers，this paper studied the application of maglev rail technology and permanent magnet brushless direct current linear motor technology in maglev electromagnetic catapult design，and introduced the basic principles，composition and characteristics of this technology．

electromagnetic catapults， EMALS， magnetic suspension， permanent magnet brushless direct current linear motor

27 June 2012，

18 September 2013．

10．6052/1672－6553－2013－057

2012－06－27 收到第 1 稿，2013－09－18 收到修改稿．

*國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(10732020)和國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11072008)

E－mail:sandyzhang0@yahoo．com