（电工理论与新技术专业论文）基于超导块材的新型电磁推进模式.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t s u p e r c o n d u c t i n gp h e n o m e n o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n td i s c o v e r i e si np h y s i c si nt h e 2 0 t hc e n t u r y b e c a u s eo fi t sg r e a ts i g n i f i c a n c ei ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y s i n c ea f t e rt h e d i s c o v e r yi th a sb e e nr e s e a r c hh o t s p o to fp h y s i c s e x p e r i m e n ta n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c h o f s u p e r c o n d u c t o ra t t r a c t em a n yp h y s i c i s t s a n dg a i na l o to fi m p o r t a n ta c h i e v e m e n t s b e c a u s eo f t h ee x c e l l e n ts u p e r c o n d u c t i v i t yc o m p a r e dw i t hc o m m o nm a t e r i a l s s u p e r c o n d u c t i n gm a t e r i a l s g a i nt h ef a v o u ro fp e o p l em o r e i na p p l i c a t i o n s i n c eh i 曲一t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r s h t s f o rd e v e l o p m e n t p e o p l ed oal o to fr e s e a r c hw o r kt of i n di t sp r a c t i c a la p p l i c a t i o n h i g h t e m p e r a t u r e s u p e r c o n d u c t o r s c a nb ew i d e l yu s e di ne n e r g y t r a n s p o r t a t i o n m e d i c a l i n f o r m a t i o n n a t i o n a ld e f e n s e s c i e n c er e s e a r c ha n de n g i n e e r i n ga s p e c t so fn a t i o n a ld e f e n s e e r e t h i sp a p e ri n t r o d u c e sak i n do fn e wd r i v i n gm o d e t h em o d ec o m p l e t e l yu s e sh t s s i m i l a rc o a x i a le l e c t r o m a g n e t i cd r i v i n gm o d e e s s e n t i a l l yb e l o n g st ot h el i n e a rm o t o r b 此 b e c a u s et h en e wm o d eu s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g h t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r s i th a s m o r en o v e la d v a n t a g e s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec u r r e n ts i t u a t i o no fc o a x i a le l e c t r o m a g n e t i cp r o p u l s i o n t e c h n o l o g y a n dt h e ni n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d r e s e a r c hp r o g r e s so fh t s c l a r i f y i n gt h e r e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h i st o p i c b e c a u s et h i sn e wm o d e li sd e v e l o p e do n t h eb a s i so ft h et r a d i t i o n a lc o a x i a ld e c t r o m a g n e t i cp r o p u l s i o n b u tt h ek e yt e c h n i q u e sa r e d i f f e r e n t t h i sp a p e ra l s o i n t r o d u c e se m p h a t i c a l l yt h ep r i n c i p l ea n dk e yt e c h n o l o g yo f t r a d i t i o n a lc o a x i a le l e c t r o m a g n e t i cp r o p u l s i o ns y s t e m t h i sp a p e r f i r s t l y f r o mt h ea n g l eo f p h y s i c si n t r o d u c e si n d e t a i lt h er e a l i z a t i o no ft h en e wm o d e l a n ds i m u l a t e st h ed y n a m i c r u n n i n gp r o g r e s s o ft h es y s t e mb yu s eo ff i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s o f tt ov e n f yt h e t h e o r e t i c a lm e c h a n i s ma n dp e r f o r m a n c eo ft h i sm o d e l r e s e a r c hs h o w st h a tt h i sm o d e lu s e d f u l lo ft h ec h a r a c t e r i s t i co fh i g h t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r sh a sm o r es i g n i f i c a n ta d v a n t a g e s c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lo n e s k e yw o r d s h i g h t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r s e l e c t r o m a g n e t i c l a u n c h m e c h a n i s m s i m u l a t i o n a d v a n t a g e s c h a r i n g 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 可以采用影印 缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密0 在年解密后适用本授权书 2 不保密彰使用本授权书 请在以上方框内打 扩 学位论文作者签名 射穆l 艿 指导老师签名 毫认 日期 2 纠护 s 2 日期 z 毋 p r 乙g 西南交通大学硕士学位论文主要工作 贡献 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下 1 1 对新型电磁推进模式的机理进行了理论与仿真研究 先从物理的角度对 该模式的基本原理进行了研究 得出了使该模式得以实现的关条件 2 对系统的性能进行了仿真研究 选用a n s o f l 有限元分析软件对系统的动 态特性进行了仿真 通过仿真验证了该模式的实现机理 同时对系统的其它性能 进行了初步的仿真研究 3 确定了系统的馈电方法 由于该模式完全采用高温超导块材 因此对其馈 电就使超导块材磁化 本文研究了超导块材的磁化机理 磁化方法 及磁化过程 中存在的问题及对策 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是在导师指导下独立进行研究工作所得 的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出贡献的个人和集体 均已在文中作 了明确说明 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担 学位论文作者签名 谋目荛苈 日期 7 t l o 5 2 分 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究意义 第1 章绪论 电磁推进技术至今已有上百年的发展历史 电磁推进装置是一种利用电磁力做功 把电能转化为动能的装置 电磁推进器使用电能作能源 远比化学推进剂的成本低 推进过程中的可控可调性 安全性和效率也是传统化学推进装置不可比拟的 电磁推 进有诸多优点 但最重要的有两条 一是它能把物体加速到超高速 3 k m s 甚至可达 到每秒几十千米 二是它加速的物体质量范围大 小至克级 大至吨级 因此 电磁 推进技术在以下各个方面都能得以广泛的应用 l2 习 1 科学实验 至少在以下两个科学实验领域可使用该项技术 其一是高压物理领域 研究材料在高压力作用下的性质 需要有超高速碰撞的实验工具 用电磁推进装置把 物体加速到1 0 k m s 以上进行高压物理实验 无疑是一种有效和方便的方法 1 9 9 3 年 前苏联科学院的g r i g o r i gm c h e m y v s k i y 教授采用电磁推进高速物体 速度为7 k r n s 和 1 0 k m s 来研究高速冲击对飞船材料的影响 并给出了实验数据和曲线 4 j 其二是受控 核聚变实验 倘若把小物体加速到5 0 k m s 以上的速度 以此攻击核聚变燃料靶 有可 能引发热核聚变 直至今日 传统的加速装置尚无法把小质量的物体加速到5 0 k m s 的 速度 电磁推进装置是完成这两类科学实验的有效工具 2 航天应用 主要应用在两方面 即定向发射和轨道转移 早在8 0 年代初美国宇 航局 n a s a 就设计了用电磁发射器向太空定向发射有效载荷的庞大计划 如拟用多级 分段的导轨发射器把放射性核废料以第三宇宙速度抛离太阳系 所需的成本仅是用化 学火箭的i 1 0 若使用同轴线圈定向发射 将更有效 再如用电磁推进器代替各种推 力器 把航天器从某一地球轨道转移到另一轨道 进行所谓的轨道转移 其方法是 在太空的电磁推进器利用月球上的物质 如土壤 作推进时产生的反作用力使发射器及 固定其上的航天器向另一轨道转移 3 军事应用 电磁推进器用于军事作武器时叫做电磁炮 电磁炮发射的弹丸速度可 比化学火炮的高几倍 因此它的杀伤力 射击精度和命中率等比现在的火炮都高得多 目前许多国家都主要以军事目的来研制电磁推进器 在战略防御方面 可置电磁炮于 天基 用以拦截弹道导弹 在战术方面 可用电磁炮防空 反坦克 反战术导弹或作 远程火炮用 放在战车上 装在舰船上或固定在岸边炮台上均可 4 工业交通应用 可利用推进器的原理和技术 进行金属电磁成型加工 或做成电 气锤 用于工业生产 在采油设备中 由于现有的抽油机 俗称磕头机 存在能耗达 效 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 率低 体积大 结构复杂和维护难度大等缺点 在1 9 9 8 年召开的第九届国际电磁推进 技术研讨会上 有人提出了采用线圈式电磁推进器替代磕头机的设想 并作了大量的 论证工作 5 据英国 星期日泰晤士报 报道 美国科学家正在利用电磁推进器原理研 制一种新型高速电磁列车 这种电磁列车采用导轨式电磁推进器原理 直接利用现有 的火车铁轨 其成本比磁悬浮列车低 速度比传统列车高 桑迪亚国立实验室在长3 6 m 的铁轨上进行了电磁列车模型实验 己从静止加速到5 4 7 k m h 电磁推进器在其发展过程中出现了两大基本类型f 6 轨道式 r a i l g u n 和线圈式 c o i l g u n 前者实际上是一个单匝的直线电动机 它由两条平行导轨 初级 电枢 次 级 载荷和电源组成 它具有能源简单 便于制造 研制周期短等优点 但由于其导 轨容易烧蚀和磨损 所以不能提供可靠的加速性能 后者可以理解为圆筒状的直线电 动机 它由若干个驱动线圈 螺线管 和一个或多个抛体线圈组成 由于驱动线圈一般固 定不动 则抛体线圈及其载体受电磁力作用而运动 由于存在磁悬浮效应 抛体线圈 在被加速过程中可以不与驱动线圈内壁接触 因而不存在摩擦 在相同条件下 后者 具有推力大 效率高 强度大 寿命长等前者无法比拟的优点 因此发展前景更为广 阔 代表着电磁推进的一个更高层次和今后的发展方向 7 1 2 国内外现状 1 2 1 电磁推进的历史与研究现状 电磁推进技术的原理早在1 9 世纪初就已经提出 后经过几十年的探索与研究 人 们相继研制出了各种电磁感应原理的直线推进装置或模型 但由于受相关研究领域技 术的影响 上述模型的性能距工程用存在着较大的差距 但是其中一些比较有代表性 的模型对推动电磁推进技术的发展起到了较大的推动作用 例如 1 8 4 5 年查尔斯惠斯 通 c h a r s w h e a s t o n e 建造了世界上第一台直线磁阻电动机 并用它把一根金属棒抛射到 了2 0 米远的地方 1 9 4 6 年美国的威斯汀豪斯电气公司建成了一个全尺寸的飞机弹射装 置模型 名叫 电拖 e l e c t r o p u l t 采用的是初级运动的直线感应电动机原理 1 9 6 7 年 苏联的鲍恩达列托夫等用1 米长的单极脉冲感应线圈式推进器把一个2 9 重的铝环加速 到了5k 州s 8 1 七十年代以后 超大功率脉冲技术和电子技术的飞速发展使电磁推进技 术有了重大突破 具有划时代意义的研究成果是1 9 7 8 年澳大利亚的马歇尔等人 用 5 5 0 m j 兆焦耳 的单极发电机作为电源和采用等离子体电枢 在5 m 长的导轨式电磁 推进器上把3 9 重的聚碳酸脂加速到了5 9k m 的初速度 这一研究成果证明了利用电 磁力可以把较重的物体加速到高速的可能性 马歇尔等人的划时代成就 使世界各地 的科学家受到极大的鼓舞和启发 由此也将电磁推迸技术的研究推向了一个新阶段f 9 进入2 0 世纪8 0 年代 各国纷纷投入大量的人力 物力对电磁推进进行实验研究 使 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 得电磁推进技术在装置 抛体重量 抛体速度 大功率电源等方面的研究取得了一系 列成果 l o 目前 电磁推进技术领域 美国仍处于领先的地位f l l 在我国 进行电磁 推进技术的研究工作起步较晚 从8 0 年代中期开始 我国的专家 学者作了一些理论 和思想上的探索 推动了电磁推进技术在我国的发展 中国工程物理研究院流体物理 研究所于1 9 8 6 年底率先建造我国第一台导轨式电磁推进试验装置 中科院等离子物理 研究所于1 9 8 8 年建成了一台导轨式电磁推进实验装置 能把5 0 9 的抛体加速到3 k m s 现在 国内主要有7 家组织在进行电磁推进装置的理论研究或部件性能单元技术的研 究工作 它们分别是 中国工程物理研究院流体研究所 s w i f p 中科院等离子体研究 所 i p p 南京理工大学 n u s t 华中理工大学 h u s t 解放军军械工程学院 o e c 中国炮兵工业2 0 8 所 1 2 0 8 c o i 和西安电子科技大学 x u 2 1 1 2 2 电磁推进关键技术的发展现状 电磁推进的关键技术包括电源技术 材料技术 推进器设计技术和系统集成技术 1 3 o 1 电源技术 由于目前的电磁推进装置在工作时需要非常大的电功率 一般在几十或上百兆焦 普通电源满足不了这一要求 因此 通常的作法是先将初级电源的功率传递给储能系 统 将能量储存起来 储能系统在适当的时机以适当的方式将能量转换到脉冲形成网 络中 经过电力系统的调节以适应负载的要求 目前 国内外主要采用高功率脉冲电 源为系统提供电能 并在研究上有了很大的进展 但是 电源装置在重量和体积上占 有整个电磁推进装置的最大份额 从装置的机动性要求出发 脉冲电源应该具有极高 的储能密度 以减轻重量和缩小体积 现在的关键是如何将电源小型化 以适应现有 平台 使电磁推进装置早日进入实际应用阶段 2 材料技术 为满足电磁推进装置需要承受大电流 强载荷的要求 必须研究和开发出磁能损 耗和焦耳热损耗小 强重比高的结构材料 从而大幅度提高系统效率 目前对材料的 研究主要集中于轨道材料 绝缘材料 抛体材料等 随着超导技术的发展 这一问题 将可望得到逐步解决 3 推进器设计技术 推进器是整个装置的核心部件 电磁推进器是电磁推进系统的核心部件 决定着 电磁推进所采用的基本原理和方式 也影响着所采用的供电形式 电磁推进器的设计 结构 参数极大地影响着电磁推进系统的性能 首先必须根据系统的使用目的 确定 推进原理以满足性能的要求 其次要根据已确定的抛体动能 推算所需电源的功率来 确定最佳的供电方式和电源形式 再次 研究推进器的结构形式 包括电机的结构以 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 及能量储存转换方式 以保证推进系统稳定与高效 最后 研制试验样机 进行试验 测试有关数据 并根据试验数据对样机进行修改和完善 为全系统的设计提供必要的 依据 4 系统集成技术 电磁推进装置是一套集成多种高新技术的系统 近几十年来 围绕推进技术这一 核心问题开展了许多相关单项技术的研究 并取得了长足的发展 单项技术发展到一 定程度时 系统总体技术就成为系统研制的一项重要的关键技术 在时间上 总体技 术必须先行一步 从系统的总体布置和各组成部分的功能 以及选择的技术途径和实 施方案等全局出发 为各分系统和零部件的研究发展提出量化指标及相应的约束条件 以求得系统总体综合性能的优化 1 2 3 高温超导材料的发展现状 超导材料的出现使电磁推进技术的发展如虎添翼 将超导材料应用于电磁推进技 术 大大降低了电磁推进装置在工作中产生的欧姆损耗 避免了烧蚀问题 提高了装 置的使用寿命和能量利用率 由于超导体的迈斯纳效应使得工作过程中抛体可以悬浮 于中心轴上 避免了机械摩擦 降低了装置的固定难度 此外把超导体作为推进系统 的储能元件 充分利用超导储能磁体体积小 重量轻 储能密度大的优势使整个电磁 推进系统变得轻巧 总之 超导材料在电磁推进系统中的广泛应用使得电磁推进装置 的性能大大提高 高温超导体的出现 使超导技术的应用出现了新的局面 由于超导转变温度进入 液氮温区 降低了技术难度 从而促进了这一技术的迅猛发展 从1 9 8 6 年发现临界温 度 t c 达到3 5 k 的氧化物超导体以来 t c 为1 0 0 k 以上的超导材料相继出现 自从发 现高温超导 h t s 现象以来 经过人们十余年的潜心研究和摸索 无论是h t s 成材 工艺的研究 还是性能的改善及应用都取得了长足的进步 h t s 属于非理想第1 i 类超 导体 内部钉扎中心对磁通线运动有阻碍作用 表现出良好的抗磁和磁滞特性 块材 的工程应用在不考虑机械性能的前提下也完全取决于其临界电流密度j c 的高低 限制 j c 提高的主要因素是弱连接和磁通钉扎强度 为解决y b c o 的弱连接问题 人们先后 提出了熔融织构法 m e l t t e x t u r e d g r o w t h m t g 液相处理工艺 l i q u i d p h a s e p r o e e s s i n g l p p 和粉末熔化处理法 p o w d e r m e l t i n g p r o c e s s p m p 等来制 备y b c o 块材 并通过掺杂贵重金属来改善其微观组织 用这些方法均得到j c 高于 1 0 4 a c m 2 7 7 k i t 的y b c o 块材 同时人们又通过化学掺杂 相分解技术和辐照等 手段 引入附加的磁通钉扎中心来进一步提高j c 值 1 4 近年来 用m t g 工艺和项部籽晶技术制备大尺寸大畴y b c o 块材工艺有了很大 的发展 m o r i t a 等人曾报道过 一块直径为5 0 m m 厚度为2 4 m m 的采用 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 q m g q u e n e h a n d m e l t g r o w t h f 艺制备的y b c o 样品在7 7 k 温度下的俘获磁场达到 1 2 t t l 6 r e n y 等人 1 7 曾采用中子辐照和降低温度的方法 使一个组合超导磁体在4 2 k 温度下的俘获场达到到1 0 t 1 9 9 8 年 日本的l k u t a t 嵋 等对直径为3 6 m m 的 s m b a c 咖进行励磁 在4 0 k 下得到8 0 t 的俘获场 这个值远远超过同期的同 样尺寸的y b c o 的俘获场 2 0 0 0 年 北京有色金属研究院和中科院电工所合作用未经 辐照的两块2 6 m m 直径 1 0 m m 厚的y b c o 样品在2 9 8 k 温度下达到了7 0 9 t 的俘获 场 但当外场达到1 0 t 时 样品破裂 当用一块y b c o 块材时 样品在4 2 k 时的俘获 场为4 3 8 t 在5 0 k 时的俘获场为2 7 1 t 1 9 两块尺寸为1 6 m m x l o m m 的y b c o 样品 在1 2 8 k 时俘获场达到7 0 2 t 并且都没有明显的磁通蠕动现象 2 0 1 2 0 0 1 年 德国在 2 4 k 温度下使一块直径为2 2 m m 的y b c o 块材俘获了1 6 t 的磁场 一块直径为2 4 m m 的圆柱形样品在2 0 k 时上表面的俘获场达到1 2 5 t 在4 0 k 温度下 俘获场为9 t t 2 1j 高温超导材料的发展为在电磁推进技术中的应用铺平了道路 对于采用高温超导 材料的电磁推进装置的性能将与超导材料的发展将有着密切联系 正如七十年代 大 功率脉冲技术和电子技术对电磁推进技术的推动作用 超导技术的发展也必将对电磁 推进技术的发展有着重大的推动作用 1 3 研究背景与论文工作安排 1 3 1 研究背景 2 0 世纪初 人们就开始着手电磁推进器的研制 至今已有上百年的历史 随着科 学技术的不断发展 电磁推进技术逐步成熟 各方面的性能逐步提高 同时人们也在 不断地探索和寻求电磁推进技术的新概念 新模式 以使电磁推进技术向更高的层次 发展 超导材料技术的发展为电磁推进技术的发展注入了新的活力 超导材料优越的 物理性能及不断发展的材料处理工艺为电磁推进器性能的提高创造了条件 本文针对 一种新型电磁推进模式展开研究 该模式完全采用超导块材 电能直接存储在定子 驱 动磁体 中 不需外加电源 系统集储能 推进于一体 此外 系统的安全性 集成 性 能量利用率等方面都比传统电磁推进模式高 综合各方面 在电磁推进领域具有 一定的先进性 该模式最初由p u t m a n 2 22 3 提出 在其公开发表的文献中 p u t m a n 只是 提到了该模式的优势和系统的一些性能 但对其实现的机理和关键技术却避而不谈 从公开发表的文献看国内也未见有研究 国外研究的也还比较少 基本上还处在理论 与仿真的初步研究阶段 鉴于该模式突出的优势 本文对该新型推进模式展开研究 希望研究结果能对今后国内电磁推进技术的研究提供参考和有益补充 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 3 2 论文工作安排 本文主要对新型推进模式的实现机理 关键技术及性能展开了理论与仿真研究 论文主要内容如下 第l 章 主要阐述了本论文的研究意义 背景 国内外现状及论文的工作安排 第2 章 概述了目前传统线圈式电磁推进的基本原理 系统构成及关键技术 第3 章 新型电磁推进模式的理论研究 从物理的角度详细分析了该模式的实现 机理 得出系统实现的关键条件 并写出系统的动力学特性方程 第4 章 新型电磁推进模式的仿真研究 建立了仿真模型 并选用有限元分析软 件m a x e l l 2 d 对系统的动态过程进行了仿真 对系统的性能进行了研究 第5 章 新型电磁推进模式的馈电方法 主要研究了超导块材的磁化原理 磁化 方法及磁化过程中存在的问题与解决对策 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 i i 皇曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼 曼皇曼曼 第2 章线圈式电磁推进技术概述 所有的电磁推进装置 其实质都是按电动机原理工作的 虽然所有电磁推进用的 推力都来自洛伦兹力或安培力 但电磁推进装置有不同的类型 按其结构可分为导轨 型 线圈型两大类 2 4 2 5 1 线圈式电磁推进是目前研究最多 且最有发展前景的一种推进模式 本文推出的 新型电磁推进模式是在线圈式电磁推进模式的基础提出的 为了把新型推进模式与线 圈式电磁推进模式作比较 以明确新型推进模式的优势 机理 本章着重介绍了传统 线圈式电磁推进技术 对线圈式电磁推进器的原理 组成模块 工作过程及关键技术 进行了分析 2 1 电磁推进技术的分类 电磁推进技术主要分为两大基本类型 导轨型和线圈型 其中线圈型出现较早 而导轨型电发展迅速 理论和实践上都比较成熟 已经接近于实用 1 导轨型电磁推进 2 6 j 导轨式电磁推进利用导线把电枢 导轨 电源连成回路 电枢与导轨滑动接触 当电源放电时 导轨和电枢中电流产生磁场 电枢中电流又与磁场作用产生洛仑兹力 洛仑兹力推动电枢沿导轨加速 最后抛体以极高速被推出 简单的导轨型电磁推进装 置实际上是一个单匝的直流直线电动机 它由一对平行的金属导轨 一个电枢 抛体 及电源组成 如图2 1 所示 其中电枢位于两导轨间 由导电材料构成 可以是固态 金属 也可以是等离子体 或者是二者的混合体 电枢起滑动开关和电短路作用 为减 少磨损 在超高速 3 k m s 时常采用等离子体电枢 g g t 图2 1 导轨式电磁推进装置构成及其电路模型 2 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 量曼曼曼 皂曼曼i i i 一 i i i i i 鼍皇曼孽 在简单恒流导轨型电磁推进器中 效率一般只有2 5 左右 不会超过5 0 t 2 82 9 1 因此 效率低是导轨型电磁推进的最大不足 只有在加速期间使电流逐渐减小 但这不 利于匀加速 磁场能量才能全部或部分地被电源收回 另外 电枢在导轨内高速运行 时 会对导轨产生强烈的烧蚀 从而对其性能产生不良影响 同时 由于导轨的限制 推进器的规模也不易做得很大 因此 限制了这种类型电磁推进器在加速大质量物体 如航天器 上的应用 2 线圈型电磁推进 线圈型电磁推进器早期称为同轴推进器 质量驱动器或行波加速器等 所谓线圈 型电磁推进器 一般是指用电流产生运动磁场 磁行波 从而驱动带有线圈的或磁性材料 抛体的装置 由于其工作机理是利用驱动线圈和被加速物体之间的耦合磁场 因此线 圈型电磁推进器的本质可以理解成直线电动机 线圈型电磁推进器的模型如图2 2 所示 由一单匝的驱动线圈和一个被加速线圈 同轴排列 被加速线圈以永磁或电励磁方式建立一磁场 两个线圈之间将产生互感 两线圈之间的互感与互感梯度如图中所示 当驱动线圈中通以电流时 被加速线圈上 将要受到一个轴向力 盛 i 1 o l 一一 l 罩 l l l l 靠 r d l l i 灾 j 2 2 线圈式电磁推进系统 图2 2 线圈式电磁推进模型简图 线圈型电磁推进的优点如下 抛体线圈和驱动线圈不接触 故速度不摩擦的限制 可按较大比例地增加抛体线圈的尺寸 利于推进大体积 大质量的抛体 效率比较高 无初速度要求 可以在零初速度下开始加速 同样的电流时线圈型电磁推进器的推力 比导轨型的大1 0 0 倍 3 0 比导轨型电磁推进器寿命长 性能好 因此应用前景更为广 阔 并成为各国争相研究的热点 线圈式电磁推进分为感应型线圈式电磁推进和磁阻型线圈式推进 而感应型线圈 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 曼蔓曼皇曼蔓皇曼鼍曼曼i i i 一 i a 二一 一一 一 m m i m m 二a i i 式电磁推进又可分为两大类 分立驱动线圈的同步脉冲感应线圈推进器和连续驱动线 圈的异步感应线圈推进器 前者又有单级和多级之分 由于篇幅所限 本文只介绍与 新型推进模式最为相似 同时也是目前关注比较多的脉冲感应型电磁推进技术 2 2 1 脉冲感应式电磁推进器的结构 线圈式电磁推进装置主要包括以下几个部分 3 l j 1 定子线圈 驱动线圈 每级由一个线圈组成 用由外电源供电 其受到的径向 力和反向轴向力由周围的加固装置承担 2 抛体 为导线绕制的线圈或导体圆筒型电枢 在实际应用中 可以携带载荷 厚度应与集肤深度接近 太厚不利于耦合 3 飞行导管 由非导磁材料制成的薄壁管 作用是在抛体不能实现稳定的磁悬浮 时 防止擦伤定子线圈 但综合考虑推进装置工作过程中 其径向力必然对导管有作 用 如果导管塑性太强 导管壁太薄则导管不能承受 4 电源 其主要功能是为各级驱动线圈提供电能 5 控制系统 主要用于控制定子线圈电流通路的接通或关断 主要由传感器 单 片机测控系统等环节组成 2 2 2 脉冲感应式电磁推进的基本原理 同步脉冲感应型线圈推进器抛体线圈的电流是由单相的驱动线圈同步脉冲放电产 生的 多级工作时类似直线同步电动机 脉冲感应型推进器 抛体的材料通常选择铝 结构通常都是固态良导体环形结构 自成圆形载流回路 与驱动线圈并无电路联系 工作时 要求给驱动线圈施加脉冲电流 因此驱动线圈中的电流变化率很大 此 时抛体被铰链磁通感应出一环形电流 涡流 此环形电流与两线圈的磁场相互作用产生 安培力 从而驱动抛体线圈向前运动 如图2 3 所示 驱动线圈与电源g 连接 抛体 线圈绕在载荷上 若干个驱动线圈固定 抛体最初位于第一个驱动线圈中间偏右的位 置 先给第一个驱动线圈馈以脉冲电流i l 使抛体产生与i l 反向的感应电流i 2 由于 i i i 2 反向 两者互相排斥 驱动线圈受向左的排斥力 由于固定而保持不动 抛体受 向右的排斥力被加速向右运动 当抛体刚向右越过驱动线圈2 中心后 再让驱动线圈2 通以脉冲电流 那么抛体又被感应出和驱动线圈中电流方向相反的电流 抛体再次受 到向右的排斥力 继续被加速 于是 抛体被一系列驱动线加速驱动 感应型线圈推进器对电源的要求较高 要求电源能给驱动线圈瞬时脉冲电流 即 驱动线圈中的电流变化率很大 适合于线圈推进的电源类型有 常规交流发电机 金 属硫化物蓄电池 飞轮圆盘交流发电机 电容器 补偿脉冲交流发电机和单极发电机 而目前电容器组是用于感应型电磁推进的最佳电源 i 引 至里圣鎏銮三2 圭竺鎏兰耋篁鎏耋薹 墨 碰尊 线 薪r t 囝 目 动线目 图2 3 感应型线圈式电磁推进装置示意图 1 223 脉冲感应线圈式电磁推进器的系统构成 由于电磁推进的实质是一个大功率脉冲电源瞬间放电的过程 其系统组成可简单 的看作是由脉冲电源的充电回路和放电回路所构成 图2 4 给出了单级电磁推进的基 本组成框图 圈2 4 单级电磁推进系统的基本组成框图 在图2 4 中 充电电路和高压大功率脉冲电源共同组成充电回路 而放电回路则 由框图中的虚线部分组成 包括高压大功率脉冲电源 开关 驱动线圈以及将它们联 系在一起的传输线 另外 还有两个部分分别是点火控制系统和测量系统 点火控制 系统由开关 开关触发回路 控制电路共同构成 测量系统则包括了三个方面的测量 分别为脉冲电源的电压测量 放电回路的放电电流测量以及抛体运动速率的测量 1 电源部分 电磁推进装置本质上都是冲击大电流装置 都是利用的大脉冲电 流产生强脉冲电磁场来作为能量源 将脉冲能量转换成抛体动能的能量转换设各 因 尊 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 此所需要的脉冲电源的能量要足够的大 脉冲功率要足够的高 电源部分除了脉冲电 容器组电源以外 还包括它的充电电路和充电电压测量装置 2 开关部分 在电磁推进系统中 开关部分包括了开关本身以及开关的触发控 制电路 开关的作用一是将脉冲电源的充电电路和放电电路进行隔离 方便完成对脉 冲电源的充电 二是在需要脉冲电源放电的时候 接通放电回路 使脉冲电源对驱动 线圈进行放电 由于脉冲电源本身是高压大功率的 因此要求开关必须能够承受高电 压 大电流 再次就是开关的导通时间要尽量小 单级电磁推进对导通时间没有具体 要求 但在多级电磁推进中 对于开关的导通时间要求就比较高 第二级和后面几级 推进器工作的时候 需要在抛体飞行到适当位置时脉冲电容器组对驱动线圈放电 这 个中间的时间延迟和控制时间分散性必须要很小 才能适时的给抛体加上进一步的推 动力 因此开关的导通时间必须很小 应当在微秒级 在这样苛刻的要求下 普通的 电力开关已经无法适应 3 控制部分 推进器要求控制装置来检测抛体位置并向触发系统发送信号以便 接通脉冲电源的放电回路向驱动线圈放电 3 测量部分 电磁推进系统中的测量部分主要由三个模块组成 一是脉冲电容 器组充电电压的测量 二是放电过程中放电回路电流的测量 三是抛体推进过程中 抛体飞行速度的测量 放电回路放电电流的测量用来分析放电过程中的电流变化规律 以便于改进电路中元件的参数 进而提高电磁推进的效能 2 2 4 脉冲感应式电磁推进系统的工作过程 电磁推进系统是一个复杂的系统 它有多个模块组成 只有各部分协调一致的工 作才能保证系统功能的实现 系统工作时 首先 通过脉冲电源的充电电路对各电容 器组进行充电 并同时使用脉冲电容器组的电压测量装置对充电过程进行监测 充电 过程应缓慢进行 直到脉冲电容器组的电压达到需要的数值 脉冲电容器充电完毕以 后 断开并隔离充电回路 在整个系统准备就绪后 由控制系统向第一级触发电路发 送触发点火信号 触发系统接受到触发信号之后 在系统中生成高压触发脉冲 该触 发脉冲通过传输线连送到触发开关的触发极上 使触发开关导通 最后 触发开关导 通以后 整个放电回路被接通 脉冲电源开始对驱动线圈放电 在回路中产生大的脉 冲电流 同时驱动线圈内瞬间建立起强的脉冲电磁场 脉冲电磁场在抛体表面产生涡 流 它们相互作用对抛体产生一个水平方向的推动力 推动抛体飞离第一级驱动线圈 完成第一级的加速后 抛体很快进入第二级驱动线圈 当抛体到达第二级驱动线圈的 某一位置时 安装在第二级驱动线圈的传感器就会检测到抛体的到来 并向控制系统 反馈这一信息 控制系统接收到这一信息之后 立即向第二级触发系统传送触发信号 与第一级情况类似 触发信号引起触发系统工作 产生高压触发脉冲 触发开关导通 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 接通放电回路 脉冲电源对驱动线圈放电 开始对抛体进行第二次加速 完成第二级 的加速后 抛体将很快进入下一级驱动线圈进行同样的加速过程 线圈式电磁推进是目前研究最多的一种推进模式 技术相对成熟 但存在一些至 今难以克服的缺陷 如同步技术复杂 推进时线圈过热 能量利用率不高 抛体加速 力受驱动线圈机械强度限制等 2 3 本章小结 本章对目前的线圈式电磁推进技术进行了分析 重点对同步脉冲感应型电磁推进 的原理 系统构成及关键技术进行了总结 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 m l 一一一 m lm i i 鼍寰曼鼍曼曼曼 第3 章新型电磁推进模式理论研究 自从电磁推进的概念被提出以来 人们经过不断的研究与探索 目前电磁推进的 各项技术 如第二章所述 已逐步成熟 并进入实用化的阶段 但目前的电磁推进技 术也存在着诸多缺陷 如电源占整个系统的份额太大 难以满足现代应用对灵活性 轻巧性的要求 系统工作过程中产生大量欧姆损耗 能量利用率不高 同时影响装置 使用寿命 还有精确同步控制难等问题 所有的这些问题依赖于科学技术的进步 材 料性能的改善 以及新模式 新的推进理念的出现 本章将要介绍一种新型的电磁推 进模式 该模式的定子和抛体都完全采用高温超导块材 与目前的线圈式电磁推进相 比 该模式在电源技术 材料技术 系统集成技术等方面都具有一定的优越性 由于 该模式巧妙的把超导材料的特性和电磁学中的磁通守恒理论结合起来才得以实现技术 上的重大突破 因此本章首先对超导体的磁通守恒特性进行了论述 然后 着重从物 理的角度对该模式的实现机理展开详细的研究 3 1 基于超导体的磁通守恒理论 如图3 1 所示 一带有电流的超导环以一初速度向永磁体运动 设初始时刻 超 导环带有电流 由于超导环的电阻为零 这个电流将是无衰减的短路直流 3 3 3 4 3 5 1 图3 一l 超导环磁通守恒原理图 设初时刻户0 超导环距离永磁体足够远 则超导环的磁通为九 三为超导 环的电感 设永磁体给超导环提供的磁通为欢 f 随着超导环向永磁体运动 仍 f 是 不断变化的 因此 在超导环中产生感应电动势 设此电动势为占 则 铲一掣 3 1 感应电动势 将在超导回路中产生感应电流 设此感应电流为1 2 1 f f 2 f 将在超导 环中产生磁通办 t 以阻止识 f 的变化 设1 2 1 f 在超导环中产生磁通为办 f 由于 之 t 是随时间变化的 西 也是随时间变化的 因此超导环中将产生感生电动势 设 此感生电动势为占 则 v一 八u 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 i i s l 一掣 3 2 s l2 一 一 l j z j 口f 超导环的电阻r 0 所以超导环的回路方程为 自 龟l i r 0 3 3 把式 3 1 式 3 2 代入 3 3 得 鱼业一丝盟 o d fd c 3 4 即 办 f 欢 f c c 为常数 3 5 设初始条件为t 0 由于t 0 时刻 超导环距永磁体足够远 所以如 0 0 t 0 时刻 超导环中无感应电流 故锄 0 0 旃 o 如 o 0 c 0 即超导环的磁通量变化 总量为零 超导环将保持它最初的磁通九 l i o 不变 由此可知 磁通守恒理论的具体应用离不开超导体这种特殊材料 电磁守恒理论 伴随着法拉底电磁感应定律和楞次定律而诞生 至今已有相当长的历史 但由于长期 以来与这些理论相关的研究及工业产品大都基于常导体 常超导体存在电阻 使得在 电磁感应过程中产生的感应电流瞬间衰减或消失 难以保持最初的电磁通守恒 因此 也更难以利用磁通守恒理论 而超导体的出现使磁通守恒理论具体应用成为可能 由 于超导体电阻为零 在电磁感应过程中产生的感应电流不会由于欧姆损耗而消失 因 此能够保持最初的磁通不变 使磁通守恒理论的进一步应用成为可能 3 2 新型电磁推进模式的实现机理 3 2 1 基本加速原理 该新型推进模式主要有抛体和定子 驱动 组成 为简化分析 抛体和定子采用 圆筒形结构 如图3 2 所示 抛体和定子全部采用高温超导块材 在系统开始工作之前 先给定子馈电 使电能直接储存在定子中 这样定子本身也是储能磁体 在工作过程 中充当电源的作用 在工作的过程中 定子中的电磁能转化为抛体的动能 推动着抛 体向前作加速运动 给抛体和定子馈以同向电流 带有电流的抛体和定子将在空间产生电磁场 根据安培力公式 d f i d l b 3 6 抛体与定子中的电流将与空间的电磁场相互作用产生电磁力 由于抛体和定子中 的电流同向 抛体和定子在轴向将受到相互的吸引力 由于定子是固定的 抛体将被 吸引着向前做加速运动 若抛体通过定子中面以后 如果两电流仍然同向 则抛体将 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 又受到向后的吸引力 做减速运动 因此为避免减速力的产生 应使抛体到达定子中 面时定子中的电流变为零或与抛体中的电流反向 1 卜 抛体 定子 图3 2 推进装置模型简图 本文研究的新型电磁推进模式充分结合了电磁感应理论和超导体的磁通守恒理 论 使抛体到达定子中面时 定子中的电流刚好自动地衰减为零 类似实现了 自动控 制 3 2 2 自动控制 实现的方法 在初始时刻抛体和定子都预置同向稳恒电流 当抛体以一定的初速度向定子方向 运动时 由于电磁感应的作用抛体和定子中的电流都将发生变化 由前面的论证可知 由于抛体和定子都采用超导体 抛体和定子将保持初始时刻的磁通不变 设t o 时刻 抛体由某一初始位置开始运动 并设此时抛体和定子的磁通分别为 九 九 定子和抛体的初始预置电流值分别为 j i 口 则抛体和定子的磁通量 纠a l a l a 强k i 1 3 7 式 3 7 中 尬 初始位置处抛体与定子间的互感 厶 抛体自感 为常量 l s 一定子自感 为常量 当抛体向定子方向运动的过程中 抛体和定子中的电流都将发生变化 但完全采 用超导体的抛体和定子的磁通保持不变 f 九 三口i a m i l 1 九 l s l 1 l i m i i 口 3 8 l 九 j 口 p o 式 3 8 中 m i 抛体运动过程中抛体与定子间的互感 是随抛体位置变化的 变量 0 4 抛体中的电流 是随抛体位黄而变化的变量 厶一定子中的电流 是随抛体位置而变化的变量 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 曼曼曼 曼 曼童曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅 曼曼曼曼 曼曼曼曼曼 曼曼曼曼111 i ii 一 i i 皇曼曼 假设抛体到达定子中心位置时定子中的电流t 正好衰减为零 则式 3 8 变为 j 九 l a l 4 d 1 九 m o i 嘞 3 9 式 3 9 中 抛体到达定子中心位置时两者间的互感值 l 此时抛体中的电流 由 3 9 式得 钆l d 石5 面 3 1 0 把 3 1 0 式代入 3 7 式得 等 瓦l a l 瓦s i m o 两m 1 3 1 1 晶 口 m 0 一 口 彳l j 11 式 3 1 1 即为抛体到达定子中面时 定子中的电流刚好衰减为零的条件 也就是实 现所谓的 自动控制 的条件 该条件要求初始时刻抛体和定子的预置电流满足一定得 比例关系 该比例关系由抛体和定子的自感 初始位置处以及两者位置重合时的互感 决定 因