1、第40卷第4期：118611932014年4月30日高电压技术High Voltage EngineeringV0140。No4：1186-1193April 30，2014DOI：1013336j1003-6520hve201404034电磁驱动线圈的力学特性及制作方法张亚东1，张为杰1，杨胜宽2，张 俊2 阮江军1，刘开培1(1武汉大学电气工程学院，武汉430072；2贵州航天天马机电科技有限公司，遵义563003)摘要：为给线圈式电磁发射装置提供可耐高压的高强度电磁驱动线圈，对驱动线圈的实时电磁力、结构特性及制作方法进行了研究。首先采用ANSOFT软件对线圈绕组时变电磁力进行分析。结果表
2、明，径向电磁力集中到线圈截面的中心右侧，轴向电磁力集中在线圈截面中心偏下部，线圈径向电磁力远大于轴向电磁力，因此litz线制作较带状线圈更适合制作高强度线圈。然后采用ANSYS软件对线圈的接触特性进行分析，结果表明，绕组受到径向电磁力往线圈外侧挤压，形变集中在绕组外侧；上下层绕组沿轴向方向向中间挤压；总电磁力的作用使线圈绕组向外部封装的中间处挤压。设计并制作了高强度驱动线圈，测试结果表明：该线圈满足耐高压、高强度的应用要求。研究结果可为高强度线圈的制备提供理论依据和指导。关键词：电磁驱动线圈；电磁力；磁一结构仿真；接触分析；线圈式；电磁发射装置Mechanical Property and M
3、anufacture Technology of Electromagnetic Driving CoilZHANG Yadon91，ZHANG Weijiel，YANG Shengkuan2，ZHANG Jun2，RUAN Jiangjunl，LIU Kaipeil(1School ofElectrical Engineering，Wuhan Univemity,Wuhan 430072，China；2Guizhou Aerospace Tianma Electro Mechanicals Co，Ltd，Zunyi 563003，China)Abstract：To prepare drivi
4、ng coils that Call withstand great force and high voltage for coilguns，we studied the realtimeelectromagnetic force(EMF)，mechanical property,and manufacture of driving coilFirstly,we calculated and analyzedreal-time EMF of driving coil and its windings using ANSOFT software，which indicates that radi
5、al EMF concentrates onthe right flank section of coil，while axial EMF concentrates on the underside section of coil，and the radial EMF is muchbigger than axial EMFHence，litz wires are preferred to manufacture driving coil than ribbon wiresThen，we used theANSYS software to analyze the contact propert
6、y of driving coilIt is shown that，in the radial direction，windings with-stand EMF that pushes them outwards from coilMeanwhile，the upper and bottom windings are squeezed towards themiddle place of coil，and total force makes the coil deformation to concentrate on the middle part of outer packaging of
7、coilAccording to obtained results，we designed，made and tested a high strength driving coilne results indicate that thecoil can withstand high voltage and large force that meets the demands of applicationThe design could be referred byother highstrength coilS design aS theoretical baSis and guidanceK
8、ey words：electromagnetic coil；electromagnetic force；magneticstructural simulation；contact analysis；coilgun；electromagnetic launcher0引言线圈是电磁线圈发射器的重要设备，承受高电压、大电流，因此常常发生绝缘击穿或者机械性破坏。如何制作一个高强度耐高压的驱动线圈，一直是国际上电磁线圈发射技术的研究热点lloJ。电磁轨道发射装置中，电枢虽然受到电磁力作用，承受脉冲强磁场，但其结构简单，无论是仿真还是试验测量都相对容易【，喝J。而用于电磁线圈发射基金资助项目：中国博士后基
9、金(2012M521465；2013T60737)。Project supported by Chmas Post-doctoral Science Fund(2012M521465，2013T60737)装置的驱动线圈，其绕组结构复杂，还带有各种封装材料，在脉冲强磁场作用下很难直接对其应力应变进行测量，因此主要的研究方式是采用有限元仿真方法进行研究H。1I。线圈通常被假设为绞线模型，其电流密度在整个线圈内分布均匀。无论是以Slingshot为代表的电路仿真软件【l小DJ，还是以Ansofi Maxwell为代表的有限元仿真软件中的strand模型都遵循该假设。试验证明，绞线模型可以很好地模拟
10、线圈发射器特性，它可以被认为是采用litz线绕制成的线圈。但是，一些研究人员认为litz线在巨大的压力和摩擦力下万方数据张亚东，张为杰，杨胜宽，等：电磁驱动线圈的力学特性及制作方法 1187可能会被挣断，从而导致线圈失效。因此为了使线圈导线不发生断裂情况，应当采用单股带状线绕制。但是当脉冲大电流注入到线圈内，带状线内将存在严重的趋肤效应，使电阻和温升增高，降低发射器效率。为比较litz线模型和带状线模型制作线圈的优劣，本文采用Ansofl仿真软件对这2种线圈及其绕组所受实时电磁力进行了深入分析，得到线圈的电磁力特性，比较了2种模型的优劣。随后采用Ansys软件对线圈的接触特性进行计算。根据仿真
11、结果，设计制作了高强度驱动线圈，并进行了试验测试。1数学模型11电磁力方程在线圈发射器工作过程中，线圈受到的电磁力取决于磁场和线圈电流的共同作用，线圈任一单元e所受的电磁力五可表示为Z=以Be (1)式中：正为线圈单元体的电流密度；成为磁感应强度。对整个线圈积分，得到线圈上的总的电磁力为F=J以Em (2)力、式中Q为线圈的求解域。线圈的电磁力能够反映线圈的力学特性，更是结构分析的基础。12应力方程线圈导线产生的电磁力除了会对绕组导线发生力的作用，也会进一步作用到线圈的绝缘及封装部件，使整个线圈发生弹塑性变形，甚至破坏。根据一般弹性力学理论中用张量形式表示的应力场控制方程可知，由于线圈产生的时
12、变电流和时变磁场使线圈受电磁力作用而发生结构变形，线圈的结构形变又会对线圈的电感产生影响，进而影响线圈的感应电流大小和磁场分布【J。所以线圈的工作状态是复杂的磁一结构耦合关系，用解析方法对其进行求解是很困难的，一般只能用数值方法来完成。以变分原理和剖分插值为基础的有限元法能较好地求解磁一结构耦合的有关问题。本文采用Ansofl软件进行线圈绕组的实时电磁力仿真计算，然后采用Ansys软件进行磁一结构耦合分析。2线圈的电磁力计算21线圈的物理模型为了分析线圈绕组的电磁力，设计了2种单级感应线圈发射器，整体线圈模型和2层同轴环装线圈模型，如图1所示，铝制电枢与线圈同心。详细的结构尺寸如图2所示。22
13、线圈的实时电磁力仿真结果Ansoft Maxwell软件的暂态求解器是求解线圈发射器问题的有力工具，在类似案列中获得了大量应用【l眦引。线圈采用外电路进行激励，为了更接近实际的工作环境，给线圈内的铝筒电枢加50 ms的初速度。图1(a)中的整体线圈电磁力的实时仿真结果如图3所示。由于线圈具有轴对称特性，因此电磁力可以被分作轴向和径向2部分进行分析。由图3可知，整圆曼色图 ，零阏嘲_商瘳矽。，(a)整体线圈 (b)2层同轴环状线圈图1单级同轴感应线圈发射器模型Fig1 Models of singlestage induction coil launchers62 mm仨翌亟写西耵恻gE寸 矮。
14、埘称轴 LI!椒 线圈对称轴 电枢 线斟图2单级同轴感应线圈发射器模型的尺寸Fig2 Geometry parameters of two coil launchers时问ms图3绞线模型整体线圈的电磁力Fig3 Electromagnetic force onin integrated coil witllstrand model万方数据1188 高电压技术 2014，40(4)体线圈的径向电磁力幅值远大于轴向力，轴向力的方向与电枢的运动方向相反，径向电磁力的方向垂直于轴向电磁力，指向驱动线圈外侧。下面分析线圈绕组模型的电磁力。litz线模型表示导线非常细，导体中不存在涡流及位移电流，问题域
15、中面积上的电流密度是平均的。litz线模型下，10匝导线的实时电磁力仿真结果如图4所示。带状线模型中的线圈是采用带状线绕制成的。涡流、位移电流以及源电流都包括在总体电流的计算当中。仿真结果显示，不管是径向方向，还是轴向方向，带状线和litz线模型模型的电磁力变化趋势一致，但幅值略小，取2种模型相同时刻的最大电磁力进行比较，如图5所示。整体线圈、litz线1 5105Z0孓蓬一5l一一101 520列lkms(a)径向电磁力0 O 2 0 4 0 6 08 10时问ms(b)轴向电磁力州|iims(c)总I也磁力图4绞线模型10匝绕组受到的电磁力Fig4 Electromagnetic forc
16、es of 10-turn wingdings withstrand model模型、带状线模型的发射速度仿真结果如图6所示。根据图3一图5中的litz线和带状线的实时电磁力计算结果可知：1)无论是径向力还是轴向力，litz线模型10个绕组的实时电磁力之和与图3中整体线圈的实时电磁力相等，方向相同。2)对于径向电磁力，由于运动电枢的影响，上层绕组的径向电磁力(绕组6-10)大于下层绕组的径向电磁力(绕组卜5)；绕组径向电磁力沿径向方向下降很快直到绕组4和9，电磁力幅值达到最小，605040堇30主20吾)lOOl O一202 3 4 5 6 7 8 9 10 ll绕组编号(a)圆环的最大径向电
17、磁力I 2 3 4 ) 6 7 8 9 10 ll绕组编号(b)删环的最人轴阳电磁力图5 2层同轴圆环线圈的最大电磁力Fig5 Maximum electromagnetic forces of the 2-layercoaxial ring coil叫fiIms图6 3种驱动线圈的速度曲线Fig6 Speeds of three driving coils“m，O，m”加z)lr、簿却一一一万方数据张亚东，张为杰，杨胜宽，等：电磁驱动线圈的力学特性及制作方法 1189外层绕组(5、lO)径向电磁力开始变大，但方向指向对称轴。因此径向电磁力的整体效果集中在线圈截面的右半部。3)在轴向上，线圈所
18、受的电磁力与电枢的大小相同，但方向相反，它决定了电枢的内弹道特性。图6显示，整体线圈和litz线圈模型的运动仿真效果相同，图5(b)中litz线模型和带状线模型轴向电磁力的差异引起了图6中带状线模型电枢速度的降低；上层绕组的轴向电磁力(绕组610)大于下层绕组的轴向电磁力(绕组1-5)，且方向相反，这意味着轴向电磁力集中在线圈截面的中部偏下的位置；各绕组的轴向电磁力从绕组1到绕组4依次上升，然后到绕组5下降；绕组4和绕组9承受最大的轴向电磁力。4)总体电磁力如图4(c)所示。显然，总体电磁力幅值主要受径向电磁力的影响。因此，在研究线圈受力破坏时应主要关注径向电磁力。23线圈的实时电磁力仿真结果
19、为了进一步比较litz线模型和带状线模型中各匝绕组中电磁力的差异，引入电流丝法来分析单匝线圈的电磁力。以绕组6为例，图7为图4Co)qb 03ms时刻的线圈截面的电流密度分布图，绕组6被分为20个截面为边长l mm的正方形电流丝，计算各电流丝内电流的分布情况，进而计算绕组电流丝的电磁力。图7显示，绕组6变为电流丝后，无论是litz线模型还是带状线模型，被分割成电流丝的线圈的电流密度分布和不分割时的绕组中电流密度分布相同。如图7Co)所示，在带状线模中，由于趋肤效应的影响，电流密度分布不均，这将增加绕组的电阻，降低系统效率，这个结论也可由图6看出，此外，趋肤效应还会引起绕组表面过热，损害绝缘。绕
20、组6中电流丝的径向电磁力曲线如图8所示。Litz线模型电流丝的径向电磁力变化是随着电流的变化而变化，每个电流丝受力趋势相同，在034ms时达到最大值。带状线模型电流丝的径向电磁力相互交错，在24 ms时电流丝的最大径向电磁力为52 kN，而此时的最小电磁力只有07 kN。电流丝之间巨大的差异将会对带状线的强度以及匝间绝缘产生影响。因此，从效率、电磁力、以及发热等多个角度考虑，虽然litz线制作线圈的过程复杂，但它比带状线更适合于制作驱动线圈。图7 电流丝法下电流密度分布图Fig7 Current density of the cross section of a coil ob-tained
21、using current filament method7OO525Z 100蔷275鲁150O 25一l 00O 02 0 4 0 6 08 L0时IiJms(a)Litz模型0 0 2 0 4 0 6 08 1O时Iiilins(b)州；状线=；：f，靼图8绕组6电流丝的径向电磁力曲线Fig8 Electromagnetic forces at radial direction of ilia-ments in winding 6432Oz芒rr蓬善万方数据1190 高电压技术3线圈的磁一结构耦合计算31 Ansys磁一结构耦合模型的建立为了进一步分析线圈的电磁力及结构特性，选用有限元软
22、件Ansys进行了磁结构耦合计算。对图1(b)中的线圈模型增加发射导管、线圈法兰以及绕组的加固绝缘部分，建立的Ansys仿真模型如图9所示。图9为面号显示，其中A1_A10为2层5匝铜绕组，A11为铝制电枢，A12、A13、A14、A16分别为法兰、导管和环氧绝缘层的轴向截面，A15为空气区域。材料参数如表1所示。Ansys软件不能得到电枢运动下线圈的实时电磁力仿真结果，但在实际的线圈设计和测试中，通常是将电枢固定，采用静态模型对线圈进行测试。因此，Ansys仿真中采用静止电枢符合工程要求。32脉冲电流下线圈的电磁力计算对线圈模型加载脉冲电流计算电磁力，3 ms时刻的电磁力仿真结果如图10所示
23、。总体来讲，虽然没有考虑电枢的运动，但电磁力的分布特性与Ansoft仿真结果类似：绕组电磁力分布并不均匀；径向电磁力远大于轴向电磁力；径向电磁力集中指向线圈截面中心的右侧；由于Ansys模型中电枢速度为0，模型对称，因此绕组轴向电磁力沿z轴对称；总电磁力集中指向线圈截面中心的右侧。33线圈的接触分析在线圈的实际工作过程中，线圈绕组首先发生形变，如果高强度绝缘材料强度超过了线圈，绕组可能会与线圈绝缘材料发生分离，这直接影响了线圈层问加固的设计，因此有必要对线圈的接触问题进行分析。采用间接耦合法进行接触分析，脉冲电流进行加载，仿真计算结果如图11所示。在脉冲电流作用下，线圈绕组会与发射导管分离，可
24、以明显发现，沿x方向分离位移越来越小，这是电磁力逐级减小的主要原因，进一步证实了Ansofl的电磁力分析结果。绕组电磁力向外积累，挤压外侧环氧向外膨胀，结果更接近实际情况。4线圈的设计及制作根据线圈电磁力及磁结构耦合的计算结果，提出了一种高强度线圈的制作方案。线圈主要包括导线、绕线骨架及封装3部分。导线应具有高强度、电阻小、绝缘强度高、耐高温等特性，因此本文设计了一种高强度导线，选择高电导率的材料作为导图9 Ansys中的线圈的仿真模型Fig9 Simulation model of a coil based on Ansys code表1 Ansys仿真材料参数Table 1 Materia
25、l parameter in Ansys simulation材料相对磁导率(嚣篙P模量a Poisson铜0999 90 1724 792 032铝 1000 022 263 568 03环氧树脂 1 55 03空气 l线芯子，采用绝缘性能好且耐高温的薄膜作为绝缘层，最后外包层采用卡夫拉(芳纶)材料增强导线的力学性能，如图12所示。绕线骨架可为线圈绕制提供模具，它需要承受一定碰撞力而不发生损毁，因此强度要高；绕线骨架应尽量薄，以增强驱动线圈与电枢间的电磁耦合，基于上述要求，选用GIO材料制作线圈骨架。为了加强线圈的力学性能，除了采用高强度导线外，采用高强度的封装材料也非常必要。线圈的层间绝缘
26、和外层封装可采用碳纤维丝、玻璃纤维、卡夫拉布等高强度材料绕制，再用环氧树脂或者聚酰胺等材料进行真空浸渍或湿式浸渍等方法进行封装。本文选择了卡夫拉丝及环氧树脂，采用湿式浸渍法制作层间绝缘及外侧封装结构。制作的驱动线圈如图13所示。为了检验制作的线圈的结构及绝缘情况，对线圈进行冲击试验。采用03 mF15 kV的试验电源，电压从3 kV逐级升压，直至15 kV，线圈成品没有损坏。试验表明，提出的线圈设计方案具有高强度、高绝缘强度的性能，能够满足工程需要。万方数据张亚东，张为杰，杨胜宽，等：电磁驱动线圈的力学特性及制作方法 1191电毽翔N1007 09e -lI88b)轴向电磁力 (d)l也磁力欠
27、鞋罔图10脉冲电流下线圈电磁力和电磁力矢量图Fig10 Electromagnetic force and its vector map for a coil under pulsed current图11接触分析得到的线圈形变Fig11 Deformation of coil based on contact analysisI正，秘强澍。氯瓣强赫啼脚ve礓_灌灌疆篮懑灌滢也万方数据高电压技术 2014，40(4)芳纶编织网绝缘层镀银软铜线120 4(b)t苛强度导线图片图12高强度导线结构示意图Fig12 Structure of the high-strength litz line5结
28、论基于线圈的电磁力、应力形变等问题的数值分析，以及高强度驱动线圈的设计、制作及测试，得出结论如下：1)各匝导线的电磁力特性彼此不同，总体而言，径向电磁力集中到线圈截面的中心右侧，轴向 一电磁力集中在线圈截面中心偏下部；线圈径向电磁力远大于轴向电磁力，因此在线圈设计时必须优先 pJ对径向电磁力进行详细设计。2)litz线模型制作的线圈较带状线圈具有电磁 【4】力分部均匀、电阻小、效率高等优点，更适合做高强度线圈。 53)接触分析表明部分绕组的电磁力向外积累，挤压外侧封装向外膨胀，该结果更接近实际情况。4)绕制线圈时，应采用高强度导线和高强度 【6】绝缘，以阻止或减小绕组电磁力沿径向传递，减小线圈
29、外侧封装的压力，使整个线圈结构更加可靠。参考文献References【l】AnCnare E C;Cowan M Design and performance of Sandias contactless coilgun for 50 mm projectiles 1993(01)3.Kaye R J;Shokair I R;Wavrik R W Design and evaluation of coil for a 50 mm diameter induction coilgun launcher1995(01)4.Hainsworth G;Leonard P J;Rodger D Fini
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