电磁弹射原理和前景探讨

电磁弹射原理和前景探讨

sugarly@mail.ustc.edu.cn

摘要：本文介绍了电磁弹射技术的原理和特点，尤其深入阐述了电磁学原理在该技术里的应用。本文还

展望了电磁弹射技术在军事，民用，工业领域应用的光明前景 Abstract：The paper introduced the basic principle and features of the new technique

（EMALS）,especially the use of the knowledge of electromagnetism. In this paper ,the bright

future of the application of this new technology in military、civil、industrial areas is also be introduced.

电磁弹射技术是一种新兴的直线推进技术，适宜于短行程发射大载荷，在军事、民用和工业领域具有广泛应用前景。电磁弹射系统(EMALS)是世界发达国家竞相研究的一种高新技术。它是一种航空母舰舰载机起飞技术，是对传统舰载机起飞技术的重大突破。电磁弹射系统可以弹射不同型号的飞机，能够弹射蒸汽弹射器所不能弹射的预警机，方便控制与维护。

（一）电磁弹射系统组成与基本原理

电磁弹射器主要包括储能系统、电力电子系统、直线电机、控制系统，另外还要有冷却系统、预加动力装置、减速缓冲与刹车装置等。这些分系统、装置组合在一起，形成一个高性能的弹射系统。储能系统在特定的时间周期内从航空母舰的配电系统获得电能，并将储存的能量在2-3 S的弹射期内以脉冲形式转换为电能。电力电子系统控制储能系统脉冲放电，调节直线电机动子速度，使飞机达到起飞速度。控制系统保证弹射过程按规定的参数完成弹射。电磁弹射器实质是能量型直线电机。直线电机的动子滑块在电磁力作用下，通过拖钩拖动飞机，使其达到起飞速度。

（1）运动学、动力学分析

通过运动学分析，明确机构的位置、速度、加速度和时间的关系。通过动力学分析，明确直线电机的驱动力与动子不同运动状态的关系，确定驱动力和定子及动子在运动过程中的力的关系。这是确定伺服电机规格的基础，也是控制系统设计的重要依据。

（2）飞机起飞受力分析

飞机从航母上起飞本身是一个复杂的问题。舰面是一个海上六自由度运动的平台，它不仅在海平面上作平面运动，而且在海浪的作用下还会产生纵向和横向的摇动以及升降运动。航母上的大气紊流情况也比较复杂，除了陆地机场通常存在的大气紊流以外，由于航母庞大的舰体以及自身的运动，还会在舰首产生上升气流，并在舰尾处形成较强的公鸡尾状的尾流。气候、浪涌、风力、风向、航母行进速度、航母纵摇、横摇都直接影响飞机起飞效果。飞机本身要设置为一个最佳起飞状态，如起飞迎角、加力大小等。作为初步研究，可只进行纵向运动分析，其运动方程形式与陆基飞机是一样的。弹射起飞时，舰载飞机达到起飞速度、脱离拖动装置即认为弹射过程结束。飞机在舰面弹射滑跑时，将飞机视为质点，设甲板坡度为零，飞机可用推力始终与甲板平行。在不计飞机弹性变形、不计轮胎压缩量及起落架液压支柱的压缩量的刚性假设下

飞机起飞受力分析

在以OXZ为质心的航迹坐标系上， 飞机在铅垂面内的弹射起飞运动方程为

dv?m1x?Tcos(???p)?Ft?Fd?Ff?dt??mdvz?Tcos(???)?N?F?G1pl?dt式中：

m1--------飞机质量 T----------飞

（1）

机推力 Ft--------弹射器在飞机上的作用力

Ff--------飞机与甲板之间的摩擦力

Fd------飞机前进方向的动阻力，是

飞机速度的函数

Fl---------飞机升力 ?-------

飞机起飞预置迎角 ?p--------发动机推力安装角

G---------飞机重力 N-------甲板对飞机的支持力

其中 飞机升力Fl和飞机动阻力Fd可以由下式计算：

Fd?1212Cx?SV2（2）

Fl?Cz?SV2（3）

Cx--------飞机风阻系数 Cz--------升力系数 ?---------空气密度 S-----飞机迎风面积

飞机和甲板的阻力可以这么算

Ff??N

N?G?Fl （4）

?是飞机起飞时轮子和甲板的滚动摩擦系数

（3）动子滑块的运动学、动力学分析

在电磁力推动下，动子滑块在拖动飞机前进过程中，将受到飞机的反作用力、风阻力、运动摩

擦力和自身惯性力作用

电磁弹射器结构简图 动子滑块加速段简化受力分析

（a）动子滑块在加速阶段的电磁力作用方程： F?Fm?Ff?FF?Ft

Fm?m2a （5）

'Ff?Nf

F-------推动动子滑块所需的电磁力；

'Fm-------加速运动的动子滑块的惯性力，方向与运动方向相反；m2-------动子质量；a--------动子

的加速度；

Ff------动子滑块在定子上运动时，滚轮与导轨的摩擦力；N'-----接触面之间的正压力；

f-------接触面之间的摩擦系数；FF-------动子滑块运动时所受的风的阻力。

'FF?

12Ck?SkV2 其中，Ck是风阻系数，Sk是动子滑块的迎风面积。

设动子运动位移为X，时间为t,整理（1）~(5)式，得

F?(m1?m2)

dxdt22?12(CkSk?CxS)?dxdt?Ff?Ff?Tcos(???p)' (b)制动时，动子将受到制动电磁力、风阻力、摩擦阻力、机械制动力作用。动子滑块减速段简化受力分析

动子滑块减速段受力分析

动子受力作用方程：

m1dxdt22?12Ck?SkdxdtFf?F?Fq

'''F为电磁制动力 Fq为机械制动力

（4）永磁无刷直线直流电机的推力公式为：

MF?x???k?1d?kdxM?I??k?1??d??Bk(x)dx??w??N?I?Ldx

式中：M —— 电机定子的绕组总数；

K----- 绕组的序号；

?k---代表第K 个绕组所包围的磁通

X----磁极运动方向坐标； w------ 铁心齿的宽度；

B?x?------铁心齿表面沿X分布的磁通密度函数；

N—— 绕组匝数； L----- 铁芯齿长度； I—— 初级绕组电流。

动子以初速度V1 开始运动，此时直线电机通入电流，，则产生的洛仑兹力会使动子进一步加速，在时间t内达到起飞速度V2，飞机与动子拖钩分离，而高速运动的动子则迅速在短距离内停下来，再在电磁力作用下，返回初始位置，一个工作循环结束。

电磁弹射器工作过程示意图

（二）电磁弹射器电机选型

直线电机类型较多，主要集中在两种类型的选择，永磁直线电机和直线感应电机。二者区别仅在于动子构成。永磁式电机的动子是将永磁铁嵌在非磁感应材料构成的框架中，而感应电机的动子则由大面积铜板构成，两种类型各有利弊。有关研究表明，永磁直线电机比感应电机具有明显优势：力能指标高、

体积小、重量轻，且具有发电制动功能。而直线感应电机还存在发热高、结构复杂、不方便维护的缺点。现在看来，永磁直线同步电机将是首选。下面介绍永磁直线电机

永磁直线电机

（1）电磁推力

动圈式永磁电机工作时，动圈上承受的电磁推力f?x,i?，可以认为有两个分量合成。一是由永磁体产生的空载线圈与动圈电流相互作用产生的主电磁推力f0?x,i?；二是由于磁路对线圈不对称，单独存在动圈电流时的磁阻推力fi?x,i?。即

f?x,i??BivLi??u?x,i?Li?Div?Divwi

?u?x,i??iwLi?f0?x,i??fi?x,i?

f0?x,i???u0?x?iwLi

?Bl???Bl?0??Bl?i

无人机导轨起飞运动学分析简图

G为无人机起飞重量，T为发动机推力，V为无人机在导轨面沿运动方向的速度，?

为飞机轴线与水平面的夹角(起飞迎角)，?为飞机轴线与导轨面之间的夹角，?为发动机推力线与飞机轴线之间的夹角，?为导轨面与水平面之间的夹角(发射角)。起飞迎角与发射角之间的关系为?????，如果发射角设置太大，无人机所受推力就要大；发射角设置小了，无人机离轨时的飞行高度就小，对无人机飞行的安全性不利。对于一般的无人机，发射角设置在15°到35°比较合适。无人机起飞速度为

v?2?G?Tsin(???)???S?CL

（五）电磁弹射原理的应用前景

（1）电磁弹射原理可作为物料输送与搬运传输设备的驱

动装置。利用直线电机作为核心拖动技术生产的全自动邮政包裹印刷品自动分拣系统在我国也已 开始投入使用。

（2）电磁弹射的核心组件直线电机在办公设备方面主要应用在计算机磁盘、电唱机、复印机、打字机及绘图仪等设备中。

（3）在军事上的一个应用是电磁炮。电磁炮是利用电磁场加速度加速弹丸的原理实现军事用途的动能武器系统。

（4）随着工厂自动化、精细加工及办公机械的快速发展，对移动机构的定位、执行元件的性能及控制技术提出了日益严格的要求，电磁弹射技术在一些重要场合取得了显著的进步。在新的需求和新材料新技术的推动下，电磁弹射技术将获得较大发展。

参考文献：

1. 李 勇，董化新，程树康，王 莹 《无刷电磁弹射器中电磁力的仿真计算》哈尔滨工业大学 2. 3. 4. 5.

王福忠，汪旭东，焦留成，袁世鹰，李辉《同步电动机电磁力角与最大推力控制策略的研究》 赵宏涛，吴峻《利用超级电容供电的电磁弹射器研究》国防科技大学

潘开林，傅建中，陈子辰《永磁直线同步电机的磁阻力分析及其最小化研究》浙江大学 王福金，姚智慧《舰载机的电磁弹射器设计探讨》哈尔滨工业大学

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hwdh.html