软磁磁芯多脉冲励磁动态磁化特性及其改进感应线圈发射器加速特性的研究

Synchronous induction coil launcher has the virtue of good controllability and high precision. But the small initial acceleration reduces the overall efficiency of the launcher. In this project, magnetic core structure is suggestted to improve a synchronous induction coil launcher. Dynamic magnetizing characteristics of soft magnetic materials under pulse current with ms level are mainly researched. Firstly, dynamic magnetizing characteristics of the core are researched under single pulse current with the same storage but different pulse width and amplitude. Then, dynamic magnetizing characteristics of the core are researched under multi pulse currents (repetition frequency and overlap pulse current). Dynamic hysteresis loop of each magnetic sample under different pulse current are derived. Simulation and experiment verify each other to ensure the accuracy of the dynamic magnetizing characteristics measured. Magnetization and the magnetic saturation rule of soft magnetic materials under pulse current with ms level can be derived. At last, the soft magnetic material with excellent performance is chosen for simulation design. The length of the core and the trigger time are adjusted to get the best launcher design with fast increase of acceleration. A test model will be constructed to verify the design of the new launcher. This study can not only solve the problems of small initial acceleration and low efficiency, but also explored the new application mode of soft magnetic materials under high power pulse current with ms level. The research has strong theoretical significance and application value.

同步感应线圈发射器可控性好、精度高，但起始段加速度较小，降低了发射器的整体效率。针对上述问题，本项目提出采用磁芯结构改进同步感应线圈发射器的方案，重点研究ms级脉冲电流下软磁材料的动态磁化特性。首先研究相同储能、不同脉宽和幅值的单脉冲电流激励下磁芯的动态磁化特性，然后研究多脉冲（重复频率和叠加脉冲）电流激励下磁芯的动态磁化特性，得到每个材料样本在不同脉冲电流下的动态磁滞回线，并采用试验和仿真相互验证的方法，确保测量磁滞回线结果的准确性，得到软磁材料在ms量级脉冲电流下的磁化和磁饱和规律。最后采用性能较优的软磁材料进行仿真设计，调整磁芯长度和发射器线圈触发时序，得到初始加速度快速上升的新型发射器设计方案，并进行试验验证。本研究不但有望解决线圈发射器起始加速度小，效率低的问题，还探索了软磁材料在ms级强脉冲电流下的新应用模式，具有较强的理论意义和应用价值。

项目背景：同步感应线圈发射器能够用于高低速发射，但发射效率不高限制了其工程发展。本项目提出采用磁芯结构提高同步感应线圈发射器发射效率的方案，重点研究ms级脉冲电流下软磁材料的动态磁化特性。.主要研究容：单脉冲电流激励下磁芯的动态磁化特性；时序多脉冲电流激励下的磁芯动态磁化特性；磁芯磁化特性及形状对改进线圈发射器发射性能的影响；触发时序对磁芯改进型线圈发射器的影响。.重要结果：.（1） 爱泼斯坦方圈法在现有实验条件下精度较高，平均测量误差在1%以内，选用该方法测量脉冲电流激励铁磁材料的磁化特性曲线。.（2） 硅钢片50W470在高饱和脉冲磁场下的磁饱和性能优于坡莫合金1J50，因此选择硅钢片50 W 470作为线圈发射器的磁芯材料。.（3） 在单脉冲电流激励下，磁化曲线形状主要由磁场变化率决定，而脉冲电流的等值频率对磁化曲线影响不大；随磁场变化率的增加，磁芯磁导率在非饱和磁化段减小，在饱和磁化段略有提高，材料磁导率达到峰值对应的磁场强度增加；软磁磁芯材料可用作ms级大功率脉冲电路中的磁性元件。.（4） 磁芯在连续脉冲下的磁滞回线呈柳叶状回环；局部磁滞回环的宽度和范围随脉冲时间间隔和励磁电压的增加而增加，但总体而言沿饱和区附近工作。.（5） 选用硅钢片50W470作为磁芯能够显著提高同步感应线圈发射器的出口速度和系统效率；磁芯磁化特性曲线可用工频电流下的标准磁化特性曲线进行替代；磁芯越长加速效果越好，但是长度达到接近两倍发射器长度后速度接近饱和；圆棒磁芯半径越大，加速效果越好；圆筒磁芯内径越小，加速效果越好；磁芯位置对发射器出口速度存在一定影响；驱动电压增高有利于发射速度提高，但对于效率而言呈先升高后降低的趋势；针对不同的磁芯结构，应对发射器的时序进行条件，以便得到最优发射性能。.科学意义：.本项目研究了ms 级多脉冲电流激励下的磁芯动态磁化特性，明确了软磁材料在脉冲电流下的工作性能，为脉冲功率技术及电力系统中的软磁材料应用提供了研究数据和研究方法，验证了采用磁芯提高线圈发射器的速度、和效率方法的可行性，研究了磁芯结构及点火时序对发射性能的影响，为提高同步感应线圈发射器效率提供了一种有效方法，为工程化奠定了良好基础。