| 電磁驅動器驅動線圈內部溫度測量試驗研究
韓偉，雷彬，李治源，關曉存
(軍械工程學院三系新概念武器研究所，石家莊050003)
摘要：高壓帶電環境下測量溫度是一項既園難又危險的試驗。本文介紹了使用熱電偶對電磁發射囂驅動線圈內部溫度的測量過程，并利用應變片及壓力表對線圈的穩定性進行監測，以防止發生爆裂現象。本文還簡述了線圈內部平均溫度的計算過程，將測量結果與計算結果相比對并進行了誤差析。
關鍵詞：驅動線圈；溫度；熱電偶；電磁驅動囂；測量；試驗；直線電機
O引 言
電磁發射器本質上是一臺直線電動機，它由若干個驅動線圈(一般固定不動，相當于電動機中的定子)和一個或多個發射線圈(相當于電動機中的轉子)組成。電磁發射器由一系列國定的電流激勵線圈組成。電樞置于線圈的內部并與有效載荷固連。當激勵線圈饋入強脈沖電流時，形成變化的磁場；激勵線圈和電樞之間將產生強大的電磁力，以此加速電樞超高速飛出。電磁場變化過程中的熱損耗主要由驅動線圈、電樞及彈丸和炮管之間的摩擦所引起。其后果不僅對初始能量的消耗、更重要的是對電磁發射器本身帶來影響。長期工作中，導線內電阻損耗均轉換成熱能，引起自身和其他部分的溫升。嚴重時會使線圈燒壞，甚至造成重大事故。所以分析驅動線圈內的溫度場及建立冷卻系統是非常必要的，而關鍵是要了解驅動線圈內溫度場分布、平均溫升、各點溫升，以便進行下一步計算和試驗。
1熱電偶及測量原理
常用的測量溫度儀器有玻璃管液體溫度計、電阻型溫度計、熱電偶溫度計。隨著科學技術的不斷發展，熱電偶已成為溫度測量領域中應用****泛的感溫元件之一，可以在一270℃～2 800℃的溫區內進行測量。它性能穩定、準確可靠、熱質性小、動態響應快，且結構簡單、維修方便。
熱電偶的測量原理基于熱電效應。將兩種不同的導體，一端焊接，另一端連成閉合回路，當兩端有溫差時，回路就產生熱電勢。由溫差產生熱電勢的現象稱為“熱電效應”，而這兩種不同導體的組合稱為熱電偶。根據以上敘述原理，熱電偶產生熱電勢必須具備以下條件：①必須由兩種性質不同但符合一定要求的導體材料構成；②工作端和參考端之間必須有溫差。
2驅動線圈結構及特點
我國當前驅動線圈的外形為兩層的平面螺旋形狀，線圈材質為紫銅。由于在工作中磁發射器系統是在高功率脈沖電源的作用下進行，
所以瞬間形成的電流強度很大，導致瞬間放出的熱量也很多，溫升很高，而且散熱能力的大小與線圈結構及材料有很大關系。圖1為線圈結構模型。
感應線圈發射器一般由儲能電源(多為電容器組)、開關、驅動線圈和電樞組成。為了保證磁耦合緊密，驅動線圈和電樞通常是同軸等直徑的。當脈沖電流加到驅動線圈時，電樞交鏈磁通感應出一方向相反的環形電流。該環形電流與驅動電流反向產生相互排斥的安培力推動電樞向前運動。若設驅動線圈中電流為i1，自感為L1，電樞電流為I2，自感為L2，兩者互感為M，則驅動線圈和電樞總的磁能為：
作用于單位線圈上的驅動力為：
式中M1(x)為電感梯度。
當兩線圈從相互接近到遠離時，電感梯度正負變化，力的方向也發生變化。當環形電流i1，i2反向，彈丸位于驅動線圈1中心右邊時，驅動線圈
2先不通電，當彈丸剛向右越過驅動線圈2中心后，再讓驅動線圈2通以和i1反向的電流，以此類推彈丸被一系列驅動線圈加速。
驅動線圈的發射特性和結構特性使得溫度測量更加困難，厚厚的尼龍外殼使探針無法深入高脈沖電流使測量的危險系數增加，饋電時周圍的強電磁場嚴重影響了測量結果。
3驅動線圈平均溫度計算
任何發熱體在其溫度達到穩定狀態之前，它將以其中部分熱量用來升高本身的溫度，而另一部分熱量散到周圍介質中去。這兩個部分的比值由許多因素決定，且整個發熱過程中它們是相互變化的。當發熱達到穩定狀態之前，在無限小時間間隔內的熱平衡關系可表示為：
式中，P為發熱體的電阻損耗功率；出為發熱時間；c為發熱體的比熱；G為發熱體的重量；dt為在出時間內物體較以前狀態升高的溫度；u為散熱系數(瓦厘米)；s為散熱面積；r為物體超過周圍介質的溫度。
式(3)中，cGdr是用來提高本身溫度的熱量部分；μst出是發散到周圍介質去掉熱量部分。由式中可以看出，在發熱過程中，如所有輸入的功率等于發散的功率時，即發熱體本身的溫度將停止上升。在這種情況下，出現了熱點穩定狀態(實際上它是不穩定的一種特殊狀態)，此時：
在這種情況下的溫升如以ty來代表，那么，
P=μsty (5)
這就是牛頓公式。
另一種極限情況，即當發熱體把所有的輸入功率都用在自身溫度的升高時．式(3)就變為．
Pdt=CGdt+O，積分化簡后，得：
在計算驅動線圈溫度時，假設電阻熱功率均勻分布；由于發熱時間短，可以忽略線圈表面向周圍散熱。線圈炮發射過程的時間極短。可以假定，發射瞬間線圈發熱過程類似于絕熱過程，因此對式(5)積分得：
4測量過程
4．1實驗模型及測量儀器
模型實驗平臺結構如圖2所示。被研究的對象為外形為兩層繞線的平面螺旋形狀驅動線圈。當電源系統向驅動線圈饋人電流時，發熱導線就會生熱，線圈內溫度升高。由于電磁力驅動電樞向前運動，導致有很強的徑向力，所以要監測孔內的壓力保持在適當的范圍內，否則會使線圈崩裂，造成事故。實驗儀器包括壓力傳感器、熱電偶、屏蔽線及顯示溫度分布的數據采集顯示儀。
4．2操作過程
為了測得驅動線圈的局部溫度，可以在制作線棒時將測溫元件埋設于股線上待測點處，然后包扎絕緣、浸膠熱壓并作防暈處理。制作過程中，要求線棒的幾何尺寸，絕緣性能、防暈能力滿足設計要求，同時要保護測溫元件的完好無損。埋設熱電偶時要避開冷風易漏入的位置，以免影響測量精度。
①在驅動線圈上打一個大約4 mm深度合適的孔，可以固定熱電偶和應變片。
②把屏蔽線裝在熱電偶上，以防止測量時電磁干擾，雖則如此，電磁干擾也不能完全避免，只能盡量減少。
③將測壓計的應變片置人孔內合適位置并固定好。固定時用強力膠粘好，否則會影響測量結果。
④將熱電偶保護管去除，以便能提高傳感器反應時間更精確測量。將剝去保護管的熱電偶探針固定在孔內，使能接觸到銅線的絕緣皮。絕緣皮不能弄破，否則就會發生漏電漏磁現象。
⑤熱電偶與顯示儀接好線，應變片與顯示儀也接好線。接線的時候注意連接線盡量短，以免誤差太大。安裝前對顯示儀進行校正。
⑥進行發射準備。檢查各種接線柱是否牢固，接地情況，攝像頭的位置。發射準備時杜絕人員走動。
4．3測量結果
通過上述測量過程可以得到在某一電壓值下溫度變化計溫升情況如下表所示。
5誤差分析
①測溫點的選擇引起的誤差。因為是破壞性試驗，所以對測溫點的選擇要格外小心。首先要盡量遠離高壓電接入端。根據尺寸結構，不要偏離內部線圈，否則就不能準確測量。
②插入深度引起的誤差。為了保證熱電偶能真實地反映驅動線圈內部的溫度，熱電偶必須有足夠的深度，一般規定不得小于其保護管外徑的10倍。在保證插入深度的同時，還要考慮其冷端溫度的穩定。探頭要貼近線圈絕緣皮。
③響應時間的影響。熱響應時間主要取決于傳感器的結構及測量條件。對于氣體介質，至少應保持30min以上才能達到熱平衡。對于液體介質，最快也要在5 min以上，對于溫度不斷變化的被測環境，尤其是瞬間變化過程，全過程不到1秒鐘，則要求傳感器的響應時間在毫秒級。普通溫度傳感器跟不上被測對象的溫度變化速度而出現滯后，因而達不到熱平衡而產生測量誤差。
6結語
強電磁場下的溫度測量需要考慮很多因素要時刻注意測量過程中的每一個環節。帶電高壓測量必須注意以下幾點：①做好充分的準備工作，并詳細比對每一步驟，所有的高壓接線必須牢固可靠；②所有設備應置于絕緣臺上，所用試驗用具在耐壓測試后方可使用；③嚴格遵守帶電操作規程，不允許單人操作，必須指定專人值班，設立觀察員。
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