宁波材料所在高速直线电机弹射器方面取得进展

http://www.nimte.ac.cn/news/prog ... 150401_4330116.html

　　电磁弹射是指被发射的物体不启用自身的动力装置，而以电磁力为加速手段，靠发射器赋予的动力获得足够的运动能量而实现发射的一种发射方式。现役航母的弹射装备是蒸汽弹射器，但它由发射系统、蒸汽系统、拖索张紧系统、润滑及控制系统等组成，体积庞大且复杂。这使得它从一开始就存在效率低、配套设施多、系统烦琐、维护成本高，对材质要求较高等不可避免的缺陷。随着现代海洋军事对作战能力的要求提高，迫切需要研究新的弹射装备来代替传统的蒸汽弹射器。与蒸汽弹射相比，电磁弹射发射的弹体不仅速度快、加速均匀、射程远，而且依靠先进的电力电子器件，电磁发射的过程可以做到全程控制。由于采用电驱动，通过调节电流的大小，电磁弹射器不但可以发射小到几千克的轻质载荷，还可以高速推进大到几吨的重载荷，如飞机，导弹等。因此电磁发射技术成为了世界各发达国家竞相研究的高新技术，据报道美国的CVN-21型号航母使用的正是电磁弹射系统。
　　在整个电磁弹射系统中，弹射电机是电磁弹射系统的核心组成部分，是一种把输入的电能转换为动能，从而在一定距离内推动弹体加速至规定弹出速度的执行部件。直线电机既是系统动力的提供者，又是整个电磁弹射系统所要控制的对象，因此直线电机本身就是系统主要组成部分之一，直线电机性能的好坏对整个电磁弹射系统有着直接的影响。目前，应用于电磁弹射系统的直线电机主要为直线感应电机和直线永磁电机。直线感应电机具有次级结构简单的优点，但该电机的推力密度、效率和功率因数都较低；直线永磁电机具有较高的推力密度和高效率等优点，吸引了国内外学者的注意力。
　　近年来，宁波材料所所属先进制造所精密运动与先进机器人团队在永磁直线电机的设计、制造、控制等方面进行系统研究，研究了不同结构类型、不同运行场合的高性能永磁直线电机。针对上述电磁弹射器的研发中出现的投入成本大，实验环境苛刻，维护成本高的问题，开展了低成本、高效率、模块化的永磁直线电机弹射系统的研究。在项目研究过程中，采用双边永磁电机驱动单元，实现弹射器的高加速度运行；电机初级采用模块化设计，可用于需要不同初速度的载荷发射；电机动定子分离，动子位置信号反馈采用无线传输技术，解决同类弹射器发射单元信号及电源线缆拖拽问题，减轻发射动子质量；采用准确的位置控制，弹射加速、制动过程可控。精密运动与先进机器人团队从第一代样机的研制到第二代样机的改进，掌握了高加速度永磁直线弹射电机的设计、制造工艺、驱动控制技术等核心技术。
　　目前该弹射器的样机演示系统可在40A峰值电流的驱动下，在0.78m的加速行程实现最大加速度达2g，最大速度为3.5m/s的加减速往复稳定运行。其性能因缺乏高功率电力电子驱动装置而受到限制，距离设计值最大加速度8g，最大速度12m/s还有很大差距，目前该驱动控制系统正在改进中。
　　此项研究得到国家自然科学基金（51207158）、中科院百人计划、宁波市创新团队（2012B82005）支持，已授权和申请国家专利两项（201320794124.2，201310648554.8），正在申请专利2项。
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　　电磁弹射是指被发射的物体不启用自身的动力装置，而以电磁力为加速手段，靠发射器赋予的动力获得足够的运动能量而实现发射的一种发射方式。现役航母的弹射装备是蒸汽弹射器，但它由发射系统、蒸汽系统、拖索张紧系统、润滑及控制系统等组成，体积庞大且复杂。这使得它从一开始就存在效率低、配套设施多、系统烦琐、维护成本高，对材质要求较高等不可避免的缺陷。随着现代海洋军事对作战能力的要求提高，迫切需要研究新的弹射装备来代替传统的蒸汽弹射器。与蒸汽弹射相比，电磁弹射发射的弹体不仅速度快、加速均匀、射程远，而且依靠先进的电力电子器件，电磁发射的过程可以做到全程控制。由于采用电驱动，通过调节电流的大小，电磁弹射器不但可以发射小到几千克的轻质载荷，还可以高速推进大到几吨的重载荷，如飞机，导弹等。因此电磁发射技术成为了世界各发达国家竞相研究的高新技术，据报道美国的CVN-21型号航母使用的正是电磁弹射系统。
　　在整个电磁弹射系统中，弹射电机是电磁弹射系统的核心组成部分，是一种把输入的电能转换为动能，从而在一定距离内推动弹体加速至规定弹出速度的执行部件。直线电机既是系统动力的提供者，又是整个电磁弹射系统所要控制的对象，因此直线电机本身就是系统主要组成部分之一，直线电机性能的好坏对整个电磁弹射系统有着直接的影响。目前，应用于电磁弹射系统的直线电机主要为直线感应电机和直线永磁电机。直线感应电机具有次级结构简单的优点，但该电机的推力密度、效率和功率因数都较低；直线永磁电机具有较高的推力密度和高效率等优点，吸引了国内外学者的注意力。
　　近年来，宁波材料所所属先进制造所精密运动与先进机器人团队在永磁直线电机的设计、制造、控制等方面进行系统研究，研究了不同结构类型、不同运行场合的高性能永磁直线电机。针对上述电磁弹射器的研发中出现的投入成本大，实验环境苛刻，维护成本高的问题，开展了低成本、高效率、模块化的永磁直线电机弹射系统的研究。在项目研究过程中，采用双边永磁电机驱动单元，实现弹射器的高加速度运行；电机初级采用模块化设计，可用于需要不同初速度的载荷发射；电机动定子分离，动子位置信号反馈采用无线传输技术，解决同类弹射器发射单元信号及电源线缆拖拽问题，减轻发射动子质量；采用准确的位置控制，弹射加速、制动过程可控。精密运动与先进机器人团队从第一代样机的研制到第二代样机的改进，掌握了高加速度永磁直线弹射电机的设计、制造工艺、驱动控制技术等核心技术。
　　目前该弹射器的样机演示系统可在40A峰值电流的驱动下，在0.78m的加速行程实现最大加速度达2g，最大速度为3.5m/s的加减速往复稳定运行。其性能因缺乏高功率电力电子驱动装置而受到限制，距离设计值最大加速度8g，最大速度12m/s还有很大差距，目前该驱动控制系统正在改进中。
　　此项研究得到国家自然科学基金（51207158）、中科院百人计划、宁波市创新团队（2012B82005）支持，已授权和申请国家专利两项（201320794124.2，201310648554.8），正在申请专利2项。