寧波材料所在高速直線電機(jī)彈射器方面取得進(jìn)展
電磁彈射是指被發(fā)射的物體不啟用自身的動(dòng)力裝置，而以電磁力為加速手段，靠發(fā)射器賦予的動(dòng)力獲得足夠的運(yùn)動(dòng)能量而實(shí)現(xiàn)發(fā)射的一種發(fā)射方式。現(xiàn)役航母的彈射裝備是蒸汽彈射器，但它由發(fā)射系統(tǒng)、蒸汽系統(tǒng)、拖索張緊系統(tǒng)、潤(rùn)滑及控制系統(tǒng)等組成，體積龐大且復(fù)雜。這使得它從一開始就存在效率低、配套設(shè)施多、系統(tǒng)煩瑣、維護(hù)成本高，對(duì)材質(zhì)要求較高等不可避免的缺陷。隨著現(xiàn)代海洋軍事對(duì)作戰(zhàn)能力的要求提高，迫切需要研究新的彈射裝備來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蒸汽彈射器。與蒸汽彈射相比，電磁彈射發(fā)射的彈體不僅速度快、加速均勻、射程遠(yuǎn)，而且依靠先進(jìn)的電力電子器件，電磁發(fā)射的過程可以做到全程控制。由于采用電驅(qū)動(dòng)，通過調(diào)節(jié)電流的大小，電磁彈射器不但可以發(fā)射小到幾千克的輕質(zhì)載荷，還可以高速推進(jìn)大到幾噸的重載荷，如飛機(jī)，導(dǎo)彈等。因此電磁發(fā)射技術(shù)成為了世界各發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相研究的高新技術(shù)，據(jù)報(bào)道美國(guó)的CVN-21型號(hào)航母使用的正是電磁彈射系統(tǒng)。
在整個(gè)電磁彈射系統(tǒng)中，彈射電機(jī)是電磁彈射系統(tǒng)的核心組成部分，是一種把輸入的電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，從而在一定距離內(nèi)推動(dòng)彈體加速至規(guī)定彈出速度的執(zhí)行部件。直線電機(jī)既是系統(tǒng)動(dòng)力的提供者，又是整個(gè)電磁彈射系統(tǒng)所要控制的對(duì)象，因此直線電機(jī)本身就是系統(tǒng)主要組成部分之一，直線電機(jī)性能的好壞對(duì)整個(gè)電磁彈射系統(tǒng)有著直接的影響。目前，應(yīng)用于電磁彈射系統(tǒng)的直線電機(jī)主要為直線感應(yīng)電機(jī)和直線永磁電機(jī)。直線感應(yīng)電機(jī)具有次級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但該電機(jī)的推力密度、效率和功率因數(shù)都較低；直線永磁電機(jī)具有較高的推力密度和高效率等優(yōu)點(diǎn)，吸引了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的注意力。
近年來，寧波材料所所屬先進(jìn)制造所精密運(yùn)動(dòng)與先進(jìn)機(jī)器人團(tuán)隊(duì)在永磁直線電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、控制等方面進(jìn)行系統(tǒng)研究，研究了不同結(jié)構(gòu)類型、不同運(yùn)行場(chǎng)合的高性能永磁直線電機(jī)。針對(duì)上述電磁彈射器的研發(fā)中出現(xiàn)的投入成本大，實(shí)驗(yàn)環(huán)境苛刻，維護(hù)成本高的問題，開展了低成本、高效率、模塊化的永磁直線電機(jī)彈射系統(tǒng)的研究。在項(xiàng)目研究過程中，采用雙邊永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，實(shí)現(xiàn)彈射器的高加速度運(yùn)行；電機(jī)初級(jí)采用模塊化設(shè)計(jì)，可用于需要不同初速度的載荷發(fā)射；電機(jī)動(dòng)定子分離，動(dòng)子位置信號(hào)反饋采用無線傳輸技術(shù)，解決同類彈射器發(fā)射單元信號(hào)及電源線纜拖拽問題，減輕發(fā)射動(dòng)子質(zhì)量；采用準(zhǔn)確的位置控制，彈射加速、制動(dòng)過程可控。精密運(yùn)動(dòng)與先進(jìn)機(jī)器人團(tuán)隊(duì)從第一代樣機(jī)的研制到第二代樣機(jī)的改進(jìn)，掌握了高加速度永磁直線彈射電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造工藝、驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)等核心技術(shù)。
目前該彈射器的樣機(jī)演示系統(tǒng)可在40A峰值電流的驅(qū)動(dòng)下，在0.78m的加速行程實(shí)現(xiàn)最大加速度達(dá)2g，最大速度為3.5m/s的加減速往復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。其性能因缺乏高功率電力電子驅(qū)動(dòng)裝置而受到限制，距離設(shè)計(jì)值最大加速度8g，最大速度12m/s還有很大差距，目前該驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)正在改進(jìn)中。
此項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金（51207158）、寧波市創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（2012B82005）支持，已授權(quán)和申請(qǐng)國(guó)家專利兩項(xiàng)（201320794124.2，201310648554.8），正在申請(qǐng)專利2項(xiàng)。
(先進(jìn)制造所 陳進(jìn)華/李榮)