مدلسازی تفنگ ریلی الکترومغناطیسی و تحلیل عملکرد آن

اللهیاری, مجتبی; شیری, عباس

مدلسازی تفنگ ریلی الکترومغناطیسی و تحلیل عملکرد آن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

¹ دانشکده مهندسی برق، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی

² گروه قدرت، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی، تهران، ایران

چکیده

با توجه به اینکه تفنگ ریلی یک سامانه الکترومکانیکی است، حل همزمان معادلات الکتریکی و مکانیکی آن، به راحتی قابل انجام نیست. در این مقاله، روشی بر پایه مدل مداری برای تحلیل تفنگ ریلی ارائه میشود که در آن ابتدا مدار معادل تفنگ ریلی استخراج شده و سپس معادلات دیفرانسیل بیان‌کنندة فیزیک حاکم بر سامانه بهدست میآید. سپس با استفاده از حل این معادلات به روش رانگ کوتای مرتبه 4، به شبیهسازی تفنگ ریلی پرداخته میشود. مزیت اصلی روش ارائه شده، این است که با توجه به سریع بودن آن، می‌توان بهراحتی در بحث بررسی حساسیت و بهینهسازی طراحی استفاده کرد؛ در صورتی که با استفاده از روش اجزای محدود، این موارد به واسطة کندی آن تقریباً غیرممکن است. در ادامه با استفاده از روش پیشنهادی، سامانه مورد نظر شبیهسازی شده و رفتار آن مورد مطالعه قرار گرفته است. همچنین تأثیر تغییرات پارامترهای ساختاری تفنگ ریلی بر روی سرعت، بازده و نیروی وارد بر آرمیچر بررسی شده است. برای تأیید نتایج بهدست آمده، از روش اجزای محدود سهبعدی نقطه به نقطه استفاده شده که نتایج آن، نتایج روش ارائهشده را تأیید میکند.

کلیدواژه‌ها

20.1001.1.26455153.1398.7.1.7.0

عنوان مقاله [English]

Modeling of Electromagnetic Railgun and Analysis of its Performance

نویسندگان [English]

Mojtaba Allahyari ¹
Abbas Shiri ²

¹ Faculty of Electrical Engineering, Shahid Rajaee Teacher Training University

² Power Engineering Department, Faculty of Electrical Engineering, Shahid Rajaee Teacher Training University, Tehran, Iran

چکیده [English]

Since railgun is an electro-mechanical system, it is not easy to simultaneously solve the electrical and mechanical equations. In this paper, a method based on a circuit model is presented for the analysis of the railgun, in which, its equivalent circuit is extracted and the differential equations describing its behavior are obtained. Using the 4th order Runge-Kutta method solution to theses equations, railgun simulation is performed. The main advantage of the proposed method is that due to its calculation speed, it can be easily used in the sensitivity analysis and design optimization, while these issues are almost impossible with finite element method, due to their slowness. Then, by employing the proposed method, the system has been simulated and its behavior has been studied. Also, the effect of the railgun structural parameters’ variations on the velocity, efficiency and force applied to the armature has been investigated. To validate the proposed method, the point to point 3-D finite element method is employed. The results of the finite element method are close enough to the results of the proposed method, confirming the accuracy of the latter.

کلیدواژه‌ها [English]

Electromagnetic launcher
Railgun
Equivalent circuit
Finite element method
Efficiency
Electromagnetic force

مراجع

[1] J. F. Kerrisk, “Current distribution and inductance calculations for rail-gun conductors,” Los Alamos Nat. Lab., Los Alamos, NM, Rep. LA–9092-Ms, 1981.

[2] Bok-ki Kim and Kuo-Ta Hsieh, “Effect of rail/armature geometry on current density distribution and inductance gradient,” IEEE Transactions on Magnetics, vol. 35, no.1, pp. 413-416, 1999.

[3] A. Keshtkar, “Effect of rail dimension on current distribution and inductance gradient,” IEEE Transactions on Magnetics, vol. 41, no. 1, pp. 383-386, 2005.

[4] M. S. bayati, A. Keshtkar, and A. Keshtkar, “Transition study of current distribution and maximum current density in railgun by 3D FEM and IEM,” IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 39, no. 1, pp. 13- 17, 2011.

[5] J. Gallant, “Parametric study of an augmented railgun,” IEEE Transactions on Magnetics, vol. 39, no. 1, pp. 451-456, 2003.

[6] K. T. Hsieh, “Numerical study on groove formation of rails for various materials,” IEEE Transactions on Magnetics, vol. 41, no.1, pp. 380-382, 2005.

[7] T. G. Engel, J. M. Neri, and W. C.Nunnally, “Efficiency and scaling of constant inductance gradient DC electromagnetic launchers,” IEEE Transactions on Magnetics, vol. 42, no. 8, pp. 2043-2051, 2006.

[8] A. Keshtkar, S. Mozaffari and A. Keshtkar, “Effect of rail tapering on the inductance gradient versus armature position by 3D-FEM,” Transactions on Plasma Science, vol. 39, no. 1, pp. 71-74, 2011.

[9] B. Tang, Q. Lin, and B. Lin, “Research on thermal stress by current skin effect in a railgun,” Transactions on Plasma Science, vol. 45, no. 7, pp. 1689-1694, 2017.

[10] S. A. Taher, M. Jafari, and M. Pakdel, “A new approach for modeling electromagnetic railguns,” Transactions on Plasma Science, vol. 43, no. 5, 2015.

[11] K. S. Yang, S. H. Kim, B. Lee, S. An, Y. H. Lee, S. H. Yoon, I. S. Koo, Y. S. Jin, Y. B. Kim, J. S. Kim, and C. Cho, “Electromagnetic launch experiments using a 4.8-MJ pulsed power supply,” Transactions on Plasma Science, vol. 43, no. 5, pp. 1358-1361, 2015.

[12] A. Keshtkar, S. Bayati and A. Keshtkar, “Derivation of a formula for inductance gradient using intelligent estimation method,” IEEE Transactions on Magnetics, vol. 45, no. 1, 2009.

[13] A. Keshtkar, L. Gharib, M. S. Bayati, and M. Abbasi, “Simulation of a two-turn railgun and comparison between a conventional railgun and a two-turn railgun by 3-D FEM,” Transactions on Plasma Science, vol. 41, no. 5, 2013.