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


[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.