主動磁懸浮電磁彈射器的製作方法

2023-10-07 00:29:59 4

專利名稱：主動磁懸浮電磁彈射器的製作方法
技術領域：
本發明涉及ー種航母上用的電磁彈射器，特別是一種主動磁懸浮電磁彈射器。
背景技術：
航母作為海上霸主，在海軍武器中佔據核心地位。航母的關鍵部件之一彈射器一直是航母技術中的一大難點。隨著我國經濟的飛速增長，科技水平的不斷提升，我國已經有一定的經濟實力和技術能力來發展自己的航母。由瓦良格號改裝成的遼寧艦航母是中國航母的真正起點，但它是由我國從烏克蘭買來的未完エ航母改裝的，根本沒有包括彈射器在內的關鍵部件，只有比較落後的滑躍式助起飛甲板。首先，從起飛方式上來說，我國不可能停留在落後的滑躍式起飛，這會使我國的航母戰鬥カ大打折扣。其次，由於目前國外服役的蒸氣式彈射器技術複雜，我國也毫無建造經驗，況且美國不會把這項技術賣給中國，所以也不是最好的選擇。最後，更加先進的下一代彈射器-電磁彈射器是我們最佳的選擇。所以，對電磁彈射器技術進行研發十分重要。美國是電磁彈射器研製最領先的國家，據報導，美國已經在陸地上試驗成功，預計將會裝備在下一代福特號航母上，據報導福特號航母將裝備四套電磁彈射期，但都是機械支承的，不是磁懸浮支承的。而我國國內對此的研究如海軍工程大學研製的電磁彈射器樣機也是機械支承的，因此，需要對磁懸浮電磁彈射器投入相關的研究。本發明申請的主動磁懸浮電磁彈射器包含兩項關鍵技術主動磁懸浮支承技術和大功率直線彈射電機技術。主動磁懸浮支承技術是世界公認的高新技術之一。它的最大特點就是實現了非接觸、無摩擦支承。將磁懸浮技術應用於電磁彈射器上將對彈射器的性能帶來很大的提升。電磁彈射器所採用的大功率直線彈射電機技術是ー種將電能直接轉換成直線運動機械能的直線電機驅動技術，是ー種不需要通過任何中間轉換機構(如鏈條、齒條或絲槓等)的新型直線驅動技術，它是20世紀下半葉電エ領域中出現的具有新原理、新理論的新技術，與微電子技術、計算機技術和旋轉電機技術ー樣，在人類的各個領域具有廣闊的應用前景。目前，美國已經成功地在陸地上利用電磁彈射器對飛機進行了彈射，但美國目前研製的電磁彈射器只是把蒸汽彈射器的活塞換成了大功率直線彈射電機，彈射電機帶有滾輪，帶著一個往復行車在電磁力的作用下沿彈射器軌道運行，拉著飛機在甲板上沿彈射衝程加速到起飛速度，飛機還是通過輪子直接放在甲板上，並沒有消除飛機輪子與甲板之間的滾動摩擦阻力。這一點可以從美國海軍公布的電磁彈射器視頻和眾多電磁彈射器文獻中均未提到主動磁懸浮支承技術這兩方面加以證實。而本申請方案除了採用直線彈射電機作為驅動，還引入了主動磁懸浮支承技術，利用磁懸浮技術把放置飛機的彈射平臺懸浮起來，消除了摩擦阻力的彈射器性能上會更加先進，不但會超過美國，還會達到國際領先水平
發明內容
本發明的目的在於針對已有技術存在的缺陷，提供一種主動磁懸浮電磁彈射器，它利用主動磁懸浮支承技術支承放置艦載機的彈射平臺，並用大功率直線彈射電機驅動彈射平臺，來實現艦載飛機彈射起飛的目的。為了達到上述目的，本發明採用如下技術方案
一種主動磁懸浮電磁彈射器，包括固定在彈射底座上的磁懸浮導軌和套裝在導軌上的彈射平臺和直線電機，其特徵在於還包含有彈射平臺上面連接艦載飛機的連接部件、擁有磁懸浮導軌的彈射底座、嵌入在彈射平臺上的磁性材料、與磁性材料相對應並固定在彈射底座的磁懸浮導軌上兩邊上、下面和側面、受控制系統控制的承載和導向電磁鐵及設置在該電磁鐵旁邊用來檢測彈射平臺位移變化的感應式傳感器，位於彈射底座的磁懸浮導軌頂面中心線上用來提供彈射動力的直線彈射電機初級繞組和對應嵌入在彈射平臺內頂上的次級繞組，設置在初級繞組旁邊用來檢測直線彈射電機驅動彈射平臺速度的速度傳感器和安裝在彈射底座首端的連接所有有源電線的航空插座，該航空插座通過與之相配的航空插頭連接到彈射器的控制柜上。上述的主動磁懸浮電磁彈射器中，所述安裝在彈射平臺上的磁性材料和彈射底座的磁懸浮導軌上的電磁鐵構成磁懸浮支承裝置，該裝置採用吸力型磁懸浮技術，對應於彈射平臺的同一截面上，彈射底座的磁懸浮導軌的兩邊上、下面分別安裝一對承載差動電磁鐵和相應感應傳感器，而在該導軌的兩側面安裝一對導向差動電磁鐵和相應感應式傳感器，分別由3路控制電路控制，在彈射平臺運行的過程中至少有2, 3路控制電路控制著弾射平臺使之穩定懸浮在彈射底座的磁懸浮導軌上，整個磁懸浮軌道上共有2,3n路控制電路，每路控制電路由模擬控制電路或數字控制晶片組成；在磁懸浮導軌的中間安裝直線彈射電機的初級繞組，在相應彈射平臺上安裝直線彈射電機的次級繞組，所有有源電線都在彈射底座內部集中連接通到彈射底座首端的航空插座上，再由與之相配的航空插頭連接到控制柜上。上述的主動磁懸浮電磁彈射器中，所述用於檢測彈射平臺位移的感應式傳感器的電信號輸出連接一個磁懸浮控制器的輸入，控制器的控制電路由模擬控制電路或數字控制晶片組成，該磁懸浮控制器的輸出經功率放大器而連接承載和導向電磁鉄；所述的速度傳感器的電信號輸出連接一個變頻調速控制器的輸入，該變頻調速控制器的輸出連接直線彈射電機的初級繞組；其控制過程如下彈射平臺在磁浮力的作用下達到平衡位置後，如果有一個擾動使得彈射平臺有了除彈射行進方向的微小振動偏移，首先通過ー對感應式傳感器監測這個偏移，然後將檢測信號輸入ー個控制器，經過該控制器的信號處理後輸出控制電流來控制ー對電磁鐵的電流大小，從而控制電磁力大小使得彈射平臺重新回到平衡位置。而ー個變頻調速控制器給直線彈射電機的初級繞組輸入速度可調的直線運動磁場，驅動彈射平臺上的次級繞組作直線彈射運動，彈射平臺的彈射速度由速度傳感器測出。上述的主動磁懸浮電磁彈射器中，所述直線彈射電機採用初級長定子、次級短動子的形式。上述的主動磁懸浮電磁彈射器中，所述安裝在彈射平臺上的固定艦載飛機的連接部件起到把艦載飛機牢固連接在彈射平臺上的作用，該連接部件由牽引杆和拖拽杆組成，它們的作用是艦載飛機起飛前彈射平臺通過牽引杆牽引著艦載飛機運行，同時艦載飛機的引擎啟動也拖拽著弾射平臺運行；由於彈射艦載飛機時，必須在直線彈射電機和艦載飛機共同驅動下才能完成艦載飛機的彈射起飛，在彈射加速期連接部件主要作用是牽引艦載飛機並拖拽著弾射平臺共同加速；在彈射末期，也就是艦載飛機已經加速到其起飛速度吋，連接部件將自動放開艦載飛機與彈射平臺的連接，艦載飛機將利用彈射慣性和自身引擎的驅動カ彈射起飛，而彈射平臺改換反向驅動カ並在剎車制動裝置阻力作用下剎車減速，到末端時停止，然後返回首端原位準備彈射下一架艦載飛機。本發明與現有蒸汽彈射器和美國電磁彈射器技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點本發明中採用承載電磁鐵和導向電磁鐵將彈射平臺懸浮於導軌上，並設有彈射平臺位置控制系統和速度控制系統，從而大大提高了彈射平臺的定位精度和彈射速度，延長了使用壽命，並具有支承剛度阻尼可調、無摩擦、無需潤滑、無環境汙染等優點。主動磁懸浮技術是本發明的兩大關鍵技術之一。由於彈射平臺上的艦載飛機與彈射軌道之間有很大的相対速度，所以支承技術就顯得非常重要。在蒸汽式彈射器和美國的電磁彈射器中，飛機直接通過飛機輪子與航母甲板接觸，它們之間的摩擦屬於滾動摩擦，再加上飛機速度很大，摩擦力是阻礙加速性能的ー個主要因素，而本發明採用主動磁懸浮技術，可以消除航母甲板與彈射平臺上艦載飛機間的摩擦阻力，使得艦載機只受空氣阻力，對於彈射器的彈射性能和艦載機的加速性能具有明顯的提升效果。磁懸浮技術已在磁懸浮列車上成功地進行了應用，可以證明其可行性。本發明採用的是吸カ型磁懸浮技術(也可採用斥力型磁懸浮技木)。直線彈射電機是本發明的另ー項關鍵技木。但是彈射器由於自身的特點，設計要求不同於普通直線電機。第一個特點是因為彈射器要在短時間短行程內將飛機加速到起飛的速度，作為彈射器的心臟，這就要求直線彈射電機的功率非常大。另外，由於彈射平臺要與航母甲板之間有較大的相対速度，所以要避免在彈射平臺上布置有源電線，這是第二個特點。


圖1是本發明一個實施例的總體結構示意圖。圖2是圖1彈射平臺截面中的磁懸浮導軌與電磁鐵和直線電機兩級分布的結構圖。圖3表示位移傳感器檢測彈射平臺振動位移和速度傳感器檢測彈射平臺彈射速度的接線電路圖。圖4表示彈射平臺位置控制系統中控制器的每路模擬控制電路圖。圖5表示檢測信號經過控制器處理後輸出控制電流給電磁鐵和變頻調速控制系統對直線電機初級的控制電路原理圖。圖6是大功率直線彈射電機的基本原理示意圖。圖7表示連接部件3的結構示意圖。
具體實施例方式本發明的優選實施例結合

如下
實施例一參見圖1和圖2,本主動磁懸浮電磁彈射器,包含有被彈射的艦載機I和放置艦載飛機並套裝在導軌上的彈射平臺2，其特徵在於還包含有彈射平臺2上面連接艦載飛機I的連接部件3、擁有磁懸浮導軌的彈射底座4、嵌入在彈射平臺2上的磁性材料5、與磁性材料5相對應並固定在彈射底座4的磁懸浮導軌上兩邊上、下面和側面、受控制系統控制的承載和導向電磁鐵6及設置在該電磁鐵6旁邊用來檢測彈射平臺位移變化的感應式傳感器7，位於彈射底座4的磁懸浮導軌頂面中心線上用來提供彈射動力的直線彈射電機初級繞組8和對應嵌入在彈射平臺2內頂上的次級繞組9，設置在初級繞組8旁邊用來檢測直線彈射電機驅動彈射平臺2速度的速度傳感器10和安裝在彈射底座4首端的連接所有有源電線的航空插座11，該航空插座通過與之相配的航空插頭連接到彈射器的控制柜上。實施例ニ
參見圖1，本主動磁懸浮電磁彈射器包含有被彈射的艦載機模型I，放置艦載飛機的彈射平臺2，其材料擬採用強度最大、密度最小、質量最輕的工程塑料製作，彈射平臺上連接艦載飛機的連接部件3，它使得彈射平臺在彈射時牢固連接並帶動艦載機彈射運行，具有磁懸浮導軌的彈射底座4，其上的磁懸浮導軌使得2與4之間的相對運動體實現無機械接觸無摩擦的磁懸浮技術支承，使得彈射平臺上的艦載飛機只受空氣阻力，嵌入在彈射平臺上的磁性材料5，固定在導軌上受控制系統控制的電磁鐵6，用來檢測彈射平臺位移變化的感應式傳感器7，用來提供彈射動力的直線彈射電機初級8和次級9，檢測直線彈射電機驅動彈射平臺速度的速度傳感器10和連接所有有源電線的航空插座11。參見圖2，它是圖1示例彈射平臺截面中的磁懸浮導軌與電磁鐵和直線電機兩級分布的結構圖，其中彈射平臺上的磁性材料5與導軌上的電磁鐵6採用吸力型磁懸浮原理，並由感應式傳感器7檢測平臺2的位置並採用控制系統進行控制，此原理詳見圖3、圖4和圖5。8、9分別為直線電機(見圖6)的初級和次級，上面彈射平臺上的是次級，無連線，這樣就避免了大功率電源與彈射平臺的電線連接。下面軌道上的為初級，10為檢測直線電機驅動彈射平臺速度的速度傳感器，所有的有源電線均從彈射器底座的內部通道連接到航空插座上，與其相配的航空插頭與控制櫃相連(圖中未畫出)。參見圖3、圖4和 和圖5，它們是吸力型主動磁懸浮控制和直線彈射電機變頻調速控制的基本接線電路原理圖。圖3表示位移傳感器檢測彈射平臺振動位移和速度傳感器檢測彈射平臺彈射速度的接線電路圖。圖4表示彈射平臺位置控制系統中控制器的每路模擬控制電路圖，如採用數字控制則選用相應的晶片代替。圖5表示檢測信號經過控制器處理後輸出控制電流給電磁鐵和變頻調速控制系統對直線電機初級的控制電路原理圖，其中，電磁鐵和直線電機初級定子及位移、速度傳感器安裝在彈射底座上面的導軌上，它們的電線在彈射底座內部集中連接通到彈射底座首端的航空插座11上，再由與之相配的航空插頭連接到控制系統中，而彈射平臺則嵌入安裝無線鐵磁體，這樣可以避免在移動彈射平臺上的連線需求。其控制過程如下彈射平臺在磁浮力的作用下達到平衡位置後，如果有ー個擾動使得彈射平臺有了除彈射行進方向的微小振動偏移，首先通過ー對感應傳感器監測這個偏移，然後將檢測信號輸入控制器(圖4)，經過控制器的信號處理後輸出控制電流來控制一對電磁鐵的電流大小，從而控制電磁力大小使得彈射平臺重新回到平衡位置。而變頻調速控制器給直線彈射電機的初級輸入速度可調的直線運動磁場，驅動彈射平臺上的次級作直線彈射運動，彈射平臺的彈射速度由速度傳感器測出。
參見圖6，它是大功率直線彈射電機的基本原理示意圖，由旋轉電機把定子和轉子展開成直線電機的初級(定子)和次級(動子)，本發明設計的展開形式中上面是次級，下面為初級。這與普通常見的直線電機初級次級順序相反，而與高速磁懸浮列車的初級次級順序相同，固定在彈射平臺上的為永磁體次級，這樣彈射平臺上就不需要大功率電源了，避免了彈射平臺與發射底座的電線連接。參見圖7，它是連接部件3的結構示意圖，該連接部件由牽引杆和拖拽杆組成，它們的作用是艦載飛機起飛前彈射平臺通過牽引杆牽引著艦載飛機運行，同時艦載飛機的引擎啟動也拖拽著弾射平臺運行。由於彈射艦載飛機時，必須在直線彈射電機和艦載飛機共同驅動下才能完成艦載飛機的彈射起飛，在彈射加速期連接部件主要作用是牽引艦載飛機並拖拽著弾射平臺共同加速；在彈射末期，也就是艦載飛機已經加速到其起飛速度時，連接部件將自動放開艦載飛機與彈射平臺的連接。艦載飛機彈射過程艦載飛機放置在彈射平臺上，由其上的連接部件3將艦載飛機I牢固連接在彈射平臺2上，彈射平臺與艦載飛機一起被磁力懸浮起來，在直線彈射電機和艦載飛機的共同驅動下在首端由靜止出發，當加速到艦載飛機起飛速度時連接部件3自動鬆開艦載飛機與彈射平臺的連接，艦載飛機在彈射慣性和自身驅動力作用下彈射飛向空中，而彈射平臺改換成反向驅動カ並在剎車制動裝置阻力作用下剎車減速，到末端時停止，然後返回首端原位準備彈射下一架艦載飛機。本實施例與現有蒸汽彈射器和美國電磁彈射器技術相比較，除了採用直線彈射電機作為驅動，還引入了主動磁懸浮支承技木，設有彈射平臺位置控制系統和速度控制系統，從而大大提高了彈射平臺的定位精度和彈射速度，實現了電氣化，延長了使用壽命。利用磁懸浮技術把放置艦載飛機的彈射平臺懸浮起來，消除了飛機與甲板之間的摩擦，具有支承剛度阻尼可調、無摩擦、無需潤滑、無環境汙染等優點，對於彈射器的彈射性能和艦載機的加速性能具有明顯的提升效果。採用大功率直線電機具有彈射效率高、彈射艦載機機型的調節範圍廣、可控性好，響應迅速等一系列優點。消除了摩擦阻力的彈射器性能上會更加先進，不但會超過美國，還會達到國際領先水平。
權利要求
1.一種主動磁懸浮電磁彈射器，包含有被彈射的艦載機(I)和放置艦載飛機並套裝在導軌上的彈射平臺(2)，其特徵在於還包含有彈射平臺(2)上面連接艦載飛機(I)的連接部件(3)、擁有磁懸浮導軌的彈射底座(4)、嵌入在彈射平臺(2)上的磁性材料(5)、與磁性材料(5)相對應並固定在彈射底座(4)的磁懸浮導軌上兩邊上、下面和側面、受控制系統控制的承載和導向電磁鐵(6)及設置在該電磁鐵(6)旁邊用來檢測彈射平臺位移變化的感應式傳感器(7)，位於彈射底座(4)的磁懸浮導軌頂面中心線上用來提供彈射動力的直線彈射電機初級繞組(8)和對應嵌入在彈射平臺(2)內頂上的次級繞組(9)，設置在初級繞組(8)旁邊用來檢測直線彈射電機驅動彈射平臺(2)速度的速度傳感器(10)和安裝在彈射底座(4)首端的連接所有有源電線的航空插座(11)，該航空插座通過與之相配的航空插頭連接到彈射器的控制柜上。
2.根據權利要求1所述的主動磁懸浮電磁彈射器，其特徵在於所述安裝在彈射平臺上的磁性材料(5)和彈射底座(4)的磁懸浮導軌上的電磁鐵(6)構成磁懸浮支承裝置，該裝置採用吸力型磁懸浮技術，對應於彈射平臺(2)的同一截面上，彈射底座(4)的磁懸浮導軌的兩邊上、下面分別安裝ー對承載差動電磁鐵(6)和相應感應傳感器(7)，而在該導軌的兩側面安裝ー對導向差動電磁鐵(6)和相應感應式傳感器(7)，分別由3路控制電路控制，在彈射平臺(2)運行的過程中至少有2, 3路控制電路控制著弾射平臺(2)使之穩定懸浮在彈射底座(4)的磁懸浮導軌上，整個磁懸浮軌道上共有2, 3n路控制電路，每路控制電路由模擬控制電路或數字控制晶片組成；在磁懸浮導軌的中間安裝直線彈射電機的初級繞組(8)，在相應彈射平臺(2)上安裝直線彈射電機的次級繞組(9)，所有有源電線都在彈射底座(4)內部集中連接通到彈射底座(4)首端的航空插座(11)上，再由與之相配的航空插頭連接到控制柜上。
3.根據權利要求1、或2所述的主動磁懸浮電磁彈射器，其特徵在於所述用於檢測彈射平臺(2)位移的感應式傳感器(7)的電信號輸出連接一個磁懸浮控制器的輸入，控制器的控制電路由模擬控制電路或數字控制晶片組成，該磁懸浮控制器的輸出經功率放大器而連接承載和導向電磁鐵出)；所述的速度傳感器(10)的電信號輸出連接一個變頻調速控制器的輸入，該變頻調速控制器的輸出連接直線彈射電機的初級繞組⑶；其控制過程如下彈射平臺(2)在磁浮力的作用下達到平衡位置後，如果有ー個擾動使得彈射平臺(2)有了除彈射行進方向的微小振動偏移，首先通過ー對感應式傳感器(7)監測這個偏移，然後將檢測信號輸入ー個控制器，經過該控制器的信號處理後輸出控制電流來控制ー對電磁鐵(6)的電流大小，從而控制電磁力大小使得彈射平臺(2)重新回到平衡位置，而ー個變頻調速控制器給直線彈射電機的初級繞組(8)輸入速度可調的直線運動磁場，驅動彈射平臺(2)上的次級繞組(9)作直線彈射運動，彈射平臺(2)的彈射速度由速度傳感器(10)測出。
4.根據權利要求3所述的主動磁懸浮電磁彈射器，其特徵在於所述的直線彈射電機採用初級長定子、次級短動子的形式。
5.根據權利要求1、或4所述的主動磁懸浮電磁彈射器，其特徵在於所述的安裝在彈射平臺上固定艦載飛機的連接部件(3)起到牢固連接艦載飛機和彈射平臺的作用，該連接部件由牽引杆和拖拽杆組成，它們的作用是艦載飛機起飛前彈射平臺通過牽引杆牽引著艦載飛機運行，同時艦載飛機的引擎啟動也拖拽著弾射平臺運行；由於彈射艦載飛機時，必須在直線彈射電機和艦載飛機共同驅動下才能完成艦載飛機的彈射起飛，在彈射加速期連接.部件主要作用是牽引艦載飛機並拖拽著弾射平臺共同加速；在彈射末期，也就是艦載飛機已經加速到其起飛速度時，連接部件將自動放開艦載飛機與彈射平臺的連接。
全文摘要
本發明涉及一種航母上用的主動磁懸浮電磁彈射器，它包括固定在彈射底座上的磁懸浮導軌、套裝在導軌上的彈射平臺和直線電機，利用主動磁懸浮支承技術支承艦載機彈射平臺，採用大功率直線彈射電機驅動彈射平臺，來實現艦載飛機彈射起飛的目的。本發明引入了主動磁懸浮支承技術，設有彈射平臺位置控制系統和速度控制系統，從而大大提高了彈射平臺的定位精度和彈射速度，實現了電氣化，延長了使用壽命，具有支承剛度阻尼可調、無摩擦、無需潤滑、無環境汙染等優點。
文檔編號B64F1/06GK103057722SQ20131000573
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月8日 優先權日2013年1月8日
發明者張鋼, 張海龍, 張堅, 李明彥, 孫昌, 孟慶濤, 支漢立, 姜笑穎 申請人:上海大學