电磁弹射器技术篇之------直线电机

摘要：  电磁弹射器的部件很多，而在航空母舰上面，真正起弹射战机作用的。

电磁弹射器的部件很多，而在航空母舰上面，真正起弹射战机作用的，就是直线电机，直线电机是什么?这对于我们不少人来说，是个陌生的概念。通常，我们日常所见的电动机都是旋转型的。它是由定子包围着圆筒形的转子，当通过三相交流电的时候，定子形成旋转磁场，旋转磁场会因感应在转子中流过电流，而转子产生的电流与定子磁场作用从而使转子产生旋转力矩。而直线电机可以看成是将旋转电机的定子和转子两个圆筒形部件剖开，并展开成平板状，面对面，定子固定在相应于动子(切记，这已经不是转子啦)移动的长度方向上延长，动子通过一定的方式被支承起来，并保持稳定，形成动子和定子之间的空隙。当定子通过三相交流电子，产生的是直线移动的磁场，而不是旋转磁场，与三相异步电动机同理，动子也会随着定子的移动磁场移动，这就是直线电机的原理。

直线电机虽然应用不算广泛，但是也并非见不到它的身影，目前在车床上面，特别是磁悬浮列车上面，可以看到直线电机的影子。但是电磁弹射器与这些常用的直线电机还是有区别的。以磁悬浮列车的直线电机对比来说吧，电磁弹射器的感应动子比较短，只有7米多长，而含有线圈的定子却超过100米长，磁悬浮列车的直线电机恰恰相反，带线圈定子(这里所说的定子实际上是运动的)很短，而动子(实际上是固定在轨道之间不动的)却象轨道一样无限长。磁悬浮列车的直线电机加速并不快，大部分时间为匀速工作，而电磁弹射器却是加速度工作。为了更深层次了解电磁弹射器，下面对直线电机进行详细介绍。

美国福特级航母上的电磁弹射器定子定际上有288块直线电机模块构成，按左右对称布置，也就是动子两边各有144块直线电机模块单元。之所以称为直线电机模块单元，是因为这288块直线电机模块单元完全相同，可以任意对调或更换，维修人员只需把电源及仪表监测线路接上就行了，这是为了便于维护及检修。由于航母上备有配件及备品(每个电磁弹射器备10个直线电机模块单元做为检修更换用，因此每个电磁弹射器在航母上实际上配298块模块单元)，因此即便不是专业人员也可以根据反馈的信号上看出是哪个单元坏了，也可以自行更换，完全不用专业人员在场(当然，培训还是少不了的)。与磁悬浮列车的直线电机的定子不同，磁悬浮列车的直线电机的定子在动子上面，而且只是单面耦合，因为动子是固定在轨道上的，轨道下面也不可能再放置一面定子的。而电磁弹射器是双面耦合，左右的定子线圈均可以对动子进行感应交拖动。说起来有点难，但事实上原理上是一样的，技术上也不存在任何难处。电磁弹射器每个直线电机模块单元宽0.725米，那么144个模块单元加上缓冲及边端装置接近110米长左右(加两端缓冲装置)，这个长度比蒸汽弹射器稍长一点点。每个模块单元都是采用特种硅钢做铁芯，以铜导线做线圈，这一点让人有些奇怪，因为他们总认为会采用超导体、非晶合金、坡莫合金等一类东西的，但是由于超导体对低温要求太苛刻，而且过于娇贵，对维护十分不利，战时可靠性也受影响，一切为了维护方便出发，因此美国佬和DDG1000一样，仍采用了磁通率较高的硅钢(饱和磁通率在25000以上)和日常最普及的纯铜做材料。这么做也绝不是为了省钱，而更多的孝虑了维护及可靠性能上，由于硅钢的独特性能，可以在环境较差的条件下使用，同时可靠性及维护性能优异，铜导线就不需多说了，本身的电阻率就低，而且产品成熟、可靠、性能稳定。

说完了定子部分我们接着说动子部分，动子在原理上等同于三相异步电机的转子，但是日常我们所见的三相异步电动机的转子都是短路环及铁芯构成。但是电磁弹射器的动子却有很多匝线圈，铁芯采用质量很轻、导磁很优越的材料构成。我们知道，三相异步电动机的转子电阻越小越好，因为电阻越小，转差率也越小，效率也越高，但是转子电阻越小，启动电流也越大，启动转矩却并不高，因此我们日常使用的三相异步电动机启动电流是额定电流的5倍以上，但是启动转矩却不及额定工作时输出转矩。因此象船闸门的部分提升电动机就采用了高阻抗转子，为的就是能提供更大的启动力矩和较小的启动电流，这些高阻抗转子实际上就是在转子上绕很多匝线圈，使得其阻抗较大，因此启动电流小，而启动力矩却相对较高，适应于频繁启动且工作时间不长的场合。电磁弹射器的动子做法与这种船闸提升电动机的转子非常相同，为什么呢?因为电磁弹射器在弹射战机时是加速度做功，其实就相当于电机启动，这样做不仅限制启动电流，也提供了更大的启动转矩。在电磁弹射器中，动子的两面都是与定子线圈耦合的，因此定子与动子的相对应面超过了10平方米，而我们日常的旋转型电动机定子与转子只是单面耦合，因此电动个头虽然大，但是耦合面其实并不大，电磁弹射器之所以这么做，目的是为了减小动子的重量，因为动子的重量哪怕减小一点点，意义都非同凡响。上述所讲的是动子的感应线圈部分，但是动子绝不止感应线圈，虽然它是产生驱动力的核心部件，但是由于战机在甲板上面，必须有效的与上部采用合理的手段，就象蒸汽弹射器的驱动活塞一样，它必须有引出装置与战机相连。我们知道，蒸汽弹射器有小车和弹射梭装置，电磁弹射器也有它的相应设备，分别是强迫约束装置和弹射梭。下面重点介绍这两个设备。[#page#]

强迫约束装置放置在轨道盒内，而轨道盒是固定在定子线圈上部的，长度与电磁弹射器相同，它采用左右对称并上下开口，上部开口是为了弹射梭的运行，弹射梭是挂战机弹射挂钩的。下部开口为了动子线圈。弹射梭和动子感应线圈均与强迫约束装置采用刚性连接。强迫约束装置在原理上差不多相同于蒸汽弹射器的小车，因为动子感应线圈与上部弹射梭虽然在驱动力方向上一致，但是高度不同，也就是受力点不在一个平面上，必须要有一个装置来平衡这种受力不在一个水平上的问题。强迫约装置在上部有4排轴承组，下部有2排轴承组，左上和左下有1排排轴承组，同理，右上和右下也有2排轴承组。上下的轴承组当然是平衡弹射战机时这种受力不在一个水平上的问题，而左上、左下及右上、右下则是平衡动子线圈左右倾斜的问题。有人问，那为什么不在动子线圈下部设一排轴承组?这样一样防止动子线圈左右倾斜效果不是更好吗?原因这是因为这些轴承组是易损件，它和你家里的轿车轮子上的滚动轴承组在原理上是一样的，也是起到约束和润滑作用。而如果更换动子线圈下部的轴承组则要拆下定子线圈，维护量太大，因此采用了在强迫约束装置上进行工作，虽然在效果上比不上动子线圈下部设置，但是维护量大大降低了。

需要指出的是，电磁弹射器的288块直线电机模块单元并非统一供电的，它们共分8个回路，并且分回路供电，按弹射战机方向进行排序，每段(也就是每个回路)中每个回路有36个模块单元，那么每边就是18个。由于电磁弹射器也是三相交流电，按照每相A、B、C顺序接入模块单元，采用星形接法，接入每个直线电机模块单元的铜导线的线截面为240平方毫米，每个回路长度为：18*0.725=13.05米长。而动子正好为每回路长度的一半，即长度为 9*0.725=6.525米长。为了方便讲解，按弹射战机方向进行排序，我们把相关回路分别编号为1、2、3、4、5、6、7、8个回路。在弹射战机的时候，先给1号回路供电，然后给2号回路供电，依次进行。电磁弹射器供电原则是：当动子进入到这个线圈之前的0.2秒开始供电，当动子完全离开这个回路的线圈0.04秒断开这个回路的电源。这些全部由中央集中控制系统的PLC进行准确无误的进行控制。那么谁来控制这些分段的回路呢?其实就是真空断路器。有人不禁要怀疑，真空断路器能满足电磁弹射器的要求吗?电磁弹射器最高产生几万安培的电流，电压最高可达14千伏，而且控制通断时间如此精确，这些真空断路器能做到吗?而且真空断路器可不能够采用串联和并联的方式进行工作的。答案是肯定的。为了能让大家了解它的可行性，这里需要做一个详细的分析：

真空断路器对很多懂高压电气的人当然不陌生，也能了解它的部分性能。空断路器是一种用真空作为灭弧介质和绝缘介质的断路器，由于这种断路器开断可靠性高，可频繁操作，寿命长，体积小，结构简单，维护工作量少等优点，目前在中压领域得到广泛应用。我们使用的是交流电，而不是直流电，电磁弹射器也是，交流电的一个特点就是电压和电流并不是固定的，它随着象正弦波一样变化，因此它经过电压为零的时候，那么真空就是依赖这时候进行灭弧，从而断开电路。目前民用的真空断路器电压已经做到近40千伏，远高于电磁弹射器的14千伏，防止过电压也采用了民用设备一样的同样设备，因此在电压上不存在任何问题。然后是电流，国产正常民用的真空断路器额定电流最大不超过几千安培，不过国外已经可以分断10万安培以上的电流了，极限分断电流可达30万安培以上的电流，这不能不说是个较大的差距。但是事实上在电磁弹射器上，分断电流及合闸电流也不过几千安培，为什么呢?因为电磁弹射器这8个回路在动子来到前0.2秒开始接受指令，由于断路器的合闸时间不到0.1秒，因此在动子来到的0.1秒前就已通电了，没有动子如果对于三相异步电动机来说就是相当于没有转子，这时只有空载电流，电流当然不大，而断开也一样，是动子经过后才断开，也相当于空载电流，因此电磁弹射器虽然最大电流可达几万安培，但是真空断路器通过的电流其实也不过几千安培。真正经受大电流的是电磁弹射器的大功率控制装置(以前已经介绍过)。其实还有一个问题，电磁弹射器最大电流是最后第7、8回路，也就是弹射末端，然而这时频率却非常高，达到600多赫兹，频率越高，断开的时间越短，为什么我就不再强调了，电压和电流都没有问题了，那么精确控制呢?当然也没有问题，不过需要注意的是，这里的真空断路器操动机构采用的是电磁操动机构，而不是弹簧操动机构，这是因为弹簧操动机构储能时间过多，无法适应于电磁弹射器这种快速频繁操作的场合。目前的民用真空断路器合闸时间基本上都是小于0.1秒，分断电路时间小于0.05秒，差不多也能满足电磁弹射器的精确控制要求。因此美国佬在对于真空断路器方面是直接下指标给真空断路器厂家，要求厂家按照指标上进行设计出样品，并亲自进行严格检测。结果几个厂家在三个月内都拿出了完全符合要求的产品。它的合闸时间都小于0.1秒，分断电路时间小于0.04秒，正常断流能力都在80000安培以上，极限分断电流都在400000安培以上，完全可靠无故障合闸及分断次数达20000次以上，这些数据显然已经超过了电磁弹射器对真空断路器的要求了。国产真空断路器通过努力，我相信也不太大问题吧。有一点需要指出，电磁弹射器的直线电机中用的真空断路器在操动机构上要更可靠，配置上更高端一些。[#page#]

说完了真空断路器，再继续说电磁弹射器的定子分段问题，为什么要分8段呢?也就是8个回路呢?这是因为电磁弹射器定子太长，长度约110米，而动子则比较短，也就是7米左右，如果不分段供电，动子在运行过程中，大部分定子线圈都不在作战，而且会产生较大的空载电流，增加大功率控制装置的容量。更严重的长时间的工作可能会对定子的直线电机模块单元及传输电缆造成烧坏。事实上，如果以最大电流连续通过5秒钟的算，那么所以直线电机模块单元及传输电缆都会被烧坏。而采用分段，可以在动子经过前通电，动子经过后及时断开，从而保证了每个回路较少的工作时间，防止了大电流长时间的运行，避免了直线电机模块及电缆的烧伤。不过这里有个有趣的现象，我们都知道，电磁弹射器工作是个加速度做功的过程，因此加在每段上的电压及频率也在不断的变化之中，最初的很低，而在末端电压可以达到最高，达到14千伏，频率达到最大，达到626赫兹，电流也达到最大，达到几万安培。但是供给每段也就是每个回路的干路电缆截面都是相同的，每根铜导线载面也都是1500平方毫米左右，而且每个直线电机模块也是完全相同的，这是为什么呢?这么做在首端不浪费吗?末端不怕烧坏吗?其实，问这些问题的人忘记了一个最重要的东西，那就是工作时间，简单的说，就是在首端，也就是1、2号回路时，这里电流虽然小，但是通电时间长，产生的热量也并不少，在末端，通过的时间短，因此虽然电流大，但是产生的热量也高不了多少。不少人仍很难理解，下面就详细介绍一下：

先打个比方，假如弹射器工作的加速度为4个G，那么2秒钟就可以加速到80米/秒的速度，由于航母迎风30节以上高速行驶，由于1节等于1海里，1海里等于1.852公里，通过计算，相当于：30*1.852/3.6=15.43米/秒，如果风速为5米/秒的话，那么弹射器在加速到80米/秒的时候其实已经相当于陆上100米/秒的速度了，这个速度基本可以起飞战机了。当然，陆地上的机场既不能移动，也无法对准风向，根本不能与航母比。那么以此为例，在第一个0.5秒后，动子通过的距离为：S=1/2*G*T*T = 0.5*40*0.5*0.5 = 5米，由于只移动了5米的距离，因此动子还在第一段也就是第一个回路内。而在1秒动子通过的距离为：S=1/2*G*T*T= 0.5*40*1*1 = 20米，动子处在第2段和第3段(前7段长度均为14.5米)。而在1.5秒动子通过的距离为：S=1/2*G*T*T=0.5*40*1.5*1.5 = 45米，动子处在第4段。而在2秒动子通过的距离为：S=1/2*G*T*T= 0.5*40*2*2 = 80米，动子处在第6段。可见，由于动子越来越快，在每一段停留时间会更短，因此抵消了电流产生的烧伤。不过，需要指出的是，电磁弹射器做功段不止80米，有近100米，它在弹射战机时会根据情况进行控制的，关于这些控制，以后会介绍。由于是电气控制，信号的返回快，运算速度快，因此在具体弹射战机时，由专门的控制系统(PLC)来进行调节电压和频率，从而控制加速度。比如当无风时，电磁弹射器不得不把加速度调的大一些，而弹射较轻的无人机时，电磁弹射器可以把电压调的低一些，由于战机空重是固定的，载油及载弹量通过输入后，CPU自动根据风速和航母的速度进行计算，并输出到PLC进行控制。

值得一提的是电磁弹射器的制动，它只有9对只有6米多的制动距离，跟动子的长度差不多，距离非常短，但是也比蒸汽弹射器水刹距离长，也就是说过载没有蒸汽的高。这一段功能是制动作用，也就是让动子在如此短的距离内停下来，制动的加速度(实际是减速度)。按加速到80米/秒算，制动采用60个G算，那么只需要0.15秒就可以停下，根据公式制动距离为：S=1/2*G*T*T=0.5*600*0.15*0.15 = 6.75米，当然，如果速度高一些的话，制动会更大一些。60个G有人认为制动力太大了，其实不然，拿F-35C来说，弹射起飞时需要产生3个多G的加速度(当然F-35C发动机也有推力，加速度作功是弹射器和发动机的合力做功，并非单纯由弹射器做功)，当然需要3倍多F-35C的重量，几乎达到了近70吨的推力，而弹射器动子重量很轻，海军当时定的目标是不超过500公斤，也就是不超过0.5吨，但是美国由于重量超标却达到了700公斤，不知道最后减重计划如何，现就以700公斤算，60个G的过载也就是60倍动子的重量，不过42吨以上，远小于做功的推力。不过电磁弹射器的制动与日常电动机的制动不同，它在电磁反向时是时间相当短的，中间过程可以毫秒计，因为它是由大功率控制装置控制的，反应特别的快。

电磁弹射器返回时电压要低的多，频率变化也慢的多，而且返回到第1回路时(也就是弹射起点位置)实现准确停车，跟电梯差不多。蒸汽弹射器是采用拖索返回，而电磁弹射器直接利用反向返回，操作起这些均是由PLC完成。当然，电磁弹射器返回时电流也小得多，技术上难度远小于弹射战机。不过，在美国试验电磁弹射器的一次试验中，电磁弹射器返回却冲击到第1回路的边端，造成一定的动子及定子损坏。这实际上是软件原因造成的，软件精确的控制电磁弹射器，由于电磁弹射器在最后一段(也就是第8回路)制动力及制动时间在运算中出现了错误，造成制动时间过长，从而使动子以极高的速度反弹了回来，而返回的由于是反向推动，那有人问，既然速度超过了，不能进行发电制动吗?当然能，但是由于原设计在电磁力较小的情况下，制动效果就不明显了，更何况发电制动距离本来就很长，以致于导致了这次事故。这点需要我们在研时注意的事项。[#page#]

说了那么多，再介绍一下具体的弹射做功过程，当战机的弹射挂钩挂住电磁弹射器的弹射梭时，且强迫储能装置已经充好了电，这时就可以弹射了，首先就是发动机发动，当发动机推力达到最大推力的80%的时候，第1段也就是第1回路的真空断路器先合闸，其它7个回路均断开的，大功率控制装置(形同高压变频器)开始给第1回路的36个直线电机模块单元供电，并产生移动电磁波，推动动子以总共4G(具体多少个加速度根据情况而定)进行运行，战机被推动加速，当进入第2段也就是第2回路时，提前0.2秒给第2回路供电，这部分控制美国佬采用安装在动子两边端边的接近感应开关，而英国佬采用时间继电器通过PLC进行控制，也就是说美国佬更精确，而英国佬的控制更简单，当然他们都无一例外的都有激光测距仪以反应动子的精确位置。由于动子速度变化且不断增加，因此动子前部接近感应开关用于下一个回路通电的应提前位置安装，提前的多少分别不同，但是都是动子到达提前0.2秒。由于感应开关采用无触点开关，类似CMOS管，导通时间极短，而且到达PLC后再经过运算再输出到真空断路器的时间极短，因此基本上可以忽略这部分时间，但是真空断路器合闸时间却没办法缩短，它的动作时间只能小于0.1秒，因此在动子到来前的0.1秒下一个回路已经通电了。而动子尾部的感应点则用于停止上一个回路的电源，以减少空载电流及直线电机模块的通电时间，这部分不需要提前，信号与给下一个回路通电一样经过PLC再经过运输后，通过开关量输出来控制，这部分反应速度要快些，由于真空断路器断开时间小于0.04秒，因此基本上可以保证动子完全离开这一回路时经过小于0.05秒时即断开电源。英国佬的更方便，直接采用时间继电器来控制每一回路的通电时间及持续时间，也能达到提前0.2秒通电，完全经过后0.1秒断开，英国佬的通电时间要长一些，就是因为时间继电器在准确性方面差一些。不过，现在英国佬估计从美国购买电磁弹射器了，包括电磁拦阻系统。虽然英国佬也做过四分之一模型的试验，但是如果做完一比一试验则最少需要十几亿美元，而从美国购买只需2亿就够了，而且英国佬下一个航母还不知道什么时候造呢，更何况他的航母数量本来就少，也不可能愿意投入更多去研发，有现成的拿来用，岂不更好?其实现在英国根本没有独立性，只不过是美国的一条哈巴狗，由于能受到美国的保护，自己的研发上面也早已没有成套实力了。继续上面的话题，随着动了不断进入每一个回路，而真空断路器不断的切换回路，动子连同战机加速到起飞的速度，它必须在最后一个回路进行制动，这是事先程序已经编好的，因为如果距离太短，过载越大，电磁弹射器就是尽可能避免最大过载，在弹射过程力求加速度平稳，因此加速度距离不可太短，而最后的制动也必须精准，否则极有可能酿成事故。当然，这一切都是PLC控制，反应是很快的。

说到了原理就必须说一下艺方面的问题，电磁弹射器无疑在工艺方面是很高的，首先，直线电机模块单元部分，虽然每个电磁弹射器总共288个模块单元完全一样，但是加工特别是与动子相对面的平整度要求极其苛刻，误差度只能以微米计，而动子精度则更高。为此，所有模块单元在安装时都必须要十分的精确定位。动子经过的空隙有几十毫米，在在动子经过时动子与两边定子的间隙加起来不到1毫米。美国要求动子与定子面的标准距离为0.3毫米，最远不能大于0.4毫米，最近不能小于0.2毫米。如果是旋转电机，这个要求不算高，因为旋转电机定子和转子之间相对运动是受轴等约束的。但是大家可以想一下，100多米长的电磁弹射器，却要求不能有头发丝那么大的误差，难度可想而知。

说到了工艺还有必要说一下散热问题，每个电磁弹射器散热总功率可达500多千瓦，而且散热的风机采取了永磁电机，不仅低噪音，而且效率高，气流就是从甲板开口处散出来，算一下每米有5千瓦的功率，因此气流相当强，不仅可以阻止雨水，也可以防止异物落入。蒸汽弹射器甲板开口处下面是两个汽缸的中间，雨水和异物影响不是很大，但是电磁弹射器却是动子经过的地方，两个定子之间，当然不容许任何异物造成干扰(当然落入异物也能在直线电机模块单元检测装置上发现)。因此在不弹射战机的时候，由嵌入式密封罩保护起来，自然可以防止任何异物和雨水进入。关于强制散热风机我本人建议进口，因为国内的风机无论是性能还是做功方面，均有不少差距，而且震动和噪音也相当高，使用的话有一定的不利影响。

说了这么多，大家应该对航母电磁弹射器的直线电机有一个较深的了解了，说白了它在原理上与我们日常上的直线电机没有什么不同，就是双面耦合且分段而已。发展航母的电磁弹射器，不仅对于国防的意义不可估量，也对民用有一定的影响，可谓一举两得。在日本，直线电机地铁已在东京和大阪投入运用，未来我们城市强调轨道交通，而轨道交通中，直线电机比旋转电机有着不可比拟的优越性，应当普及，所以本人强烈呼吁增加直线电机方面的研发投入，不仅与国防有利，而且对于民用也相当有益。

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