CN103754384A - 被动磁悬浮电磁弹射器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航母上用的被动磁悬浮电磁弹射器。它包括固定的弹射底座和套装在其上的弹射平台和直线电机，利用被动磁悬浮支承技术支承舰载机弹射平台，采用大功率直线弹射电机驱动弹射平台，来实现舰载飞机弹射起飞的目的。本发明与现有技术相比，引入了被动磁悬浮支承技术，设有速度控制系统，从而大大提高了精度和弹射速度，实现了电气化，缩短了弹射距离，延长了使用寿命，具有无摩擦、节省能量、结构简单、无需润滑、无环境污染等优点。

Description

被动磁悬浮电磁弹射器

技术领域

本发明涉及一种航母上用的电磁弹射器，特别是一种被动磁悬浮电磁弹射器。

背景技术

航母作为海上霸主，在海军武器中占据核心地位。航母的关键部件之一弹射器一直是航母技术中的一大难点。随着我国经济的飞速增长，科技水平的不断提升，我国已经有一定的经济实力和技术能力来发展自己的航母。由瓦良格号改装成的辽宁舰航母是中国航母的真正起点，但它是由我国从乌克兰买来的未完工航母改装的，根本没有包括弹射器在内的关键部件，只有比较落后的滑跃式助起飞甲板。

首先，从起飞方式上来说，我国不可能停留在落后的滑跃式起飞，这会使我国的航母战斗力大打折扣(相同吨位的航母滑跃式起飞舰载机挂弹量只有弹射起飞的25%)。其次，由于目前国外服役的蒸气式弹射器技术复杂，我国也毫无建造经验，况且美国不会把这项技术卖给中国，所以也不是最好的选择。最后，更加先进的下一代弹射器-电磁弹射器是我们最佳的选择。所以，对电磁弹射器技术进行研发十分重要。

美国是电磁弹射器研制最领先的国家，据报道，美国已经在陆地上试验成功，预计将会装备在下一代福特号航母上，据报道福特号航母将装备四套电磁弹射器，但都是机械支承的，不是磁悬浮支承的。而我国国内对此的研究如海军工程大学研制的电磁弹射器样机也是机械支承的，因此，需要对磁悬浮电磁弹射器投入相关的研究。

本发明申请的被动磁悬浮电磁弹射器包含两项关键技术：被动磁悬浮支承技术和大功率直线弹射电机技术。

被动磁悬浮支承技术是世界公认的高新技术之一。它的最大特点就是实现了微接触、微摩擦支承。将磁悬浮技术应用于电磁弹射器上将对弹射器的性能带来很大的提升。

电磁弹射器所采用的大功率直线弹射电机技术是一种将电能直接转换成直线运动机械能的直线电机驱动技术，是一种不需要通过任何中间转换机构(如链条、齿条或丝杠等)的新型直线驱动技术，它是20世纪下半叶电工领域中出现的具有新原理、新理论的新技术，与微电子技术、计算机技术和旋转电机技术一样，在人类的各个领域具有广阔的应用前景。

目前，美国已经成功地在陆地上利用电磁弹射器对飞机进行了弹射，但美国目前研制的电磁弹射器只是把蒸汽弹射器的活塞换成了大功率直线弹射电机，弹射电机带有滚轮，带着一个往复行车在电磁力的作用下沿弹射器轨道运行，拉着飞机在甲板上沿弹射冲程加速到起飞速度，飞机还是通过轮子直接放在甲板上，并没有消除飞机轮子与甲板之间的滚动摩擦阻力。这一点可以从美国海军公布的电磁弹射器视频和众多电磁弹射器文献中均未提到磁悬浮支承技术这两方面加以证实。而本申请方案除了采用直线弹射电机作为驱动，还引入了被动磁悬浮支承技术，利用磁悬浮技术把放置飞机的弹射平台悬浮起来，大大减小了摩擦阻力的弹射器性能上会更加先进，可以缩短弹射距离，将会超过美国并达到国际领先水平。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种被动磁悬浮电磁弹射器，它利用被动磁悬浮支承技术支承放置舰载机的弹射平台，并用大功率直线弹射电机驱动弹射平台，来实现舰载飞机弹射起飞的目的。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种被动磁悬浮电磁弹射器，包括固定的弹射底座和套装在其上的弹射平台、固定在弹射底座和弹射平台上的永磁条、安装在弹射平台上防止平台与底座碰撞的导向保护小滚轮和装在弹射底座和弹射导轨上的直线电机两级，其特征在于还包含有弹射平台上面连接舰载飞机的连接部件、位于弹射底座的磁悬浮导轨底面中心线上用来提供弹射动力的直线弹射电机初级绕组和对应嵌入在弹射平台内底面上的次级绕组、设置在初级绕组旁边用来检测直线弹射电机驱动弹射平台速度的速度传感器和安装在弹射底座首端的连接所有有源电线的航空插座，该航空插座通过与之相配的航空插头连接到弹射器的控制柜上。

上述的被动磁悬浮电磁弹射器中，所述安装在弹射平台和弹射底座上的永磁条构成磁悬浮支承装置，该装置采用斥力型磁悬浮技术，对应于弹射平台的同一截面上，弹射底座的磁悬浮导轨的两边上、下面分别安装一对斥力支承的承载永磁条，而在该导轨的两侧面上、下边分别安装一对斥力支承的导向永磁条，与主动磁悬浮技术不同的是它不需要控制电路，弹射平台与弹射底座之间由永磁条之间的斥力支承导向控制着弹射平台使之悬浮在弹射底座的磁悬浮导轨上，另外弹射平台上还安装有导向保护小滚轮防止平台与底座直接接触产生滑动摩擦力；在弹射底座的中间安装直线弹射电机的初级绕组，在弹射平台上相应位置安装直线弹射电机的次级绕组，源电线都在弹射底座内部集中连接通到弹射底座首端的航空插座上，再由与之相配的航空插头连接到控制柜上。

上述的被动磁悬浮电磁弹射器中，速度传感器的电信号输出连接一个变频调速控制器的输入，该变频调速控制器的输出连接直线弹射电机的初级绕组；其控制过程如下：一个变频调速控制器给直线弹射电机的初级绕组输入速度可调的直线运动磁场，驱动弹射平台上的次级绕组作直线弹射运动，弹射平台的弹射速度由速度传感器测出，可以控制弹射平台弹射飞机并返回原点的过程。

上述的被动磁悬浮电磁弹射器中，所述直线弹射电机采用初级长定子、次级短动子的形式。

上述的被动磁悬浮电磁弹射器中，所述安装在弹射平台上的固定舰载飞机的连接部件起到把舰载飞机牢固连接在弹射平台上的作用，该连接部件由牵引杆和拖拽杆组成，它们的作用是舰载飞机起飞前弹射平台通过牵引杆牵引着舰载飞机运行，同时舰载飞机的引擎启动也拖拽着弹射平台运行；由于弹射舰载飞机时，必须在直线弹射电机和舰载飞机共同驱动下才能完成舰载飞机的弹射起飞，在弹射加速期连接部件主要作用是牵引舰载飞机并拖拽着弹射平台共同加速；在弹射末期，也就是舰载飞机已经加速到其起飞速度时，连接部件将自动放开舰载飞机与弹射平台的连接，舰载飞机将利用弹射惯性和自身引擎的驱动力弹射起飞，而弹射平台在弹射电机改换反向驱动力并在刹车制动装置阻力作用下刹车减速，到末端时停止，然后返回首端原位准备弹射下一架舰载飞机。

本发明与现有蒸汽弹射器和美国电磁弹射器技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明中采用永磁体之间的斥力将弹射平台悬浮于导轨上，并设有弹射平台速度控制系统，从而大大提高了弹射平台的精度和弹射速度，缩短了弹射距离，延长了使用寿命，并具有微摩擦、节省能量、结构简单、无需润滑、无环境污染等优点。

被动磁悬浮技术是本发明的两大关键技术之一。由于弹射平台上的舰载飞机与弹射轨道之间有很大的相对速度，所以支承技术就显得非常重要。在蒸汽式弹射器和美国的电磁弹射器中，飞机直接通过飞机轮子与航母甲板接触，它们之间的摩擦属于滚动摩擦，再加上飞机速度很大，摩擦力是阻碍加速性能的一个主要因素，而本发明采用被动磁悬浮技术，可以大大减小航母甲板与弹射平台上舰载飞机间的摩擦阻力，使得舰载机只受空气阻力，对于弹射器的弹射性能和舰载机的加速性能具有明显的提升效果，缩短了弹射距离。本发明采用的是斥力型被动磁悬浮技术。

直线弹射电机是本发明的另一项关键技术。但是弹射器由于自身的特点，设计要求不同于普通直线电机。第一个特点是因为弹射器要在短时间短行程内将飞机加速到起飞的速度，作为弹射器的心脏，这就要求直线弹射电机的功率非常大。另外，由于弹射平台要与航母甲板之间有较大的相对速度，所以要避免在弹射平台上布置有源电线，这是第二个特点。

附图说明

图1是本发明一个实施例的总体结构示意图。

图2是图1弹射平台截面中的永磁条布置与磁悬浮原理和直线电机两级分布的结构图。

图3表示舰载机与弹射平台连接件的原理图。

图4表示弹射平台速度控制系统中速度传感器信号采集的电路图。

图5表示检测信号经过控制器处理后输出控制电流给变频调速控制系统对直线电机初级的控制电路原理图。

图6是大功率直线弹射电机的基本原理示意图(图中(a)图为常见直线电机横截面图，(b)为常见电机的展开图，(c)为本发明弹射电机展开图)。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

实施例一：

参见图1~图3，本被动磁悬浮电磁弹射器包含有被弹射的舰载机1和放置舰载飞机并套装在导轨上的弹射平台2，其特征在于还包含有弹射平台2上面连接舰载飞机1的连接部件3、拥有磁悬浮导轨的弹射底座4、分别嵌入在弹射平台2两侧凸条上下面和弹射底座4两侧凹槽上下面的永磁条甲5乙5’、安装在弹射平台2两侧的4个导向保护小滚轮6滚动抵靠在弹射底座4的两侧内壁、位于弹射底座4的磁悬浮导轨底面中心线上用来提供弹射动力的直线弹射电机初级绕组8和对应嵌入在弹射平台2内底面凹槽壁上的次级绕组7，设置在初级绕组8旁边用来检测直线弹射电机驱动弹射平台2速度的速度传感器10和安装在弹射底座4首端的连接所有有源电线的航空插座9，该航空插座通过与之相配的航空插头连接到弹射器的控制柜上。

实施例二：

本实施实例与实施实例一基本相同，特别之处如下：

所述的被动磁悬浮电磁弹射器，其特征在于安装在弹射平台2上的永磁条甲5构成磁悬浮支承装置，该装置采用斥力型磁悬浮技术，对应于弹射平台2的同一截面上，弹射底座4的磁悬浮导轨的两边上、下面分别安装一对斥力支承的承载永磁条乙5’，而在该导轨的两侧面上、下边各安装1对斥力支承的导向永磁条丙5’’，与主动磁悬浮技术不同的是它不需要控制电路；所述在磁悬浮导轨的中间安装直线弹射电机的初级绕组8以及在相应弹射平台2上安装直线弹射电机的次级绕组7，所有有源电线都在弹射底座4内部集中连接通到弹射底座4首端的航空插座9上，再由与之相配的航空插头连接到控制柜上。

所述速度传感器10的电信号输出连接一个变频调速控制器的输入，该变频调速控制器的输出连接直线弹射电机的初级绕8；其控制过程：一个变频调速控制器给直线弹射电机的初级绕组8输入速度可调的直线运动磁场，驱动弹射平台2上的次级绕组7作直线弹射运动，弹射平台2的弹射速度由速度传感器10测出，可以控制弹射平台弹射飞机并返回原点的过程。

所述的直线弹射电机采用初级长定子、次级短动子的形式。

所述的安装在弹射平台上固定舰载飞机的连接部件3起到牢固连接舰载飞机和弹射平台的作用，该连接部件由牵引杆11和拖拽杆12组成，它们的作用是舰载飞机起飞前弹射平台通过牵引杆11牵引着舰载飞机运行，同时舰载飞机的引擎启动也拖拽着弹射平台运行；由于弹射舰载飞机时，必须在直线弹射电机和舰载飞机共同驱动下才能完成舰载飞机的弹射起飞，在弹射加速期连接部件主要作用是牵引舰载飞机并拖拽着弹射平台共同加速；在弹射末期，也就是舰载飞机已经加速到其起飞速度时，连接部件将自动放开舰载飞机与弹射平台的连接。

实施例三：

参见图1和图2，本被动磁悬浮电磁弹射器，包含有被弹射的舰载机1和放置舰载飞机并套装在导轨上的弹射平台2，其特征在于还包含有弹射平台2上面连接舰载飞机1的连接部件3、拥有磁悬浮导轨的弹射底座4、分别嵌入在弹射底座4两侧凹槽上下面和弹射平台2两侧凸条上下面的永磁条甲5、乙5’、安装在弹射平台2两侧用于防止平台2与底座4两侧内壁接触的导向保护滚轮组6、位于弹射底座4上对应弹射平台底面中心线位置用来提供弹射动力的直线弹射电机初级绕组8和对应嵌入在弹射平台2内底面上的次级绕组7，设置在直线电机上用来检测直线弹射电机驱动弹射平台2速度的速度传感器10和安装在弹射底座4首端的连接所有有源电线的航空插座9，该航空插座通过与之相配的航空插头连接到弹射器的控制器上。

参见图1，本被动磁悬浮电磁弹射器包含有被弹射的舰载机模型1， 放置舰载飞机的弹射平台2，其材料拟采用强度最大、密度最小、质量最轻的工程塑料制作，弹射平台上连接舰载飞机的连接部件3，它使得弹射平台在弹射时牢固连接并带动舰载机弹射运行，具有磁悬浮导轨的弹射底座4，其上的磁悬浮导轨使得2与4之间的相对运动体实现无机械接触无摩擦的磁悬浮技术支承，使得弹射平台上的舰载飞机只受空气阻力，安装在弹射平台2与弹射底座4上的永磁条5，安装在弹射平台用于防止平台与底座接触的导向保护滚轮6，用来提供弹射动力的直线弹射电机初级8和次级7，用来检测弹射平台位移变化的感应式传感器10和连接有源电线的航空插座9。

参见图2，它是图1示例弹射平台截面的永磁导轨和直线电机两级分布的结构图，其中装有永磁条并采用适当的结构布置使弹射平台可以借助斥力悬浮起来。为了防止平台和底座直接接触，平台上还装有导向保护滚轮6。保护滚轮在一般运行中是不接触底座的，只是一种辅助支承手段，只有在平台发生大的位置偏移时才会滚动接触底座。7和8为直线电机的两级。其中安装在弹射平台上的次级7采用的也是无源永磁体，不需要外接电源。9是航空插座，所有的有源电线均从弹射器底座的内部通道连接到航空插座上，与其相配的航空插头与控制柜相连(图中未画出)。

参见图3，它是连接部件3的结构示意图，该连接部件由牵引杆和拖拽杆组成，它们的作用是舰载飞机起飞前弹射平台通过牵引杆牵引着舰载飞机运行，同时舰载飞机的引擎启动也拖拽着弹射平台运行。由于弹射舰载飞机时，必须在直线弹射电机和舰载飞机共同驱动下才能完成舰载飞机的弹射起飞，在弹射加速期连接部件主要作用是牵引舰载飞机并拖拽着弹射平台共同加速；在弹射末期，也就是舰载飞机已经加速到其起飞速度时，连接部件将自动放开舰载飞机与弹射平台的连接。

参见图4和图5，它们是直线弹射电机变频调速控制的基本接线电路原理图。图4表示速度传感器检测弹射平台弹射速度的接线电路图。图5表示检测信号经过控制器处理后输出控制电流给变频调速控制系统对直线电机初级的控制电路原理图，其中，直线电机初级定子及速度传感器安装在弹射底座上，它们的电线在弹射底座内部集中连接通到弹射底座首端的航空插座9上，再由与之相配的航空插头连接到控制系统中。变频调速控制器给直线弹射电机的初级输入速度可调的直线运动磁场，驱动弹射平台上的次级作直线弹射运动，弹射平台的弹射速度由速度传感器测出。

参见图6，它是大功率直线弹射电机的基本原理示意图，由旋转电机把定子13和转子14展开成直线电机的初级8(定子)和次级7(动子)，本发明设计的展开形式中上面是次级8，下面为初级7。这与普通常见的直线电机初级次级顺序相反，而与高速磁悬浮列车的初级次级顺序相同，固定在弹射平台上的为永磁体次级，这样弹射平台上就不需要大功率电源了，避免了弹射平台与发射底座的电线连接。

本实施例与现有蒸汽弹射器和美国电磁弹射器技术相比较，除了采用直线弹射电机作为驱动，还引入了被动磁悬浮支承技术，设有速度控制系统，从而大大提高了弹射平台的精度和弹射速度，实现了电气化，延长了使用寿命。利用磁悬浮技术把放置舰载飞机的弹射平台悬浮起来，大大减小了飞机与甲板之间的摩擦，具有微摩擦、节省能量、结构简单、无需润滑、无环境污染等优点，对于弹射器的弹射性能和舰载机的加速性能具有明显的提升效果，缩短了弹射距离。采用大功率直线电机具有弹射效率高、弹射舰载机机型的调节范围广、可控性好、响应迅速等一系列优点。大大减小了摩擦阻力的弹射器所需的弹射长度将缩短，性能上会更加先进，将会超过美国，达到国际领先水平。 

Claims (5)

1.一种被动磁悬浮电磁弹射器，包含有被弹射的舰载机(1)和放置舰载飞机并套装在导轨上的弹射平台(2)，其特征在于还包含有弹射平台(2)上面连接舰载飞机(1)的连接部件(3)、拥有磁悬浮导轨的弹射底座(4)、分别嵌入在弹射平台(2)两侧凸条上下面和弹射底座(4)两侧凹槽上下面的永磁条甲乙(5、5’)、安装在弹射平台(2)两侧的4个的导向保护小滚轮(6)滚动抵靠在弹射底座(4)的两侧内壁、位于弹射底座(4)的磁悬浮导轨底面中心线上用来提供弹射动力的直线弹射电机初级绕组(8)和对应嵌入在弹射平台(2)内底面凹槽壁上的次级绕组(7)，设置在初级绕组(8)旁边用来检测直线弹射电机驱动弹射平台(2)速度的速度传感器(10)和安装在弹射底座(4)首端的连接所有有源电线的航空插座(9)，该航空插座通过与之相配的航空插头连接到弹射器的控制柜上。

2.根据权利要求1所述的被动磁悬浮电磁弹射器，其特征在于：所述安装在弹射平台(2)上的永磁条甲(5)构成磁悬浮支承装置，该装置采用斥力型磁悬浮技术，对应于弹射平台(2)的同一截面上，弹射底座(4)的磁悬浮导轨的两边上、下面分别安装一对斥力支承的承载永磁条乙(5’)，而在该导轨的两侧面上、下边各安装1对斥力支承的导向永磁条丙(5’’)，与主动磁悬浮技术不同的是它不需要控制电路；所述在磁悬浮导轨的中间安装直线弹射电机的初级绕组(8)以及在相应弹射平台(2)上安装直线弹射电机的次级绕组(7)，所有有源电线都在弹射底座(4)内部集中连接通到弹射底座(4)首端的航空插座(9)上，再由与之相配的航空插头连接到控制柜上。

3.根据权利要求1、或2所述的被动磁悬浮电磁弹射器，其特征在于：所述速度传感器(10)的电信号输出连接一个变频调速控制器的输入，该变频调速控制器的输出连接直线弹射电机的初级绕组(8)；其控制过程：一个变频调速控制器给直线弹射电机的初级绕组(8)输入速度可调的直线运动磁场，驱动弹射平台(2)上的次级绕组(7)作直线弹射运动，弹射平台(2)的弹射速度由速度传感器(10)测出，可以控制弹射平台弹射飞机并返回原点的过程。

4.根据权利要求3所述的被动磁悬浮电磁弹射器，其特征在于所述的直线弹射电机采用初级长定子、次级短动子的形式。

5.根据权利要求1所述的被动磁悬浮电磁弹射器，其特征在于：所述的安装在弹射平台上固定舰载飞机的连接部件(3)起到牢固连接舰载飞机和弹射平台的作用，该连接部件由牵引杆(11)和拖拽杆(12)组成，它们的作用是舰载飞机起飞前弹射平台通过牵引杆(11)牵引着舰载飞机运行，同时舰载飞机的引擎启动也拖拽着弹射平台运行；由于弹射舰载飞机时，必须在直线弹射电机和舰载飞机共同驱动下才能完成舰载飞机的弹射起飞，在弹射加速期连接部件主要作用是牵引舰载飞机并拖拽着弹射平台共同加速；在弹射末期，也就是舰载飞机已经加速到其起飞速度时，连接部件将自动放开舰载飞机与弹射平台的连接。

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