مدل سازي تفنگ ريلي الكترومغناطيسي و تحليل عملكرد آن

Modeling of Electromagnetic Railgun and Analysis of its Performance

با توجه به اين­كه تفنگ ريلي يك سامانه الكترومكانيكي است، حل هم­زمان معادلات الكتريكي و مكانيكي آن، به راحتي قابل انجام نيست. در اين مقاله، روشي بر پايه مدل مداري براي تحليل تفنگ ريلي ارائه مي­ شود كه در آن ابتدا مدار معادل تفنگ ريلي استخراج شده و سپس معادلات ديفرانسيل بيان‌كنندة فيزيك حاكم بر سامانه به ­دست مي­آيد. سپس با استفاده از حل اين معادلات به روش رانگ كوتاي مرتبه 4، به شبيه­ سازي تفنگ ريلي پرداخته­ مي­ شود. مزيت اصلي روش ارائه شده، اين است كه با توجه به سريع بودن آن، مي‌توان به ­راحتي در بحث بررسي حساسيت و بهينه ­سازي طراحي استفاده كرد؛ در صورتي كه با استفاده از روش اجزاي محدود، اين موارد به واسطة كندي آن تقريباً غيرممكن است. در ادامه با استفاده از روش پيشنهادي، سامانه مورد نظر شبيه­ سازي شده و رفتار آن مورد مطالعه قرار گرفته است. همچنين تأثير تغييرات پارامترهاي ساختاري تفنگ ريلي بر روي سرعت، بازده و نيروي وارد بر آرميچر بررسي شده است. براي تأييد نتايج به ­دست آمده، از روش اجزاي محدود سه­ بعدي نقطه به نقطه استفاده شده كه نتايج آن، نتايج روش ارائه­ شده را تأييد مي ­كند.

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.