1 引言
随着信息技术迅猛发展，高新技术的不断渗透，要求新型武器具有更高的智能化水平[1]，以满足不同背景下的作战需求，显而易见，在武器平台上加装信息设备[2-3]，可以在很大程度上提高武器的安全性和可靠性。传统枪械已经不能很好的满足信息化的需要，现代枪械武器的击发控制逐渐朝着数字信息化转变[4]。
当前，我国社会治安总体形势不容乐观，涉枪涉暴案件时有发生。虽然我国一直严格执行枪支管制政策，但仍有不法分子通过各种非法途径获取枪支弹药，进行违法犯罪活动，极大地危害了社会公共安全，不利于社会的长治久安[5]。在开发新型警用手枪的过程中，需要考虑手枪的可控性和安全性[2]。国内目前还处于起步阶段，仅在第八届中国国际警用装备博览会上，湖南兵器工业集团展出了一款智能手枪，通过手枪内置电池供电，手枪握把处可以感知到使用者所配戴的指环并开启击发系统。国外也采用安装电池的方式，使用电子嵌入式技术去实现手枪的安全管理。使枪只能由授权人员使用，而非授权人员即便是拿到了手枪也无法击发。但都因安装电池体积过大，采用外部构件方式使用。因此在不破坏手枪整体结构基础上，对手枪进行机电化改造，实现枪械的智能化、信息化[7]，提高手枪的可控性、安全性，提出一种自发电装置创新设计，为智能手枪工作提供部分能源。
2 自发电装置结构
直线发电机[8]根据结构的不同可以划分为圆筒型直线发电机以及平板型发直线电机。永磁直线电机在力密度、效率以及功率因数等性能指标上要优于直线感应电机[9]，且圆筒型永磁直线电机比单边平板型或者双边平板型永磁直线电机的空间利用率高[10]，性能优良，本文中智能手枪的自发电装置采用圆筒型永磁直线电机，其在手枪上的安装位置如图1所示。
图1 自发电装置安装位置
Fig.1 Installation location of the self-generating device
自发电装置分为线圈组件、活塞组件。线圈组件包含线圈、工字线圈筒、筒芯、线圈外筒；活塞组件包含永磁体、纯铁垫片、磁铁筒。电机的三维结构及重要部件如图2所示。
图2 自发电装置结构
Fig.2 Structure of the self-generating device
此发电装置在手枪上替代击发部分，工作原理为手枪在拉动套筒或者套筒后坐时,活塞组件伴随套筒运动，复进到位时，活塞组件的挂钩压缩弹簧并挂住扳机连杆等待及击发；当扣动扳机后，活塞组件受到压缩弹簧的推力运动，根据法拉第电磁感应原理，线圈组件切割永磁体磁力线，产生感应电动势。
3 自发电装置数学模型及动力学模型
3.1 自发电装置数学模型
智能手枪自发电装置内的电磁场具有轴对称性，可将三维电磁场结构简化为二维电磁场分析，结构如图3所示。
图3 自发电装置2D模型
Fig.3 2D model of a self-generating device
引入磁矢位A，并定义B=▽·A，在电机磁场分析中，一般选取垂直与电机轴的平行平面场分析，此时电流密度和磁矢量只有Z轴方向分量。结合麦克斯韦方程组在稳态情况平面场域Ω上的磁场问题可表示成边值问题[11]为:
(1)
式中：Г1、Г2分别为第一、第二类边界条件。
将偏微分方程的边值问题等价为条件变分问题即能量泛函的极值问题，对应的条件变分问题为：
(2)
式中：M为永磁体磁化矢量。
采用有限元法求解上述方程组，在求解时把求解区域剖分为一系列的有限单元网格，在各单元网格中构造插值函数，把插值函数再代到能量泛函式子里面，再把泛函离散成多元函数方程，通过多元函数求极值的方法变换成为代数方程组，对此方程组进行求解即可得到最终的数值解。
3.2 动力学模型
根据自发电装置的工作原理，当手枪扣动扳机后活塞组件受到弹簧的推力向前运动。则活塞组件的运动方程为：
(3)
式中：k为弹簧的劲度系数；m为活塞组件的质量；p为压缩弹簧的运动距离；v为活塞组件的速度；Fz为活塞组件受到的电磁力。
4 仿真分析
通过COMSOL软件进行智能手枪自发电装置的活塞组件动力学仿真，并分析永磁体不同充磁方式、纯铁垫片厚度以及磁铁筒壁厚对线圈感应电压的影响。
4.1 活塞组件运动曲线
根据上述动力学方程组，经过仿真分析，计算得到活塞组件从初始状态到运动停止共位移28 mm，用时4.9 ms，活塞位移曲线如图4(a)所示。活塞组件因与线圈组件碰撞停止，其速度曲线如图4(b)所示。活塞组件加速度曲线如图4(c)所示。
4.2 永磁体充磁方式对电压影响
受限于手枪套筒空间，永磁体选用圆柱体结构。其中永磁体充磁方式主要有3种：径向充磁；轴向充磁；Halbach结构[12]。因自发电装置所用永磁体数目较少[13]，只考虑径向、轴向充磁方式对线圈感应电压的影响，其永磁体的充磁方向如图5所示。
经过仿真分析得到永磁体不同充磁方式条件下线圈的感应电压，如图6所示。
从图中可以看出，永磁体轴向充磁结构下4组线圈产生的感应电压峰值都明显大于永磁体径向充磁结构下线圈的电压峰值，所以自发电装置的永磁体采用轴向充磁方式充磁。
图4 活塞组件运动曲线
Fig.4 Piston assembly motion curve
图5 永磁体充磁结构
Fig.5 Magnetized structure of permanent magnets
4.3 纯铁垫片厚度对电压影响
因选用永磁体的结构为圆柱型，自发电装置采用轴向充磁方式充磁的情况下，相邻永磁体之间会相互排斥，所以在永磁体之间加入纯铁垫片。其他条件不变的情况下纯铁垫片的尺寸对感应电压的影响如图7所示。
图6 不同充磁方式4组线圈的感应电压
Fig.6 The induced voltage of four sets of coils with different magnetization methods
图7 不同垫片厚度下4组线圈感应电压
Fig.7 Four sets of coil induced voltage with different gasket thickness
从图7(d)可以看出线圈4感应电压随纯铁垫片厚度的增加而增加，其中纯铁垫片厚度为1 mm时线圈4感应电压最大值为1.42 V，与在纯铁厚度为2、3 mm情况下线圈4产生的感应电压相比，其电压太低。从图7(a)、(b)、(c)中得到线圈1、2、3在纯铁垫片厚度为变化的情况下产生的感应电压峰值差距不大，所以纯铁垫片厚度可选用为2 mm以上，但基于套筒内空间及工程应用考虑，纯铁垫片厚度应选用2 mm。
4.4 磁铁筒壁厚影响
根据智能手枪感应击发原理，扣动扳机活塞组件受弹簧推力运动，线圈切割磁感线产生感应电压。但永磁体磁感应线穿过磁铁筒，使永磁体周围磁场强度减弱，导致感应电压的降低。通过仿真得到不同磁铁筒厚度下线圈的感应电压如图8所示。
图8 不同壁厚条件下4组线圈感应电压
Fig.8 Four sets of coil induced voltage under different wall thickness
从图8(d)中得到线圈4在磁铁筒厚度为0.5 mm产生的感应电压仅小于厚度为0.1 mm时的感应电压，其他壁厚条件下4组线圈产生的感应电压都随着磁铁筒壁厚的增加而降低，但磁铁筒壁厚越薄，强度越低，在碰撞过程中可能变形，为保证磁铁筒具有一定强度，磁铁筒壁厚应选用0.5 mm。
5 电路仿真
智能手枪采用自发电装置的目的是为电子电路正常工作提供稳定的电压[14-15]，但自发电装置的线圈组件切割永磁体磁力线产生感应电压会随着活塞组件运动速度的变化而变化，因此需要对得到的感应电压进行整流稳压处理。从图6可以看出永磁体轴向充磁方式下4个线圈产生的感应电压正半周波形优于负半周电压波形，所以滤去线圈感应电压负半周波形，电路原理如图9所示。
图9 线圈外接整流电路
Fig.9 The coil connected to the rectifier circuit
在COMSOL中导入元器件的Spice图，其中IO1、IO2连接线圈导线，肖特基二极管对感应电压进行整流、钽电容储存电路中的能量。四组线圈产生的感应电压波形经整流存储后如图10所示。
图10 4组线圈整流后感应电压
Fig.10 Induced voltage after rectification of four sets of coils
线圈1外接电路钽电容两端峰值电压为14 V，线圈2外接电路钽电容两端峰值电压为11.6 V，线圈3外接电路钽电容两端峰值电压为12.48 V，线圈4外接电路钽电容两端电压峰值为6.43 V。根据设计需求，输入的电压峰值要大于11 V，在活塞组件位移28 mm情况下，线圈1、线圈2、线圈3产生的感应电压经整流稳压后满足要求，但按设计要求外电路需要两个输入端口，满足输入要求的线圈组件有3个端口，其端口的利用率不高。而且整个装置从活塞组件起始状态计算长度为55 mm，考虑到手枪套筒部分可利用空间位置有限，需要进一步缩短活塞组件行程。但缩短活塞组件行程导致各个线圈产生的感应电压降低，为保证具有足够电压的输出，将线圈1、线圈2电路中的钽电容串联，线圈3、线圈4执行同样操作，改进电路如图11所示。
图11 改进电路原理图
Fig.11 Improved circuit schematic
通过COMSOL仿真得到线圈1、线圈2在活塞组件不同行程下的电压峰值与充电时间如表1所示，线圈3、线圈4在活塞组件不同行程下的电压峰值与充电时间如表2所示。
表1 线圈1、线圈2外接电路数据
Table 1 Coil 1 and 2 external circuit data
位移/mm感应电压/V电容充电时间/ms2825.752.32624.162.82422.503.12220.333.82018.513.81816.493.81614.033.51411.423.5128.673.1105.672.0
表2 线圈3、线圈4外接电路数据
Table 2 Coil 3 and 4 external circuit data
位移/mm感应电压/V电容充电时间/ms2818.621.32618.031.42417.331.52216.381.62015.641.81814.651.81613.372.11412.212.11210.852.6108.923.4
从表1表2中看出随着行程的减少钽电容两端电压下降。线圈1、线圈2外接电路中，串联的钽电容电压充电时间从28 mm到行程18 mm时随着行程的缩短而增加，到18 mm以下时充电时间随着行程的减小而减少；线圈3、线圈4外接电路中，串联的钽电容电压充电时间随着行程的减小而增加。根据设计需求单片机供电的钽电容充电时间应小于3 ms的，击发储能电路因在单片机供电后判断是否击发，所以充电时间不做要求，同时钽电容两端的电压峰值要大于11 V，活塞组件位移距离尽可能的小，则根据表中数据，线圈3、线圈4外接电路钽电容串联方式应选用为单片机供电电路的输入端口，线圈1、线圈2外接电路钽电容串联方式选用为击发储能电路输入端口。
6 结论
根据圆筒型永磁直线电机特性，结合手枪机械撞击原理，设计了一套智能手枪自发电装置。该装置可以在活塞组件行程为14 mm的情况下产生大于12.21 V，钽电容充电时间为2.1 ms的电压，可供智能手枪自发电装置创新研制参考。
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