超高速同步摄影机驱动系统的研究

    同步摄影机是用于拍摄物体飞行姿态的特殊仪器,目前主要应用在兵工系统中弹体飞行姿态测试等场合。在国防工业中,各国都在研究和开发超高速、高动能的炮弹,以便提高弹丸的穿甲能力。目前,世界上飞行速度最快的穿甲弹,其炮口初速已经接近2 000m/s.未来有可能实用化的电磁炮,其弹丸的炮口初速可能更高。以如此高的速度飞行,弹体的机械强度,弹体的飞行姿态等必将成为研究人员关注的焦点。因此,在研制新型穿甲弹等高速弹体时,必须对其飞行姿态进行测试。目前各国均采用同步高速摄影技术进行外弹道测试。使用高速同步摄影机对飞行弹体拍摄,要求摄影机的转速与弹体的飞行速度同步。所以,在拍摄超高速的飞行弹体时,为了获得清晰的影像,摄影机必须具有极高的转速。

    目前,同步摄影机的旋转部分主要是由直流电动机驱动。由于其电刷和换向器的制约,电动机的转速均比较低,在10 000r/min以下。如果改用感应电动机驱动,则转速会达到更高的水准。但是,由于电机的转子由机械轴承支承,当转速过高时,轴承发热严重,因而,也达不到期望的转速。

    1　高速同步摄影机的工作原理

    高速同步摄影机的工作原理见图1.1所示。图中,被摄弹体的飞行速度为v1,被摄弹体影像的速度为v2,为了保证影像清晰,感光胶片的线速度应该等于影像的速度v2.高速同步摄影机的胶片位于鼓轮上,由电动机驱动其旋转。由光学中的牛顿公式,v1与v2的关系为

    (1.1)式中,L为物距,f为摄影镜头的焦距,d1、d2分别为物、像的直径。K为像物比,增大像物比,可以获得更大的影像,从而提高影像的清晰度。通常,最大像物比的选择是根据被摄物体的大小,使得影像接近胶片最大画幅;另一方面,还要考虑高速摄影机的转速。若希望获得较大的影像,高速同步摄影机的转速必须很高。

    2　磁悬浮电动机工作原理

    2.1　磁悬浮电动机的结构和工作原理

    图2.1为应用感应型磁悬浮电动机的超高速同步摄影机驱动系统。磁悬浮电动机除了驱动胶片鼓轮高速旋转外,还要产生可控的径向电磁力,通过位置负反馈控制,使该径向力具有正刚度系数,从而使转子实现自悬浮。感应型磁悬浮电动机是在普通的感应电动机的基础上,在定子槽中,用两套具有不同极对数的定子绕组取代原来的一套定子绕组,其中一套绕组是转矩绕组,用来产生转矩,其极对数为pT;另一套绕组是径向力绕组,用来产生径向力,其极对数为pF,两套绕组产生的旋转磁场具有不同的同步转速,两种旋转磁场互相调制,可以产生出具有负刚度系数的径向力。通过闭环控制,使该径向力具有正刚度系数,转子被控制在期望的位置附近;因而,转子实现自悬浮。而定子绕组与转子绕组之间的电磁作用产生电磁转矩,这与普通的感应电动机是一致的。