磁阻線圈炮簡易提高效率小分析.doc

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提高磁阻線圈炮效率小分析 提高磁阻線圈炮效率小分析 金旺 2015/3/11 去  `目錄 緒論 1 第1章 線圈炮模擬軟件的應(yīng)用 2 1.1軟件界面 2 1.2幾個要點(diǎn) 2 1.3 LRC仿真分析 3 1.4子彈仿真分析 3 第2章 脈沖電源、充電器、無觸點(diǎn)開關(guān)及電氣絕緣設(shè)計要求 4 2.1 脈沖電源制作 4 2.2 脈沖電源充電器制作 4 2.2.1市電限流充電器 4 2.2.2 動力電池做電源充電器 5 2.3 無觸點(diǎn)開關(guān)的設(shè)計 5 2.4 電氣絕緣設(shè)計要求 6 2.4.1 電路部分絕緣設(shè)計要求 6 2.4.2 電容器、驅(qū)動線圈絕緣設(shè)計要求 6 第3章炮管及彈丸選擇及驅(qū)動線圈繞制 7 3.1 炮管選擇 7 3.2彈丸選擇 7 3.3 驅(qū)動線圈的繞制 7 第4章 提高小型磁阻線圈炮效率分析 8 4.1 簡單的效率提高方法 8 4.2 磁場的能量 10 4.3單個驅(qū)動線圈的簡化分析 11 4.4拋體受力分析 12 第5章 真心話 14 結(jié)束語 15 參考文獻(xiàn) 16  緒論 基于大多數(shù)電磁炮愛好者所制作的小制作都屬于磁阻式，因此有必要帶大家略微深入了解磁阻線圈炮，并且簡單的介紹設(shè)計小型磁阻線圈炮電路部分設(shè)計要求，著重介紹了如何從彈丸的幾何參數(shù)和驅(qū)動線圈自身電氣參數(shù)入手提高效率的理論分析。在這里感謝王瑩教授所著電炮原理一書，也感謝線圈炮RLC模擬器制作者！此致敬禮！ 磁阻線圈炮是利用驅(qū)動線圈的鐵磁磁路磁阻的變化吸引鐵芯運(yùn)動來加速鐵芯彈丸的。它的最大特點(diǎn)在于彈丸是一整塊鐵磁材料。由于引入鐵磁質(zhì)材料給磁阻線圈炮電磁環(huán)境分析帶來非線性問題，這是它的難點(diǎn)所在。 它的另一大優(yōu)勢就是造價便宜得很，材料方便入手，不需要大量的機(jī)械加工，這也是它普遍受到大家歡迎的一個重要原因。 本設(shè)計需要大量瑣碎的知識，請大家多積累基礎(chǔ)知識，增加知識儲備量，同時請不要亂用參數(shù)。 本文旨在幫助廣大磁阻式電磁炮愛好者更方便的做效率更高的作品,由于本人學(xué)識所限,一定有不恰當(dāng)之處,望指正。  第1章 線圈炮模擬軟件的應(yīng)用 對于大多數(shù)制作者而言，軟件的介入設(shè)計給與了我們做磁阻式電炮極大地可實(shí)施性。這也是越來越多的人能設(shè)計出自己比較滿意的作品最大的動力源泉。 軟件雖小，五臟俱全。但是，畢竟它不是專業(yè)的有限元分析軟件。至于仿真結(jié)果，只是在此軟件的數(shù)學(xué)模型里面計算得出的。我們?nèi)绻凑沾藚?shù)實(shí)際做出來的話，炮的性能與軟件的模擬結(jié)果可能相差很大，請廣大制作者注意。 1.1軟件界面 1.2 幾個要點(diǎn) （1）驅(qū)動線圈的層完成度一定要是100%； （2）支架直徑不能過大； （3）實(shí)際使用中注意修改銅電導(dǎo)率； （4）LRC仿真中峰值電流過大會造成仿真結(jié)果失去其意義。 1.3 LRC仿真分析 電壓電流變化仿真曲線 1.4子彈仿真分析 能量損失接近45J，模擬分析中效率只有2%。  第2章 脈沖電源、充電器、無觸點(diǎn)開關(guān)及電氣絕緣設(shè)計要求 有了前面的仿真數(shù)據(jù)，接下來就可以開始是設(shè)計磁阻線圈炮。 2.1 脈沖電源制作 本設(shè)計脈沖電源采用的是多個低壓小容量單體電容器混聯(lián)。低壓小容量有以下幾個好處： （1） 對設(shè)計及充電器電氣絕緣要求低； （2） 生產(chǎn)技術(shù)成熟，元器件非常容易買到便宜； （3） 相對安全 2.2 脈沖電源充電器制作 2.2.1市電限流充電器 充電器一定要限流！ 我們設(shè)計電容組額定工作電壓300V、220V的工頻交流電經(jīng)過橋型整流后電壓大約是 220×2=310V 橋型整流后電壓與原來電壓是0.9倍關(guān)系，可認(rèn)為是1。 電容是一個儲能元件，假若電路僅含有一種儲能元件，屬于一階電路。 當(dāng)電路的結(jié)構(gòu)或元器件參數(shù)發(fā)生變化時，可能會使電路由原來的穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€穩(wěn)定狀態(tài)。這種改變一般不能隨時完成，需要一個過程，稱為電路的過渡過程。它是一種瞬態(tài)。可以對某些電路在過渡過程中可能出現(xiàn)的過電壓，電流獲得預(yù)見。 一階電路中一個重要的定理叫換路定理。 換路定理內(nèi)容如下： 在換路瞬間，電路中任意時刻電容的電壓UCt或電荷qt不能突變，即 UC0+=UC0- 或 q0+=q0- 任意時刻電感的電流iLt或磁鏈Ψt不能突變，即 iL0+=iL0- 或 Ψ0+=Ψ0- 不再詳細(xì)說明，這里只介紹其意義：在換路一瞬間電容相當(dāng)于短路，電感相當(dāng)于斷路。換路定理表明電容電壓或電感電流從一個數(shù)值到另一個數(shù)值必定是一個連續(xù)變化的過程。 同時這也是說為給電容組充電什么要限流充電的原因所在。 本設(shè)計充電器限流的方式常用有電阻限流、電容限流。電阻限流原理簡單。實(shí)際使用中也可以直接把一個幾十瓦的白熾燈泡串聯(lián)在電路中，其自身也是一個指示燈，燈滅了就充滿電了。 電阻限流不好地方就是歐姆損耗大，消耗很多有用功。重點(diǎn)介紹電容限流。 此文不是基礎(chǔ)電工書籍，只介紹公式。 XC=1ωC=12πfC 上式中XC容抗，單位是Ω?？深惐葰W姆定律。在交流電路中可以把電容看作一個電阻。這就是電容限流原理。本節(jié)不考慮充電器的電壓電流相位之間關(guān)系同時對于現(xiàn)在充電器電路的功率因數(shù)及效率，不做探討。 此電路由瞬態(tài)電流峰值亦很大的，可以同時串聯(lián)一個負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，雙重抑制浪涌。 2.2.2 動力電池做電源充電器 這時需要用到逆變器。它是一種將直流電經(jīng)過逆變，轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l交流電，經(jīng)過高頻變壓器升壓再高頻整流得到的脈動直流高壓電給用電器供電的電器設(shè)備。其中逆變器中軟開關(guān)電源工作效率最高。由于電子管開關(guān)過程中電壓或者電流為零，因此具有體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)。在這里不是敘述重點(diǎn)，只簡單引入。 2.3 無觸點(diǎn)開關(guān)的設(shè)計 由于驅(qū)動線圈自身電阻小，假若考慮一些寄生電阻效應(yīng)，其值差別不大。這就會導(dǎo)致主回路出現(xiàn)一個短時大脈沖電流出現(xiàn)。倘若用普通的機(jī)械開關(guān)（包括交流接觸器），在開關(guān)閉合的瞬間會產(chǎn)生巨大的電火花，浪費(fèi)寶貴的儲能。因此機(jī)械開關(guān)已經(jīng)不能在適應(yīng)此環(huán)境下的工作。這時我們就可以采用電力電子技術(shù)帶來的新興產(chǎn)物-可控晶閘管即無觸點(diǎn)開關(guān)。 我們需要知道電力電子器件幾個特性： （1） 電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài) （2） 它的開關(guān)狀態(tài)由外電路控制 （3） 在工作中器件的功率損耗（通態(tài)、斷態(tài)、開關(guān)損耗）很大，尤其是通態(tài)損耗特別大。使用時需要加裝散熱。 通常高壓大功率的晶閘管比較昂貴，在這里推薦使用多個小功率的晶閘管并聯(lián)。浪涌電流小于500A的場所。晶閘管并聯(lián)方式工作由于各路的導(dǎo)通時間的差異，會損壞元器件。關(guān)于多個晶閘管并聯(lián)使用時，要考慮以下幾點(diǎn)： （1） 通斷轉(zhuǎn)換過程中，每個管子的動態(tài)電流是否非配均勻； （2） 滿載時，并聯(lián)器件完全導(dǎo)通時它們的靜態(tài)電流分配是否均衡。 2.4 電氣絕緣設(shè)計要求 2.4.1 電路部分絕緣設(shè)計要求 300V的直流電可不是鬧著玩的。要注意充電回路與控制回路要具有良好的電氣隔離以及充電回路與脈沖電源回路安全可靠的接通與斷開。不能有短路，斷路，爬電存在的可能性。強(qiáng)電弱電部分位置要分開，做到電氣隔離。電路設(shè)計要有一定的安全系數(shù)，推薦取1.2。 2.4.2 電容器、驅(qū)動線圈絕緣設(shè)計要求 電容組對驅(qū)動線圈放電，可能會出現(xiàn)過壓。這就有必要了解驅(qū)動線圈使用的絕緣漆的電氣性能及電容器電解液電氣性能。避免絕緣材料、電解液由于老化、過壓等原因造成材料的電氣擊穿。 簡要說一下影響絕緣材料介電強(qiáng)度因素有： （1） 電壓波形。工頻交流電壓下?lián)舸﹫鰪?qiáng)比直流沖擊電壓下的低的多。 （2） 電壓的作用時間。電壓作用時間越長，由于內(nèi)部局部放電或其它原因使其老化，而導(dǎo)致?lián)舸╇妷合陆怠? （3） 環(huán)境條件。潮濕的環(huán)境導(dǎo)致?lián)舸╇妷合陆怠? 更細(xì)的內(nèi)容可以參考閱讀點(diǎn)擊絕緣診斷等相關(guān)書籍。在低于3kV的系統(tǒng)中，絕緣設(shè)計可以按照2.5倍于額定電壓下的工頻絕緣要求來設(shè)計。 第3章炮管及彈丸選擇及驅(qū)動線圈繞制 3.1 炮管選擇 炮管材料選擇方面很廣。ABS、PVC 、PE、PP、EVA、玻璃纖維管、碳纖維管都可以。主要是非導(dǎo)電弱、磁性材料。如果選用導(dǎo)電材料作炮管，炮管的環(huán)流損耗很大。尤其用鐵、鋼管材，使炮管內(nèi)部磁阻過于低，也會讓線圈認(rèn)為炮管是彈丸了，這也是磁阻線圈炮的特性。依目前民間磁阻線圈炮工作電壓、彈丸初速來看，使用ABS管材的可行性高、經(jīng)濟(jì)。同時彈丸與這些材料動摩擦因數(shù)低，ABS材料自身耐磨性好，可以不考慮子彈對管壁的磨損情況，ABS管材規(guī)格多，可以減小子彈與驅(qū)動線圈的間隙，還可以最大限度減少漏磁，使效率處在不錯的水平。 3.2彈丸選擇 這里用的彈丸材料就是那些磁導(dǎo)率高的。這類材料的磁阻小。其中來源廣、經(jīng)濟(jì)的材料，就屬鐵磁性材料了。 也可以軟磁材料，主要有以下幾個優(yōu)點(diǎn)： （1） 具有較高的磁導(dǎo)率； （2） 具有較低的矯頑力； （3） 具有高飽和的磁通密度； （4） 具有低的磁損耗和電損耗。 目前大家的大多數(shù)作品彈丸都處在過磁飽和狀態(tài)，也就是說為什么用那些體積大的鐵釘作彈丸用軟件模擬得出的效率較高的原因所在。這時候建議考慮修改電氣參數(shù)，合理的參有助于效率的提高。 3.3 驅(qū)動線圈的繞制 繞制問題很簡單，就和成卷焊錫絲一樣的纏繞。要點(diǎn)： （1） 緊繞； （2） 密繞 否則電氣參數(shù)下降嚴(yán)重。  第4章 提高小型磁阻線圈炮效率分析 4.1 簡單的效率提高方法 提高效率很難，尤其是對于磁阻線圈炮來說。恰當(dāng)?shù)尿?qū)動線圈與脈沖電源的參數(shù)不易準(zhǔn)確計算獲得。目前民間就盡量按照軟件模擬得出的參數(shù)或者結(jié)合自己的經(jīng)驗(yàn)給出適當(dāng)?shù)男薷摹? 改良彈丸的幾何參數(shù)和探索彈丸的初始位置是個不錯的辦法。簡單粗暴。相信大家樂此不疲的。 下面著重論述驅(qū)動線圈參數(shù)方面設(shè)計的改善及原因。 先不著急分析過程，我們先來看看電工學(xué)中對磁阻、磁路的定義。 磁路：電工設(shè)備中，比如變壓器，里面有高磁導(dǎo)率的硅鋼片，線圈中電流產(chǎn)生的磁通絕大部分經(jīng)過了硅鋼片而閉合，人為造成的磁通閉合路徑稱為磁路。 磁路的歐姆定律 Φ=INSμl=INlSμ=FmRm 上式 I--線圈中通過的電流 N--線圈匝數(shù) S--磁通截面積 μ--磁導(dǎo)率 Rm稱為磁阻，表示磁路對磁通阻礙的物理量。 Fm叫做磁動勢 再來分析一下過程 當(dāng)鐵釘做的彈丸運(yùn)動時，環(huán)繞線圈磁路的磁阻發(fā)生變化，磁阻急劇減小，磁場能轉(zhuǎn)換為彈丸的動能，當(dāng)鐵釘行進(jìn)到線圈中點(diǎn)時，磁路的空氣隙變小，磁阻變小，此時鐵釘?shù)淖饔昧ψ钚?。鐵釘?shù)闹行膹木€圈中點(diǎn)移開時，原來鐵釘向前的力變?yōu)槔F釘向后，這就是所謂的反拉。因此，當(dāng)鐵釘中心到達(dá)線圈中點(diǎn)后必須立刻采取某些措施不被拉回。 向線圈饋電，使其在電流達(dá)到最大值時接通續(xù)流二極管，電流通過線圈內(nèi)阻自然衰減。當(dāng)鐵釘中心經(jīng)過線圈中點(diǎn)時，最好使線圈電流衰減到0，這里推薦使用外加電阻促衰減。通過LR電路，可以很方便計算出電流衰減的時間與外加電阻的阻值。 磁阻線圈炮的性能用經(jīng)典法分析有很大的差異。 在空芯線圈中，Rm是常量，Φ與Ni的關(guān)系是線性變化的，則儲存的磁場能為： Wm=12?2Rm 而磁阻的普通表達(dá)式 Rm=lmμ0μrAm 式中 lm---磁路長度 Am---磁通穿過的面積 磁阻線圈炮，兩次經(jīng)過磁路的空氣間隙g，計算磁阻是認(rèn)為lm≈2g。假設(shè)鐵釘中心與驅(qū)動線圈中心重合，面積Am正是直徑為dm、長為ls2圓柱表面積，空氣μr=1，則上式為 Rm=4gμ0πdmls 下面給一個很不精準(zhǔn)的線圈炮對彈丸產(chǎn)生的拉力 F=12Φ2dRmdx≈NI24gμ0πdmls 漏磁沒考慮，非線性分析卻用線性分析來考慮。可以參考。再根據(jù)牛頓運(yùn)動學(xué)定律即可求解鐵釘?shù)倪\(yùn)動軌跡方程。 設(shè)計時應(yīng)注意，磁通的磁阻和儲存的磁能與鐵釘運(yùn)動狀態(tài)有關(guān)。 依據(jù)能量守恒能量守恒，得出鐵芯的動能等于磁能的變化，因此有 F=-ddxwm|?=常量 在時間Δt內(nèi)，磁阻線圈炮能量方程 uiΔt=ΔWm+ΔW+I2RtΔt 式中 uiΔt—電源輸出總能量 ΔWm--驅(qū)動線圈儲存磁場能的變化 ΔW—對鐵芯做功 I2RtΔt—驅(qū)動線圈產(chǎn)生的焦耳熱 當(dāng)總磁阻很接近最小值時，磁阻曲線相對平穩(wěn)，此時dRmdx≈0，此時只有少量的力作用于鐵芯上，功率主要用在儲存磁能和焦耳熱損上。 在鐵芯接近最大力位置時，停止電容組給驅(qū)動線圈供電，無源器件磁場能轉(zhuǎn)變?yōu)殍F芯的動能和熱能。 炮管內(nèi)磁阻主要由鐵芯位置決定，鐵芯具有非線性B-H曲線，用下面這個儲能公式 Wmx，I=0IΨx，idi 鐵芯位置變化，改變儲能，又因?yàn)槟芰渴睾悖? Fx，I=?Wmx，I?x 這個力使鐵芯向磁阻最低位置運(yùn)動。 工作時，使發(fā)射器件歐姆損失最小。 提高效率的另一個方法就是多級串聯(lián)，即多級磁阻線圈炮?；驹砼c單級一樣，不再累贅敘述。就是隨著鐵釘速度的提升，對下一級的無觸點(diǎn)開關(guān)反應(yīng)速度的要求進(jìn)一步提升。 再對電炮主電路加以改善。前面提到的鐵釘經(jīng)過驅(qū)動線圈中點(diǎn)以后，必須防止反拉力過大，即即時切斷線圈中的電流。 就是典型的LC電路分析問題。同樣，簡單介紹幾個公式。 LC電路中電阻上電壓與電感上電壓分別為 uLt=LdiLdt=-RI0e-RtL uRt=-iLR=RI0e-RtL LR稱為RL電路的時間常數(shù)，單位秒，用字母τ表示。通常5τ后，可認(rèn)為RL電路電流衰減可以忽略不計。 在此我們是希望τ值越小越好，并酌情取值。 我們可以在續(xù)流二極管后面串聯(lián)一個合適的阻值電阻加快線圈中電流的衰減過程。 4.2 磁場的能量 下面出現(xiàn)的公式定理不再詳細(xì)解釋，會應(yīng)用就可以。 假設(shè)一個長螺線管通過電流為i 則此螺線管的自感電動勢為 ?L=-Ldidt 由電源電動勢定義 ?=Aq A--非靜電力做的功。 可以得出在dt時間內(nèi)外電源反抗自感電動勢做的功 dA=-εLidt=Lidt 當(dāng)螺線管導(dǎo)線中電流由0→I時，外電源做的功 A=0ＩLidi=12Li2 這個功轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌龅哪芰縒m Wm=12Li2 密繞螺線管自感系數(shù)L=μn2τ，通過電流為I時它的B=μnI 可以得出 Wm=12μn2τBμn2=B22μτ τ為螺線管體積 該螺線管的磁場能量密度 Wm=Wmτ=B 22μ=12BH=μ2H 2 實(shí)驗(yàn)證明上式子也試用于非均勻磁場。 體積微元dτ中磁場能量 dw=wmdτ=B2Hdτ, 則整個有限體積τ中 Wm=τwmdτ=τB2Hdτ 4.3單個驅(qū)動線圈的簡化分析 簡化： （1）忽略了驅(qū)動線圈導(dǎo)線中電流的集膚效應(yīng)，電流在導(dǎo)線中分布式均勻的。 （2）.忽略定子線圈受力形變對內(nèi)部磁場的影響。 （3）儲能采用電容器儲能。 等效電路圖 其中： UC(t)—電容器兩端電壓； I(t)—放電回路電流； R—回路總電阻； L—回路總電感。 列出電壓回路方程 UCt=RΙt+dLxΙtdt 又因?yàn)? Ιt=-CdUCtdt 代入上式 UCt=-RCdUCtdt-CLxddUCtdtdt-CdUCtdtdLxdt 又因?yàn)? dLxdt=dLxdxdxdt 化簡得 UCt+CLxd2UCtd2t+CR+dLxdtdUCtdt=0 4.4拋體受力分析 假定t時刻所處的位置記為xt，此時整個系統(tǒng)的電感量為Lx，線圈中通過的電流為It，則整個系統(tǒng)的磁場能量為 W=12LxI2t 在非常短的時間Δt內(nèi)，拋體瘦到電磁力作用而移動的距離為Δx，。在Δt內(nèi)，It不隨位置變化而變化，則有拋體上所受的力 F=dwdx=12I2tdLxdx 從上面式子可以看出F∝I2，F(xiàn)∝dLxdx 拋體還受到其與線圈內(nèi)壁摩擦力 fz=kfmg kf—拋體與定子線圈內(nèi)壁動摩擦系數(shù)  第5章 真心話 搞試驗(yàn)允許有失敗的，但是搞工程是絕不允許失敗的。試驗(yàn)也好，工程也罷，態(tài)度要端正，做事要嚴(yán)謹(jǐn)，杜絕錯誤出現(xiàn)。 高功率的電工電子產(chǎn)品容不得絲毫錯誤。接錯一個續(xù)流二極管，在電路上就是短路而已，但是實(shí)際中是要炸管子的，貼吧里有個小伙子就是例子，骨頭都露出來了。 記住血的教訓(xùn)，別拿生命開玩笑。 結(jié)束語 這篇文章旨在告訴廣大炮友：磁阻線圈炮兩個關(guān)鍵控制點(diǎn)，一個是彈丸在磁阻變化接近最小值及峰值拉力出現(xiàn)前一小段距離控制電容向線圈饋電；另一個是彈丸中心經(jīng)過驅(qū)動線圈中點(diǎn)后斷電，并是驅(qū)動線圈中電流衰減至0,。 最后再次感謝王瑩教授與線圈炮LRC軟件編譯者。 參考文獻(xiàn) [1].王瑩主編.《電炮原理》 [2].LRC軟件編譯者 [3].邱昌榮,曹曉瓏主編.《電氣絕緣測試技術(shù)》.[M].機(jī)械工業(yè)出版社 [4].河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校戚新波教授主編.《電工技術(shù)基礎(chǔ)與工程應(yīng)用?電路理論》[M].電子工業(yè)出版社 [5].嚴(yán)導(dǎo)淦主編.《物理學(xué)》（第5版）[M].高等教育出版社