磁阻线圈炮简易提高效率小分析.doc

提高磁阻线圈炮效率小分析提高磁阻线圈炮效率小分析金旺2015/3/11去目录绪论1第1章 线圈炮模拟软件的应用21.1软件界面21.2几个要点21.3 LRC仿真分析31.4子弹仿真分析3第2章 脉冲电源、充电器、无触点开关及电气绝缘设计要求42.1 脉冲电源制作42.2 脉冲电源充电器制作42.2.1市电限流充电器42.2.2 动力电池做电源充电器52.3 无触点开关的设计52.4 电气绝缘设计要求62.4.1 电路部分绝缘设计要求62.4.2 电容器、驱动线圈绝缘设计要求6第3章炮管及弹丸选择及驱动线圈绕制73.1 炮管选择73.2弹丸选择73.3 驱动线圈的绕制7第4章 提高小型磁阻线圈炮效率分析84.1 简单的效率提高方法84.2 磁场的能量104.3单个驱动线圈的简化分析114.4抛体受力分析12第5章 真心话14结束语15参考文献16绪论基于大多数电磁炮爱好者所制作的小制作都属于磁阻式，因此有必要带大家略微深入了解磁阻线圈炮，并且简单的介绍设计小型磁阻线圈炮电路部分设计要求，着重介绍了如何从弹丸的几何参数和驱动线圈自身电气参数入手提高效率的理论分析。在这里感谢王莹教授所著电炮原理一书，也感谢线圈炮RLC模拟器制作者！此致敬礼！磁阻线圈炮是利用驱动线圈的铁磁磁路磁阻的变化吸引铁芯运动来加速铁芯弹丸的。它的最大特点在于弹丸是一整块铁磁材料。由于引入铁磁质材料给磁阻线圈炮电磁环境分析带来非线性问题，这是它的难点所在。它的另一大优势就是造价便宜得很，材料方便入手，不需要大量的机械加工，这也是它普遍受到大家欢迎的一个重要原因。本设计需要大量琐碎的知识，请大家多积累基础知识，增加知识储备量，同时请不要乱用参数。本文旨在帮助广大磁阻式电磁炮爱好者更方便的做效率更高的作品,由于本人学识所限,一定有不恰当之处,望指正。第1章 线圈炮模拟软件的应用对于大多数制作者而言，软件的介入设计给与了我们做磁阻式电炮极大地可实施性。这也是越来越多的人能设计出自己比较满意的作品最大的动力源泉。软件虽小，五脏俱全。但是，毕竟它不是专业的有限元分析软件。至于仿真结果，只是在此软件的数学模型里面计算得出的。我们如果按照此参数实际做出来的话，炮的性能与软件的模拟结果可能相差很大，请广大制作者注意。1.1软件界面1.2 几个要点（1）驱动线圈的层完成度一定要是100%；（2）支架直径不能过大；（3）实际使用中注意修改铜电导率；（4）LRC仿真中峰值电流过大会造成仿真结果失去其意义。1.3 LRC仿真分析电压电流变化仿真曲线1.4子弹仿真分析能量损失接近45J，模拟分析中效率只有2%。第2章 脉冲电源、充电器、无触点开关及电气绝缘设计要求有了前面的仿真数据，接下来就可以开始是设计磁阻线圈炮。2.1 脉冲电源制作本设计脉冲电源采用的是多个低压小容量单体电容器混联。低压小容量有以下几个好处：（1） 对设计及充电器电气绝缘要求低；（2） 生产技术成熟，元器件非常容易买到便宜；（3） 相对安全2.2 脉冲电源充电器制作 2.2.1市电限流充电器充电器一定要限流！我们设计电容组额定工作电压300V、220V的工频交流电经过桥型整流后电压大约是2202=310V桥型整流后电压与原来电压是0.9倍关系，可认为是1。电容是一个储能元件，假若电路仅含有一种储能元件，属于一阶电路。当电路的结构或元器件参数发生变化时，可能会使电路由原来的稳定状态转变为另一个稳定状态。这种改变一般不能随时完成，需要一个过程，称为电路的过渡过程。它是一种瞬态。可以对某些电路在过渡过程中可能出现的过电压，电流获得预见。一阶电路中一个重要的定理叫换路定理。换路定理内容如下：在换路瞬间，电路中任意时刻电容的电压UCt或电荷qt不能突变，即UC0+=UC0-或q0+=q0-任意时刻电感的电流iLt或磁链t不能突变，即iL0+=iL0-或0+=0-不再详细说明，这里只介绍其意义：在换路一瞬间电容相当于短路，电感相当于断路。换路定理表明电容电压或电感电流从一个数值到另一个数值必定是一个连续变化的过程。同时这也是说为给电容组充电什么要限流充电的原因所在。本设计充电器限流的方式常用有电阻限流、电容限流。电阻限流原理简单。实际使用中也可以直接把一个几十瓦的白炽灯泡串联在电路中，其自身也是一个指示灯，灯灭了就充满电了。电阻限流不好地方就是欧姆损耗大，消耗很多有用功。重点介绍电容限流。此文不是基础电工书籍，只介绍公式。XC=1C=12fC上式中XC容抗，单位是。可类比欧姆定律。在交流电路中可以把电容看作一个电阻。这就是电容限流原理。本节不考虑充电器的电压电流相位之间关系同时对于现在充电器电路的功率因数及效率，不做探讨。此电路由瞬态电流峰值亦很大的，可以同时串联一个负温度系数的热敏电阻，双重抑制浪涌。2.2.2 动力电池做电源充电器这时需要用到逆变器。它是一种将直流电经过逆变，转变为高频交流电，经过高频变压器升压再高频整流得到的脉动直流高压电给用电器供电的电器设备。其中逆变器中软开关电源工作效率最高。由于电子管开关过程中电压或者电流为零，因此具有体积小、效率高等优点。在这里不是叙述重点，只简单引入。2.3 无触点开关的设计由于驱动线圈自身电阻小，假若考虑一些寄生电阻效应，其值差别不大。这就会导致主回路出现一个短时大脉冲电流出现。倘若用普通的机械开关（包括交流接触器），在开关闭合的瞬间会产生巨大的电火花，浪费宝贵的储能。因此机械开关已经不能在适应此环境下的工作。这时我们就可以采用电力电子技术带来的新兴产物-可控晶闸管即无触点开关。我们需要知道电力电子器件几个特性：（1） 电力电子器件一般都工作在开关状态（2） 它的开关状态由外电路控制（3） 在工作中器件的功率损耗（通态、断态、开关损耗）很大，尤其是通态损耗特别大。使用时需要加装散热。通常高压大功率的晶闸管比较昂贵，在这里推荐使用多个小功率的晶闸管并联。浪涌电流小于500A的场所。晶闸管并联方式工作由于各路的导通时间的差异，会损坏元器件。关于多个晶闸管并联使用时，要考虑以下几点：（1） 通断转换过程中，每个管子的动态电流是否非配均匀；（2） 满载时，并联器件完全导通时它们的静态电流分配是否均衡。2.4 电气绝缘设计要求2.4.1 电路部分绝缘设计要求300V的直流电可不是闹着玩的。要注意充电回路与控制回路要具有良好的电气隔离以及充电回路与脉冲电源回路安全可靠的接通与断开。不能有短路，断路，爬电存在的可能性。强电弱电部分位置要分开，做到电气隔离。电路设计要有一定的安全系数，推荐取1.2。2.4.2 电容器、驱动线圈绝缘设计要求电容组对驱动线圈放电，可能会出现过压。这就有必要了解驱动线圈使用的绝缘漆的电气性能及电容器电解液电气性能。避免绝缘材料、电解液由于老化、过压等原因造成材料的电气击穿。简要说一下影响绝缘材料介电强度因素有：（1） 电压波形。工频交流电压下击穿场强比直流冲击电压下的低的多。（2） 电压的作用时间。电压作用时间越长，由于内部局部放电或其它原因使其老化，而导致击穿电压下降。（3） 环境条件。潮湿的环境导致击穿电压下降。更细的内容可以参考阅读点击绝缘诊断等相关书籍。在低于3kV的系统中，绝缘设计可以按照2.5倍于额定电压下的工频绝缘要求来设计。第3章炮管及弹丸选择及驱动线圈绕制3.1 炮管选择炮管材料选择方面很广。ABS、PVC 、PE、PP、EVA、玻璃纤维管、碳纤维管都可以。主要是非导电弱、磁性材料。如果选用导电材料作炮管，炮管的环流损耗很大。尤其用铁、钢管材，使炮管内部磁阻过于低，也会让线圈认为炮管是弹丸了，这也是磁阻线圈炮的特性。依目前民间磁阻线圈炮工作电压、弹丸初速来看，使用ABS管材的可行性高、经济。同时弹丸与这些材料动摩擦因数低，ABS材料自身耐磨性好，可以不考虑子弹对管壁的磨损情况，ABS管材规格多，可以减小子弹与驱动线圈的间隙，还可以最大限度减少漏磁，使效率处在不错的水平。3.2弹丸选择这里用的弹丸材料就是那些磁导率高的。这类材料的磁阻小。其中来源广、经济的材料，就属铁磁性材料了。也可以软磁材料，主要有以下几个优点：（1） 具有较高的磁导率；（2） 具有较低的矫顽力；（3） 具有高饱和的磁通密度；（4） 具有低的磁损耗和电损耗。目前大家的大多数作品弹丸都处在过磁饱和状态，也就是说为什么用那些体积大的铁钉作弹丸用软件模拟得出的效率较高的原因所在。这时候建议考虑修改电气参数，合理的参有助于效率的提高。3.3 驱动线圈的绕制绕制问题很简单，就和成卷焊锡丝一样的缠绕。要点：（1） 紧绕；（2） 密绕否则电气参数下降严重。第4章 提高小型磁阻线圈炮效率分析4.1 简单的效率提高方法提高效率很难，尤其是对于磁阻线圈炮来说。恰当的驱动线圈与脉冲电源的参数不易准确计算获得。目前民间就尽量按照软件模拟得出的参数或者结合自己的经验给出适当的修改。改良弹丸的几何参数和探索弹丸的初始位置是个不错的办法。简单粗暴。相信大家乐此不疲的。下面着重论述驱动线圈参数方面设计的改善及原因。先不着急分析过程，我们先来看看电工学中对磁阻、磁路的定义。磁路：电工设备中，比如变压器，里面有高磁导率的硅钢片，线圈中电流产生的磁通绝大部分经过了硅钢片而闭合，人为造成的磁通闭合路径称为磁路。磁路的欧姆定律=INSl=INlS=FmRm上式I-线圈中通过的电流 N-线圈匝数 S-磁通截面积 -磁导率Rm称为磁阻，表示磁路对磁通阻碍的物理量。Fm叫做磁动势再来分析一下过程当铁钉做的弹丸运动时，环绕线圈磁路的磁阻发生变化，磁阻急剧减小，磁场能转换为弹丸的动能，当铁钉行进到线圈中点时，磁路的空气隙变小，磁阻变小，此时铁钉的作用力最小。铁钉的中心从线圈中点移开时，原来铁钉向前的力变为拉铁钉向后，这就是所谓的反拉。因此，当铁钉中心到达线圈中点后必须立刻采取某些措施不被拉回。向线圈馈电，使其在电流达到最大值时接通续流二极管，电流通过线圈内阻自然衰减。当铁钉中心经过线圈中点时，最好使线圈电流衰减到0，这里推荐使用外加电阻促衰减。通过LR电路，可以很方便计算出电流衰减的时间与外加电阻的阻值。磁阻线圈炮的性能用经典法分析有很大的差异。在空芯线圈中，Rm是常量，与Ni的关系是线性变化的，则储存的磁场能为：Wm=122Rm而磁阻的普通表达式Rm=lm0rAm式中 lm-磁路长度 Am-磁通穿过的面积磁阻线圈炮，两次经过磁路的空气间隙g，计算磁阻是认为lm2g。假设铁钉中心与驱动线圈中心重合，面积Am正是直径为dm、长为ls2圆柱表面积，空气r=1，则上式为Rm=4g0dmls下面给一个很不精准的线圈炮对弹丸产生的拉力F=122dRmdxNI24g0dmls漏磁没考虑，非线性分析却用线性分析来考虑。可以参考。再根据牛顿运动学定律即可求解铁钉的运动轨迹方程。设计时应注意，磁通的磁阻和储存的磁能与铁钉运动状态有关。依据能量守恒能量守恒，得出铁芯的动能等于磁能的变化，因此有F=-ddxwm|=常量在时间t内，磁阻线圈炮能量方程uit=Wm+W+I2Rtt式中 uit电源输出总能量 Wm-驱动线圈储存磁场能的变化 W对铁芯做功 I2Rtt驱动线圈产生的焦耳热当总磁阻很接近最小值时，磁阻曲线相对平稳，此时dRmdx0，此时只有少量的力作用于铁芯上，功率主要用在储存磁能和焦耳热损上。在铁芯接近最大力位置时，停止电容组给驱动线圈供电，无源器件磁场能转变为铁芯的动能和热能。炮管内磁阻主要由铁芯位置决定，铁芯具有非线性B-H曲线，用下面这个储能公式Wmx，I=0Ix，idi铁芯位置变化，改变储能，又因为能量守恒，Fx，I=Wmx，Ix这个力使铁芯向磁阻最低位置运动。工作时，使发射器件欧姆损失最小。提高效率的另一个方法就是多级串联，即多级磁阻线圈炮。基本原理与单级一样，不再累赘叙述。就是随着铁钉速度的提升，对下一级的无触点开关反应速度的要求进一步提升。再对电炮主电路加以改善。前面提到的铁钉经过驱动线圈中点以后，必须防止反拉力过大，即即时切断线圈中的电流。就是典型的LC电路分析问题。同样，简单介绍几个公式。LC电路中电阻上电压与电感上电压分别为uLt=LdiLdt=-RI0e-RtLuRt=-iLR=RI0e-RtLLR称为RL电路的时间常数，单位秒，用字母表示。通常5后，可认为RL电路电流衰减可以忽略不计。在此我们是希望值越小越好，并酌情取值。我们可以在续流二极管后面串联一个合适的阻值电阻加快线圈中电流的衰减过程。4.2 磁场的能量下面出现的公式定理不再详细解释，会应用就可以。假设一个长螺线管通过电流为i则此螺线管的自感电动势为L=-Ldidt由电源电动势定义=AqA-非静电力做的功。可以得出在dt时间内外电源反抗自感电动势做的功dA=-Lidt=Lidt当螺线管导线中电流由0I时，外电源做的功A=0Lidi=12Li2这个功转变为磁场的能量WmWm=12Li2密绕螺线管自感系数L=n2，通过电流为I时它的B=nI可以得出Wm=12n2Bn2=B22为螺线管体积该螺线管的磁场能量密度Wm=Wm=B 22=12BH=2H 2实验证明上式子也试用于非均匀磁场。体积微元d中磁场能量dw=wmd=B2Hd,则整个有限体积中Wm=wmd=B2Hd4.3单个驱动线圈的简化分析简化：（1）忽略了驱动线圈导线中电流的集肤效应，电流在导线中分布式均匀的。（2）.忽略定子线圈受力形变对内部磁场的影响。（3）储能采用电容器储能。等效电路图其中： UC(t)电容器两端电压； I(t)放电回路电流；R回路总电阻；L回路总电感。列出电压回路方程UCt=Rt+dLxtdt又因为t=-CdUCtdt代入上式UCt=-RCdUCtdt-CLxddUCtdtdt-CdUCtdtdLxdt又因为dLxdt=dLxdxdxdt化简得UCt+CLxd2UCtd2t+CR+dLxdtdUCtdt=04.4抛体受力分析假定t时刻所处的位置记为xt，此时整个系统的电感量为Lx，线圈中通过的电流为It，则整个系统的磁场能量为W=12LxI2t在非常短的时间t内，抛体瘦到电磁力作用而移动的距离为x，。在t内，It不随位置变化而变化，则有抛体上所受的力F=dwdx=12I2tdLxdx从上面式子可以看出FI2，FdLxdx抛体还受到其与线圈内壁摩擦力fz=kfmgkf抛体与定子线圈内壁动摩擦系数第5章 真心话搞试验允许有失败的，但是搞工程是绝不允许失败的。试验也好，工程也罢，态度要端正，做事要严谨，杜绝错误出现。高功率的电工电子产品容不得丝毫错误。接错一个续流二极管，在电路上就是短路而已，但是实际中是要炸管子的，贴吧里有个小伙子就是例子，骨头都露出来了。记住血的教训，别拿生命开玩笑。结束语这篇文章旨在告诉广大炮友：磁阻线圈炮两个关键控制点，一个是弹丸在磁阻变化接近最小值及峰值拉力出现前一小段距离控制电容向线圈馈电；另一个是弹丸中心经过驱动线圈中点后断电，并是驱动线圈中电流衰减至0,。最后再次感谢王莹教授与线圈炮LRC软件编译者。参考文献1.王莹主编.电炮原理2.LRC软件编译者3.邱昌荣,曹晓珑主编.电气绝缘测试技术.M.机械工业出版社4.河南机电高等专科学校戚新波教授主编.电工技术基础与工程应用电路理论M.电子工业出版社5.严导淦主编.物理学（第5版）M.高等教育出版社