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电磁枪与电磁炮,电磁加速方法研究


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- 以上是置顶 -

磁阻加速器的制作过程很有戏剧性,本人电路知识就是高中物理课堂学到的。最初只是想做一个离子打火机,网上查资料买元件,很简单的电路我都连不上,补了补知识,结果发现ZVS比离子打火机好玩,开始做ZVS,感觉好难,最后还是完工了。晒一下粗糙的做工:(附件:266140) (附件:266139) 做完之后又发现有人用ZVS给电容充电做加速器,于是又补脑,决定自己也做一个。于是很喜欢看(附件:266141) 自己开始买铜线绕线圈、刷绝缘漆(附件:266131) (附件:266128) 304不锈钢管打孔8个(3mm),组装线圈(8个)(附件:266133) 焊装电容450V1000UF8个、可控硅TPS16(7个)、充电线路(高压硅胶线+8个fr207)连接(附件:266137) 组装电容、线圈、加速管(附件:266134)(附件:266126) (附件:266129) 为了使加速器方便移动和布局优化,于是把所有元件固定到一把玩具木仓上了,希望不要被河蟹了,(附件:266132) 加速弹丸为了便宜,直接某宝,4mm*35mm定位销(附件:266138) 一米距离410V试速(附件:266136) 感觉不稳定,5000转/分电机稳定装置(附件:265945) (附件:265947) (附件:265946) 效果不是很理想。由于被领导(家里的领导)禁止做此方面的制作,所以把加速器拆了。这个

“一种特殊情况下磁阻式电磁炮的效率极限”提到了一种特殊的加速方式,以及一种神奇的磁场。但是,当时没有对那种神奇的磁场进行详细讨论。本帖将重点介绍那种神奇的磁场在磁阻式电磁炮上的应用。为了提高逼格,将基于这种神奇的磁场的磁阻式加速方案称为 “磁阻式电磁炮的脉波加速方案” ,或简称为“脉波方案”。接下来将首先明确定义脉波方案,并进行粗略介绍;之后将详细介绍它的优势,最后将提出脉波方案的一种低成本的工程实现——矩阵开关,一个可以用20个开关控制100级的方案。     使用脉波方案制作的磁阻式有望接近“一种特殊情况下磁阻式电磁炮的效率极限”中所提到的效率极限。 即5mm弹丸52cm加速至100m/s时,48%的效率极限。或者相似的,50cm加速至200m/s时,31%的效率极限。 PS:本贴共有5000+字,请耐心阅读。本帖包含不少动图,打开本文应该会消耗十几M流量。 脉波加速方案 脉波方案的特点是:通过特定的线圈排布和导通时序,使磁场的函数近似为一个脉波。(关于脉波的定义见贴末附录) 这个特点通常表现为:以磁场中心为参考系,磁场的各种属性(强度、与空间分布)近似恒定不变;磁场与弹丸保持相对静止;磁场中心始终领先弹丸一段固定的距离。 为了近似出一个磁脉波,同时保

实验发现,普通弹丸在不带自旋的情况下发射,会在空中翻滚。 (附件:279811)翻滚导致弹丸横着着靶 翻滚会增加空气阻力,降低精度和穿透力。为了避免这些不利影响,通常的做法有:使用球形弹丸,使用气动稳定的弹丸(比如某些内螺纹圆柱销),以及使用自旋稳定的弹丸。其中,自旋稳定是,通过高速旋转产生陀螺效应,稳定弹丸,使弹丸始终指向其前进方向。 相比于气动稳定,自旋稳定的好处主要在于阻力小,稳定性好以及弹丸成本低。比如普通圆柱销或者方键,其价格按重量算基本等于钢材的价格。而气动稳定的内螺纹圆柱销,价格则是钢材价格的数倍。使用尾翼的气动稳定同样有较高的加工和装配成本。 自旋稳定对于转速的要求,比通常所认为的要高得多 比如曾有人尝试,使用标称5000rpm的电机对4mm*35mm的圆柱形弹丸进行预旋。不过并没有成功稳定弹丸: https://kechuang.org/t/80288 也有人尝试在弹丸上斜向开槽,使弹丸在气流的作用下产生旋转。不过同样没有成功稳定弹丸: https://tieba.baidu.com/p/5095683672 (另外,貌似独头霰弹也并不是靠气流使弹丸旋转来稳定弹丸,而是使用了气动稳定) 关于究竟多大的转速可以使弹丸稳定,有一些经验公式可以参考。比如Miller t

由于之前自制的三级光电控制的可关断小磁阻炮取得了一些出乎意料的成果(无能量回收情况下,在仅三级,电容组330v电压下7g弹丸初速达到了近50m/s,假设电容组全部放电到0v效率依然达到了9.8%)遂发出此帖向大家介绍一些我走过的弯路和得到的经验。   过去的几个月中,我一直在尝试制作并优化IGBT可关断式磁阻炮的控制电路,取得了不小的成果,我也会在文中附上前几周制作三级小磁阻的过程供大家参考,并分享一些性能优秀的元件。 1.关于可关断式磁阻炮相对于传统无关断的优势(高手可跳过):避免了弹丸飞出线圈后电容组的储能仍被线圈和开关以产热消耗,减少了能量浪费并一定程度上减小了反拉,还可以使电容组有一定余电,这有利于连发。 2.关于高压电容充电器设计的一些问题:在这门炮上我使用了它激推挽式升压,电路是根据 @金坷居士 的逆变器前级稍微修改而成(请各位不要模仿,我会在后面说明原因)。在询问金坷居士本人后我得知这个电路没有电流环,不适合为电容充电,但我依然决定用它来为这门炮的330v 共1620uF的电容组充电,这是第一个设计上的失误。而另一个失误则是出于体积考虑,我没有在高压输出端做任何限流措施,这就相当于两个内阻极小的电压源,一个接近

  弹丸的姿态稳定是磁阻炮实用化道路上的一座大山,姿态不稳定带来的问题主要是弹道终点的比动能不稳定,从而导致命中效果不稳定。   而磁阻炮对弹丸的要求比较高,譬如要有圆柱体的铁磁材料、弹丸结构对光电触发位置的影响、量产化要求,所以想找出完美的方案很难,只能折中选择。   在此重新整理几个弹丸稳定方案,留作参考讨论,在本人的连载贴最近更新中也会有相关叙述,准备确定下一代改型的弹丸方案。 注:楼主只是整理分析,没说是自己原创。    一、气动稳定类   气动稳定可分为有翼稳定和无翼稳定两种, 无论哪种稳定实质上都是使弹丸的重心位于气动压心之前 (相对于弹丸运动方向)   譬如隔壁火箭版除了尾翼稳定外,也有像窜天猴那样后面插个棍子稳定的。   先说说更加实用的无翼稳定,大致思路是在铁磁材料主体后面连接密度小的材料,从而使气动压心后移。 个人倾向于用透明或不透明的薄壁塑料来达到效果,以下几张示意图中红色是铁磁材料,绿色为塑料管 (附件:260821) 实际上铁磁材料和塑料之间直接连接比较困难,这两种更实用一些。 (附件:260826)(附件:260825) 后者在某宝上能买到对应的标准件,关键字:定位销、螺纹 螺纹的主要意义是让胶水渗透

这个是一系列贴子中的第一个,不全写完再一起发出来是因为,开始写之后发现,这种东西比我预期的难写得多……所以打算分几批发出来。(主要是为了避免费了好大劲全写出来结果没人看的尴尬) 引用请注明出处,转载或其他用途请先征得本人同意。 本文的主要目的是,介绍传统单人便携动能武器(或简称“武器”)的性能,以及通过介绍其性能,为电磁枪的发展提供一个性能上的参考。本系列主要通过初速,动能,射速,精度,杀伤力,隐蔽性,便携性对武器的发射性能进行描述。除此之外,还会提到诸如效率,成本,可靠性,耐候性等参数,以描述武器其他方面的性能。受篇幅限制,特别常见的内容可能会略去。 火药枪 火药枪是目前应用最广泛,发展最成熟的武器。实用的火药枪大约出现于15世纪(滑膛火绳枪)。之后先后出现了带膛线的枪管(解决精度问题);燧发枪(更容易操作,统治了枪械界长达两个世纪)。下面这篇文献,对这一时期的十余种枪的发射性能进行了测试。(附件:279211)测试得到的数据如下 表1. 早期火药枪的弹道性能 (附件:279224) 表2. 早期火药枪的穿深,射程,散布和命中率 (附件:279225) 从以上数据可以看出,早期火绳枪和燧发枪的初速普遍超过音速。有趣的是,由于口径大,弹丸重,这些早期步枪的枪口动

相变散热是利用物质在相转变过程中的吸热来减少目标温升的一种散热方式。例如,邮寄生鲜时在保温箱中放入冰块,以使温度保持在零度左右(当然,本贴不是介绍在电磁枪里塞冰块来降温的)。常见的“相转变过程”有固-液(熔化),液-气(气化),固-固(晶形变化)。 常见的适合用于电磁枪散热的相变材料中,固-液相变的例如石蜡、三水合醋酸钠 、低熔点合金;液-气相变的例如水;固-固相变的例如新戊二醇,改性的聚乙二醇等。由于液-气相变不可重复使用,故之后不讨论这种情况。 电磁枪由于其效率较低(普遍低于10%),在连续发射时,系统产热约等于耗电功率。目前有连发能力的电磁枪,其耗电功率普遍在百W量级,大约相当于一个迷你版的小太阳。 (附件:280433)上图中的功率在300W左右,图片来自淘宝 其中的大部分功率将会消耗在线圈上。当然,由于功率总量比较大,因此尽管其它部分的发热功率占比较小,也可能会引起显著的温升。考虑到电磁枪结构上较为狭长且紧凑,如果希望各部分的温升在一个比较令人放心的程度,比如最高温度在100℃以下,使用常见的散热方式可能比较难以达到足够的散热效果(例如风扇),或者结构较为复杂(例如水冷)。 相变散热可以使用简单的结构、很小的体积和较低的重量达到足够高的散热功率。结构上,相变散热只需要保证相变材料能够直接或间接与热源接触,不需要考虑风道或者管路的设计。体积上,由于相变材料可以填充到各个

上个月弄了些放电管测了一下,趁现在放假把测到的东西发出来 这里提到的放电管指的是“气体放电管”。由于是用击穿气体的方式导电的,所以会有比较大的导通压降,然而手册上通常只会给出1A电流下的数据。显然,这个测试条件和电磁炮开关的应用条件差别太大。之前也曾经到处搜过,不过没查到相关的数据,所以就自己实测了一下。 这次主要测试了标称直流耐压350V的三极放电管(型号:T83-A350X) 这个东西长这样 (附件:279425) 附上它的手册:(附件:279427)这次测试使用了两种不同的触发方式,首先是主功率回路接在三极放电管的两侧,触发接在中间的电极 (附件:279430) 之后也尝试了把主功率回路和触发都接在放电管的两端 (附件:279429) 以上两种方式均可可靠的触发,且测得的电流电压曲线没有明显区别。 其中,主功率回路上的电感使用0.8mm漆包线双线并绕,大概一共20到30匝,有三层。线圈内径13mm,长约17mm,外径小于21mm。线圈电感10uH,内阻30.2mΩ。测试时使用空线圈,没有加弹丸。 1mΩ的电阻是一根长3cm,直径0.8mm的裸铜线,用来检测电流。 变压器是高压条用的变压器,用电桥测电感的方法得到它的匝比约为119:1 (附件:279431) 变压器初级的开关是普通的微动开关,变压器次级的电容是两个1nF的1812贴片电容并联。 主功率回路上的电容用实测容

又加上了两级,现在是七级。本楼后面已加上测试结果和分析,中压600v级别测试到此顺利结束,今后不再新增更多级。 准备了两个月时间,期间烧掉了一堆IGBT和驱动芯片还有MCU,终于能够稳定下来了。 阵亡“将士”一览图: (附件:279058) 烧掉的IGBT、mcu、IGBT驱动芯片、快恢复二极管和一些高压电阻。 本来想做5级测试,手上管子不够了,正在快递中,等以后到了再补上5级的测试结果。 第一次做电磁炮,所以基本就是拿模拟器默认参数来用: 0.7mm线径,内径8.6mm,长度30mm320匝的线圈5个(最后一个未用),实际4级,间隔5mm亚克力板; 管材:外8.5内8.1,壁厚0.2mm的304不锈钢管; 弹丸:8*35mmA3定位销,13.8g; MCU开环控制,IGBT半桥模式,工作电压620v-660v,根据模拟器测算的峰值电流是546.5A-581.8A。 电容:每级1450uf/700v,薄膜电容,内阻0.54mΩ,工作电压620v-660v,实测容量1440-1458uf。 IGBT: 标称600v、120a,峰值480A。实际使用因ZVS限制,最高上到660v,未烧管。 测速方式:示波器读取35mm长的弹丸通过光电的时间,根据V=L/T来计算。 线圈和弹丸情况(实际用了4级): (附件:279061) 4个30mm线圈120mm,间隔5mm,总长135mm。 控制

这么长时间以来一直在搜罗大家的数据,今天也算是轮到我送点数据给大家了 简单的说就是,单级同轴感应式,可控硅作开关,把1.6g的铝管加速到23.9m/s,效率2.11%。视频没录,“威力”没测,所以这篇帖子基本只有数据。 然后是详细数据 弹丸 (附件:278463)弹丸用的是铝管,外径12.7mm,壁厚1.2mm,长约14mm,重1.6g,1060铝。 电容组 (附件:278465)使用4个薄膜电容并联。单个电容标称容量50uF,耐压800V(@85℃),Vishay的MKP1848系列。淘宝拆机货,四个并联实测容量189uF,内阻0.9mΩ(已经测到电桥的最后一位了) 线圈 (附件:278464)0.8mm漆包线双线并绕,匝数忘记了,大概一共是20到30匝,有三层。线圈内径13mm,长约17mm。至于外径,因为线圈外面糊了一层环氧树脂,所以没法测,带着环氧树脂的外径大概是21mm。线圈电感10uH,内阻30.2mΩ(不带弹丸)。 开关 可控硅,型号70PT16(没错,不是70TPS16),标称参数与70TPS16十分接近。淘宝拆机货,5块3一个买的。 电路结构 (附件:278461)主功率回路如上图。

       *转载请注明出处        之前我发过一个帖子,质疑论坛里流行的理论,今天我就来说几个之前的理论里忽略掉的东西。本文除了前言引自《电炮原理》外,全为原创。 前言:        磁阻炮是利用磁路磁阻梯度产生的磁势能梯度力来加速铁磁体或永磁体弹丸的电磁炮,可视为展平的磁阻电动机。其主要结构为一系列螺线管驱动线圈和由铁磁材料构成的定子磁轭铁芯以及作为弹丸加速通道的非铁磁性管道。 (附件:278267) 杂谈之一:        我们一般做磁阻炮时总是忽略掉定子铁芯(图中的1号部件),下面我们来看看它的作用。使用CST STUDIO SUITE 2017进行仿真。 (附件:278266)       不加定子铁芯的模型剖面图,Number of Turns设为500,Current设为200A,工作空间的Material设为Air(线圈外面的立方体)        进行仿真,得到磁感应强度(B)分布 (附件:278265)        后处理,得到中轴线上的B曲线,如图4 (附件:278262)        现在看看定子铁芯对此有什么作用。在线圈外包上一层0.5cm的Steel-1010(1010号钢) (附件:278264)       重复上述步骤。 (附件:278263)         B分布,这里忘了用智能填

通常,我们把效率定义为:弹丸的动能/消耗的电能。其中消耗的电能 = 弹丸的动能 + 其它的电能损耗。而其它的电能损耗,在电磁炮的应用条件下,其实只是电阻损耗。 这样我们就可以得到 $$ \eta = \frac{E_{k}}{E_{k}+E_{R}} \quad (1)$$ 为了简化计算,我们考虑一种特殊情况:使用恒定磁场对弹丸进行加速。 这种加速方式要求"以磁场中心为参考系,磁场的各种属性(强度、与空间分布)恒定不变",且"磁场与弹丸保持相对静止,磁场中心始终领先弹丸一段固定的距离"。(我们暂时不考虑如何实现这种神奇的磁场) 由于磁场的各种属性恒定不变且与弹丸相对静止。所以弹丸受电磁力也恒定。 而且由 这篇帖子 的思路可推知,磁场强度不变时,线圈的发热功率也恒定不变。 而且此时弹丸中的磁通无变化,故没有感应电流引起的排斥力的影响。 所以此时效率的计算变得非常简单。 注意这里没证明这种加速方式的效率最高。谁有兴趣的话可以试着证一证,或者求出理论效率最高的加速方式。不过可以肯定的是,磁阻式的效率极限大于等于上述加速方式的效率极限。 对于\(E_{k}\) ,由常识可知 $$E_{k}=Fx \quad (2)$$其中,F为线圈对弹丸产生的电磁力,x为加速距离。 对于 \(E_{R}\

设轨道的电感梯度为dL/dx,回路总电阻为R,储能为Es,弹丸质量为m,初速v0,设t1时弹丸速度为v,电流为I,平均效率为η。 其中,电阻R为回路中各个部分电阻之和。包括电源内阻,轨道电阻,开关电阻,接触电阻等。若有产生压降的部分,如等离子体电枢,则将压降折算为电阻。 易知电阻损耗功率 $$ P_R=I^2R \hspace{1cm} (1)$$ 故 $$ I^2=\frac{P_R}{R} \hspace{1cm} (2)$$ 电磁力 $$ F=\frac{1}{2} I^2 \frac{dL}{dx} \hspace{1cm} (3)$$ 若不考虑摩擦,则t1时弹丸速度满足 $$ v=v_0+\frac{1}{m} \int_0^{t_1} F \, dt \hspace{1cm} (4)$$ 故 $$  v=v_0+\frac{1}{2m} \int_0^{t_1} I^2 \frac{dL}{dx} \, dt = v_0+\frac{1}{2m} \int_0^{t_1} \frac{P_R}{R} \frac{dL}{dx} \, \,dt \hspace{1cm} (5)$$ 如果认为电阻R,和电感梯度dL/dx,在整个加速过程中均保持不变。(对于使用电解电容的方案,回路电阻主要集中在电容ESR上,故此等效误差不大) 则有 $$ v= v_0+\frac{1}{2m

       忙了好几个月,今天终于是把这把10级加速的半自动磁阻枪完成了。但是和最先的设计比较,其实算是失败的!!        设计参数:弹丸8mm直径12g 铁棒 , 炮管 内径8mm外径9mm 304钢管。250v/470uf20个,10级(3,3,3,2,2,2,1,1,1,1)加速线圈IGBT关断,模拟速度 70米/秒。动能 29J,整体效率15%,末级最高效率35%。(基于这些可观的数据,让我决定把它做出来)        而在实际制作中,所选用的IGBT不能承受工作电流(模拟最高电流270A,选用的IGBT为 FGA180N30D (180A/300V),手册显示可以承受450A脉冲电流)可能的原因或许和驱动电路有关,更可能的是和IGBT性能有关。使得设计数据不能实现。最后不得不只能使用可控硅来代替。最终数据就变为了:45米/秒,动能 12J , 整体效率 4.5%,最高单级效率12%。可见性能和设计的差远了!!          除此之外,这次制作另外一个还算满意的地方就是装弹机构的正常工作了。枪体最终的长度是 58厘米,重量有3KG 左右。         另外在外观上也有些和设计有出入的地方,主要因为制作的难度,而根本的原因则是条件的问题,普通的条件实在做不出精致的外观。好了下面上图和视频。(视频上传不了,发附件了)         最后,时间不多随

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