磁阻式电磁炮的脉波加速方案以及一种低成本工程实现
“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,同时保证较高的加速效率,脉波方案通常要求它的工程实现具有如下特点:
基本要求:
1. 分级足够精细(比如线圈长度小于内径)
2. 线圈间的间隔尽可能小(比如1mm)
3. 同时让相邻的几级线圈通电
附加要求:
1. 使用能量回收
2. 同时进行导通,续流和能量回收
3. 控制时序可以灵活调整
例如,一个典型的例子:5mm口径磁阻式电磁枪,令每级长5mm,同时为3级线圈通电,使用IGBT作为开关。
很容易注意到,每级长5mm的话,意味着一个50cm长的加速段需要100级……这会让人联想到数量巨大的开关,复杂的控制,以及突然变空的钱包。不过,在本帖的“如何实现脉波加速方案”部分,提出的“矩阵开关”方案可以很大程度的解决这些问题。

有一点需要澄清,这里定义的脉波方案,并不指某种特定的工程实现。比如之后提到的“矩阵开关方案”,以及经过特殊设计的“可控硅无关断紧密加速方案”,根据定义,都是脉波方案。提出“脉波方案”的定义,只是为了方便指代“磁场近似脉波”的一类东西。

文字总是没有图片生动,所以还是用图来描述一下这个方案的特点吧。
如果想要完美的实现这个方案,我们需要让加速通道附近的空间充满了使用无线细导线绕制的线圈,并且可以独立的控制每一匝线圈上的电流,类似这篇帖子中提到的东西。这种情况下,以磁场中心为参考系,磁场的形状不变,磁场-位置曲线的变化类似下图。
MGflow理想.gif
实际条件下,受各种因素限制,磁场-位置曲线随时间的变化可能更接近下图的上半部分。(下半部分代表各位置上的线圈的电流)
MGflow线圈长4mm 间距5mm 500Amm2.gif
可以看到虽然磁感应强度在跳跃,不过总体上与理想条件下相差不大。

脉波方案的优势
加速距离,出速,效率
加速距离,出速和效率这三个因素,可以说是衡量一个电磁枪(炮)单发加速性能的最重要的指标。脉波方案的主要优势,简单地说就是,相比于传统的各级相对独立的方案:
  • 相同加速距离和出速,效率更高
  • 相同出速和效率,加速距离更短
  • 相同加速距离和效率,出速更高
注,此处加速距离指名义加速距离,即从“第一级线圈头”到“最后一级线圈尾”的距离。

为啥这么好?
更小的线圈电阻损耗
为了得到足够高的加速度,磁阻式电磁炮通常会让铁磁体工作在严重磁饱和状态下。铁磁体严重磁饱和后,磁化强度与外加磁场几乎无关。此时,加速力正比于驱动线圈电流。而线圈的电阻损耗与线圈电流的平方成正比,所以局部高加速度必然导致电阻损耗的升高。
各级相对独立的加速方案,比如几乎所有的业余磁阻式……会使弹丸在急剧加速与几乎无加速之间切换。而脉波方案通过模拟磁脉波,让弹丸近乎均匀加速。所以在平均加速度相同时,脉波方案的线圈电阻损耗更小,单发加速性能更好。

更小的电源内阻损耗
(这个优势要求能同时进行能量输出和能量回收)
借用有功功率、无功功率、功率因数的概念。
为了产生加速力,需要产生磁场;为了产生磁场,需要为线圈通电;给线圈通电就会产生损耗。由常识可知,给线圈通电产生的能量损耗里,只有电阻损耗值得考虑。容易注意到,线圈电阻的损耗功率其实并不大,用通常的电源(比如电容)提供这个功率,电源内阻的损耗也并不会太大。例如,一个典型的小口径磁阻式可能会在电阻0.2Ω的线圈上通上300A电流,此时线圈电阻损耗功率仅为18kW;用一个300V,内阻0.2Ω的电源提供18kW电功率,电源内阻的损耗功率仅有720W,在电磁炮的应用环境下,几乎可以忽略不计。
显然,事情没有那么简单。电源不仅需要提供线圈内阻损耗的能量,还需要为线圈建立磁场提供能量。引入一些相关概念,称线圈内阻损耗的功率为“有功功率”,称转化为磁场储能的功率为“无功功率”,称线圈内阻损耗功率与电源提供的总功率之比为“功率因数”。
对于各级相对独立的方案,每级线圈的磁场储能都需要由电源直接提供。从电源到磁场的能量传递过程需要大量的“无功功率”,在电源内阻上产生大量能量损耗。
而对于带能量回收的脉波方案,能量的输出与回收同步进行。正在进行能量回收的线圈可以为正在建立磁场的线圈提供所需的“无功功率”。如果分级足够细,电源将只需要提供线圈电阻损耗的“有功功率”。实际情况下,分级不可能太细,此时电源上依然会有较大的“无功功率”,但是与直接由电源提供所有无功功率相比,已经有明显的改善
MGflow功率因数.gif
如上图表示同时导通三级的效果。每一时刻对一个(或两个)线圈供电并对两个(或一个)线圈进行能量回收,不考虑回路电阻。蓝色的曲线表示轴线上磁感应强度与位置的关系;红色的锯齿形线表示电源电流与磁场中心位置的关系。每个线圈上的电流最大值为300A,所有线圈上的电流总和超过600A。但是从图像上可以看出,稳定加速时,电源只需要输出(或输入)最大140A的电流。

更小的感应电流损耗
脉波方案使得以弹丸为参考系,磁场的各种属性近乎恒定不变,所以,很自然的,弹丸上也就近乎没有感应电流。
不过,感应电流的影响好像从来都没有显著的表现出来过。能否因为“近乎没有感应电流”而产生可观测到的性能提高,还有待考虑。

实现弹丸速度的自动反馈控制
脉波方案在牺牲一部分效率之后,还允许使用开环的时序控制,实现弹丸速度的自动负反馈。
可以证明,若弹丸沿轴线方向均匀一致磁化,则弹丸受到的电磁力满足:
$$ F = M\Delta\phi $$其中,M表示弹丸的磁化强度,单位是A/m; \(\Delta\phi\)表示弹丸两端面的磁通量差。
如果认为弹丸端面上的磁感应强度处处相等,且等于轴线上的磁感应强度,则弹丸受力将与“弹丸两端轴线上磁感应强度差”成正比。(具体证明懒得写了……谁有兴趣可以写篇帖子……)
容易求出,对于一个典型的线圈和弹丸,弹丸两端轴线上磁感应强度差如下图所示
deltaBedit.jpg
当弹丸和磁场以相差很小的速度向右加速运动时,如果弹丸的右端在上图所述稳定区域中,则当弹丸速度偏低,导致弹丸左移时,弹丸受力增加,使弹丸向右加速运动;当弹丸速度偏高,导致弹丸右移时,弹丸受力减小,使弹丸相对磁场向左加速运动。考虑到自然存在的阻尼,弹丸受到扰动时,以磁场中心为参考系,则经过一段时间弹丸总是能回到一个固定的位置。因此脉波加速方案有望使用简单的方式实现精确的出速控制。

如何实现脉波加速方案
理想照进现实
理论上,沿加速方向均匀放置无限细分的线圈,可以让磁场实现理想的连续移动。可惜工程上,无限细分的线圈无法实现。幸运的是,计算发现,使用相对较粗的分级,配合合适的导通/关断时序,依然可以很大程度上的模拟出理想的脉波。而且成本可以保持在合理范围内。
开篇提到的那张图,是每级线圈中心距离5mm时,可以实现的磁场-位置曲线。
MGflow线圈长4mm 间距5mm 500Amm2.gif
其中,上半部分是线圈轴线上的磁感应强度-位置曲线,横轴代表位置(m),纵轴代表磁感应强度(T);下半部分表示每级线圈的电流大小(以最大值为1)。其他数据为:线圈中心距离5mm,线圈长4mm,线圈内径6mm,线圈外径15mm,线圈电流密度最大值约为500A/mm2。

观察发现,线圈中心距离不大于线圈内径时,叠加出的磁脉波都还算漂亮。但是线圈更长的时候,叠加出的磁脉波就显得有些丑了,比如下图是内径6mm,长10mm的线圈叠加出的磁脉波
MGflow1cm 三等宽梯形窗.gif
注意,这里没有说这种长的丑的波形对加速效果会有多大影响,只是简单的说它丑而已……

为了得到一个漂亮的磁脉波,最好让线圈中心距离不大于线圈内径;而为了得到较高的效率,以及避免损坏开关元件,又不能让加速度太大(比如不超过4*10^4m/s2)。这就会导致相对较长的加速距离以及异常高的级数。比如50cm长的加速段和100级线圈。如果要使用能量回收的话,级数多又会意味着不得不大量使用可能十分昂贵的可关断开关,同时会让开关的驱动和控制变的很困难。比如用普通的“半桥”拓扑(实际上更接近开关电源里的双管正激拓扑,而不是半桥),驱动100级线圈需要200个IGBT,而仅仅是驱动200个IGBT就已经是一个很头疼的问题。

接下来将电炮中的传统“半桥”拓扑出发,提出“矩阵开关”拓扑,可以大幅度减少开关的数量。比如,如果元件性能足够,可以使用20个IGBT驱动100级线圈。

矩阵开关
矩阵开关的思路是:通过多次使用每个开关,来减小所需要的总开关数量。
矩阵开关类似矩阵键盘和电炮里传统的“半桥”拓扑的结合,差不多相当于把单片机的IO口换成了“半桥”拓扑的桥臂,把键盘的开关换成了线圈(串联二极管)。

电炮里传统的“半桥”拓扑如下。
半桥拓扑.jpg
当两侧的开关管同时导通时,电感将被充电,电流上升,称其为“导通”阶段;
当开关管一个导通一个关断时,电感上的电流将流经导通的开关和对面的二极管,开关和二极管的压降远小于电源电压,电感电流几乎不变,称其为“续流”阶段,依续流时导通的开关,可以将续流分为“上续流”和“下续流”两种;
当两侧的开关都处于关断状态时,若电感上仍有电流,则电感电流将通过AB的二极管流回电源,为电源充电,同时电感承受反向的电源电压,电流快速下降,称其为“关断”阶段,或“能量回收”阶段。

矩阵开关中,把“半桥”拓扑的两个桥臂拆分开,如下图所示
matrix_switch_partAB.jpg
称左侧的为A部分,右侧的为B部分。
把数个A部分,数个B部分,以及各级线圈如下图所示进行连接,即为矩阵开关拓扑
mx_modified.jpg
使用\( n_A \)个A部分,\( n_B \)个B部分,可以控制\( n_A\cdot n_B \)个线圈(可以单独控制任意一个线圈,但是不能同时独立控制两个或以上的线圈)。比如,用10个A部分和10个B部分,共20个开关管,组成一个10*10矩阵,可以控制100级。

线圈上串联的二极管,是用来保证驱动某个线圈时,其他线圈不会导通。这里需要感谢“radio”指出的问题。如果线圈不串联二极管,那么当试图驱动某个线圈时,矩阵中的电流将会如下图所示。(此时试图驱动L11,并触发A1和B1)
mx_with_current.jpg
也就是说,试图驱动某个线圈时,其他所有线圈都会被通上电流……给线圈串联二极管之后,上图中电流将无法向左上方移动,所以不会出现不希望的导通。

串联二极管之后,依然只能同时触发一个A和一个B,否则会同时令数个线圈进入“导通”阶段。比如,试图同时驱动两个线圈的时候,同时触发了两个A和两个B,那么最少将会有4个线圈导通,而不是两个。同时令多个线圈导通的确是可行的,但是可能不利于拟合出一个漂亮的行波,而且也会令开关承受较大的电流,可能不经济。另外注意到,如果“能量回收”阶段的线圈,与“导通”或“续流”阶段的线圈不在同一行或同一列中,则两个阶段可以同时存在,而不会出现不希望的电流。

一个典型的使用矩阵开关的磁脉波方案,会同时让三级线圈上有电流,其中一个处于导通阶段,一个处于续流阶段,一个处于关断阶段。如果希望矩阵中只有一个线圈处于“导通”或“续流”阶段,则需要至少两个矩阵。令处于“导通”和“续流”阶段的线圈分别位于两个独立的矩阵中,此时处于“关断”阶段的线圈与处于“导通”阶段的线圈在同一个矩阵中。

为了避免出现不希望的导通,不能让“导通”与“关断”出现在同一行或同一列,对于最小3*3的矩阵可以按照如下顺序安排每个矩阵中的导通。
$$
\pmatrix
{ 1&3&5
\\4&6&8
\\7&9&2
}
$$按这种顺序导通,还可以使每个开关承受的电流脉冲尽可能分散。对于更大规模的矩阵,不难找到一个满足要求的导通顺序。

在此推荐一个廉价的IGBT管——FGD4536。淘宝价通常不超过1元/片,标称耐压360V,最大电流220A,25℃下可以承受单次100us以上的220A电流脉冲,充分驱动时 大电流下等效电阻呈正温度系数,而且是低调的TO-252封装(贴片)。

一个可能会出大麻烦的地方是,矩阵开关方案会让开关管承受多个脉冲,每个开关总计的通过大电流的时间较长。例如,对于两个5*5矩阵和总计10ms的加速时间,平均每个开关需要承受1.5ms的大电流。1.5ms的脉冲对于可关断的半导体开关来说有些太长了,比如之前提到的可以承受220A的廉价IGBT,FGD4536,根据datasheet,仅能勉强承受100A,1ms的脉冲。不过这1.5ms的脉冲是分布在10ms的加速时间里的,此时开关管能承受的电流是否会有改善还不知道。

附录
脉波的定义
本文中的脉波定义为:一信号幅度的快速暂态变化,由基准值变为较高或较低的值,之后又快速的回到基准值。(引自维基百科)
其数学形式为
可表示为\( y = f(x-vt) \),且\(  \mathop{lim}\limits_{z\to\infty}f(z)=c \) 的波。
其中x表示位移;t表示时间;v表示波移动的速度;c为一常数,代表脉波的基准值。
一个例子如下图所示
phys5_6f_1.png
图片引自这里

铝制线圈的可行性
按照磁脉波方案的要求,线圈需要充满整个加速段。大量使用线圈的一个很直接的问题就是——沉。比如内径6mm外径16.5mm的铜质线圈,约有12g/cm,一个50cm的加速段就会有600g。口径更大还会更沉。对于一个制作比较精良的作品,这很可能是整个系统里最沉的一部分。(当然,对于堆储能的作品来说,这可能不算啥…)为了减重,可以考虑稍微牺牲一点效率,而使用铝线。
铝线的导电性能,与铜线相比并不差很多。纯铝的电导率可以达到铜的61%。而且值得注意的是,等重等长的铝质导体,电阻要比铜小得多。使用同规格的铝线制作线圈,与用铜线相比,电阻是1.6倍,重量却仅有30%。
注意到,大部分的电阻损耗都是发生在前几级的。因为线圈电阻损耗功率一定时,损耗的能量仅和时间有关,而大部分的加速时间都消耗在了速度较低的头几级,所以前几级也会产生大部分电阻损耗。对于均匀加速的情况,前1/4的距离消耗1/2的时间(前1/100距离消耗1/10时间……)。只要保证前几级的损耗较小,总体效率就不会太低。
如果使用铜线制作前几级,使用铝线制作其他级。则既可以得到大部分加速时间的低电阻损耗功率,又可以得到大部分加速长度的低重量。
“一种特殊情况下磁阻式电磁炮的效率极限”中,提到了一个“使用铜线圈,52cm加速到100m/s,效率48%的例子”,如果我们把后3/4加速距离的线圈都换成铝线,保持出速不变,则使用相同的思路可以算出,此时的效率降为41%。但线圈总重将会从约600g降到约290g。

[修改于 5年5个月前 - 2017/03/19 22:58:06]

+1  学术分    虎哥    2017/03/18 系统阐述一种新构型的理论及其思考过程,条理清晰,容易理解。
来自:物理高能技术 / 电磁炮严肃内容:专著/论述
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zx-16533
5年5个月前
1楼
貌似这样搞成矩阵的话要给每个线圈都串联二极管,不然即使只驱动单个线圈其他线圈仍然会有电流通过。。
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noob
5年5个月前 修改于 5年5个月前
2楼
磁行波加速器?好评,可以加很多kcb的帖子。
在线圈最后部分做成喇叭型开口线圈,是否能减少反拉
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三水合番作者
5年5个月前
3楼
引用 radio:
貌似这样搞成矩阵的话要给每个线圈都串联二极管,不然即使只驱动单个线圈其他线圈仍然会有电流通过。。
这个应该不会吧……至少给线圈串二极管是没啥用的,因为从“半桥”拓扑的图上看,电流没有任何办法能沿着线圈反向流动。
引用 noob:
磁行波加速器?好评,可以加很多kcb的帖子。
在线圈最后部分做成喇叭型开口线圈,是否能减少反拉
的确可以叫磁行波加速。但是通常提到“行波”的地方,都默认指“周期性行波”了。为了避免误会,这里用“脉波”来特指那种只有一个峰的非周期性行波。
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Ma3.02的守望
5年5个月前
4楼
系统而全面的讲解...excited

“脉波方案在牺牲一部分效率之后,还允许使用开环的时序控制,实现弹丸速度的自动负反馈。”
这个一直想弄来着,不知是否有文献资料。
使用开环负反馈的时序控制对级间距的减小很有帮助。
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zx-16533
5年5个月前 修改于 5年5个月前
5楼
引用 三水合番:
这个应该不会吧……至少给线圈串二极管是没啥用的,因为从“半桥”拓扑的图上看,电流没有任何办法能沿着线圈反向流动。
的确可以叫磁行波加速。但是通常提到“行波”的地方,都默认指“周期性行波”了。为了避免误……

matrix_switch.jpg
如图。。"三极管"请自行脑补成"IGBT"...

另外,要同时驱动不在同一行和列的两个线圈也是不可行的(即使有二极管),这样至少会给4个线圈通电,要是在同行/列反而不会有这个问题。。
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三水合番作者
5年5个月前
6楼
引用 radio:
matrix_switch.jpg
如图。。"三极管"请自行脑部成"IGBT"...

另外,要同时驱动不在同一行和列的两个线圈也是不可行的(即使有二极管),这样至少会给4个线圈通电,要是在同行/列反而不会有这
有道理……之前竟然一直没想到。
看起来,一个矩阵只能在每个线圈都串二极管的时候才能独立控制一级了……
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迪纳米斯
5年5个月前 修改于 5年5个月前
7楼
脉冲磁行波加速,有个叫郭芳写过一篇论文,存在我磁盘里,手机没有,论文标题记不住了,感应炮,形成行波和原理lz类似,实现方式不一样,论文中还提到线圈重叠的方式,重叠的部分磁场叠加,在时间和空间上产生脉冲磁行波。关键词:磁行波 电磁炮 郭芳,应该可以给你的思路做更多的参考
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虎哥
5年5个月前
8楼
建议参照“电炮里传统的“半桥”拓扑”讲解一下线圈带二极管时的工作原理。
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rb-sama
5年5个月前 修改于 5年1个月前
9楼
“实现弹丸速度的自动反馈控制”对于这个概念有一些疑问。
如果按照楼主说的,能够实现自动反馈控制,指的是在一段时间内弹丸受力为0;
但是按运动体的物理特性来看,物体存在惯性,其运动状态的改变一定会伴随力的变化。
“负反馈”这个过程,可以理解为当弹丸超速时,脉波可以对弹丸限速,但是这个情况只会发生在脉波比弹丸位置靠后或者差不多的位置。
可是这样做的意义在哪呢?
如果指得是加速过程中的"负反馈",那么加速过程中,磁场对弹丸牵引力的方向一定为正的。
这样才能算得上是有效加速距离,而这段过程中,弹丸速度只能实现跟随,“负反馈”可能是做不到的。
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三水合番作者
5年5个月前
10楼
引用 rb-sama:
“实现弹丸速度的自动反馈控制”对于这个概念有一些疑问。
如果按照楼主说的,能够实现自动反馈控制,指的是在一段时间内弹丸受力为0;
但是按运动体的物理特性来看,物体存在惯性,其运动状态的改变一定会伴随力……
“自动负反馈控制”指的是弹丸与磁场的相对速度为零,磁场是可以有加速度的,所以不一定是“弹丸受力为0”
这个“负反馈”的确只是“弹丸速度实现跟随”,即弹丸速度趋近于磁场速度,弹丸与磁场的相对位置趋于恒定。
所以,应该是你对“负反馈”的定义,和我的不一样吧……
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布布卡
5年4个月前
11楼
之前也有这种想法,换成永久磁体可以恒力推进加速
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10班陈大葱22号
5年2个月前
12楼
楼主厉害,matlab玩得6啊
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10班陈大葱22号
5年2个月前
13楼
跟磁阻步进电机差不多的感觉,但麻烦就在于如何控制脉波得速度,脉波速度慢了效率低,速度快了会导致磁体加速不到脉波速度导致出现“丢步”。需要有个反馈去控制脉波的速度保证磁通梯度最大处稳定在蛋蛋的中间。加速磁场频率那么高靠磁相关的方式就没法了,只能靠光相关手段,但线间塞多根光纤或干脆放个编码器,都不现实啊
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10班陈大葱22号
5年2个月前
14楼
仔细想了一下感觉可行性还是有的,100级,200根光纤,20组开关管,周末慢慢搞一两年要搞出来还是可以,但就是法律风险比较大
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电容炸你一脸
5年2个月前
15楼
1.为了行成一个有恒定加速度的"脉冲波",势必要缩短相邻两组线圈之间从上一组关断到下一组开启的时间(t1),但是时间最多减到0吧。这是不是就是极限了,无法再继续维持这个"脉冲波"的加速度了,这时又该如何继续加速下去呢?
2.线圈开启到关断是有一个定值的时间(t2)的,这个时间与相邻两组线圈之间从上一组关断到下一组开启的时间(t1)相比来说太大的话还能不能形成像帖子第一张图(原谅我不知道怎么更清晰的表达那张图)一样的波形。
不会使用matlab仿真,只能在脑子里想想,希望楼主能仿真解释一下这个问题!
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三水合番作者
5年2个月前
16楼
引用 电容炸你一脸:
1.为了行成一个有恒定加速度的"脉冲波",势必要缩短相邻两组线圈之间从上一组关断到下一组开启的时间(t1),但是时间最多减到0吧。这是不是就是极限了,无法再继续维持这个"脉冲波"的加速度了,这时又该如……
1…下一个线圈可以在上一个线圈还没关断的时候就开启……所以t1不光可以是0,而且可以是负的……
问题2里,貌似也假设t1是正的了?
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20!Dopaminor
5年2个月前
17楼
引用 10班陈大葱22号:
仔细想了一下感觉可行性还是有的,100级,200根光纤,20组开关管,周末慢慢搞一两年要搞出来还是可以,但就是法律风险比较大
导管尾部射入激光做激光测距是否可行?
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电容炸你一脸
5年2个月前
18楼
引用 三水合番:
1…下一个线圈可以在上一个线圈还没关断的时候就开启……所以t1不光可以是0,而且可以是负的……
问题2里,貌似也假设t1是正的了?
没想到这点,可以在关断的时候开启下一组线圈,楼主的想法不错,准备仿真一下然后做一下。有没有什么推荐的二极管?
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10班陈大葱22号
5年2个月前
19楼
引用 20!不曾存在:
导管尾部射入激光做激光测距是否可行?
嗯,可行, 但是有个响应速度问题,假设一个最极端的情况,蛋蛋速度达到100m/s时,运动1mm需要的时间只有10us, 这意味着测距装置必须有100kHz的采样率且在这采样率下噪声峰峰值要在1mm以内才能达到2mm的位置反馈精度。基恩士有这样的传感器,但是时三角测距的没法用在管子里,且测量距离很短, 价格不菲;
靠激光测振仪进行测速,然后积分速度来计算位置可能可以达到这个要求,我们屋有一台,售价能买辆大众高尔夫。。。
引用
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水银发生器
5年2个月前
20楼
之前也有这个想法,但一直认为开环控制无法接受,不过现在不一样了😎。我在做一个激光测距传感器,没错,用激光测距来提供位置反馈,然后线圈就可以紧凑的叠在一起了。 关于开关原件我倒不担心,用的级数越多,开关原件省的越多嘛。
然后闪光灯igbt是专门为脉冲工作完善的,便宜,还是贴片。我还想过并联这种小igbt的方法(mos非常好并,但是脉冲工作远不如igbt)。 关于铝线圈的想法也很有意思,如果用铜包铝线呢?会不会对趋肤电流有改善?
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水银发生器
5年2个月前
21楼
引用 20!不曾存在:
导管尾部射入激光做激光测距是否可行?
想一块去了,可以。三角定位有点难,但是可以用简单的ToF, 还能用复杂一点全息干涉分析的方法,更合适一些因为是完全同轴的,conoscopic holography。
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水银发生器
5年2个月前
22楼
引用 10班陈大葱22号:
嗯,可行, 但是有个响应速度问题,假设一个最极端的情况,蛋蛋速度达到100m/s时,运动1mm需要的时间只有10us, 这意味着测距装置必须有100kHz的采样率且在这采样率下噪声峰峰值要在1mm以内……
100khz好像不是很高,那些激光3d扫描仪里..就连脉冲tof都能做到+-1mm精度100khz,虽然感觉很不合理
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10班陈大葱22号
5年2个月前
23楼
引用 水银发生器:
100khz好像不是很高,那些激光3d扫描仪里..就连脉冲tof都能做到+-1mm精度100khz,虽然感觉很不合理
啊 你这么说好像还真是唉  那更有戏了
闪光灯IGBT不知道能不能撑那么长时间的放电?毕竟前几级时间还是会很长的
按照楼主的思路,感应式也能这么做,但是半导体开关肯定是受不了了, 我曾经想过上防雷管当作闪光灯那样开关
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水银发生器
5年2个月前
24楼
引用 10班陈大葱22号:
啊 你这么说好像还真是唉  那更有戏了
闪光灯IGBT不知道能不能撑那么长时间的放电?毕竟前几级时间还是会很长的
按照楼主的思路,感应式也能这么做,但是半导体开关肯定是受不了了, 我曾经想过上防雷管当……
确实撑不了!但是有各种方式来分担负载!
1. 分更多的级,比如200级,然后每一级需要承受的功率就小了
2. 硬并, 用变态驱动等等,硬生生并igbt(觉得很蛋疼,但是有不少paper都讲了简单可行的方法)
3. "软并", 每一级里,一根线,是由三根漆包线并联组成的,然后三个igbt,这样igbt开启时间微微不同也没事了
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水银发生器
5年2个月前
25楼
引用 10班陈大葱22号:
啊 你这么说好像还真是唉  那更有戏了
闪光灯IGBT不知道能不能撑那么长时间的放电?毕竟前几级时间还是会很长的
按照楼主的思路,感应式也能这么做,但是半导体开关肯定是受不了了, 我曾经想过上防雷管当……
干涉测距方法的专利拥有者有一个实例,这个测距仪刷新率是3k,分辨率是+-2um...
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三水合番作者
5年2个月前
26楼
引用 水银发生器:
100khz好像不是很高,那些激光3d扫描仪里..就连脉冲tof都能做到+-1mm精度100khz,虽然感觉很不合理
脉冲tof能精确到+-1mm?这时间分辨率得到几ps了吧……你确定它不是相位法?
引用 水银发生器:
干涉测距方法的专利拥有者有一个实例,这个测距仪刷新率是3k,分辨率是+-2um...
这个是只能测位移,不能测距吧……
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水银发生器
5年2个月前
27楼
引用 三水合番:
脉冲tof能精确到+-1mm?这时间分辨率得到几ps了吧……你确定它不是相位法?
这个是只能测位移,不能测距吧……
我也觉得是胡扯,是从给全站仪做模块的公司网站上看到的.. 脉冲tof不适合短距离高分啊, 没事我们有tof相位法,几乎对于这个脉波方案是完美的吧?
不是干涉仪,是一种全息干涉法(不确定正确名词,就类似全息照相一样)
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水银发生器
5年2个月前
28楼
叫conoscopic holography metrology(range finding), 而且好像不一定要用激光,当然,激光更适合很多 Screenshot_2017-07-06-13-54-18-196_com.android.browser.png
智障spie又坑钱
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水银发生器
5年2个月前
29楼
一直在做这个project,想有你的指导甚至一起合作,分工的话我至少可以很快做出位置反馈的部分。
有两个问题,一是可不可以用圆柱形子弹?二是电源的问题,好像必须需要一个电源,才能使用阵列驱动,但是这个电源必须是恒流恒压的, 该如何做到呢?(刚刚想到,PFN说不定就是钥匙)
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三水合番作者
5年2个月前
30楼
引用 水银发生器:
一直在做这个project,想有你的指导甚至一起合作,分工的话我至少可以很快做出位置反馈的部分。
有两个问题,一是可不可以用圆柱形子弹?二是电源的问题,好像必须需要一个电源,才能使用阵列驱动,但是这个……
想合作当然欢迎,不过我至少要到今年9月才能开工。
圆柱形弹丸不是大家都在用吗…没啥问题吧……
电源就用电容呗。不理解“恒流恒压”的电源是啥东西,难不成这电源要求负载恒阻?
PFN指“脉冲成形网络”?这个我接触的还不是很多。
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水银发生器
5年2个月前
31楼
引用 三水合番:
想合作当然欢迎,不过我至少要到今年9月才能开工。
圆柱形弹丸不是大家都在用吗…没啥问题吧……
电源就用电容呗。不理解“恒流恒压”的电源是啥东西,难不成这电源要求负载恒阻?
PFN指“脉冲成形网络”?这……
耶!没事我可以先开始第一个prototype,或者先把激光测距做实用了。
我还以为你设计的只能给钢珠用😁
电容也可以吗?但这个脉波方案的话,每集触发过后电压不会降一些吗?
对对应该就叫"脉冲形成网络", 这两天看到了解了一下, 就是在电阻恒定时,段时间内能输出一个接近方形的波形,恒压恒流。
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水银发生器
5年2个月前
32楼
Pulse forming network
Screenshot_2017-07-08-11-52-20-263_com.everycircuit.free.png
我还在想,可不可以只把igbt组合成一个阵列,但是续流/回收二极管每个线圈都有独立的,这样就可以导通同时续流和回收了?
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电容炸你一脸
5年1个月前
33楼
关于fgd4536有些问题,datasheet中写着:
Ic_pluse limited by max Tj即瞬间电流由最大Tj限制,从Transient Thermal Impedance of IGBT   中能看出“矩形脉冲持续时间”与“占空比”和“热响应”有关,而Peak Tj = Pdm x Zthjc + TC,但是我并没有看到Ic_pluse与Peak Tj 的具体关系,那么我怎么得知其“矩形脉冲持续时间”。感觉很乱,不知道是不是我这么理解的。
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三水合番作者
5年1个月前 修改于 5年1个月前
34楼
引用 电容炸你一脸:
关于fgd4536有些问题,datasheet中写着:
Ic_pluse limited by max Tj即瞬间电流由最大Tj限制,从Transient Thermal Impedance of
这个顺序是这样的
image.png 先从从“Typical Output Characteristics”里可以看到电流和发热功率的关系,然后根据这个发热功率以及环境温度,计算出保证管子不烧所需要的热阻。
image.png 再从“Transient Thermal Impedance”图里找这个热阻对应的脉冲时间
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rye55357991
5年0个月前
35楼
等我这次做完,下次做1.5cm长的线圈,1 12 123 234 345  这样三个线圈同时工作
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三水合番作者
5年0个月前
36楼
现在发现,顶楼提到的矩阵开关,在比如10x10的时候,考虑到IGBT的高端驱动,以及超级复杂的连线,貌似比直接接100个可控硅还麻烦……考虑到每个线圈都需要一个二极管,体积貌似也不比100个可控硅小……考虑到“可控硅+小容量薄膜+大容量电解”也可以做高功率密度的可关断+能量回收,而且开关的导通损耗还更小。矩阵开关貌似连效率也不一定更高……
这么想来,矩阵开关唯一的优势可能就是,能方便的控制出速了😂
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BSP
4年0个月前
37楼

可以在炮管内放一条电阻和一条导轨,根据电阻的变化求出弹丸的位置。

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jimmy06
3年11个月前
38楼
引用BSP发表于37楼的内容
可以在炮管内放一条电阻和一条导轨,根据电阻的变化求出弹丸的位置。

接触电阻怎么办

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Robot_V1
3年11个月前
39楼

个人认为可以把前几级的驱动独立出来,这样后面级的开关就近乎于脉冲工作了。毕竟只有前几级需要长脉冲

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BSP
3年11个月前
40楼

可以在弹丸后面拖一根线,线拖着一块遮光板,炮管后面放一连串光电(上下层叠放置)。
线切断也很简单,可以用铁丝加一段棉线在炮尾烧断。

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KC83252
8个月27天前
41楼

阅过!


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tjtbnice
7个月8天前
42楼

觉得这个位置检测可以用检测线圈高频响应的方法来检测弹丸位置


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Ball_Lightning
4个月5天前
43楼

我也一直在想脉波加速(不过我感应炮用不上)。不知lz有没有看到过儿童玩具“电磁小火车”。这玩意就属于做工程意义上最精细的脉波加速,就像狗追自己的尾巴。有刷线圈炮可以这样耍,配上平顶脉冲,发射段不用任何触发原件就行😀di/dt可以很小,堆储能也是可取的


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书呆子lhj
26天14时前
44楼
引用BSP发表于40楼的内容
可以在弹丸后面拖一根线,线拖着一块遮光板,炮管后面放一连串光电(上下层叠放置)。 线切断也很简单,可...

用光电着实麻烦,这么多个开关信号,直接用单片机控制吧

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