【干货】磁阻炮杂谈
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       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。
1.jpg


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。
3.jpg

      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
4.jpg

       后处理,得到中轴线上的B曲线,如图4
7.jpg

       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)
5.jpg

      重复上述步骤。
6.jpg

        B分布,这里忘了用智能填色,颜色区分有点不明显,不过不影响
8.jpg

       中轴线上的分布,这里就可以看出定子铁芯的影响了,磁场明显变宽,明显变强(无铁芯时最高处1.98T,有铁芯是2.36T,提高了20%),无论对于加速的稳定性还是强度,都有明显的提升。
       再来看看对效率的影响
       无铁芯时的磁能密度分布
9.jpg

11.jpg

       最高能量密度只有1.55J/cm^3
       而有铁芯时
10.jpg

12.jpg

       惊人的2.22J/cm^3,而且几乎没有漏磁(注意图像的两边,无铁芯时0处仍然有0.1J/cm^3,而加了铁芯时几乎为0,而且加了铁芯时图像更为臃肿,说明更多的能量被储存在了线圈中)
       磁场的能量和弹丸的能量是成正比例关系的,因此加装铁芯后,能有效提高磁阻炮的性能效率。

杂谈之二:
       磁阻炮的原理,不仅仅是两个磁体相互吸引,下面我们用形象直观的解释来看看磁阻炮到底是怎么工作的,以及磁阻炮和“磁阻”到底有什么关系。
       所谓“磁阻”,指的是构建磁通的阻力,是磁动势与磁通量的比值(可以类比为电阻是电动势与电流的比值)。显然,铁磁性弹丸的磁阻相对于周围的空气很小。因此,根据公式,铁磁性弹丸的磁动势很小(可以类比为电阻小的分压小,弹丸磁阻小因此分得的磁动势小)。不饱和时,单位体积内磁场的能量和磁动势是正相关的。因此,弹丸内的磁场能量很小。由下图可以看出。
       当一个铁磁性弹丸进入线圈后
13.jpg

       它的磁感应强度分布是这样的:
14.jpg

       可见由于弹丸磁阻小,大部分磁通集中在弹丸内,交界面处磁感应强度达到了4.33T的水平。
       然而它的磁能密度分布是这样的:
15.png

       可见弹丸内的磁场能量要小得多,可是弹丸前方的磁能密度高的惊人。
       设弹丸铁芯截面积为S,当铁芯前进一小段距离dx的时候,将前方体积为Sdx的磁能密度很高的部分磁场能量变为0,铁芯所“吞噬”的磁场能量就变为了铁芯的动能。当铁芯越过死点(受力为0的点)时,每前进dx,就在后方腾出体积为Sdx的一部分,磁场在这一部分复原,铁芯所“吐出来”的磁场能量需要消耗铁芯的动能,消耗的动能大于前方“吞噬”磁场得到的动能,这就是反拉的原理。弹丸本身会把磁通的位置往后拉,因此这个点的位置并不一定就在磁场的中心,而往往在磁场中心靠后一点的位置,这也是一直以来我们所误解的
       你们可能会问,铁芯既然一开始没有运动,怎么能假定它往前移动呢。其实这是势能负梯度定理的形象解释。有势力的大小是势能的负梯度,这里由于只取了一个方向,因此是势能在X轴上的负导数,而与移动无关。这里可以类比为你手里拿着一个苹果,它虽然静止不动,仍然可以假设它下落dh距离,此时有mgdh的重力势能转化为动能,是加速的,因此它受到的力向下。
       因此,磁阻炮发射的原理并不能简单的解释为磁体间相互吸引,而是要解释为磁场势能的梯度力导致的加速


      




      

      
来自 电磁炮
 
1
2017-10-8 13:28:30
1楼
所以把线圈换成磁体之后会有什么区别?

[修改于 2 年前 - 2017-10-08 13:28:57]

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ChairmanC(作者)
2楼
引用 radio:
所以把线圈换成磁体之后会有什么区别?
?
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ChairmanC(作者)
3楼
没什么区别,就是打不出去了
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4楼
引用 ChairmanC:
没什么区别,就是打不出去了
所以用仿真中的无关断的恒流线圈就能打出去了?
因此,磁阻炮发射的原理并不能简单的解释为磁体间相互吸引,而是要解释为磁场势能的梯度力导致的加速

是不是也可以这样说:

自由落体的原理并不能简单的解释为地心引力,而是要解释为重力势能的梯度力导致的加速

[修改于 2 年前 - 2017-10-08 13:48:08]

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ChairmanC(作者)
5楼
引用 radio:
引用 ChairmanC:
没什么区别,就是打不出去了
所以用仿真中的无关断的恒流线圈就能打出去了?
仿真只是为了演示弹丸为什么会被加速,以及表现出有无定子铁芯的区别而已,没必要用关断的,只会增加电脑负担

[修改于 2 年前 - 2017-10-08 13:52:28]

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ChairmanC(作者)
6楼
况且真正的磁阻炮都是先恒流,再瞬间快速关断的

[修改于 2 年前 - 2017-10-08 13:53:55]

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ChairmanC(作者)
7楼
然后,我并没有说不能用地心引力解释,而是拿来类比的而已
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ChairmanC(作者)
8楼
类比为什么磁场势能梯度能加速弹丸
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9楼
引用 ChairmanC:
引用 radio:
引用 ChairmanC:
没什么区别,就是打不出去了
所以用仿真中的无关断的恒流线圈就能打出去了?
仿真只是为了演示弹丸为什么会被加速,以及表现出有无定子铁芯的区别而已,没必要用无关断的
我是没有看出你的线圈在仿真中有关断过。
既然在关断之前线圈和磁体没有区别,能不能解释一下为什么
因此,磁阻炮发射的原理并不能简单的解释为磁体间相互吸引,而是要解释为磁场势能的梯度力导致的加速
不能解释为前者而一定要解释为后者

[修改于 2 年前 - 2017-10-08 13:57:00]

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ChairmanC(作者)
10楼
为什么感觉我被当成民科了
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ChairmanC(作者)
11楼
好好好,磁体间相互吸引确实可以解释,但磁体间为什么会相互吸引怎么解释呢
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ChairmanC(作者)
12楼
我只不过把电炮原理的晦涩部分通俗得讲了一下而已,没必要怼的
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13楼
引用 ChairmanC:
我只不过把电炮原理的晦涩部分通俗得讲了一下而已,没必要怼的
所以你做出了一个用后者解释的完全一样的东西就要把论坛上用前者解释的理论批判一番,并怒斥其为”误导“,是不是可以理解为
斯大林在大会上引经据典地说:“马克思和列宁说1+1=2,而托洛茨基和布哈林说1+1不等于3。是托洛茨基和布哈林说的对呢?还是马克思和列宁说得对呢?”下面听众一脸疑惑,“毫无疑问,是马克思和列宁说的对!”底下热烈鼓掌,“托洛茨基和布哈林是帝国主义派来的间谍,说1+1不等于3的人罪不容赦……”

[修改于 2 年前 - 2017-10-08 14:02:14]

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ChairmanC(作者)
14楼
有关磁阻的那部分解释没错就行了,还有加装定子铁芯是有作用的,你不能反驳吧
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ChairmanC(作者)
15楼
之前的我承认我错了
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16楼
要深入到物理学中的电磁相互作用,需要用麦克斯韦方程组描述。但实践中,爱好者可以用中学学的电磁学描述,也可以用电机学中的实用方法来解决问题。事实上,几乎不会有人从麦克斯韦方程组出发来探讨工程问题,因为它十分麻烦。即便经常被人使用,也不能说中学或者大学的课本是错的。kc可能是全网最重视理论探讨,最欢迎仿真研究的爱好者论坛,如果不是楼主先“血口喷人”,是不会被怼的😂

[修改于 2 年前 - 2017-10-08 14:55:37]

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17楼
关于楼主提到的“我们一般做磁阻炮时总是忽略掉定子铁芯”……我感觉并不是大家不想做,而是因为那东西不好做……
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18楼
线圈周围加铁心的方案,几年前看过老外用过了,在弹丸低速阶段低磁饱和条件下,可以有效降低磁阻提高效率,随着速度提高,铁心内磁通变化速率的提高,磁滞损耗成指数升高,还有铁磁材料内部的涡流损耗。当磁场进一步增强,这两种损耗带来的后果会得不偿失。当弹丸速度提高到一定程度后磁滞损耗会降低,因为铁磁材料的磁化需要一定时间,还来不及磁化,弹丸就过去了,此时的涡流损耗会继续增加。所以加铁心不是个好办法。
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19楼
引用 莱特:
线圈周围加铁心的方案,几年前看过老外用过了,在弹丸低速阶段低磁饱和条件下,可以有效降低磁阻提高效率,随着速度提高,铁心内磁通变化速率的提高,磁滞损耗成指数升高,还有铁磁材料内部的涡流损耗。当磁场进一步增强,这两种损耗带来的后果会得不偿失。当弹丸速度提高到一定程度后磁滞损耗会降低,因为铁磁材料的磁化需要一定时间,还来不及磁化,弹丸就过去了,此时的涡流损耗会继续增加。所以加铁心不是个好办法。
铁损貌似不会是太大的问题,比如宝钢的AT系列电工钢,参数如下图
image.png
即使在400Hz,1T峰值的磁场下,平均下来每kg钢,每个周期消耗的能量也是以mJ计的。

另外,前段时间我试了一下用铁粉+环氧树脂做铁芯,小信号下的高频性能更是好的离谱,貌似可以一直工作到几十kHz……
2.6铁粉芯.jpg
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20楼
用IGBT做开关元件的话,G160N60UFD开启时间是75ns,铁磁材料在这个开关瞬间损耗非常大,一个脉冲过去,铁心都是热的。这个现象也可以反映在弹丸上,我用IGBT发射出去的铁柱都是热的!
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2017-10-09 11:36:52
21楼
引用 莱特:
用IGBT做开关元件的话,G160N60UFD开启时间是75ns,铁磁材料在这个开关瞬间损耗非常大,一个脉冲过去,铁心都是热的。这个现象也可以反映在弹丸上,我用IGBT发射出去的铁柱都是热的!
弹丸上的损耗竟然能达到这个程度……之前还真是没注意到
不过,这个损耗和“开启时间”没啥关系,限制磁场变化的是电感,而不是开关元件。75ns又不是说75ns后磁场就升到最大了。从效果上来说,不管是IGBT还是MOS还是SCR,开启特性都没啥区别。
个人感觉,导致弹丸发热的损耗,主要应该是涡流损耗,毕竟用铁粉加胶水做的磁芯,貌似一直到几十kHz损耗都不是很大。也就是说,对于磁阻式通常涉及到的频率,磁滞损耗并不明显。
如果真的是这样的话,那么只要在铁心上开槽,或者用片状,粉末状材料做铁心,就可以极大的降低这部分损耗。
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22楼
有道理。但是铁磁材料的磁导率还是很有限的,各种损耗也不能有效避免。就连发射的弹丸也是铁磁材料,磁场达到饱和就没用了。我认为磁阻炮的瓶颈不是在于效率的高低,而是只能发射磁导率有限的“铁”。
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2017-10-28 16:34:04
2017-10-28 16:34:04
23楼
引用 莱特:
用IGBT做开关元件的话,G160N60UFD开启时间是75ns,铁磁材料在这个开关瞬间损耗非常大,一个脉冲过去,铁心都是热的。这个现象也可以反映在弹丸上,我用IGBT发射出去的铁柱都是热的!
这个我还真没遇到过
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24楼
支持楼主,还有我觉得弹径和线圈的外径的比例也会对效率产生影响
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ChairmanC(作者)
25楼
撞击产生热量。。。
引用 rye55357991:
引用 莱特:
用IGBT做开关元件的话,G160N60UFD开启时间是75ns,铁磁材料在这个开关瞬间损耗非常大,一个脉冲过去,铁心都是热的。这个现象也可以反映在弹丸上,我用IGBT发射出去的铁柱都是热的!
这个我还真没遇到过
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26楼

引用 ChairmanC:
撞击产生热量。。。
引用 rye55357991:
引用 莱特:
用IGBT做开关元件的话,G160N60UFD开启时间是75ns,铁磁材料在这个开关瞬间损耗非常大,一个脉冲过去,铁心都是热的。这个现象也可以反映在弹丸上,我用IGBT发射出去的铁柱都是热的!
这个我还真没遇到过

IMG_20171028_164300.jpg

撞成这样也不热
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ChairmanC(作者)
27楼
实测小弹丸大动能撞击的时候会发热较严重
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ChairmanC(作者)
28楼
上次去大学实验室做的,3g平头弹丸,单级带铁芯,电感储能,斩波脉冲,15.3j,撞击后有明显发热。但是设备在实验室,不在身边,所以没法发图
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ChairmanC(作者)
29楼
电感储能比电容牛逼多了
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30楼
引用 ChairmanC:
上次去大学实验室做的,3g平头弹丸,单级带铁芯,电感储能,斩波脉冲,15.3j,撞击后有明显发热。但是设备在实验室,不在身边,所以没法发图
电感储能的初级储能用的是啥?电路结构是什么样的?
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ChairmanC(作者)
31楼
类似buck/boost电路,电容先对一级电感放电,当电流达到最大值(电感两端电压最小)时,断开一级开关,利用续流二极管使一级电感对二级电感(发射线圈)放电,之间还有稳压和滤波的电路。

[修改于 2 年前 - 2017-10-28 21:33:55]

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ChairmanC(作者)
32楼
这种情况下自动关断很缓慢,因此需要三级电路提供负压关断
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ChairmanC(作者)
33楼
我直接用另一个低电流大电感作为负压源和二级电感对冲,暴力关断。但很难控制,容易关过头,产生的高压也容易损坏元件。因此可以考虑电容回收二级能量(虽然影响关断速度)

[修改于 2 年前 - 2017-10-28 21:26:00]

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34楼
引用 ChairmanC:
类似buck/boost电路,电容先对一级电感放电,当电流达到最大值(电感两端电压最小)时,断开一级开关,利用续流二极管使一级电感对二级电感(发射线圈)放电,之间还有稳压和滤波的电路。
这个和普通的电容储能相比有啥优势吗?从描述上看,这种结构能达到的最大电流,没法超过使用相同电容和开关的普通结构。能在发射线圈两端产生的最高电压,也不超过开关耐压。也就是说,能达到的功率并不会比普通结构高……而且,在功率回路中引入大量的元件(尤其是电感)还会产生很大的损耗,效率上也很伤……
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2017-10-29 21:11:45
ChairmanC(作者)
35楼
       不是的,一级开关用油浸继电器的话开关关断瞬间的电压能达到上万伏特,使用压敏电阻和电容稳压后也有4000V-5000V,能够在100微秒内把发射线圈的电流提升到峰值。对于低速情况,电容放电确实够用了。但是在高速情况下,使用电容发射线圈电流上升时间慢(达到峰值需要1-2ms),大大影响性能。
       我们做的实验使用带定子铁芯线圈长5cm。初速101m/s,这意味着弹丸只有500μs的加速时间,而磁场能量需要至少25J(磁动能效率一般60-70%),发射线圈电感1mH左右,意味着这时间内的线圈平均电流强度至少要达到200A,用电容能做得到吗?
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36楼
引用 ChairmanC:
       不是的,一级开关用油浸继电器的话开关关断瞬间的电压能达到上万伏特,使用压敏电阻和电容稳压后也有4000V-5000V,能够在100微秒内把发射线圈的电流提升到峰值。对于低速情况,电容放电确实够用了。但是在高速情况下,使用电容发射线圈电流上升时间慢(达到峰值需要1-2ms),大大影响性能。
       我们做的实验使用带定子铁芯线圈长5cm。初速101m/s,这意味着弹丸只有500μs的加速时间,而磁场能量需要至少25J(磁动能效率一般60-70%),发射线圈电感1mH左右,意味着这时间内的线圈平均电流强度至少要达到200A,用电容能做得到吗?
确实能做到啊😂你觉得哪里做不到嘛?
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2017-10-30 21:27:51
ChairmanC(作者)
37楼
我觉得不可能
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38楼
引用 ChairmanC:
我觉得不可能
确实可能,都这么在做,用薄膜电容的话电流甚至能很轻松的达到上千安,唯一的问题是几千伏高压和大电流的管子不好找,要好几百或者上千,都挺贵的。
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2017-10-31 21:27:39
ChairmanC(作者)
39楼
上千安。。。线圈储能能上千焦了吧,算了一下,对于1mH的线圈,要在瞬间(<100μs)达到上千安,电压有几十万伏,容量几十微法,大概要铺满一个房间
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40楼
引用 ChairmanC:
上千安。。。线圈储能能上千焦了吧,算了一下,对于1mH的线圈,要在瞬间(<100μs)达到上千安,电压有几十万伏,容量几十微法,大概要铺满一个房间
同样的要求下,用电感储能就不需要铺满一个房间了吗?你电感储能的初级能源用的是啥?

[修改于 2 年前 - 2017-10-31 22:18:41]

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41楼
引用 ChairmanC:
上千安。。。线圈储能能上千焦了吧,算了一下,对于1mH的线圈,要在瞬间(<100μs)达到上千安,电压有几十万伏,容量几十微法,大概要铺满一个房间
“电流强度至少要达到200A,用电容能做得到吗?” 我的意思是有电容能提供上千安的放电电流,电力上常用的金属薄膜电容你可以查一下,都是KV && KA级别的。

[修改于 2 年前 - 2017-10-31 22:43:12]

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2017-11-02 17:39:21
2017-11-2 17:39:21
ChairmanC(作者)
42楼
。。。我的意思是使电感电流在100微秒内达到200a
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ChairmanC(作者)
43楼
要考虑电感阻抗的[quote=iSee,840381]
引用 ChairmanC:
上千安。。。线圈储能能上千焦了吧,算了一下,对于1mH的线圈,要在瞬间(<100μs)达到上千安,电压有几十万伏,容量几十微法,大概要铺满一个房间

[修改于 2 年前 - 2017-11-02 17:41:33]

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ChairmanC(作者)
44楼
引用 三水合番:
引用 ChairmanC:
上千安。。。线圈储能能上千焦了吧,算了一下,对于1mH的线圈,要在瞬间(<100μs)达到上千安,电压有几十万伏,容量几十微法,大概要铺满一个房间
同样的要求下,用电感储能就不需要铺满一个房间了吗?你电感储能的初级能源用的是啥?
不用,电感储能的话电压只与初级能源电流和开关关断时间有关,450v1000uf的电容也可以产生10000v的瞬间电压
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45楼
引用 ChairmanC:
引用 三水合番:
引用 ChairmanC:
上千安。。。线圈储能能上千焦了吧,算了一下,对于1mH的线圈,要在瞬间(<100μs)达到上千安,电压有几十万伏,容量几十微法,大概要铺满一个房间
同样的要求下,用电感储能就不需要铺满一个房间了吗?你电感储能的初级能源用的是啥?
不用,电感储能的话电压只与初级能源电流和开关关断时间有关,450v1000uf的电容也可以产生10000v的瞬间电压
你的能量总不可能无中生有吧。之前不还说线圈储能上kJ嘛,怎么这就变成450v1000uf电容了。
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ChairmanC(作者)
46楼
。。。我说的是两个不同的东西
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ChairmanC(作者)
47楼
线圈储能上kJ是一种讽刺。。。嗯
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ChairmanC(作者)
48楼
能不说电感储能了吗,反正业余的也做不出来
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49楼
引用 ChairmanC:
。。。我的意思是使电感电流在100微秒内达到200a
  根据电感公式,可以算出1mH的线圈在100us内达到200A电流需要电压是2000V,也就是说平均电压上升速率在20v/us就可以了,这对薄膜电容来说要求不高啊。
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