【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


      




      

      
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来自:高压与强磁 / 电磁炮
 
2
2017-11-3 16:59:49
ChairmanC(作者)
50楼
但是要考虑开关管和电流稳定时间(电容会起振,电感不会)
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2017-11-7 21:22:43
51楼
弹丸前端4.33T时磁能密度还如此低,是忘了考虑弹丸的饱和吗?
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2017-11-09 21:12:19
2017-11-9 21:12:19
ChairmanC(作者)
52楼
是因为铁磁性弹丸磁阻小,所以磁能密度低
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53楼
我知道铁质弹丸磁阻小,但4.33T早就饱和了,磁导率已经接近空气了。。
引用 ChairmanC:
是因为铁磁性弹丸磁阻小,所以磁能密度低
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54楼
引用 心亦文雨:
我知道铁质弹丸磁阻小,但4.33T早就饱和了,磁导率已经接近空气了。。
引用 ChairmanC:
是因为铁磁性弹丸磁阻小,所以磁能密度低
它顶多是“增量磁导率”接近空气,但是磁导率总之还是比空气大得多的。毕竟还有之前攒下来的磁化强度呢,就算磁化强度随外磁场的增加一点都不增加,磁导率也只是随外磁场增加而反比例的下降嘛
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2017-11-11 12:01:01
2017-11-11 12:01:01
55楼
你的整体思路我是很认同的,就是对弹丸材料有点疑问,弹丸的材料属性是软件自带的吗,还是你要输入磁化曲线的,通常来讲磁化曲线只会测到2T左右,仿真用到4T,结果势必就不准了吧。2T下铁磁材料通常还有几十的相对磁导率,但4T下的情况就不知道了,可能会特别低?
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56楼
是不是把磁能密度最高的一段做为加速行程效率会比较高。
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ChairmanC(作者)
57楼
引用 心亦文雨:
你的整体思路我是很认同的,就是对弹丸材料有点疑问,弹丸的材料属性是软件自带的吗,还是你要输入磁化曲线的,通常来讲磁化曲线只会测到2T左右,仿真用到4T,结果势必就不准了吧。2T下铁磁材料通常还有几十的相对磁导率,但4T下的情况就不知道了,可能会特别低?
这里的材料是自带的,曲线已经预先设定好的
这里的磁场指总磁场,是铁磁体磁化磁场和原磁场的和,其中多出来的2T是原磁场提供的,和饱和磁化磁场2T加起来一共4T
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ChairmanC(作者)
58楼
引用 rye55357991:
是不是把磁能密度最高的一段做为加速行程效率会比较高。
不对,应该是铁磁体弹丸刚好“吞噬”掉所有磁场能量时最好
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ChairmanC(作者)
59楼
理解这个需要有比较高的电磁学基础的
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60楼
引用 ChairmanC:
理解这个需要有比较高的电磁学基础的
引用 ChairmanC:
引用 rye55357991:
是不是把磁能密度最高的一段做为加速行程效率会比较高。
不对,应该是铁磁体弹丸刚好“吞噬”掉所有磁场能量时最好
给个草图
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61楼
引用 ChairmanC:
引用 rye55357991:
是不是把磁能密度最高的一段做为加速行程效率会比较高。
不对,应该是铁磁体弹丸刚好“吞噬”掉所有磁场能量时最好
吞噬掉所有磁场能量不是要求磁导率无穷吗……
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ChairmanC(作者)
62楼
是指铁芯占据整个气隙的时候
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ChairmanC(作者)
63楼
引用 rye55357991:
引用 ChairmanC:
理解这个需要有比较高的电磁学基础的
引用 ChairmanC:
引用 rye55357991:
是不是把磁能密度最高的一段做为加速行程效率会比较高。
不对,应该是铁磁体弹丸刚好“吞噬”掉所有磁场能量时最好
给个草图
看一楼
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64楼
引用 rye55357991:
是不是把磁能密度最高的一段做为加速行程效率会比较高。
个人感觉,这篇帖子没有回答关于“哪一段作为加速行程最好”这种问题……毕竟,只涉及了静磁场仿真……
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65楼
看不懂呀。。。
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ChairmanC(作者)
66楼
引用 三水合番:
引用 rye55357991:
是不是把磁能密度最高的一段做为加速行程效率会比较高。
个人感觉,这篇帖子没有回答关于“哪一段作为加速行程最好”这种问题……毕竟,只涉及了静磁场仿真……
回答了,杂谈二你看懂了吗
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67楼
引用 ChairmanC:
引用 三水合番:
引用 rye55357991:
是不是把磁能密度最高的一段做为加速行程效率会比较高。
个人感觉,这篇帖子没有回答关于“哪一段作为加速行程最好”这种问题……毕竟,只涉及了静磁场仿真……
回答了,杂谈二你看懂了吗
抱歉,没看到关于“哪一段作为加速行程最好”的讨论。如果真的有,麻烦指一下位置……
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ChairmanC(作者)
68楼
从磁场边缘到完全填充气隙的位置
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69楼
引用 ChairmanC:
从磁场边缘到完全填充气隙的位置
然而磁场就没边啊……它是延伸到无穷远的
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ChairmanC(作者)
70楼
虽然没有边界但是定子铁芯约束住了大部分的能量,外部几乎可以看成无磁场的
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71楼
引用 ChairmanC:
虽然没有边界但是定子铁芯约束住了大部分的能量,外部几乎可以看成无磁场的
那你也没指出如何区分“内部”和“外部”啊,不同标准定的分界线,效果也肯定不一样嘛……另外,这部分内容和杂谈二以及“哪一段作为加速行程最好”这个问题有啥关系呢?
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72楼
引用 三水合番:
引用 rye55357991:
是不是把磁能密度最高的一段做为加速行程效率会比较高。
个人感觉,这篇帖子没有回答关于“哪一段作为加速行程最好”这种问题……毕竟,只涉及了静磁场仿真……
我还是买个测速器吧,自己慢慢试。
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ChairmanC(作者)
73楼
引用 三水合番:
引用 ChairmanC:
虽然没有边界但是定子铁芯约束住了大部分的能量,外部几乎可以看成无磁场的
那你也没指出如何区分“内部”和“外部”啊,不同标准定的分界线,效果也肯定不一样嘛……另外,这部分内容和杂谈二以及“哪一段作为加速行程最好”这个问题有啥关系呢?
我说的外部是线圈外面那个铁罩子的外部

[修改于 2 年前 - 2017-11-11 18:38:53]

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74楼
引用 ChairmanC:
引用 心亦文雨:
你的整体思路我是很认同的,就是对弹丸材料有点疑问,弹丸的材料属性是软件自带的吗,还是你要输入磁化曲线的,通常来讲磁化曲线只会测到2T左右,仿真用到4T,结果势必就不准了吧。2T下铁磁材料通常还有几十的相对磁导率,但4T下的情况就不知道了,可能会特别低?
这里的材料是自带的,曲线已经预先设定好的
这里的磁场指总磁场,是铁磁体磁化磁场和原磁场的和,其中多出来的2T是原磁场提供的,和饱和磁化磁场2T加起来一共4T
哦哦这样子,那结论总体是对的。
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75楼
引用 ChairmanC:
引用 三水合番:
引用 ChairmanC:
虽然没有边界但是定子铁芯约束住了大部分的能量,外部几乎可以看成无磁场的
那你也没指出如何区分“内部”和“外部”啊,不同标准定的分界线,效果也肯定不一样嘛……另外,这部分内容和杂谈二以及“哪一段作为加速行程最好”这个问题有啥关系呢?
我说的外部是线圈外面那个铁罩子的外部
铁罩子又不是闭合的,哪来的内部外部的说法😂
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2017-11-12 10:48:26
ChairmanC(作者)
76楼
引用 三水合番:
引用 ChairmanC:
引用 三水合番:
引用 ChairmanC:
虽然没有边界但是定子铁芯约束住了大部分的能量,外部几乎可以看成无磁场的
那你也没指出如何区分“内部”和“外部”啊,不同标准定的分界线,效果也肯定不一样嘛……另外,这部分内容和杂谈二以及“哪一段作为加速行程最好”这个问题有啥关系呢?
我说的外部是线圈外面那个铁罩子的外部
铁罩子又不是闭合的,哪来的内部外部的说法😂
换一种说法,初始位置指的是弹丸头部在线圈末端的时候
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77楼
引用 ChairmanC:
引用 三水合番:
引用 ChairmanC:
引用 三水合番:
引用 ChairmanC:
虽然没有边界但是定子铁芯约束住了大部分的能量,外部几乎可以看成无磁场的
那你也没指出如何区分“内部”和“外部”啊,不同标准定的分界线,效果也肯定不一样嘛……另外,这部分内容和杂谈二以及“哪一段作为加速行程最好”这个问题有啥关系呢?
我说的外部是线圈外面那个铁罩子的外部
铁罩子又不是闭合的,哪来的内部外部的说法😂
换一种说法,初始位置指的是弹丸头部在线圈末端的时候
你这只是“能产生拉力的一段”,跟“哪一段作为加速行程最好”有啥关系?
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ChairmanC(作者)
78楼
能产生力的部分就是最好的加速行程,对弹丸做的正功最大
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79楼
引用 ChairmanC:
能产生力的部分就是最好的加速行程,对弹丸做的正功最大
你怕是对“最好”的理解不太到位吧……
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ChairmanC(作者)
80楼
引用 三水合番:
引用 ChairmanC:
能产生力的部分就是最好的加速行程,对弹丸做的正功最大
你怕是对“最好”的理解不太到位吧……
你说说
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81楼
引用 ChairmanC:
引用 三水合番:
引用 ChairmanC:
能产生力的部分就是最好的加速行程,对弹丸做的正功最大
你怕是对“最好”的理解不太到位吧……
你说说
你都已经觉得“能产生力”就是最好了,我还怎么跟你说……不过,好在“最好”这个词对于大多数人来说,还是没那么容易理解到那么偏的地方去的
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