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【干货】磁阻炮杂谈
ChairmanC2017/10/08电磁炮 IP:浙江
       *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。
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:物理高能技术 / 电磁炮动手实践:实验报导严肃内容:教程/课程
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~~空空如也
ChairmanC 作者
6年6个月前 IP:浙江
840116
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
6年6个月前 IP:浙江
840118
没什么区别,就是打不出去了
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ChairmanC作者
6年6个月前 修改于 6年6个月前 IP:浙江
840122
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
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ChairmanC作者
6年6个月前 修改于 6年6个月前 IP:浙江
840123
况且真正的磁阻炮都是先恒流,再瞬间快速关断的
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ChairmanC作者
6年6个月前 IP:浙江
840124
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
6年6个月前 IP:浙江
840125
类比为什么磁场势能梯度能加速弹丸
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ChairmanC作者
6年6个月前 IP:浙江
840127
为什么感觉我被当成民科了
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ChairmanC作者
6年6个月前 IP:浙江
840128
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
6年6个月前 IP:浙江
840129
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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ChairmanC作者
6年6个月前 IP:浙江
840131
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
6年6个月前 IP:浙江
840132
之前的我承认我错了
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ChairmanC作者
6年6个月前 IP:浙江
840290
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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ChairmanC作者
6年6个月前 IP:浙江
840293
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
6年6个月前 IP:浙江
840294
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
6年6个月前 IP:浙江
840295
电感储能比电容牛逼多了
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ChairmanC作者
6年6个月前 修改于 6年6个月前 IP:浙江
840300
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。
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ChairmanC作者
6年6个月前 IP:浙江
840301
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
6年6个月前 修改于 6年6个月前 IP:浙江
840302
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)
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ChairmanC作者
6年6个月前 IP:浙江
840318
       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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ChairmanC作者
6年6个月前 IP:浙江
840353
我觉得不可能
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ChairmanC作者
6年6个月前 IP:浙江
840378
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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ChairmanC作者
6年5个月前 IP:浙江
840449
。。。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
6年5个月前 修改于 6年5个月前 IP:浙江
840450
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
引用
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ChairmanC作者
6年5个月前 IP:浙江
840451
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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ChairmanC作者
6年5个月前 IP:浙江
840455
。。。我说的是两个不同的东西
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ChairmanC作者
6年5个月前 IP:浙江
840456
线圈储能上kJ是一种讽刺。。。嗯
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ChairmanC作者
6年5个月前 IP:浙江
840457
能不说电感储能了吗,反正业余的也做不出来
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ChairmanC作者
6年5个月前 IP:浙江
840479
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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