电磁炮
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[连载]EP-65:一台高压电磁发射器是如何炼成的
WangGC 2018-10-30 22:04:55
引言

初入坑电炮时曾受@Ma3.02的守望YB-5的影响,计划做一台能够实用化、便携、性能优异的电炮,但因为对整个设计过程不甚了解,迟迟没有动手。后来在和@三水合番交流后得到很大鼓励,加之一段时间的学习中已经基本有了一些思路,遂下定决心,开始了EP60-EP65(EP为我的命名习惯,不代表一共有65个版本)工程。

预计的设计指标

由于走的是“实用、便携、性能优异可靠”的路线,也困于没有时间和设备加工,所以整个加速系统的大部分机械部件都将使用可以便捷购买的标准件,只是在此基础上做一些简单加工。

整体电子学结构为光电检测,为了安全和系统稳定性驱动-功率(强弱电)全部光-电/电-磁隔离,这样哪怕只有一级能够正常工作,弹丸也可以被发射。控制部分有简单的人机交互程序,能够反馈基本情况以及根据操纵者指令更改运行情况。开关采用IGBT并管。

机械结构最终测试完成后使用6061铝合金及环氧板做框架和内部系统绝缘隔离

为了能把电磁发射的优点最大化,我将其设计为可以单发/连射的两种模式,并且会在之后尝试使用各种手段将有效射程及精准度提高。

一些基本参数(预计):

电源:22.5v 6s 6Ah 30c Li-ion电池

加速级数:14

电容组电压:450v

总储能1kJ-1.5kJ(由于有关断,所以非一次性全部消耗)

期待初速:110m/s+

弹丸:ø6mm*25mm GB-119 #45钢制圆柱

加速管材:内径6.2mm壁厚0.3mm不锈钢管

线圈线材线径:0.8mm高温铜线

射速上限:120Rpm

此次技术难点主要在电容充电和缩短延迟上

120Rpm的射速即0.5s/发,是一个较快的速度了,这意味着至多需在0.5s内使电容电压升高至设定发射电压(可由操作者更改,最终体现于弹丸动能),假设发射后电容余电为220v,储能1.5kJ,则升压器的净输出功率须高达约2282W,折算效率若为85%则需约2685W输入功率,这意味着电池和开关管要承受的瞬态电流为170A左右。

预计初速破百,也就是1ms的延迟对应10cm的误差,所以想要高效率,高初速,必须要控制好系统的延迟,并适当加大各级间距,若效果不理想,可以尝试光电-单片机混合控制以增加精度。

关于连载

由于是学生党,所以可能更新不会很频繁,制作过程也会时快时慢,一期目标为搭建整体构架并完成全部上电测试,时间6-8个月(可能会附加一些调试电源的时间),二期目标为编写控制系统和外形设计,包括供弹系统,约4个月。一期期间基本保持周更,二期为有进展后更新。整体过程可能耗时1年至2年。

最后

希望最终这个工程能够完成各项指标,欢迎各位一起交流探讨,轻喷也是可以的2333

致谢@三水合番@Ma3.02的守望@虎哥@金坷居士@坚持and突破以及@rb-sama的支持和指导

[修改于 17 天前 - 2019-04-01 21:17:47]

2018-10-30 22:19:26
WangGC(作者)
1楼
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线圈制作

为了加工工艺更简单,我使用如图两种标准件拼接成为线圈骨架

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 这里有一个尴尬的地方是这种隔离柱内径只有8mm的,而加速管外径7mm,垫片和柱间也有1mm间隙,所以我使用uv胶粘接,这样便于定型。如图将其固定在缠有聚酰亚胺胶带的加速管上

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然后就可以开始缠线圈,中途使用502或高温绝缘胶逐层固定,可以很快速的做出一个缠绕紧密的圆柱形线圈,最终在垫片上打孔将线引出,再缠胶带做绝缘和固定保护,完成。

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 ps,我在加速管前端开了一个槽,用于之后供弹系统的组装,有人应该已经能猜到供弹系统的设计了

 

2018-11-1 08:37:05
2楼
0

充电功率应该没必要预期到那么大的水平吧

毕竟对于14级加速到110m/s的有关断,特别是有能量回收的方案,效率打底也可以有5%了……对于预期的34J动能和120rpm射速,就只需要1.3kw多点的充电功率了

主观上感觉你这个其实完全可以按10%的效率估计…这样就只需要700W不到的充电功率了……


WangGC(作者)
3楼
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引用:三水合番 发表于2 楼的内容:
充电功率应该没必要预期到那么大的水平吧毕竟对于14级加速到110m/s的有关断,特别是有能量回收的方.....

呃这个的数据我是用储能/时间算的功率,没用弹丸动能/效率/时间,那个速度只是一个期望值,没有任何参考价值

WangGC(作者)
4楼
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引用:三水合番 发表于2 楼的内容:
充电功率应该没必要预期到那么大的水平吧毕竟对于14级加速到110m/s的有关断,特别是有能量回收的方.....

刚才用您的办法稍微算了一下,150m/s,效率10%,需要1240w左右,看起来也不小。另外我设想了一种能量回收,应该是可行的,但是大幅增加复杂度

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然后问题还是精准的时序难以控制

前期我打算先用续流二极管串电阻,等系统稳定下来再优化效率

 

[修改于 3 个月前 - 2019-01-26 20:42:42]

5楼
2

能量回收这一块,可能会损耗较大。

之前考虑过ZOV电阻的方式,能把续流电压钳位在安全水平的同时,增加续流速度。

直接用二极管回馈到电容的方式都没有这么快。

对于总体能量利用率来说是糟糕的,对于单次发射电-动能转换效率是更好的。

WangGC(作者)
6楼
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引用:rb-sama 发表于5 楼的内容:
能量回收这一块,可能会损耗较大。之前考虑过ZOV电阻的方式,能把续流电压钳位在安全水平的同时,增加续.....

我实现打算前期直接R-D续流,回收的话打算以后专门来研究一下。本来能量回收也是提高续航降低单次充电功率这些作用,如果又大幅提高系统复杂度感觉不太值。其实我觉得能量回收这个事最好能直接回收到储能电容组,但是速度又成问题,现在比较可行不显著影响效率的只能是暂存后再变压。

WangGC(作者)
7楼
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引用:rb-sama 发表于5 楼的内容:
能量回收这一块,可能会损耗较大。之前考虑过ZOV电阻的方式,能把续流电压钳位在安全水平的同时,增加续.....

用压敏电阻这办法听起来挺好的,导通前高阻值耗能,过电压后导通。之前一直是0.5欧水泥电阻还没用过这种,如果它的“线性区”足够宽的话应该是一种好方案,不知道连续频繁大电流导通会不会放炮,而且看外形不怎么好固定散热。

2018-11-4 19:32:04
8楼
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话说,如果楼主对于充电功率的要求很高的话……也许可以试试串联一堆电池,然后用buck/boost之类的直流拓扑搞电容充电变压比低的话,可以很容易的把电源的功率密度做到丧心病狂得高的程度

WangGC(作者)
9楼
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引用:三水合番 发表于8 楼的内容:
话说,如果楼主对于充电功率的要求很高的话……也许可以试试串联一堆电池,然后用buck/boost之类.....

要求强弱电隔离...非隔离拓扑不能想了

2018-11-16 21:26:22
10楼
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楼主,你的线圈内径14,子弹直径才6mm,这效率是不是太低了点

我用模拟器算的6mm弹丸,10mm线圈内径比8.5mm线圈内径要损失1/3的速度(10mm4级达到8.5mm三级初速)

你这14*6...

WangGC(作者)
11楼
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引用:2SC1970 发表于10 楼的内容:
楼主,你的线圈内径14,子弹直径才6mm,这效率是不是太低了点我用模拟器算的6mm弹丸,10mm线圈.....

....整个帖里有14这个数字的指标只有加速级数一个,0楼说了加速管内径6.2mm,哪里有“14mm的内径”...这样做也根本没道理啊

2018-11-20 18:32:50
WangGC(作者)
12楼
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11月20日更新:隔离驱动电源电路

这几天把驱动IGBT的正负压隔离电源设计出来了,参数为in:22v-26v out:+18v 2A、-5v 2A,各路输出峰值电流3A,3842反激拓扑,电路图如下(因为只需要一套所以电路图手绘,用的试验板)

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[均为理论设计还未实际测试,电路仅供参考]

 

[修改于 3 个月前 - 2019-01-26 20:44:24]

2019-1-26 00:49:49
WangGC(作者)
13楼
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2019.1.26更新:完成了驱动电源

近期因为其他的一些事情和临近期末一直没有更新,现在项目继续。

之前制作的驱动电源莫名无法启动,在排查布线和元件后无果,遂查uc3842资料,发现UVLO阈值在16v,而为了驱动MOSFET方便我用12v做芯片供电电压,此电压下uc3842触发UVLO,罢工。于是替换为同类型的3843,阈值约为8v,稍加调试后成功达到指标,在20欧,6欧电阻分别连接在18v,-5v输出时,纹波峰-峰只有60mv左右,电压稳定在17.4v以及-5v。

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 图为带载测试波形

[修改于 3 个月前 - 2019-01-26 00:52:32]

2019-2-8 17:55:46
14楼
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哥们,恕我直言,你确实厉害,不过这个做完恐怕得好大吧...

WangGC(作者)
15楼
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引用:OMEGAERJSH 发表于14 楼的内容:
哥们,恕我直言,你确实厉害,不过这个做完恐怕得好大吧...

事实上与坛内的各类作品大小差异不会很大,这里容易造成体积问题的是大功率升压模组,也是目前正在设计实验的,使用两副EE55作为变压器磁芯,开关频率已经达到300kHz,预计可以较大的压缩体积,其余部件均与正常无异。

16楼
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引用:WangGC 发表于15 楼的内容:
事实上与坛内的各类作品大小差异不会很大,这里容易造成体积问题的是大功率升压模组,也是目前正在设计实验.....

要用两副ee55这么大的磁芯吗设计的功率是多大的?拓扑用的是哪种?

WangGC(作者)
17楼
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引用:三水合番 发表于16 楼的内容:
要用两副ee55这么大的磁芯吗设计的功率是多大的?拓扑用的是哪种?

推挽拓扑,功率大概2、3kW左右,也是稳压恒流的控制环,现在驱动电路大概出来了,变压器比较头疼,准备用铜带绕

[修改于 2 个月前 - 2019-02-09 10:45:43]

2019-2-26 22:02:51
18楼
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期待作品早日出来!

2019-4-1 21:10:45
WangGC(作者)
19楼
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时隔已久的 2019-4-1更新

驱动电源PCB出厂,制成并调试了一套,经测试性能稳定,纹波稳定在60mv左右,符合设计指标。18v及-5v输出可各承受长时间高负荷(共计75w输出)工作以及至少十秒的输出短路,功率管温度低于60℃。至此驱动电源部分完成。

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 驱动电源及输出波形


下一步是电容充电高压电源的研制,由于上文中的各项要求,初步计划使用“推挽正激”拓扑,可以在一个导通周期内同时利用两绕组,并且一定程度上避免了推挽的偏磁硬伤。相关论文已粘贴于下方,苦于反馈环设计相关知识匮乏,若有人有意合作或协助设计可以私信交流。

基于UC3846的推挽正激DC_DC变换器的设计_白志青.pdf2.47M11次下载

 

[修改于 17 天前 - 2019-04-01 21:12:34]

20楼
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建议用淘宝成品充电模块,避免造轮子。

节约时间精力做最重要的发射电路部分,

WangGC(作者)
21楼
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引用:rb-sama 发表于20 楼的内容:
建议用淘宝成品充电模块,避免造轮子。节约时间精力做最重要的发射电路部分,

谢谢您的建议。不过我的设想是制作一件性能优秀的整机而不只是加速部分,现成能够达到此功率的高效率升压模块我还没有找到,所以想要自己做。而这次实验了“正激推挽式电路”后我的设想是将它的设计流程开源,这样既能达到资源分享的目的,也能够筛除技术水平不足以致无法保证自身安全的盲目尝试人群。


目前我打算加速部分与升压电路并行推进,加速部分的电路已经出图了,还差样机的整体连接测试。

[修改于 16 天前 - 2019-04-02 18:07:53]

22楼
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引用:WangGC 发表于21 楼的内容:
谢谢您的建议。不过我的设想是制作一件性能优秀的整机而不只是加速部分,现成能够达到此功率的高效率升压模.....

感觉最好的办法莫过于先来一个带限压的ZVS,东西调的差不多了再做高性能升压模块,免得自己升压模块还没做玩,整个炮就鸽了

WangGC(作者)
23楼
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引用:314152 发表于22 楼的内容:
感觉最好的办法莫过于先来一个带限压的ZVS,东西调的差不多了再做高性能升压模块,免得自己升压模块还没.....

嗯谢谢,现在也是这个想法。

2019-4-17 21:26:22
24楼
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引用:WangGC 发表于21 楼的内容:
谢谢您的建议。不过我的设想是制作一件性能优秀的整机而不只是加速部分,现成能够达到此功率的高效率升压模.....

嗯嗯,电容升压电路我原来也专门做过,然后做过一些商品化的模块。

总结的一些小小经验是:

ZVS是最简单而且鲁棒性比较强的充电器,在普通ZVS输出串联电容限流就可以对大电容安全充电。

但是缺点是效率低,

反激驱动的特点是续流电流仅与平均输入功率有关,也就是说与负载无关,电感在OFF周期是一个恒流源的作用,

这个特性对于电容来说,Q=CU关系中,可以让电容电压恒速上升,并且没有普通电容充电在低压段损耗巨大的现象。

我就用UC3843做过,这个效率很高,而且可以实现电压闭环,但是功率密度感人,

后来我发现了LT3751这款芯片,这款芯片有一个官方1200W的DEMOkit,而且体积还没有半个巴掌大。

它的特点就是让反激变压器工作在BCM(临界模式)下,这种模式可以压榨磁芯极限功率。

如果说CCM和DCM的缺点分别是单位功率小和峰值损耗大,那么BCM就是中间的黄金比例。能够让磁芯工作在磁饱和与完全复位的状态,

一个EFD30磁芯,可以输出KW级别的功率,2-3秒可以充满12000uF 450V电容,具体的电路原理和PCB Gerber作者有更新。

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芯片比较贵,淘宝上样片价格23元左右,

lt3751.pdf636k6次下载

 资料非常清楚,芯片的功能一应俱全,对与轻重载,放电,环路稳定和布线参考都很详细,可以直接参考。

我曾经觉得价格高,用EPM240和两个电压比较器仿制过这个方案,虽然效果可以实现,但是成本远远超出了,所以我觉得还是很值。

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以上是板子的外观,

http://polakiumengineering.com/1200w-flyback-driven-capacitor-charger/作者的website,里面有介绍和原理图。

 

 

25楼
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引用:rb-sama 发表于24 楼的内容:
嗯嗯,电容升压电路我原来也专门做过,然后做过一些商品化的模块。总结的一些小小经验是:ZVS是最简单而.....

“BCM就是中间的黄金比例“这里,是有相应的理论推导证明BCM是最优的?还是说根据经验估计的?

26楼
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引用:三水合番 发表于25 楼的内容:
“BCM就是中间的黄金比例“这里,是有相应的理论推导证明BCM是最优的?还是说根据经验估计的?

问你个问题,反激电流包线乘时间乘电压是个什么量纲?

WangGC(作者)
27楼
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引用:rb-sama 发表于24 楼的内容:
嗯嗯,电容升压电路我原来也专门做过,然后做过一些商品化的模块。总结的一些小小经验是:ZVS是最简单而.....

感谢B君推荐。看来我对于反激变换器的印象还停留在上世纪90年代...不知道这个高功率密度方案的器件温度会不会有问题,我会做一下实验。

28楼
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引用:rb-sama 发表于26 楼的内容:
问你个问题,反激电流包线乘时间乘电压是个什么量纲?

焦耳?好吧,我随口胡诌的。

~拿红包~

1.88个kcb

[修改于 21 小时前 - 2019-04-18 08:26:59]

29楼
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引用:WangGC 发表于27 楼的内容:
感谢B君推荐。看来我对于反激变换器的印象还停留在上世纪90年代...不知道这个高功率密度方案的器件温.....

看这个DEMO完全没有散热片,连续工作肯定要加上的。

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这个变压器我考察过,是线艺coilcraft的GA3460-BL,这个变压器的饱和电流能达到50A,电感量为2.5uH。

我还用铜带绕过这个变压器,实际做出来EDF25的磁芯,只能测出40A左右的饱和电流,漏感也比较大,工艺上其实已经很注意了。

好在淘宝上一个102元,可以直接拿来用,只要不超过功率,磁损和铜损是没问题的。

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这样计算,一个周期就能transfer 0.003125Joule的能量,5.208uS就能上升到饱和,

如果按24V到450V 10:1变比计算,大约为2.5uS左右下降时间,在1S时间内计算出来就是405.8W的功率。

当然这是均衡状态,如果满功率运行,能出600W功率,不符合1200W的定义,计算方法是按电感能量公式推导的。

注意到这个帖子的作者是740W功率实测,考虑参数离散 Lm 2.25uH,和铜损、磁损带来的能量损耗,偏差其实也不是很大。

姑且认为他的测试数据是可信的把。

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十步芳草
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