军事防务电磁炮
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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6066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3-6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 3 个月前 - 2018-11-01 18:27:04]

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
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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yy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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然后问题还是难控制精准的时序

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 - 2018-11-01 18:41:31]

5楼
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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

这几天把驱动IGBT的正负压隔离电源做出来了,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]

 

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十步芳草
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