摘录:磁阻式电磁炮(磁阻炮、高斯枪)的设计流程

如何从零开始设计并动手制作一把实验用的磁阻炮?许多朋友面对这个问题的时候,对“设计模式”还毫无了解,不知道应该依托什么样的流程来设计,各部分如何进行组合、参数取舍。这篇文章摘自《你好,电磁炮》的第三章第一节(略有改动),介绍了一种比较浅显,容易入门的流程。

需要指出,从入门开始,就拣网上公布的方案来仿制,尽管有助于快速收获成功的喜悦,但总体来说容易形成吃快餐的习惯。如果长期这样,就可能影响正向设计的主动性,是得不偿失的。如果需要体验一下制作,不妨用一截锂电池、一卷漆包线、一截铁钉来体验,总共只需要这三个东西,通过体验来确定是不是要正式开始。在正式开始之前,建议低年级同学学习高中物理的电磁学部分,职高同学完整的学完电工学,大学同学熟悉大学物理的电磁学分册,并学习《电机学》中的相应内容。

attachment icon 数理化自学丛书 物理 第2版 第3册.pdf 15.31MB PDF 101次下载 预览

正文

便携式磁阻炮的主要组成部分通常包括电池、电容充电电源(Capacitor Charging Power Supply,CCPS)、储能电容、线圈、脉冲功率开关、机械结构(如外壳和供弹装置),以及相应的传感和控制部分,如图3.1所示。当然,不同方案的组成部分可能有很大区别,如果选择背负一台发电机,那就不需要电池和CCPS了。

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图 3.1是一个典型的磁阻炮的原理框图,蓝线表示几伏到十几伏的低电压,红线表示几百伏的高电压,绿线表示机械运动和其产生的力。

每次发射前,电池提供的电能经CCPS变换,输送到电容中储存起来。发射时,脉冲功率开关接通,电容中的电能迅速传递给线圈,使线圈产生磁场,从而加速弹丸。一般来讲,射速和续航取决于电池和CCPS,而每一发子弹的动能、初速和效率由储能电容、线圈、开关和控制决定。

总体设计

在具体着手设计时,图3.1 中的每个部分都有很多参数可以修改,为我们提供了丰富的自由度。以最简单的单级可控硅无关断磁阻炮为例,它的功率回路电路图3.2所示。

2.png

这里共有四个元件:储能电容,线圈,开关和续流二极管。常被考虑到的电学参数有:电容容量、耐压、内阻;线圈的电感、电阻值;开关和二极管的耐压、耐流、损耗。机械参数有:电容的尺寸重量;线圈的内径、外径、长度和匝数。

不过,设计的自由度太高也容易让人无所适从。经验上讲,普通人最多只能同时调整3~5个参数。而仅仅一个最简单的单级磁阻炮,就有十几个参数可以调整,大大超过了人力所能达到的范围,“两眼一抹黑”的上手设计没法得到令人满意的结果,所以需要一套“设计流程”。下面给出一种适用于大多数人的流程。

1. 在正式开始设计之前,我们要想办法把需要考虑的参数减少。为此首先要明确需求,比如要做的这个电磁炮的初速、动能是多少?尺寸和质量有多大?用多高的电压?工期和资金有多少?

定需求的时候切忌好高骛远。经验上讲,一个业余项目,如果让人感到“难度刚好匹配自己的能力”,那大概率会因为各种意料之外的问题导致失败。只有那种“这东西我三天就能做出来”的项目,才会在大半个月的磕磕碰碰中最终完工。

明确需求可以大幅度减小参数的可选范围。比如随书套件,需要避免高压危险,所以储能电容的工作电压只有150V;需要单手拿得舒服,所以级数不能多,电容的储能也不能太大。

同时要考虑所需的物料是否能买得到,是否能制作出来。比如现有的标准件规格有限,就买不到“5.678mm直径的弹丸”,设计的时候要充分考虑这一点。

2. 具体的参数计算一般从弹丸开始,先根据初速和动能需求算出弹丸质量。再按照“能买到”的标准,从现有的标准件中挑一个,挑的时候要注意弹丸的形状和材质,具体会在3.4和5.5节进行介绍。挑完弹丸后,还要挑一根和弹丸形状相匹配的炮管,具体会在6.1节介绍。

3. 根据“储能=动能×效率”,估算所需的电容储能。一般来讲,可控硅无关断方案的效率可以按3%来估算,有关断没有能量回收的可以按5~10%估算,带能量回收的可以按10~20%估算,各种方案的详细介绍将会在第4章进行。再估算电容的尺寸和质量,看看能否接受。对于电解电容,按“每焦耳两克、一立方厘米大”来估计。如果电容的尺寸质量过大或过小,则需要放弃一些不切实际的需求,从头再来。然后考虑电容的耐压,和各级的电容分配,具体的会在3.2节进行介绍。

4. 设计各级线圈。线圈的内径等于之前选定的炮管外径加一定的余量。由于线圈的长度、外径、匝数、线径等参数,都对加速效果有影响,而且改变其中任意一个,都会影响其他参数的最优取值,所以只能同时优化才能得到最优解。这种优化难度较高,需要使用相应的优化算法。很多仿真软件都有自带的优化功能,比如Ansys Maxwell有自带的牛顿法、遗传算法等。当然,规模不大且要求不高时,也可以根据经验,手动调整。

由于线圈的磁场没有初等函数形式的解析解,所以我们没法通过比如“纸笔手算”或者用“普通计算器”精确的求出线圈的自感、互感以及对弹丸产生的电磁力。基本只能用相应的仿真软件(比如Ansys Maxwell)进行设计,这些软件的具体使用方法超出了本书的讨论范围,需要大家自行查阅。在3.2节,我们介绍了一些设计线圈需要了解的理论。对于简单快速的估算,本书在6.2节提供了查表法计算线圈电感的方法。

5. 考虑开关元件。关于开关的选择,会在3.4节进行详细介绍。此外,我们还需要对开关进行控制,这部分内容较为宏大,会在第5章展开。

6. 考虑电池和CCPS,对于“单次发射”的应用,只需要考虑CCPS的输出电压。“连发”的应用,还需要考虑电池和CCPS的输出功率,具体会在3.3节进行介绍。

7. 连发还需要相应的机械结构,即自动机构和供弹具;同时长时间连续发射会产生大量的热,有必要进行散热设计。这些内容会在第6章进行介绍。

8. 最后还需要做适当的机械结构和美观的外壳,把所有这些东西安装稳固。

具体操作时,应当首先非常粗略且迅速的沿着设计流程走一遍,确定各个部分都是“可实现的”,并给每个部分都定下大概的性能、体积、重量、成本等要求,再逐项进行细致的的设计。随着设计的进行,我们通常会发现一些相互矛盾的地方。这往往需要按设计流程往回退几步,甚至直接退回到“明确需求”的地方,不断重复“设计—修改—再设计”的流程,直到迭代出令人满意的作品。当然,具体的设计流程非常灵活,没有普适的方法,很多时候按其他的顺序进行设计也是可行的。

为了更生动地展示这种设计流程,本书在3.6节提供了一个设计实例供大家参考。

相关链接

ZVS原理 https://www.kechuang.org/t/83587 

磁阻炮模拟器 https://www.kechuang.org/t/83783 

线圈选型工具 https://www.kechuang.org/t/84939 

[修改于 2 个月前 - 2020-02-06 02:10:54]

来自:高压与强磁 / 电磁炮
7
2020-2-6 5:31:58
1楼

虎哥厉害!我过两天是不是照葫芦画瓢出一个火箭的?

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2020-2-6 14:59:50
2楼
引用154454496发表于1楼的内容
虎哥厉害!我过两天是不是照葫芦画瓢出一个火箭的?

我之前就有类似的想法,想等到我知识储备和实践经验足够时出一套《业余航天学》“教材”,你可以先以文章的形式写一点简单的方面(比如KNSB之类的)

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2005/08/24注册,2 小时前活动

刘 虎

创新工程局主席

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