基于Ansoft Maxwell 16.0的磁阻型电磁发射器仿真(3)
沧浪
ArcticFox Union,北京
Canglang 2020-4-6原创 物理电磁炮
中文摘要
从线圈炮原理到Ansoft Maxwell16.0线圈炮仿真
关键词
电磁炮

1磁阻型电磁发射器原理

1.1等效磁荷观点计算无限长载流直导线螺线管的磁场

     螺线管.PNG

1.2虚位移法计算电磁力

      在通电后螺线管的两端会有磁荷分布,而如果此时在线圈同轴处放上铁磁性物质,铁磁性物质里的磁畴就会被磁化,等效    出两端存在磁荷,再根据磁荷的库仑定律便可以求出磁力大小。但是电磁力一般不这样计算,而是有如下三种方法:洛伦兹法、虚位移法和麦克斯韦张量法。Ansoft Maxwell软件提供了洛伦兹法和虚位移法两种方法,前者适合载流导体,后者适合非载流导体。由虚位移法可以得出弹丸受到的吸引力在空间上的积累就是磁场能量的减小量,磁场能量的变化量对某一方向的偏导数就是该方向的受力。由于铁磁性物质磁导率远远大于空气,在相同的磁感应强度下磁场强度更大,因此弹丸每往中心靠一点磁场能量就会减小一点,因此弹丸收到的永远是吸引力。而随着磁场强度的增大,弹丸导磁率便会降低,弹丸所能吞噬的磁场能量便不能继续增大,因此限制了弹丸的磁力大小,所以要想高加速度则需要依靠互感。此外根据法拉第的观点也可以求出电磁铁的吸力,他认为磁感线在轴向上有扩张趋势,因此铁磁性物质会受到吸引力,吸引力大小为0.5BH。

1.3磁路法计算磁感应强度

     为了使较小的励磁电流产生较大的磁通,在电机、变压器以及各种铁磁元件中常用磁性材料做成一定形状的铁心。铁心的磁导率比周围空气或者其他物质的磁导率高很多,因此磁通的绝大部分经过铁心形成闭合回路,这种人为造成的磁通路径被称为磁路。如图是最为简单的磁路。 1586107772935.png 1586107820414.png

以图示环形铁心磁路为例,设环形铁心上的线圈是密绕的而且绕得很均匀,从而使得沿铁心中心线产生的磁场各处大小相等,并且磁场强度的方向和铁心中心线的方向一致。

根据全电流定律,有


1586107803358.png





1586107803366.png

Φ= 1586107851437.png


变成为:Φ=F/Rm

式中:Rm是磁阻,是表示磁路对磁通具有阻碍作用的物理量。

F是磁动势,由它产生磁通Φ,F=IN。

Φ是磁通量,单位为韦伯。

最后化简公式在形式上与电路的欧姆定律相似,称为磁路欧姆定律,它对分析电磁元件的磁路、磁路和电路问的相互关系及运行特性等都具有较大的价值。

磁阻Rm与磁路的平均长度z成正比,与磁路的截面积S及构成磁路材料的磁导率口成反比,所以磁路磁阻的大小取决于磁路的几何尺寸和所采用材料的磁导率。磁路长度越长,截面积越小,磁阻就越大;材料的磁导率越大,磁阻越小。所以铁磁材料组成的磁路磁阻很小,即使是很小的气隙,由于其磁导率很小,其磁阻也很大。在电机的磁路中,电机气隙很小,但却是电机磁路磁阻最大的部分。值得注意的是铁磁材料的磁导率岸不是常数,所以由铁磁材料构成的磁路,其磁阻也不是常数,而是随磁路中磁通密度的大小而变化,即铁磁材料的磁路具有非线性。

当弹丸中心与线圈中心共面时有最小的磁阻,如图所示为永磁体仿真图: 永磁体.PNG 永磁体2.PNG

持续更新中……

附上几张仿真图和仿真动画供大家验证上述理论(因为目前正在验证仿真结果和优化仿真剖分网格,仿真文件还不够成熟有一定的误差,所           以暂不公布源文件以免误导大家,你如果非常想要请私聊):

未加导磁铁轭.PNG 弹丸V-t图像

磁力.PNG 弹丸F-t图像


外电路.PNG 外电路图像

‎磁场能量变化 


‎磁感应强度大小变化


‎磁力线变化







     

+0.5  科创币    三水合番   2020-04-06   加油
来自:高压与强磁 / 电磁炮数学物理 / 物理
8
2020-4-6 9:23:01
1楼

外电路没加续流二极管吗?

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2020-4-6 12:51:47
Canglang(作者)
2楼

外电路做了改动直接将二极管串联

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Canglang(作者)
3楼

可能有点灌水,主要是目前对磁阻型前途感觉暗淡。

[修改于 11 天前 - 2020-05-26 16:44:33]

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