使用T形铁芯的永磁增强轨道炮
潘永生
清水河电武 2020-9-23原创 电磁炮
中文摘要
使用铁芯和四块2x1x10cm的磁铁,在10x4x100mm的缝隙中,产生了峰值约1.2T的磁场。使用24V,0.128F的电解电容组供电,可控硅作为开关。可以将0.123g重的铝钉,加速至约60m/s,效率约1%。约50次发射后,轨道无明显烧蚀。
关键词
轨道炮永磁增强轨道炮

大概一年半前,我做了一个使用T形铁芯增强磁场的永磁增强轨道炮。本贴介绍一下它的大致结构,以及测试结果。先放一段视频



一、 简介

测试时各模块的连接方式和场地布置如下

  图1 整体照片.jpg

图 1 测试时的照片

整体方案简单地说就是:用电解电容组提供脉冲电流,用可控硅做开关,用钕磁铁+T形铁芯产生强磁场,用711铝钉做弹丸,用弹丸电流在磁场中受到的安培力加速弹丸;测量时,用示波器测量炮口电压,用录音法测速。

简要的测试结果为:

1. 出速:最高速度71m/s,平均59.73m/s(均方根值),详见下图

2. 动能:平均0.219J

3. 消耗电能:20.9J(0.128F电容从24V放电到15.8V)

4. 效率:平均1.05%

5. 总计进行了约50次发射,轨道没有明显烧蚀

  图2 出速测试结果.png

图 2 有记录的30次发射测到的出速

下面分别对各模块进行描述,并详细介绍其测试结果。

二、 磁场部分

磁场部分包括磁铁和T形铁芯,如下图。

  图3 磁场部分.jpg

图 3 轨道炮炮管(磁场部分)

仿真结果是,使用两块20×30mm的、剩磁1.12T的钕铁硼磁铁(牌号N35),可以在12mm宽、4mm厚的气隙中,产生约1.8T的磁感应强度,如下图。仿真模型见文末附件

  图4.png

图 4 使用磁铁和T形铁芯所产生的磁场,及磁力线

  图5.png

图 5 仿真的气隙磁感应强度-位置曲线(沿x轴扫描,气隙中心在15mm处)

实际加工中,T形铁芯的材质为A3钢,其含碳量在0.2%左右,大概相当于20钢,磁特性如下图,与纯铁没有显著差别。

  图6.png

图 6 A3钢的磁性能

铁芯是用10mm厚的钢板,用激光切割成小片叠在一起得到的。激光在切这种厚板时,切面会非常粗糙,像锉刀一样,如下图。好在仿真表明,这种凹凸不平,对气隙中的磁感应强度基本不会有影响。唯一的问题在于轨道支架的安装比较困难,需要拿小锤敲进去。

  图7.jpg

图 7 装配中的磁场部分,可以看到铁芯上粗糙的切面

这里使用的钕铁硼磁铁,厂家宣称的牌号是N38,比仿真使用的磁铁性能还要稍微好一点。然而实际买到的磁铁是假的,剩磁大概只有0.8T。导致实测的气隙磁感应强度比仿真的弱得多,只有大约1.2T,如下图(参考这篇帖子“求助:永磁+铁芯实际产生的磁场……”)

  图8 实测的气隙磁感应强度.jpg

图 8 实测的气隙磁感应强度

除了磁感应强度未达标以外,本作品中的磁场部分还有一个比较尴尬的问题是——太重了。由于在设计时对铁的密度缺乏概念,没有考虑过重量的问题,以至于磁场部分的总重量大大超出了预期,达到了2~3kg。

三、 轨道部分

本小节介绍轨道和轨道支架,这个部分用来向弹丸传递电流,并为弹丸提供导向。

轨道支架使用3D打印件,加两块0.5mm厚的FR4板制成,如下图

  图9 轨道支架.jpg

图 9 轨道支架  左:零件状态;右:装配状态 

3D打印部分的模型见文末附件。支架的装配没有使用螺钉、胶水等“牢固”的固定方式,仅靠零件间天然的摩擦力,来维持大概形状。在约50次发射后,支架的FR4板上出现了一些划痕,位置在轨道和弹丸相接触的边缘,在上图中可以隐约看到。

轨道使用的是一对2×6mm的矩形紫铜条,长十余cm,炮膛的一端接电容组,炮口的一端略微伸出,用来测量炮口电压。铜条本来是弯的,后来经过手掰、锤子敲等操作变成了直的。不过手工操作精度不佳,两根轨道的平行度并不是很好,从照片上看大概有0.3mm的缝隙,如下图

  图10.jpg

图 10 轨道和轨道之间的缝隙

在约50次发射后,轨道和弹丸的接触面上附着上了一些铝,弹丸初始位置处的铝较多,没有显著的烧蚀,如下图

  图11.png

图 11 约50次发射后的轨道表面情况  上:整体照片;左下:弹丸起始处;右下:轨道中部 

轨道上较深的划痕,不是发射导致的,而是来自于“用锤子把轨道敲直”的操作。受机械加工条件的限制,轨道是用热熔胶粘在轨道支架上的,具体的操作是:把两根轨道放入支架,在两根轨道之间放入两个弹丸来确定轨道间距,然后在轨道两端伸出轨道支架的地方点上热熔胶。注意此时轨道只有两端是受热熔胶支撑的,中间全部是悬空的。

由于轨道本身的平行度就较差,同时支撑做的也不好,导致轨道和弹丸的电接触并不良好,会出现某些时候接触不上的情况,如下图

  图12.png

图 12 炮口电压波形


四、 弹丸

弹丸使用的是“711铝钉”,如下图 

  图13.JPG

图 13 711铝钉

原本是用在超市的铝钉扎口机上,用来给塑料袋封口的。由于这种铝钉的用量非常的大,所以它的价格十分便宜,目前(2019年)的价格大约是一盒2000个一共6元。同时,用在扎口机上时,人们显然希望铝钉尽可能的软且富有延展性。所以这种铝钉的材质为纯铝,具有良好的导电性和电接触性能。而且纯铝的屈服强度,要比纯铜更低,基本不会对轨道造成机械磨损。非常适合用作轨道炮弹丸。

这种铝钉的实测平均重量为0.123g,尺寸如下图

  图14 711铝钉尺寸.png

图 14 711铝钉的尺寸

发射时,铝钉的开口朝向炮尾,这种做法可以利用电磁力提供接触力。

本文中的轨道炮可以把铝钉加速到60m/s左右的出速,而在测量速度时,由于铝钉的尺寸太小,我这的光电测速器检测不到它,所以这里的出速是用“录音法”测量的,具体的做法参考这篇帖子中的内容“一个永磁增强轨道炮

一个典型的声音波形如下图,录音文件在文末的附件中。

  图15.png

图 15 录音测速得到的声音波形

上图中弹丸离开炮口时的声音出现在26.333s,弹丸击中目标时的声音出现在26.350s,时间间隔Δt为17ms;炮口和目标的距离l为1.0m;声速取340m/s,据此可以算出弹丸出速为71m/s。

由于铝钉的质量小、动能低,同时铝的材质较软,所以穿透力很弱,甚至无法击穿一个铝易拉罐,只能在上面留下一个痕迹。如下图

  图16.jpg

图 16 射击铝易拉罐时的效果

发射过的铝钉,会由于撞击目标而产生一些变形,如下图

  图17.jpg

图 17 发射后回收到的铝钉

除此以外,铝钉上也会因为和轨道之间的载流摩擦而产生一些烧蚀,不过程度很轻。其中最轻微的几乎无法察觉,而比较明显的如下图

  图18.jpg

图 18 弹丸上的烧蚀情况

五、 电容组和开关

所使用的电容组和开关如下图

  图19.JPG

图 19 电容组和开关

电容组使用14个标称25V,10000uF的电解电容并联而成。单个电容的实测容量为9177uF,22.8mΩ,据此推算的总电容量为0.128F。电容组在发射前会被充电到24V。

根据图 12中所测到的炮口电压波形,发射时弹丸和轨道接触的总时间t为1.930ms。在此过程中,电容组的电压从24V降到了15.8V。因此,根据I=ΔU C/t ,发射时的平均电流就是544A。考虑到实际的电流不会是一个理想的平顶脉冲,而且依然存在一些没有良好接触的时间,所以实际峰值电流还要更大一些。

由于将电容并联起来的导线很细,如下图,所以实测的导线电阻最大甚至可以达到60mΩ左右,导致这个电容组的损耗相当的高。

  图20.JPG

图 20 各电容之间的连线非常的细

所使用的开关为可控硅,型号为70TPS12。开关直接焊在了电容组上。在经历了约50次发射后,开关的性能没有产生可观测的变化。它的主要问题在于损耗较高。其数据手册中给出的压降-电流曲线如下图

  图21.png

图 21 70TPS16导通压降-电流关系

可以看到,在我们所使用的500A级别电流下,它会产生3V左右的压降,这对于储能电压只有24V的系统来说,可以说是相当大了。


附件:

attachment icon 使用T形铁芯的永磁增强轨道炮.zip 2.23MB ZIP 37次下载


[修改于 4 个月前 - 2020-09-23 20:44:25]

+3  科创币    Ma3.02的守望   2020-09-23   首个数据详尽的轨道炮
来自:电气武器 / 电磁炮
 
13
Ma3.02的守望
3个月27天前
1楼

大概是本版首个数据详尽的轨道炮。

炮膛压降波形、电枢&轨道烧蚀情况对将来的作品具有参考价值。


之前做过一点T形铁芯的静磁场仿真,因为炮膛部分几乎是全部气隙,所以炮膛上下部分的铁芯距离对电枢位置的磁感应强度影响很大。比如气隙间距从4mm增加到8mm,磁感应强度大约减半。比如图片里这样。

全轭铁_20kA_2.1T.png


所以这种结构想要取得较好效果,电枢需要比较薄,正好和这个铝钉形成搭配。 sticker



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desert
3个月26天前
2楼

借用某群的一句话:

“订书钉实名制的奠基人”

sticker

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coulson21
3个月26天前
3楼

70tps16能顶到500A?

可控硅瞬时过流能力也太顶了

可以用二手氮化硅mos降低开关阻抗,提高点成本

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孕期歇斯底里症
3个月26天前
4楼

看这id和场地,校友啊😂

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OliverKung
3个月25天前
5楼
引用coulson21发表于3楼的内容
70tps16能顶到500A?可控硅瞬时过流能力也太顶了可以用二手氮化硅mos降低开关阻抗,提高点成...

氮化硅是啥黑科技玩意😂

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coulson21
3个月25天前
6楼
引用OliverKung发表于5楼的内容
氮化硅是啥黑科技玩意😂

碳化硅23333,口误口误

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二茂铁
3个月24天前
7楼
引用coulson21发表于3楼的内容
70tps16能顶到500A?可控硅瞬时过流能力也太顶了可以用二手氮化硅mos降低开关阻抗,提高点成...

70tps16的瞬时可以到1400A

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想做个DR
3个月24天前
8楼

大佬好,请问用电磁铁代替永磁体是否可行?(可不可以把电枢与电磁铁串联,产生瞬间强磁) sticker

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三水合番
3个月24天前
9楼
引用想做个DR发表于8楼的内容
大佬好,请问用电磁铁代替永磁体是否可行?(可不可以把电枢与电磁铁串联,产生瞬间强磁)

可以,最常见的轨道炮就是这么干的……


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月下孤狼
3个月23天前
10楼

给出详细的仿真数据,加工过程以及实测波形,赞一个!

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月下孤狼
3个月22天前
11楼

铁芯是用10mm厚的钢板,用激光切割成小片叠在一起得到的。”业余条件制作铁芯是一个难点,使用纯铁结合通用机械加工的方法有没有评估过?因为考虑到业余条件受限,激光切割也是需要一定加工费用,而且还有表面粗糙的问题。使用一整块纯铁直接切削成铁芯在如今的机械加工条件下也许可以实现更好的平整度?

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三水合番
3个月22天前
12楼
引用月下孤狼发表于11楼的内容
“铁芯是用10mm厚的钢板,用激光切割成小片叠在一起得到的。”业余条件制作铁芯是一个难点,使用纯铁结...

当初用激光切割,就是因为激光切割更便宜……这一批总共是220块钱包邮。

直接铣的话,肯定会平整一些。


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月下孤狼
3个月21天前 修改于 3个月21天前
14楼

期待有更长加速距离的实测,随着速度的提高感应电动势也在提高,1cm炮弹在约1T 气隙里面,100m/s对应的感应电动势约1V,在数毫秒的时间量级上如导轨,连接线以及电容的自电感可以忽略,应该可以认为电容电压基本都加在感应电动势和回路损耗电阻上,效率应该可以近似写成 BLV/Vin, Vin为电源电压,所以加长加速距离应该能真正把导轨炮的优势发挥出来。

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月下孤狼
3个月21天前
15楼
引用三水合番发表于12楼的内容
当初用激光切割,就是因为激光切割更便宜……这一批总共是220块钱包邮。直接铣的话,肯定会平整一些。

一批是多少? 几十片?如果只是楼主帖子发的所示装置用到的钢片数目的话,还是比较贵了。之前我有考虑过直接用两片钕磁铁对吸,外磁路用三片钕磁铁垫起来(即三片钕磁铁叠起来厚度 = 两片钕磁铁 + air gap),然后简单粗暴用平的铁板一类的东西构成闭合磁路,磁动势是五片永磁体叠加,虽然磁铁看上去比较贵但是相对定做铁芯还是比较便宜的。。。

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3DA502
3个月21天前
16楼

如果用软铁块,可以考虑买套锯和锉刀,pdd上的就能用


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想做个DR
3个月21天前
17楼
引用三水合番发表于9楼的内容
可以,最常见的轨道炮就是这么干的……

大佬,是否可以将电磁铁磁场与永磁铁磁场叠加,使其在小储能有较高效率?


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三水合番
3个月21天前
18楼
引用月下孤狼发表于14楼的内容
期待有更长加速距离的实测,随着速度的提高感应电动势也在提高,1cm炮弹在约1T 气隙里面,100m/...

是的,更长的加速距离确实可以提高效率。不过对于这个结构来说,组装会比较困难。因为同一侧的磁铁是同极性安装的,相互之间是斥力,所以不能用这种分片的铁芯了,得用整块的钢板。组装的时候,要把大块的磁铁吸到整块的钢板上,可能会比较危险……得仔细设计一下安装方式。

激光切割的一批就是顶楼里那些铁芯,再多个两三块吧。比整块钢板铣便宜多了……那种动不动报价大几百甚至一两千……


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三水合番
3个月21天前 修改于 3个月21天前
19楼
引用想做个DR发表于17楼的内容
大佬,是否可以将电磁铁磁场与永磁铁磁场叠加,使其在小储能有较高效率?

小储能的时候,电磁铁的磁场几乎可以忽略的。举个例子,要在10mm宽的轨道间,用线圈产生和顶楼一样的1.2T的磁场,至少需要15kA匝的电流。而顶楼的平均电流才500多A。


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13608015875
7天19小时前
20楼


大佬,我有个小小的疑问,就是可不可以直接把磁铁放到导轨的下面或者上面又或者上下都放就不用铁芯了?

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草虫
6天20小时前
21楼
引用13608015875发表于20楼的内容
大佬,我有个小小的疑问,就是可不可以直接把磁铁放到导轨的下面或者上面又或者上下都放就不用铁芯了?

可以,但是性能会下降

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鹰头猫
3天19小时前
22楼

请问这种测速方法,在电容电压高,储能较大的情况也适用吗?例如闪光灯电容器组(发射时炮口可能有电弧爆鸣)


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清水河电武作者
3天6小时前
23楼
引用鹰头猫发表于22楼的内容
请问这种测速方法,在电容电压高,储能较大的情况也适用吗?例如闪光灯电容器组(发射时炮口可能有电弧爆鸣...

炮口有爆鸣是好事……毕竟波形上的特征能更明显

储能大的话,出速应该会比较高吧,那样发射和击中目标的声音可能会重叠在一起,可能需要把目标放在更远的地方。

当然还是推荐用其他办法,比如光电和多普勒这种。录音测速不管是精度还是可信程度都不是很好,只能说是“比没有强”

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鹰头猫
19小时31分钟前
24楼

铝钉和轨道间的接触可靠吗,接触电阻能否测出来,或者这个接触电阻是不是可以忽略不计?

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