TK11 双路boost回收式电磁炮(效率超19%)
托卡马克2022/03/19原创 电磁炮

(这个结构我也不知道该叫什么名字,但由于其电路结构类似boost的级联,并做到了能量回收的效果,暂命名为boost回收式)

        做了半桥回收的电炮后,我一直在想方法对电路进行改进,首先试着用斩波续流来控制工作电流。进行了电路验证就开始实物制作了,由于设计的跨度有点大,最后出现了无法修复的损坏最后不了了之了。

HPQ[4PIV]M@HSV)8F_WBLNP.png IMG_20220319_133124.jpg


又在半桥的基础上yy了很多电路,如节省半桥数量的半桥级联,能够用n+1个管子控制n级。

0WIZ`LDL7CAOXUHNZ5MM(1Q.png

又如将续流回路对后级进行回收,起初目的是为了提高整体能量利用率,后来发现这样可以加快回收速度。

KGZSQ4(@L1@5XEOUSNE6BAY.png


省略上管就是boost回收电路,boost回收的电路结构是类似boost的串级的形式,开关管导通,电流导通吸引铁芯;开关管断开,电感中电流通过二极管对下一级电容充电。电容电压是逐级升高的。回收效率随着电容电压的增加而增加,后级的高电压会使得电流更快的下降(比传统的半桥更快)

JMS[2RN{YC6UZ8SEQ~Y0827.png

在贴吧看到欧阳鑫的九级时序电磁炮用的是这种结构,效率做到了16%。眼馋作品小体积和高效率,于是也产生了研制boost回收的想法。但常用模拟器中的半桥拓扑设计线圈根本达不到帖子中描述的效果。我想一定是半桥的回收速度慢导致为了防止反拉关断时间需要提前,减少了电容储能的释放,而减少匝数又会导致超过igbt的耐流。这也不得不承认在多电容磁阻炮中半桥并不是最好的回收方案。或许在单个大电容或者低压领域半桥回收会更有优势。


为了更好仿真计算,使用ansoft maxwell进行仿真,先在模拟器中计算好了线圈参数,再用maxwell计算。在外部激励上用纯时序方式做多级触发仿真。


仿真中发现几个问题与解决


问题1:如果只用一路boost的话,后级电感续流时,有一小部分电流也会在前级线圈上产生,造成反拉。另外紧密连续加速时,在前级回收过程中开通下一级也会导致回收速度减慢造成反拉。

解决方法:两路boost交替的方式,单数级和偶数级各成一路,这样即使前级有续流电流也不会对铁芯造成反拉。两路最终对同一电容进行回收


问题2:后级的回收电压越来越高超出极限耐压

解决方法:以400v作为初始电压,倒数两级用450v电容,最末级耐压500v电容。容量大小依靠仿真来计算确定在230uf左右。

IMG_20220319_135843.jpg


问题3:最后一级电容的电如何释放。看欧阳鑫是用来驱动电磁铁供弹,我的供弹设计是用舵机。如果用半桥回收做最后级需要两个管子和比较复杂的电路,而且零压关断工作在电压如此高的情况下能否稳定工作还未知。

解决方法:起初设计的是用来驱动闪光灯,做到发射时候带闪光的效果。做了闪光灯来测试,发现对眼睛不太友好。但是电容余压也是能量不想浪费掉,能否将其利用一下。想到boost拓扑能做炮,那buck也可以,所以设计将最后一级电容用buck电路的方式回收到已放电的前级。要考虑对哪级回收的问题,如果第一级,相当于要对所有的电容组充电。电流下降的并不够快。根据仿真,对最后级回收电容电压上升的快,回收速度快,电流下降的也快不会反拉,所以将第十一级的电回收到第九级。


仿真使用的外部激励如图:

[EKO2EUHS0XA1GBD02DG{DE.png

仿真的结果如下:

tk11.gif

速度时间曲线:

REI96K`482~Q47)HF1KPTRI.png

受力时间曲线

JIDY8ATVWO22OG)[5ZG0LGO.png

以上就基本确定的整个的仿真结果,由于仿真时手上也没有电容之类的材料,只估测出大概的电容容量。最终在手头没有任何材料的情况下计算出了发射器的设计指标:

十一级发射,加速长度20cm,管子直径13mm,发射12*20mm定位销重17.6g

预期390v时加速到73m/s,410v速度超过77m/s


用Altium designer绘制电路板,电路板分为主控,光电,功率板,升压


光电

由于经历了仿真的调时序,我深知调时序的困难,所以设计时决定将每级都用光电触发。光电需要做的很薄。一度考虑使用光纤之类的进行导光。但经历了前几个项目,我也知道这样安装起来会十分麻烦。

最后光电设计成挡板,由三层pcb叠板。还能提供一定的强度。电路用的393比较器方案,光电管选用1204的贴片光电,因为背面会接触线圈,走线需要保证在单面。这也导致布线时出现回路,产生了干扰信号。

VID_20220306_213113.mp4 点击下载

本来设计板间用铜柱供电,以提升线圈强度,结果发现安装难度太大,最后还是用了硅胶线连接。

JK7W5Y[BLWL$7W8$P78IGCT.png

主控:

确定了基本的方向开始绘制原理图。stm32置于中央,所有io口都用上了。使用tlp350带负压关断驱动auirgps4067d1。栅极驱动波形如图

IMG_20220319_142153.jpg

正20v由XL6019电路产生。-5由负压模块提供。第十一级buck回收的用的隔离模块提供正20负4的悬浮电压。两路adc用三极管偏置分压检测电池和电容电压,并显示在oled上。 32GVA(`{SS8TYM_WMN33ZB1.png


功率板

电容采用的是黑金刚400v450v的kxj系列和500v的w系列,1khz下实测下两系列的品质因数在8和6.5以上,可以说是非常低阻了。比较巧合的是这三种电容的体积规格是一样的。整机总电容容量实测为3667uf。电容分配为第一级单个400v,第二到第八每级两个400v并联,第九第十每级两个450v并联,第十一级三个500v并联。

IMG_20220319_141104.jpg

电容侧卧排布以减少整机高度,电路板走线镀锡,通过铜柱与主控板相连。续流用的是两个RS5M贴片二极管并联。

RBS(00})CZ)3E7V1AL1OJTI.png

升压还是以前的老方案,光耦驱动mos控制zvs工作

整体电路如下,画板时会有些修改

(LLS6DHJJ7CKYVDM8PCS(1A.png


制作与测试

部分制作视频见XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/video/BV1Wb4y1s74J

焊接所有电路板,绕制线圈。线圈电感实测与模拟器计算基本一致。主体长度24cm宽5.5cm高7.5cm

IMG_20220319_141412.jpg

焊接完成后进行组装测试。发射逻辑是光电给触发信号,单片机开通当前一级关闭上一级线圈。

一开始低压测试没有问题,电压能在240v的时候效率突破20%速度接近50m/s。但电压充到300v以上发射效果反而不好。有几级甚至没有放电。后来找到了问题所在:线圈开通产生的感应电流会对后级的光电造成干扰(黄色波上的毛刺)。这个也很好解决,用代码延时跳过检测这段干扰。

IMG_20220319_141530.jpg

程序完成后400v测试,速度突破74m/s;408v测试,速度超过77m/s效率19.3%。测试结果甚至超出了仿真的效果,由于对测速数据产生怀疑,我又购置了一台测速器做验证,测出来的结果与之前无异。可能是因为仿真的网格划分和步长还不够细所以仿真的效果偏低。


VID_20220313_113147.mp4 点击下载



IMG_20220319_141623.jpg

-585bae667506c064.png


VID_20220314_171424.mp4 点击下载



这次使用光电的方案时,为了减少线圈的长度,使用了一种奇技淫巧的方案,在弹丸前增加一段用于遮光不导磁的尼龙垫片提前触发光电。这样使用光电配合舵机供弹能产生比较稳定速度的效果。

IMG_20220319_141956.jpg IMG_20220319_142057.jpg

但是后来这里用纯光电门的方案也出现了问题,由于过于强大的后座力。在发射了一百发后部分光电与管子产生了位移导致了光电的失效。于是,我将maxwell中时序控制的数据直接用上,也能达到与之前相同的效果。如果大家准备用光电门的一定要做好固定


简单的设计了外壳并安装,建模使用fusion360,整机长度40cm,枪托塞入了一个3s 5200mah 40c的电池。外壳制作视频见XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/video/BV11R4y1F7Tj

动画 v1.mp4 点击下载

与前作对比

IMG_20220319_142933.jpg

经过校准,可能是长径比低的原因。翻滚对弹道的影响不是很大,在大约25m的距离上散步半径5cm。射击了30m外的一棵树效果如图,黑色的部分是嵌入进去的塑料垫片。其他的一些威力就不发了,根据动能大概也能才想到效果

IMG_20220319_142311.jpg

连发测试,由于储能不到300j,所以连发可以做到两秒一发。最大速度超过80m/s动能58j VID_20220317_100537.mp4 点击下载

IMG_20220319_142057.jpg

IMG_20220319_145204.jpg


这个作品还有一些不足之处,但对我目前来说已经挺极限了,投入的研发成本大概快一千,从设计到制作花近了一个半月,为了达到预期的实验效果尽可能把每一步都做的与设计相仿,在这之中我投入了很多,也获得了令我满意的效果。有人说把一个原本简单的东西复杂化是没有必要的,但可能这就是我对这个爱好的一种追求——尽自己努力把它做到力所能及的极致。

[修改于 3个月12天前 - 2022/03/19 22:18:32]

+1.53  科创币    创世实验室    2022/06/26 佩服
+1  学术分    虎哥    2022/03/20 电路设计简洁(不过总电路图几乎看不清楚,建议上一张一级的局部高清图),已形成较为完善的设计模式,仿真的效果也不错。
来自:物理高能技术 / 电磁炮动手实践:实验报导
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托卡马克 作者
1个月21天前
39楼

新迭代了一款tk18,主体电路类似,取消了光电门做成了18级,时序直接使用的仿真数据,效果还算接近仿真。416v测试,17.26g速度101.6m/s,效率接近23%

IMG_20220507_231059.jpg IMG_20220509_115650.jpg


VID_20220509_113245(0).mp4 点击下载

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托卡马克作者
2个月24天前
27楼

更新一下,现在用上了纯时序的方案。时序是直接使用的仿真结果,没有进行逐级调试。修复了之前光电方案导致的最后一级存在的反拉问题。纯时序方案可以不用尼龙遮光片。经过测试400v发射17.15g的定位销到80m/s左右,动能达到54j,即使不计算电容的剩余能量,效率也达到了18.8%。由于已经装壳,没法测到所有级数的余压,但根据以前的数据来推测整体效率应该超过了20%



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托卡马克作者
3个月10天前
16楼
引用10班陈大葱22号发表于15楼的内容
牛逼啊!不过maxwell仿真有点小疑问,我以前做振动台的时候仿过音圈电机,我记得按照10#钢的磁化...

我的仿真材料用的是Q235钢,从材料库的曲线看饱和能到2t,这与《常用钢材磁特性曲线速查手册》给的数据是基本一致的。

X4BN_[N_6S}]H]G2)}PE_TD.png

饱和不意味着B不在增加,只是增加速度变缓慢了,饱和后面的值是根据曲线拟合的。当然材料库的数据会有误差,但用文章中使用的拟合20#钢的式 308541.png 结合数据算一下,B值超过2.8T是没问题的。


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Discovery格兰特
3个月12天前
1楼

观摩观摩,大佬太强了,我也准备试试看

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Discovery格兰特
3个月12天前
2楼


楼主的线圈线径是0.8mm吗

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托卡马克作者
3个月12天前
3楼

第一级0.64后面都是0.77

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托卡马克作者
3个月12天前
4楼
引用Discovery格兰特发表于2楼的内容
楼主的线圈线径是0.8mm吗

第一级0.64后面都是0.77

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好吃不胖
3个月12天前
5楼

整个浏览下来真是个享受的过程啊,先打个卡再仔细看

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gugugu
3个月12天前
6楼

大佬,太强了!!!   就是想问下大佬 igbt的门极电阻应该选多少欧姆啊,以及为啥要并上一个二极管啊?


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gugugu
3个月12天前
7楼

最后的buck回收太精妙了,就是那张电路图有点模糊 有没有高清的啊?



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虎哥
3个月12天前
8楼

佩服楼主精神,每次都有很大进展。

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三水合番
3个月11天前
9楼

用模拟器中的半桥拓扑设计线圈根本达不到帖子中描述的效果。我想一定是半桥的回收速度慢……

这里我不太理解。因为半桥在关断的时候,线圈受到的是一倍电容电压的反压。而boost关断时,反压是“后一级电容电压减去前一级电容剩余电压”。这个反压显然小于一倍的电容电压,所以应该是boost关断更慢才对。

是不是因为你的半桥没有把所有电容并联起来,导致发射后电容电压下降太大了?

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托卡马克作者
3个月11天前
10楼

由于原图不清晰,我再上传一下总电路图

attachment icon TK11.pdf 1.33MB PDF 1095次下载 预览


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托卡马克作者
3个月11天前
11楼
引用三水合番发表于9楼的内容
常用模拟器中的半桥拓扑设计线圈根本达不到帖子中描述的效果。我想一定是半桥的回收速度慢……这里我不太理...

这个结论是根据上一版本的方案得出来的,单极单电容没有并联。因为是为了小型化所以会考虑到尽可能利用电容中的储能,所以也没有用大容量的电容,这样放电后的电压就很低了。所以我说或许在单个大电容或者低压领域半桥回收会更有优势。

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书呆子lhj
3个月11天前
12楼

我也很眼馋,要向大佬学习!

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Zhang_TTL
3个月11天前
13楼

视频发布到发帖不到一周,大佬突然勤快了起来,爷青回!

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weiwulun
3个月11天前
14楼

模仿上一个半桥的还没做好,大佬竟然更新了下一代。不开心

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10班陈大葱22号
3个月10天前
15楼

牛逼啊!

不过maxwell仿真有点小疑问,我以前做振动台的时候仿过音圈电机,我记得按照10#钢的磁化曲线,铁心最多也就只能到1.6T左右,看你的仿真gif里,蛋蛋内的磁感应强度已经超过了3个T,这样仿真结果会不会有比较大的误差?

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托卡马克作者
3个月10天前
16楼
引用10班陈大葱22号发表于15楼的内容
牛逼啊!不过maxwell仿真有点小疑问,我以前做振动台的时候仿过音圈电机,我记得按照10#钢的磁化...

我的仿真材料用的是Q235钢,从材料库的曲线看饱和能到2t,这与《常用钢材磁特性曲线速查手册》给的数据是基本一致的。

X4BN_[N_6S}]H]G2)}PE_TD.png

饱和不意味着B不在增加,只是增加速度变缓慢了,饱和后面的值是根据曲线拟合的。当然材料库的数据会有误差,但用文章中使用的拟合20#钢的式 308541.png 结合数据算一下,B值超过2.8T是没问题的。


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10班陈大葱22号
3个月10天前
17楼
引用托卡马克发表于16楼的内容
我的仿真材料用的是Q235钢,从材料库的曲线看饱和能到2t,这与《常用钢材磁特性曲线速查手册》给的数...

了解了解,以前前在设计音圈电机的时候看过maxwell里的BH曲线,后面那一大段平的我都当作是假的认为根本到不了.....

为了推力-发热效率,我都是把斜率开始变缓的地方当作饱和点,比如上图的Q235钢我基本就认为可用点大概也1.1T.... 看了帖子我也想起来了,当时还找了好多书查饱和磁感应强度的定义,因为在高饱和磁感应强度的合金的时候发现各家都标称磁感应强度都是2.x,但就是不给BH曲线,所以想找“饱和”的定义,但一直没找到

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依格古德曼
3个月10天前
18楼
引用10班陈大葱22号发表于15楼的内容
牛逼啊!不过maxwell仿真有点小疑问,我以前做振动台的时候仿过音圈电机,我记得按照10#钢的磁化...

磁感应强度达到饱和肯定是没问题的,电机设计里面尽量避免饱和的原因是需要提升效率,TK11这类我认为铁损并不大,即使饱和了也可以接受。

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fcmqtsz
3个月9天前 修改于 3个月9天前
19楼

关于光耦干扰的问题,楼主可以参考差分走线的方式。。。线圈导致的感应电动势在走线上互相抵消,就不会出现误触发的问题。

下图用的施密特触发器,电压调到VT-的附近。发射管电流40ma,接收管电流2.5ma左右,延迟(8±0.15)us。(延迟是用单片机单独给发射管电压测试的,没放图)

IWUS%Q9[1I(]9{RGF]_[0X7.png

测试环境如图:光电板贴在线圈一侧,电路距线圈0.8mm,线圈峰值电流300A左右。圆柱销就凑合放在

线圈里

IMG_20220322_005827.jpg

-300-0us线圈通电,0-200us左右能量回收,1.7ms左右圆柱销从线圈里飞出来的时候才触发光耦。接收管处电压波动非常小,但图忘存了,回家补上😂

293e8760a276a0147cfb61154ccb2f0.png



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hendo
3个月6天前
20楼

膜拜大佬!

能分享一下AUIRGPS4067D1是在哪搞的吗?感觉这种高压大功率的还是得找一个靠谱的地方买,之前炸了好几个


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Tracker
3个月5天前
21楼

大佬太强了,慕名而来

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kc-82932
3个月0天前
22楼

大佬真厉害 。我也想参照着弄一个研究下!

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legendpeng
3个月0天前
23楼

大佬真厉害

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心亦文雨
2个月27天前
26楼

很棒!能做到如此动能和效率,除了优秀的设计能力,选择12mm的大口径也很关键吧,毕竟磁能转换动能就靠管中的那点体积


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托卡马克作者
2个月24天前
27楼

更新一下,现在用上了纯时序的方案。时序是直接使用的仿真结果,没有进行逐级调试。修复了之前光电方案导致的最后一级存在的反拉问题。纯时序方案可以不用尼龙遮光片。经过测试400v发射17.15g的定位销到80m/s左右,动能达到54j,即使不计算电容的剩余能量,效率也达到了18.8%。由于已经装壳,没法测到所有级数的余压,但根据以前的数据来推测整体效率应该超过了20%



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windy_feel
2个月12天前
33楼

请教楼主大神,每一级线圈设计有什么依据吗?例如我要设计一个32V,1100A 三级加速的低压电磁加速器,应该从何处入手?(被加速物体5*20定位稍,3克)

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2SC1970
2个月11天前 修改于 2个月11天前
34楼

有一个不理解的地方请大佬指教:这个设计中采用的是Boost回收能量,Boost是升压电路,这不会使充到下一级电容的电压高于充电电压吗?而74m/s的测试使用了400V的充电电压,这不会导致高级数的电压超过电容耐压吗

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windy_feel
2个月8天前
35楼

找到了,看完没你这篇营养价值高。最后一级buck回去第9级是很巧妙设计,就是多了一个电感。

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创世实验室
2个月6天前
36楼

看了十几遍,还是没搞清楚:回收能量怎么回收?电磁炮无用功干什么了?为什么线圈炮效率低?

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Ball_Lightning
2个月6天前
37楼
引用创世实验室发表于36楼的内容
看了十几遍,还是没搞清楚:回收能量怎么回收?电磁炮无用功干什么了?为什么线圈炮效率低?

回收就是电感存能冲入下一级电容

(因为电能转磁能,磁能转电能的效率较高)

无用功的功率叫无功功率,这里就是搭建磁场用了啊。磁场能小部分变成动能做有用功,剩下的变成电能冲入下一级

低是因为铁芯容易饱和,三水合番有关于磁阻极限拓扑效率的计算

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yleer3407
2个月6天前
38楼

大佬 每级的线圈参数方便发一下吗?

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托卡马克作者
1个月21天前
39楼

新迭代了一款tk18,主体电路类似,取消了光电门做成了18级,时序直接使用的仿真数据,效果还算接近仿真。416v测试,17.26g速度101.6m/s,效率接近23%

IMG_20220507_231059.jpg IMG_20220509_115650.jpg


VID_20220509_113245(0).mp4 点击下载

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GZY
1个月21天前
40楼

太帅了666

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托卡马克作者
21天15时前
41楼

新作tk18已完成,效率超过25%, 整机长50cm,总重3.2kg。

IMG_20220608_120439.jpg

405v发射 17.26g 到103m/s,消耗能量约365j ,连续测速的数据也比较稳定。

IMG_20220608_115224.jpg

威力测试 在3m距离上击穿1mm的304不锈钢。

IMG_20220608_120644.jpg


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虎哥
21天14时前
42楼
引用托卡马克发表于41楼的内容
新作tk18已完成,效率超过25%, 整机长50cm,总重3.2kg。405v发射 17.26g 到...

这个太厉害了,可以去参加警用装备展了😂

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zRed洲虹
20天21时前
43楼
引用托卡马克发表于41楼的内容
新作tk18已完成,效率超过25%, 整机长50cm,总重3.2kg。405v发射 17.26g 到...

采用了更新的电路吗?还是延长级数进行优化便提升了这么多效率 sticker

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托卡马克作者
20天13时前
44楼
引用zRed洲虹发表于43楼的内容
采用了更新的电路吗?还是延长级数进行优化便提升了这么多效率

电路结构上是差不多的,主要在于参数和其他的优化上吧:

1.使用了外径更小的不锈钢管。

2.降低了单级的电容容量。

3.后面使用了更粗直径的铜线。

4.线圈之间的间距更小,能省去部分在建立磁场时的电阻损耗。

5.时序数据进行了更多的优化。

6.测试时的天气温度导致电容内阻略有降低

7.前几级的效率低,增加级数使得平均效率提高

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hendo
1天2时前
45楼
引用托卡马克发表于39楼的内容
新迭代了一款tk18,主体电路类似,取消了光电门做成了18级,时序直接使用的仿真数据,效果还算接近仿...

效率居然又提升了这么多,会开个新帖仔细讲讲吗?

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zRed洲虹
20时26分前
46楼
引用hendo发表于45楼的内容
效率居然又提升了这么多,会开个新帖仔细讲讲吗?

44楼其实讲清楚了 sticker

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