【手绘】“畸变磁场”对感应式影响的理论分析
Ball_Lightning2022/04/13原创 电磁炮 IP:河北

引言:

潜水这么长时间,我在电炮方面也积累了一些经验。在我的印象里,电炮分析主要有这么几个角度

1,磁体的同极相斥异性相吸(这个有时连定性分析都不适合用)

2,同向电流相吸,异向电流相斥

3,老老实实地找电流和磁感线用安培力分析

对于感应炮来说,大部分科普都会用2给你定性分析。

(还有的会用以下思路:

使磁场形变需要对它做功,使它储存起类似弹性势能的一种能量,这个能量对外做功可以使磁体移动。

(此言论我最早发表于b站,不知道有没有更严谨的表达)

所以同轴感应的发射可以看做一个被扭曲的磁场“挤”出弹丸的过程;而磁阻式发射可以看做是类似弹弓的一种发射过程

这样的分析对于达成“微调设计来提升效率”的目标来说,显然是没有意义的。

同轴感应究竟该如何分析呢?

我们今天从安培力这个角度的两个方面(线圈和电枢)分析同轴感应的优化方案。

-------------------------------------------------------------------------------我是分割线

壹.以驱动线圈为磁场源

图片1.png

如图我们把线圈剖开看到其矩形截面

假设导体电枢不排斥磁感线,那么其静态的磁感线分布大概是这样的(我没有maxwell只好人脑maxwell了)

图片2.png

可以看到线圈内侧磁感线与弹丸电流发生了作用

使弹丸受向前的力的是各磁感线在弹丸截面上的投影。当磁感线密度差不多时,磁感线越“歪”,其落在有电流区域(1),水平方向上的分量越大。

图片4.png

注释(1)按照我原定60us波,铜的趋肤深度约为0.5-0.6mm,相比8mm口径来说还是挺惊人的😅

如图。也就是说弹丸只有这么一个小小的管状结构受电,这样有什么弊端咱们下一个板块讲

这趋肤效应是一个比较让人头秃的东西。导致有时计算的弹丸时间常数都是很不准确的。

如何使磁感线更“歪”呢?有两种解决办法

1让线圈更扁,就像平面感应线圈炮。这可以做到,只不过1.耦合度会更低。2.更致命的问题是耦合度随位移的变化dM/dx变大,导致线圈电流可能还有一千安,而弹丸已飞走了,在效率上得不偿失

2用其他结构拉扯磁感线。一开始我想到了铜片放在线圈前,但那样铜片会分走相当一部分功率,同样得不偿失。

从此引出我今天重点表达的内容:异形线圈创造畸变磁场。

把截面为矩形的线圈切开,然后中心对称,如图:

图片3.png

可以理解为两个线圈磁场的合成磁场

截面为直角梯形的线圈磁场大概是这样的:

2.png

之所以选择梯形是因为梯形线圈相对比较好绕些

二者形成鲜明对比

这样磁感线在有效区域内横向分量就增大了很多。

当然,这些磁场的形状大多来源于经验和臆想,真正的形状还要用maxwell仿出来。

有人可能会说这是多此一举,别急,往下看。

一般的感应炮弹丸放在线圈前段,且一般会出头。这样子弹头部也会产生感应电流(聚集于表层),看似有效的磁感线都穿过了弹丸电流,实则不然。只要我们换个角度,事情就不对劲了起来😑

贰.以电枢为磁场源

在这个模型中,安培力是由于弹丸(因感应电流产生的)磁场穿过线圈电流产生的。

那么把铝棒放在线圈里且两端出头的同学,按照此模型分析是这样的: 图片7.png

两个方向上的磁场强度大小相等,抵消。

刚才讲到的感应式常见电枢结构,在这个模型中是这样的: 图片9.png

可见由于铝块本身电子的自由性,电枢磁场中心并没有在电枢中间,也就是:无论电枢有多长,电枢底端不动时,磁场中心位置和扩散方向始终不变。这样就导致仍有部分磁感线产生的两个力(包括最强的部分)相抵消。先不谈效率,这本身就对线圈的机械强度不太友好。

面对这样的情况,我们仍用畸变磁场的方法。畸变磁场的精髓在于它可以改变磁场中心位置以及磁场延长方向

把电枢做成直角梯形,完美解决。同时你还能观察到耦合度似乎变大了?

两种思路对比:

图片6.png (左线圈右电枢)

可是我很快意识到一个问题,仍是由于趋肤效应,电流只聚集在电枢表面。所以我好像改了个寂寞😅

一种解决方法是:把电枢由铝柱改成线圈,虽然填充率小了,但无伤大雅。只是这样的电枢动平衡肯定很差;且由于回路阻抗变大,发射效果受周围导体的影响也变大了。

我也想过工艺成本更低的电枢,比如多层铝管结构,和铝箔卷绕加绝缘结构等(就是把铝箔缠几十圈做一次绝缘,再几十圈,一次绝缘……这种结构紧密型和耐温性能有待研究)

我的推导不严肃所以不选“论述”了😂

不知大家有什么好点子

还有其他问题或点子我可能会连载😀

有仿真条件的大佬请评论区联系我,好能够看看我脑补的磁感线分布和实际有何区别。如果差别较大,请第一时间在评论区回复以免形成误导



来自:物理高能技术 / 电磁炮
10
已屏蔽 原因:{{ notice.reason }}已屏蔽
{{notice.noticeContent}}
~~空空如也
Ball_Lightning 作者
1年11个月前 IP:河北
903274

坐等三水合番来炸帖……


引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
三水合番
1年11个月前 IP:四川
903293
引用Ball_Lightning发表于1楼的内容
坐等三水合番来炸帖……

(我没有maxwell只好人脑maxwell了)

没有maxwell就去下一个嘛

我是在这下的:XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/ansys-products-2022-r1-free-download/


引用
评论
1
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
Ball_Lightning作者
1年11个月前 IP:河北
903297
引用三水合番发表于2楼的内容
(我没有maxwell只好人脑maxwell了)没有maxwell就去下一个嘛我是在这下的:http...

哎,不是我懒得下,而是每次在360上找的下完了都变成病毒😂我试试这个


引用
评论(1)
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
Ball_Lightning作者
1年11个月前 IP:河北
903318
引用三水合番发表于2楼的内容
(我没有maxwell只好人脑maxwell了)没有maxwell就去下一个嘛我是在这下的:http...

您提到过线圈电枢电流分布更均匀,只是成本有大问题。。我想到了一个方法:在塑料棍上缠线圈,然后灌进环氧里,前面接个弹头,磨一下,可大量生产,且强度比裸露漆包线更好。

引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
Ball_Lightning作者
1年11个月前 IP:河北
903394

今天复习阿基米德原理,我脑子一抽,又有了更深入的想法

我把它称为“斥力加速的压强(浮力)模型”

我前面提到同轴感应的子弹是被两侧磁感线“挤出去”的。此处应用的结论是磁感线很难穿过良导体,理解为浮子

磁感线有恢复原状的趋势,可以理解为水。水浮浮子,遵守F=ρghS。对于咱们的螺线管来说,磁场扩散线交点(中点)就是地心,g随深度增加而增加(h减少而减少),可以理解为越靠中间磁感应强度越大;ρ与g有关吧。。。现在仍然可以改变的是s。

所以

  1. 用铝管可能不是一个好主意……因为有磁感线可以从铝管中间过

  2. 电枢过短也不好,因为上方受到的“压强”会增大

看到很多模拟动画后,我不得不打消了绕异形电枢的想法,因为绕不绕都一样,还不如用铝

不知道对大家有什么启发😄


引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
三水合番
1年11个月前 IP:四川
903434
引用Ball_Lightning发表于4楼的内容
您提到过线圈电枢电流分布更均匀,只是成本有大问题。。我想到了一个方法:在塑料棍上缠线圈,然后灌进环氧...

你说的这个和常规的线圈生产方法似乎没有啥很大的区别,不像是会对成本产生明显影响的样子。


今天复习阿基米德原理,……

所以

1.用铝管可能不是一个好主意……因为有磁感线可以从铝管中间过

2.电枢过短也不好,因为上方受到的“压强”会增大

以喻代证是很明显的错误(说起来这也是中学教育的一大遗毒)。比喻可以起到方便理解的作用,但是不能说明任何事情。因为比喻的主体和客体之间本身没有什么逻辑关系(否则就是一般的论证,不是比喻了),一个东西具有(或不具有)某种特性,并不代表另一个东西具有(或不具有)某种特性。具体到电磁炮里,想知道铝管好不好,只能看铝管本身好不好,而不能去看水里的浮力怎么样。

如果试图用比喻论证某个论点的正确或错误,那就是在纯粹的胡说八道,典型例子比如“天无二日,民无二主”。有篇十年前的帖子可以参考:https://www.kechuang.org/t/44115 

引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
依格古德曼
1年11个月前 IP:香港
903435

我觉得从磁力线分布来看并不太好,虽然能看出一些端倪,但是个人感觉没法定量分析。因为磁力线实际上是磁矢势(magnetic vector potential)的等势线,如果要求电磁力,求磁矢势的旋度获得磁通密度(flux density,B)然后使用麦克斯韦张量法会比较简单。 

我认为更好的手段是使用解析方法快速分析,比如可以看看毕奥-萨法尔定理(biot-savart law),或者类似感应电机;因为对于感应式电磁炮,并不存在非线性材料问题,可以直接使用解析方法,效果不错。

具体内容还是推荐看看电机学、磁矢势、Maxwell方程组的教材和相关百科。

引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
Ball_Lightning作者
1年11个月前 IP:河北
903437
引用三水合番发表于6楼的内容
你说的这个和常规的线圈生产方法似乎没有啥很大的区别,不像是会对成本产生明显影响的样子。今天复习阿基米...

emmm确实遗毒

但也不代表一点用没有。比如原子核的液滴模型就是找到了原子核与液滴的关系从而求得表面能什么的。。。

另外我没有说过要把铝管放在水里看浮力。因为我清楚滴知道磁场与水的区别,水的密度不会随位置的变化而变化😂只是磁感线箍缩并托举电枢的行为与上浮有些类似,可以用空心的办法减少电枢的重量。考虑到趋肤效应,好像也没有太大意义

这么说我在b站发视频提到匀磁场中通电直导线周围磁场形状与假象的曲率驱动描述中空间形状相似

😅不会被当成民科吧

引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
Ball_Lightning作者
1年11个月前 IP:河北
903546

发现一个问题:用电流丝模型进行分析时,观察横剖面发现驱动线圈左侧会吸引电枢的右侧。。。这也许就是为什么说同轴感应口径越大效率越容易拉高。。。这个问题几乎是不可解决的,除非使用典型重接炮的结构,也就是你拿来一个马达转子,轴为发射方向,绕一个那样的线圈,需要2或4组线圈(2组比较好吧因为发射方向竖起来的导线少)

这种方案待解决的问题是如果电枢姿态不“正”,就会旋转,所以必须“锁死”电枢位置,电枢上还要钻孔。反正就是极其麻烦

我还想过尝试饼状重接炮,两线圈夹缝中的磁场强度极大,但违背了我开发柱状感应的初衷。所以我做了一些改动:将饼状重接围成一个环装,使从两侧看有各一个电流环,视角旋转90°,就会有数条方向相反的电流束,这部分相互抵消,直接撤掉,就成了两个极性相反的线圈(其中间磁感线极度扭曲)

我还需要恶补重接炮的资料😂


引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
Ball_Lightning作者
1年11个月前 IP:河北
903550
引用Ball_Lightning发表于9楼的内容
发现一个问题:用电流丝模型进行分析时,观察横剖面发现驱动线圈左侧会吸引电枢的右侧。。。这也许就是为什...

请注意,经过缜密的分析,我这话后半段那个简化的思路在几乎完全不可取😅

引用
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论

想参与大家的讨论?现在就 登录 或者 注册

Ball_Lightning
机友
文章
14
回复
220
学术分
0
2022/01/23注册,5天6时前活动

高一学生党

主体类型:个人
所属领域:无
认证方式:手机号
IP归属地:中国
文件下载
加载中...
{{errorInfo}}
{{downloadWarning}}
你在 {{downloadTime}} 下载过当前文件。
文件名称:{{resource.defaultFile.name}}
下载次数:{{resource.hits}}
上传用户:{{uploader.username}}
所需积分:{{costScores}},{{holdScores}}下载当前附件免费{{description}}
积分不足,去充值
文件已丢失

当前账号的附件下载数量限制如下:
时段 个数
{{f.startingTime}}点 - {{f.endTime}}点 {{f.fileCount}}
视频暂不能访问,请登录试试
仅供内部学术交流或培训使用,请先保存到本地。本内容不代表科创观点,未经原作者同意,请勿转载。
音频暂不能访问,请登录试试
支持的图片格式:jpg, jpeg, png
插入公式
评论控制
加载中...
文号:{{pid}}
投诉或举报
加载中...
{{tip}}
请选择违规类型:
{{reason.type}}

空空如也

加载中...
详情
详情
推送到专栏从专栏移除
设为匿名取消匿名
查看作者
回复
只看作者
加入收藏取消收藏
收藏
取消收藏
折叠回复
置顶取消置顶
评学术分
鼓励
设为精选取消精选
管理提醒
编辑
通过审核
评论控制
退修或删除
历史版本
违规记录
投诉或举报
加入黑名单移除黑名单
查看IP
{{format('YYYY/MM/DD HH:mm:ss', toc)}}