[求助]关于磁阻炮结构及选型的若干问题
computer40682023/02/19原创 电磁炮 IP:浙江

前段时间看到了一篇关于行波加速仿真计算的文章:https://www.kechuang.org/t/88351[1],觉得很有意思,于是就用Maxwell仿真了一下,结果如下:

结构图片.png 速度曲线图.png 线圈电流曲线图.png 受力曲线图.png 电容电压曲线图.png

由于精力有限,只仿真了前14级,加速材料为DW540_50硅钢,不考虑涡流,外形电路参数参考原文。得到的图像结果与文章基本一致,有些地方甚至更好,唯一不同的就是电容电压下滑曲线,出现快速下降至平台后再线性下降的特征,与原文线性波动下降不同,这可能与实际电枢运动有关。

另外,参考文章中电路方程中Vdio是指代什么,希望作者看到后能够解答。🙏

由于基于仿真和理论的行波加速方案实在过于优秀,所以笔者决定尝试制作,以验证理论。原文中作者使用了40级加速至120m/s,经过我的不懈努力,调整线圈匝数,成功将加速级数缩减至16级,滑块从0开始加速至111m/s,减少了电路复杂度及成本。但是电路的瞬时脉冲电流也上升到了接近1k,为选型带来了巨大的麻烦。仿真结果如下:

速度曲线图.png 线圈电流曲线图.png 受力曲线图.png 电容电压曲线图.png

在电路上,模仿矩阵键盘的电路,使用矩阵式电路来控制线圈的通断,电路如下:

)O3A%65W(O%`XERE9DGMN2L.png

这里是3*3的矩阵,实际使用4*4的矩阵电路,参考了三水合番的设计[2],其实是一开始没考虑到线圈上的二极管,看了文章后才知道。实际应用该电路时出现了以下问题:

1.为了兼顾体积和布线,目前使用10A10作为电路中的二极管,其Icm为600A(8.3ms),不清楚是否足够?也可以推荐更适合的二极管。

2.IGBT使用了IXXX200N60B3,但是看了最近的关于IGBT的极限性能[3]这篇帖子后,发现这个管子也是艾赛斯产的,文章中提到该品牌存在虚标现象,而在该电路中,管子需重复承受冲击,对性能要求更高。不知有无大佬对这款管子做过测试?是否有替代品可选?

3.另外,不知道下图的电路是否可以作为IGBT的驱动?IGBT发射极和栅极之间是否需要加几千欧的电阻(我看有些设计加了有些没加)?萌新第一次画高压电路,不熟悉。😅

[W`)KAF9XX[77PIF%0[}1}J.png

结构方面,装载了换弹结构,但是可用空间太小了(25*30*60),舵机体积太大,目前的连杆结构紧贴zvs变压器外壁,感觉不太行,有人可以给出改进方案吗?

问题截图.png

另外,尽管是使用单片机控制的时序磁阻炮,但我还是再加速过程中增加了部分光电管测速,使用透明PVC管可以不钻孔吗?使用不锈钢管哪里可以代钻孔的?(我没有钻孔设备,并且钻孔位置不是规律性的)

萌新第一次发文,欢迎各位大佬批评指正🙏


[1]coulson21 行波加速器的仿真计算流程 https://www.kechuang.org/t/88351

[2]三水合番 磁阻式电磁炮的脉波加速方案以及一种低成本工程实现 https://www.kechuang.org/t/81534

[3]书呆子lhj 关于IGBT的极限性能 https://www.kechuang.org/t/88618

来自:物理高能技术 / 电磁炮特殊话题:提问/求助
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~~空空如也
三水合番
1年2个月前 IP:四川
916696

矩阵开关只能同时控制一级。如果只用一个矩阵的话,需要拉大各个线圈的间距,保证在上一级关断之后,下一级才导通。如果要紧密放置线圈做脉波加速,需要用多个矩阵,交替控制各级。

Maxwell仿真的时候似乎没考虑线圈电阻?第一级续流的时候电流是完全平顶的,有电阻的话会是指数衰减的


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computer4068作者
1年2个月前 IP:浙江
916699
引用三水合番发表于1楼的内容
矩阵开关只能同时控制一级。如果只用一个矩阵的话,需要拉大各个线圈的间距,保证在上一级关断之后,下一级...

整个过程已经调整好了,只有一级在导通状态,前一级处于能量回收阶段,前一级相关的mos管都是关断的。关于第一级平顶,

是加了电阻的,可能电阻比较小,依旧是参考第一篇帖子给得单匝电阻*匝数算的


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三水合番
1年2个月前 IP:四川
916700
引用computer4068发表于2楼的内容
整个过程已经调整好了,只有一级在导通状态,前一级处于能量回收阶段,前一级相关的mos管都是关断的。关...

线圈电阻不是“单匝电阻*匝数”,是“单匝电阻*匝数的平方”

矩阵开关哪里你是这么操作的吗:以顶楼那张multisim的电路图为例,第一级导通q1,q4,第二级导通q2,q5,以此类推。这样确实可以同时进行关断和导通。

不过说,现在做脉波炮的话,还是推荐用补能谐振拓扑,例如这个 https://www.kechuang.org/t/88329 (控制好参数的话,q1和d0可以去掉)。能纯粹用可控硅做开关,功率可以大很多,而且加工和控制都比矩阵开关要方便许多。

如果一定要做桥式拓扑的话,推荐用这个拓扑,https://www.kechuang.org/t/88346 。布线比矩阵开关方便很多。而且成本可还更低,对于任意多级都只需要两组igbt,和每级一个可控硅(可控硅并不比二极管贵)

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computer4068作者
1年2个月前 IP:浙江
916704
引用三水合番发表于3楼的内容
线圈电阻不是“单匝电阻*匝数”,是“单匝电阻*匝数的平方”矩阵开关哪里你是这么操作的吗:以顶楼那张m...

矩阵开关哪里你是这么操作的吗:以顶楼那multisim的电路图为例,第一级导通q1,q4,第二级导通q2,q5,以此类推。这样确实可以同时进行关断和导通。”对的,按线圈编号依次操作。

“单匝电阻*匝数的平方”这个是为什么?考虑半径变化的话也不是这么算的呀?


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三水合番
1年2个月前 IP:四川
916705
引用computer4068发表于4楼的内容
“矩阵开关哪里你是这么操作的吗:以顶楼那张multisim的电路图为例,第一级导通q1,q4,第二级...

增加匝数到原来的n倍,会让导线截面积变成1/n,同时会让导线长度变成n,乘起来就是电阻变成n2

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computer4068作者
1年2个月前 IP:浙江
916706
引用三水合番发表于5楼的内容
增加匝数到原来的n倍,会让导线截面积变成1/n,同时会让导线长度变成n,乘起来就是电阻变成n2

哦哦,我有点误解原文的意思了,还以为那是线径一定下单位长度的电阻,看来得重新跑一下仿真了,谢谢


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rb-sama
1年2个月前 修改于 1年2个月前 IP:湖北
916748

3.另外,不知道下图的电路是否可以作为IGBT的驱动?IGBT发射极和栅极之间是否需要加几千欧的电阻(我看有些设计加了有些没加)?萌新第一次画高压电路,不熟悉。

IGBT GE之间加电阻的作用可以防止在PWM信号驱动死区或者是在信号意外丢失之后,

Cis之间的电容没有泄放路径,

如果本身驱动线路是空闲状态低阻就可以不加,如果考虑系统鲁棒性可以加上一个对驱动信号内阻而言影响不大的泄放。

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rb-sama
1年2个月前 修改于 1年2个月前 IP:湖北
916751

新拓扑发布:全桥谐振关断磁阻(理论篇) - 科创网 (kechuang.org)

类似三水合番说的,可以看看这里面实现的全桥谐振自关断拓扑思路

这种拓扑可以提高单级能量利用密度,让本来是较低电解电容电压的上升率、峰值电流

由接近800-1KV峰值电压和KA级峰值电流的SCR器件直接替代,

这个原型电路的缺点是没有办法相邻两级同时导通,否则会产生上下桥臂同时导通的情况。

可以考虑https://www.kechuang.org/t/88329 这里面的结构,不同的是只在单周期补能,次周期续流来实现紧密加速

-

两全其美的办法也可以通过多路全桥交错来实现,提高单级功率密度的同时,实现脉波加速 1+1>2

可以让更短总长度的线圈,爆发出更强劲的加速效果 

-

这个是我用7.8g的AMMO 和6个充电到1kv 140uf薄膜电容,做二级回收

总共12stages的加速模拟结果

XY Plot 2.bmp

可以在非紧密加速,约30cm松散距离,21cm有效线圈距离的情况下

把0820的A3钢销,打出117mps的初速度,能量利用效率10%,不考虑电容回收余能,总效率7.4%

不知道LZ的加速参数是怎么样的,希望能分享对比下,看看效率差别有多大

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computer4068作者
1年2个月前 IP:浙江
916809
引用rb-sama发表于8楼的内容
新拓扑发布:全桥谐振关断磁阻(理论篇) - 科创网 (kechuang.org)类似三水合番说的,可...

IGBT GE之间加电阻的作用可以防止在PWM信号驱动死区或者是在信号意外丢失之后,

Cis之间的电容没有泄放路径,

如果本身驱动线路是空闲状态低阻就可以不加,如果考虑系统鲁棒性可以加上一个对驱动信号内阻而言影响不大的泄放。

好的,谢谢。

在修正三水合番指出的电阻过小的问题后,是130mm的长度下加速,线圈长度128mm,用的是8*16的钢销,目前仿真速度102mps,能量利用效率20%,比之前小太多了😓。主要是第一级受电阻影响比较大。

attachment icon 16级102数据.zip 56.56KB ZIP 49次下载

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rb-sama
1年2个月前 IP:湖北
916974
引用computer4068发表于9楼的内容
IGBT GE之间加电阻的作用可以防止在PWM信号驱动死区或者是在信号意外丢失之后,Cis之间的电容...

是的,电阻是影响效率非常重要的一个因素,

如果不考虑电阻,比如能量回收类的拓扑,可以让磁场-动能的转换效率接近100%

可以说大部分能量其实都是损耗在线圈电阻、等效电阻(涡流等)上面,

推荐一个HAcoilgun的仿真软件,可以拟合好线圈电阻数据,然后带入maxwell

我这样放仿真出来的数据,两者之间可以很贴近

-

谐振类拓扑的效能因为加速太剧烈,电流是很大的,这样就导致更多能量被损耗成热

boost类的,因为等效电流小,能效就更高,但相应的代价是需要更多级的小电流线圈达到同样的速度

一个极端一点的例子是,普通直流电动机从0-固定转速的加速过程,

是缓慢加速,并且每一级只输入很小的动能,当速度足够高后轻载能效可以很轻松达到90%以上

但是CG必须要考虑身管的有限长度,所以要在能效-长度上做取舍

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