线圈炮线圈的固定方式
三水合番2023/02/25原创 研究了个寂寞 IP:四川
关键词
线圈炮线圈固定线圈工艺后坐力

线圈炮加速弹丸时,线圈会受到反作用力(后坐力)。以下图中的磁阻炮为例,线圈对弹丸施加向右的加速力时,线圈本身会受到向左的反作用力。如果没有合适的固定,发射后线圈就会移位。

1 反作用力.png


一种常见的固定方式是,把线圈粘接在炮管上,如下图。实际操作中一般是直接在炮管上绕线圈。

2 直接粘接在炮管上.png

这种做法的问题是,炮管受力和“薄壁”是矛盾的。这里所有的反作用力都需要由炮管来承担,而这个力是很大的。比如在 @托卡马克 制作的TK11中(https://www.kechuang.org/t/87576 ),仿真的最大力能达到400N多。而为了保证良好的磁耦合,炮管一般会使用薄壁管。假如TK11里使用了内径12.2mm,壁厚0.2mm的304不锈钢管,则其截面积是7.8mm²。假设他完全使用炮管固定线圈,且只在一端固定炮管,则加速力400N时,炮管上会承受51MPa的应力。304不锈钢的屈服强度是205MPa,这个应力达到了其屈服强度的四分之一。这个力虽然小于不锈钢本身的屈服强度,但一方面管状结构承受拉力时会颈缩,承受压力时会失稳,都可能导致炮管提前变形;另一方面在实际情况中可能会出现出乎意料的峰值力,比如应力集中在了炮管一侧,或者弹丸撞在炮管上。在大口径,大加速度的场合下,炮管强度的问题还会更加突出。总之,这种固定方式很不优雅。


另一种常见的固定方式是,在线圈后方放一个挡板(后方指与弹丸运动方向相反的方向)。反作用力通过挡板传递到外壳上,如下图。

3 挡板.png

使用这种固定方式时,炮管不需要承受反作用力。即使在很大口径,很大加速度的场合下,也不会有机械强度的问题。同时,在精度要求较高的场景下,挡板可以约束炮管,将外壳的精度传递到炮管和线圈上,把炮管“拉直”(薄壁管都多少有点弯,至少我买到过的都是这样)。

实际操作中有时会先把挡板粘接在炮管上,然后用挡板作为线圈骨架,在炮管上绕制线圈,比如https://www.kechuang.org/t/88741 , https://www.kechuang.org/t/88296 。相当于挡板承力和炮管承力的结合。

使用挡板的问题是,挡板会占用炮管附近的空间,没法在那里绕线圈,如下图:

4 挡板的问题.png

一般来说这个问题不大,像是那些光电直接触发的作品,本来就得在线圈之间留一大块空间来控制触发位置,也就无所谓挡板占的长度了。但是最近电磁炮发展得越来越精致了,这个问题就变得值得关注了。

比如在脉波方案里,线圈排布越紧密越好,而挡板会增大线圈间距。这会导致磁场波动增大,提高弹丸涡流损耗,提高“相同平均加速度”时的线圈电阻损耗,降低效率。

同时,挡板还会降低各级线圈之间的耦合度。高耦合度可以是好事。在一个线圈(我们称之为线圈1)已经有电流的情况下,假如和它相邻的线圈(线圈2)开始导通,则线圈1的部分磁能,会直接转移到线圈2上。表现为线圈1的电流下降,线圈2的电流加速上升。这个磁能转移时的“转移功率”,不需要通过开关管,是直接通过空间传递的。因此可以降低对开关管功率容量的需求。

这些问题都是挡板越厚越严重,但是直接减薄挡板也是不可取的。因为板状结构的“弯曲刚度”和厚度的平方成正比,薄板会很容易变形。假如一个力能让2 mm 的挡板产生0.1 mm 的形变,那对于0.5 mm 的挡板,形变量就会达到1.6mm。


为了避免上述各种问题,本帖中提出一种固定线圈的方法,如下图:

5 从线圈外侧固定.png

具体安装方式如下,其中红色环状为线圈,白色带孔板为线圈支架,蓝白色槽型件为装置的“外壳”。

coil with fixture.mp4 点击下载

线圈支架和线圈粘接在一起,而后线圈支架插入到外壳上的槽里,线圈受到的反作用力通过支架转移到外壳上。其中心思想是:从线圈外轮廓固定线圈。这与用挡板固定时的“从线圈端部固定”,以及用炮管固定时的“从线圈内轮廓固定”是不同的。具体实现时不一定要严格按照上面的图和视频里的做法来,只要能“从外轮廓固定”都可以,比如甚至可以用这种骚操作:在线圈支架外缘做个外螺纹,装置外壳上做个内螺纹,装配时把线圈旋进去。

从外轮廓固定的好处是:既能很牢固的固定线圈,又不会占用炮管附近的空间,使得各个线圈可以“紧贴”在一起。这可以最大程度的避免上述“薄壁件受力”,“磁场/加速度波动”,“耦合减弱”等问题。

来自:物理高能技术 / 电磁炮
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~~空空如也
440Nx
1年2个月前 IP:广东
917108

还有更骚的操作是使用预制胶封线圈和覆漆钢护壳,还能减少漏磁进一步提高机械强度 sticker 毕竟胶粘挡板已经是一般玩家的上限了

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Ball_Lightning
1年2个月前 IP:河北
917109

实际上大多数玩家都已经采用与您提到的这个类似的思想——把线圈粘在木头/塑料底板上,通过线圈外轮廓来约束炮管的准直而并不是固定炮管使线圈耷拉着。炮管轻轻一抽就可以下来的;要想拆线圈的话直接使劲一撅就OK了,简单方便。参数一定的精致一些的带打印外壳的那种也是可以直接用粘的方法。只要有两块准直的板子和一些垫片,就可以达到效果。

另外我对您最后这个模型有些疑问:线圈引线怎么走呢?是要在支架上打磨开槽吗?

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三水合番作者
1年2个月前 IP:四川
917118
引用Ball_Lightning发表于2楼的内容
实际上大多数玩家都已经采用与您提到的这个类似的思想——把线圈粘在木头/塑料底板上,通过线圈外轮廓来约...

“用热熔胶把线圈粘在底板上”确实也算是从外轮廓固定😂

支架上是要开槽的,顶楼的模型里没有画

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Ma3.02的守望
1年2个月前 IP:浙江
917119

妙啊

实用化的线圈炮,线圈发热问题需要重视

支架可以使用灌封胶一类的材料,使用模具浇筑成统一外形。

材料方面可以做文章,可以掺碳粉、铁粉、相变材料,提高热性能和磁性能。

结构方面可以留一些通孔,穿过热管强化散热。

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书呆子lhj
1年2个月前 IP:江苏
917764


其实现在许多人都在用这个形式装载线圈的,电容板与控制板把线圈夹在中间,作为外支架。

075d6c2f0411a27ac048a363e426ef7b.jpg


至于这种做法,感觉上不太靠谱。因为线圈的漆包线与漆包线之间要做到可靠的粘连是前提,才行得通。但是实际上这条件似乎难以做到。

17420fdd6000b9288cc48b24e093b101.jpg

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三水合番作者
1年2个月前 IP:四川
917766
引用书呆子lhj发表于5楼的内容
其实现在许多人都在用这个形式装载线圈的,电容板与控制板把线圈夹在中间,作为外支架。至于这种做法,感觉...

“漆包线之间的可靠粘接”应该还好吧。如果用环氧树脂粘接线圈,强度应该不会出问题。

自粘线圈和“用502粘接的线圈”不知道强度够不够。

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tairui99
11个月10天前 修改于 11个月10天前 IP:湖北
921821
引用三水合番发表于6楼的内容
“漆包线之间的可靠粘接”应该还好吧。如果用环氧树脂粘接线圈,强度应该不会出问题。自粘线圈和“用502...

我认为502粘接可以满足需求。之前做过一个3.5cm长的线圈直接粘接在炮管上的,线圈峰值受力在350N左右,经过很多次试验发现除了和炮管粘接的部位松动以外,漆包线层间粘接并没有明显结构强度变化。上文提到的在线圈外侧粘合的方法粘合面积比直接粘合在炮管上要大,所以我认为502作为粘合剂可靠。

但是层间强度也与粘接情况(502是否发白,粘接是否充分)和线圈长度(长度越长粘接面越大)、温度(温度升高可能有结构强度下降的风险)有关。我不能确保特殊情况下(如长度很短而层数很高的线圈)的可靠性,所以应用之前应当针对自己的选型进行试验。

总的来说作为廉价易操作的粘合剂502还是合格的。

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nexttime2023
9个月8天前 IP:广东
924035

管子没那么脆弱吧。

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