行波加速器的单半桥阵列紧密排列方案的可能性与线圈排布
gugugu2024/03/09原创 电磁炮 IP:上海
关键词
半桥阵列行波加速

        新人的第一份贴,首先感谢科创各位大佬的帮助与指点。本文参考coulson21的一篇文章“行波加速器的仿真计算流程”进行了maxwell仿真。

        原文应该采用的是经典的半桥拓扑,但是我注意到这其实非常适合采用三水大佬提出的“磁阻式电磁炮的脉波加速方案以及一种低成本工程实现”中提出的半桥阵列方案。因为其保证了同一时间内只有一个线圈处在导通状态(上一级线圈处在回收阶段)。

所以在仿真过程中我改成了半桥阵列且进行紧密排列的方案。

1-行波示意图.jpg

       注意到我说的是单阵列紧密排列。科创大佬440Nx,曾经在他的文章里说过“两个阵列能满足大部分性能需求,一个阵列则不行,因为.....3cm内未完全关断的线圈会产生不必要的感应电流”,因而他否定了单阵列紧密排列的可能性(认为要么改成双阵列,要么松散排列) 。本文就是对这个 ’不必要的感应电流‘ 进行研究并提出规避的方案,研究单阵列紧密排列的可能。


结论一:阵列排布时 :n+1线圈不可以位于n-1线圈的同一列/行

     首先,我搭建的3*3的阵列,先仿真三级,发现很正常,并未出现“不必要的感应电流”。但是当仿真到第四级的时候 2号线圈出现了异常电流。(此时4号线圈位于2号线圈同一列)

屏幕截图 2024-03-08 155744.png

                                          图2:仅三级未出现异常电流

屏幕截图 2024-03-08 162535.png

                                        图3:仿真4级,2号线圈在四号线圈导通时出现了不必要的感应电流

经过仔细排查,我发现,产生这个不必要的感应电流的直接原因是 n+1线圈处在n-1线圈的同一列/行。 n+1线圈导通时n线圈开始回收,回收的能量耦合到了n-1线圈! (理想中这部分能量应该耦合到n+1线圈为好)。结合图,出现这个问题的原因是 4号线圈导通了,所以 下管B和上管1 处于导通状态, 因为下管B导通,所以让2号线圈打开了下续流通道,如图4所示:

屏幕截图 2024-03-09 171149.png

               图4:仅一个管 导通会出现续流通道

因此通过这个续流通道 n线圈的能量耦合到n-1线圈。


因此到这里我给出结论1:    n+1线圈不可以位于n-1线圈的同一列/行。


结论2:越大的阵列效果越好,且3*3阵列是不可行的,需要至少4*4阵列

     搭建的4*4的阵列进行仿真,结果符合我的结论1,但是注意到2号线圈在5号线圈导通时 依然出现了不希望的电流,但是与之前相比改善了非常多,这是合理的,因为此时4号线圈于2号线圈的物理距离更长,因而耦合程度低。

所以合理推测,越大的阵列越好,我预测5*5的阵列理论应该比4*4的阵列表现好,并且需要额外满足 n+1线圈不位于n-2线圈的同一列/行

屏幕截图 2024-03-09 172329.png

                图5,4*4阵列,有20A 耦合电流


经过仿真,证实了我的猜测,5*5阵列,额外满足条件后,耦合电流又下降了很多仅为5a,这个影响几乎可以忽略了。

0)Z~V}U[E))IIH6BQ[_[8X2.png

                       图6,5*5阵列,2号线圈 仅有5A 耦合电流

————————————————————————————————————————


对于6x6阵列额外满足条件3即n+1线圈不位于n-2线圈的同一列/行的话 ,可以给出这个阵列顺序,但是代价是必须少布置2个线圈。(程序优化后已解决,请看置顶回复)



最终总结:行波加速器的单阵列紧密排列方案理论上是可行的,但是线圈排布需要满足以下条件。

  1. n+1线圈不可以位于 n线圈的同一列/行 (三水的文章中已提出)

  2. n+1线圈不可以位于 n-1线圈的同一列/行

  3. 如果额外满足n+1线圈不位于n-2线圈的同一列/行 效果会更好

  4. ...

对于NxN的矩阵来说其可以满足的最多条件数为N-2个,  比如6x6的阵列可以同时满足4个条件


--------------------------------------------------------最终仿真

最后按照计算好的线圈排列即: WUWZ%E8RMN9[2L@669KH10P.png


开始模拟34级,模拟的结果较为符合coulson21原文的表现。 计算效率为31.10%  !!!

KC{9GGI171TBN$]K10ET9@K.png

3J_2W_M4]96)YI[GUTPJIDH.png

同时,电流表现也很好。不必要的电流已经可以忽略不记了。

{1[MV%]0UB$A]][0)93`~UC.png

最后放出仿真文件(非常感谢头疼脑壳昏 头佬之前给的仿真文件)



结语:通过合适的线圈排列方式可以使行波加速器的单半桥阵列紧密排列方案成为可能。 这个方案优点非常突出:

1:igbt管数量大幅降低,仅需2√n 的管子,传统半桥需要2n个管子,boost方案需要n个管子。比如同样49级,用传统半桥需要98个管子,boost方案为49个,使用这个方案仅需14个!

2:效率高

3:电容可以选用便宜的而不必非要使用低esr的电容,使得成本会更低

4:原来这个方案有个工程上的难题,就是需要大量飞线,但是440Nx大佬之前提出了鼠笼炮管的方案,极大的降低了难度,不需要飞线,使得在工程上变得不再困难。


附件:

XXXX给出的计算阵列顺序的程序   (优化后的程序更新在置顶回复)

XXXXxwell 仿真文件(2022版本) 

attachment icon cg150_6x6.zip 1.03MB ZIP 20次下载

参考文章:

  1. 行波加速器的仿真计算流程                                                   ----coulson21

  2. 磁阻式电磁炮的脉波加速方案以及一种低成本工程实现           ----三水合番

  3. HRC18电磁炮(8*14mm 101mps 29.8%)                          ----440Nx


[修改于 23天2时前 - 2024/04/28 20:17:54]

来自:物理高能技术 / 电磁炮
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gugugu 作者取消置顶
27天10时前 修改于 26天19时前 IP:上海
931496

    刚刚重新优化了一下那个生成线圈排布的程序,程序的算法类似深度优先搜索(DFS)来寻找一个合适的阵列排布顺序,原来的问题是搜索的时候路径是固定的,使用该搜索路径来找到合适的排布顺序需要的时间可能会非常多! 现在改成随机的搜索路径,如果一次找不到,可以手动重新运行一下,很容易就能找到合适的排布顺序了。

    对于6x6阵列,重新给出一个阵列排布,其同时满足4个条件,比顶楼给的更好,且不需要少布置2个线圈:

                   0WMSP@7AHG$$CT18H1)PA7L.png

     由于使用了随机,所以每次寻找到的阵列排布顺序都是不同的哟,某些搜索路径耗时极长,这时就不要死磕了,果断放弃,重新运行一遍。

    最后,找到线圈排布后,重新整理了数据,按线圈编号输出其高侧和低侧位置,这样可以更好的配合鼠笼管,一目了然了。


放出优化后阵列排布顺序的程序,以及保存着从4*4至10*10的阵列顺序的csv表格文件:

attachment icon zlsx_optimization_random.py 4.63KB PY 4次下载

attachment icon zlsx.csv 5.86KB CSV 6次下载


三水合番
2个月13天前 IP:四川
930155

楼主的maxwell仿真里,各级线圈的磁场方向是否相同?

在下面这张图里,当某一级导通的时候,这一级会受到左正右负的电压。如果各线圈磁场方向相同的话,那其它级的感应电压,应该也是“左正右负”的。无法通过图中这种方式续流才对。

屏幕截图 2024-03-09 171149.png


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440Nx
2个月12天前 IP:广东
930161

这些结论都对,但你探究得不够深。

我说的3cm,其实在这距离以外这种效果仍存在,但几乎能忽略不计。

所谓两个阵列更好,你应该多练练线圈设计。那个简单的hacoilgun的计算结果仍然比较准确,但不能直接套用。经过一些简单的参数补正之后能相当准确地贴合maxwell结果。练多了你会发现两阵列允许用更大的线圈,其更长的励磁时间可以带来更连贯的加速和更大的拉力。毕竟阵列算是存在占空比这种东西,两个阵列的“占空比”当然能达到相当于单个的200%,功率自然更高。

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gugugu作者
2个月12天前 IP:上海
930162
引用440Nx发表于2楼的内容
这些结论都对,但你探究得不够深。我说的3cm,其实在这距离以外这种效果仍存在,但几乎能忽略不计。所谓...

是的,

1:文章中在结论2中说过2号线圈依然出现了不希望的电流,降低了效率。但因为排列顺序的改进,2号与4号线圈物理距离远所以影响要小的多,但是可以预见,增大阵列规模继续改进顺序可以极大的规避这个问题。

2:双阵列确实更好,但代价是管子数量*根号2倍。并且功率更高但不代表效率会更高,功率应该可以有其他方法来提高。

对于这个我需要再多仿真下,再研究研究。


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gugugu作者
2个月12天前 IP:上海
930179

更新:放出线圈排列的顺序与仿真文件!

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coulson21
2个月7天前 IP:安徽
930283

我在写完那篇文章之后就自己简单研究了一下阵列驱动的相仿,和你这里的结论是一致的,你这个写的很好!到这里行波加速的架构就基本完整了

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gugugu作者
27天10时前 修改于 26天19时前 IP:上海
931496

    刚刚重新优化了一下那个生成线圈排布的程序,程序的算法类似深度优先搜索(DFS)来寻找一个合适的阵列排布顺序,原来的问题是搜索的时候路径是固定的,使用该搜索路径来找到合适的排布顺序需要的时间可能会非常多! 现在改成随机的搜索路径,如果一次找不到,可以手动重新运行一下,很容易就能找到合适的排布顺序了。

    对于6x6阵列,重新给出一个阵列排布,其同时满足4个条件,比顶楼给的更好,且不需要少布置2个线圈:

                   0WMSP@7AHG$$CT18H1)PA7L.png

     由于使用了随机,所以每次寻找到的阵列排布顺序都是不同的哟,某些搜索路径耗时极长,这时就不要死磕了,果断放弃,重新运行一遍。

    最后,找到线圈排布后,重新整理了数据,按线圈编号输出其高侧和低侧位置,这样可以更好的配合鼠笼管,一目了然了。


放出优化后阵列排布顺序的程序,以及保存着从4*4至10*10的阵列顺序的csv表格文件:

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