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 毕竟胶粘挡板已经是一般玩家的上限了
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。
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。
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(XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/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。
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XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/t/88741 , XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/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:
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:
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。