[python] 多级磁阻炮模拟器【开源】

概述

    该程序适用于使用半桥拓扑的多级磁阻炮（也可用于单级）。仿真计算 了弹丸受力，线圈电流，以及电容器电压变化等。核心算法基于行波加速器的仿真计算流程 - 科创网 (kechuang.org) 中开源的算法，在这里非常感谢coulson21 大佬。

此代码考虑或计算了以下效果：

    1.线圈参数

         线圈自感

         线圈互感

         线圈电阻

   2.线圈中轴线上的磁感应强度

   3.弹丸受力 和 弹丸的感应电动势

   4.关于电压，电流，弹丸位置与速度相关的空间域方程（为了模拟的方便放弃使用时域方程的方式）

本仿真最重要的几条近似如下

    1、 磁饱和近似，即动子处于磁饱和状态，磁化强度在整个加速过程中保持不变。 （如，1010钢 饱和磁导设为2T, 磁化强度M=2T/u0  ） （饱和磁导参数可以在mode.csv中修改）

本仿真使用的线圈开启/关闭 策略  --使用位移控制模式

    1.每级线圈的导通持续距离pw ,这个数据需要在 下面的coil_layout 格中输入。（对于单阵列来说pw=就是线圈长度+隔板长度）

    2.线圈关闭时机： 在弹丸前端到达线圈中心时关断（这么做有利于防止反拉，目标是让弹丸中心和线圈中心重合时电流降到0）。通过pw和线圈关闭时机 可以算出 线圈导通时刻 td 。

程序的结构与使用方法

    大致可以分为四部分组成，即 1.从mode.csv文件中进行数据输入 ，XXXXlculator_XXXXXX的模块计算线圈参数 3.仿真计算 4.数据使用plt 显示出来。

    一.从mode.csv文件中进行数据输入

    整个项目的数据是从mode.csv这个表格文件里输入的。包含行选择数据，关于线圈的三种数据，关于电源的三种数据，关于弹丸的三种数据。

   1.行选择数据modei

        这个数据的目的是 选择图表中的某行数据来进行仿真，位置在表格A2 。如上图中的modei =4 代表取 行编号为4的整行数据进行仿真计算

   2.线圈数据

       包括coil_layout，L_coil1，Inner_diameter 这三个数据

        XXXXil_layout 这是线圈的主数据，形如这样： [["Cu",0.38,8,300,100,3,9]]

           每个列表内的数据依次为 【漆包线材料Cu/Al，漆包线直径，线圈长度，匝数start,匝数end，线圈数量，脉宽pw】。

           其中匝数start,匝数end 代表了匝数的线性递减区间。 如 ["Cu",0.38,8,300,100,3,9] 代表 coil0的匝数为 300, coil1的匝数200 ，coil2的匝数100。

           （其实也可以选择使用外径进行线性递减，type选1）

        2.L_coil1 线圈中的隔板大小，比如1，代表 1mm的隔板

        XXXXner_diameter是线圈内直径（一般亦为炮管外径），如8.5 ，代表8.5mm的内径（适配 内8.1，外8.5的不锈钢炮管）

    3.电源数据

        1.   R_pow :电容内阻 如10毫欧

        2.   U00  :电容初始电压 如460V

        3.   C00 ：电容值，如4700uf

    4.弹丸数据

        XXXXug_R ：弹丸外径 如8mm

        XXXXug_length : 弹丸长度 如12mm

        XXXXug_m : 弹丸长度 如 5.5g

        3.v0  :弹丸初始速度 如1m/s (注意由于使用空间域方程 ，初始速度不可填0)

    二.calculator_XXXXXX的模块计算线圈参数 

        1.计算线圈的自感，电阻等数据,详见参考文献中 线圈参数计算器 

        2.计算线圈的互感部分见参考文献中《空心圆柱线圈的电感计算》 的使用等效圆环计算

    三.仿真计算过程

        1.计算线圈中轴线上的磁感应强度，详见参考文献中 根据线圈参数计算 磁感应强度分布曲线 

        2.计算单位电流下的弹丸受力  ，详见参考文献中 根据磁感应强度曲线来计算磁阻炮的弹丸受力 

                           F=M*ΔΦ=M*ΔB*S

        3.关于电压，电流，弹丸位置与速度相关的空间域方程 ，详见参考文献中的行波加速器的仿真计算流程

                       本程序的核心算法在这里，再次感谢coulson21大佬的贡献。 原文中是时域方程 ，即个变量是关于时间t的

              微分方程。这样的缺点是整个加速时间在仿真前是不知道的，所以会预先设一个较大的Stop time 。所以改成了空间

              域方程，因为，整个加速距离是确定的。

    四.数据使用plt 显示出来。

         XXXXt图表

               这里显示线圈电流，弹丸受力，电容电压和速度的数据

       2.命令行窗口数据

           1.展示计算的线圈数据（依次为： 线圈编号，线圈匝数，自感（uh），电阻(mΩ)  ）

           2.这里展示模拟结束后的弹丸速度和效率 结果

          3.最后显示线圈时序

    五.数据保存

       在完成仿真后，程序会将 弹丸速度和效率结果 保存至mode.csv的最后result那列。 

     笔者在完成这次仿真后在maxwell中进行了验证，发现误差较小。

     贴出maxwell与本程序的电流结果：可以看到一致性很高

     贴出maxwell与本程序 的弹丸受力，电压，速度 结果：

     maxwell文件如下：

8_49.aedt 1.46MB AEDT 16次下载

最后：

           本程序使用pyinstaller进行了打包，读者可以方便的移到自己的电脑运行。位置 在dist文件夹下。压缩文件放在回复区。

           最后在这里我非常感谢各位大佬的帮助! 

参考文献：

    1. 行波加速器的仿真计算流程 - 科创网 (kechuang.org)

    2.

空心圆柱线圈的电感计算_吴素文.pdf 2.97MB PDF 11次下载 预览    

   3.    震撼！模拟器的最后一块拼图！ 根据线圈参数计算 磁感应强度分布曲线！ - 科创网 (kechuang.org)

   4：根据磁感应强度曲线来计算磁阻炮的弹丸受力 - 科创网 (kechuang.org)

   5:   线圈参数计算器（基于Wheeler公式计算电感量） - 科创网 (kechuang.org)

   6:  你好，电磁炮（盒装）套件+书内购入口 - 科创网 (kechuang.org)