磁阻式线圈炮效率低下原因探讨,希望前辈指出谬误
zpanther2016/03/25电磁炮 IP:广东
有前辈指出本帖的错误的地方(原来的电流变化曲线图有误),现在修改一下,应该更正确

磁阻式线圈炮的原理如下:
当磁阻式线圈炮的线圈,通入直流电时,线圈内部产生磁场,磁感线分布如下图:
线圈炮1.png
图中黑框指代线圈和轨道,因为线圈是均匀绕制,所以磁感线在线圈中线时最密集,当弹丸(红框)中心到达线圈中线时,弹丸内的磁通达到最大,磁阻最小,速度达到最大,当弹丸(红框)超过中线后,弹丸内磁通减小,磁阻增大,根据磁阻最小化原则,所以会产生回拉现象。
一般的磁阻式线圈炮采用各种方式,对线圈实现断电操作,追求在弹丸到达中线时,线圈内无残留电流,从而使线圈内部磁通为零,使弹丸不受到磁力的回拉,但由于电感、断电装置的响应时效等因素影响,使断电操作很难达到较高的效率,尤其是多级加速后,弹丸的速度达到一定程度,断电装置的响应时间等因素使后面几级磁阻式线圈炮的效率急速下降。
现在通用的方法是,使用电容供电,利用电容短时大电流放电的原理,加各种开关的方式(如空开、电刷、光电等等)实现断电操作,在这种设计思路下,一般采用增加电容总电量,提高电压(提高放电速度)——即高压式线圈炮的设计,或低压式设计,利用大电流(几十安电流好像可以了?)电源+关断,最后还是使用短时供电系统,实际操作仍类似于电容供电(低压电容)。然而在详细思考过磁阻式线圈炮的原理后,我考虑一个问题是,这种设计方案(电容型短时供电方案)本身可能是磁阻式线圈炮效率低下的原因,电容本身的能耗带来的能量损耗并不大,但是电容和电感结合使用时的能量浪费问题却非常大,实际上,电容+整个电路的电阻所对应的线损带来的直接损耗应该都不是非常大(MΩ级?)。
我的看法是:电容放电这种短时供电属于短时脉冲放电,在电感中就不可能保持高电流值,我想了下,画了个电流在电感中的变化图如下: 电流变化.png
图中上半部分是使用电容供电(短时供电),然后断电的情况下,电流的变化,下面是直流恒流供电,然后断电的电流变化,我们知道线圈内的磁场(及其产生的对弹丸的加速力)主要就是由电流大小决定的,假设这个图成立,那么很明显,用电容供电产生的磁场效率是很低的,更何况,恒流直流电源供电,断电时产生的瞬时电流应该会比电容供电的要更大(磁场更强,断电时,反感电动势也会更强?),而且,正如很多前辈说的,弹丸的磁饱和是影响磁阻式效率很关键的因素,而无论是电容供电还是恒流直流供电,断电后产生的超大瞬时电流所产生的磁场无论有多大,实际能被利用的都只有磁饱和阀值的那部分,超出部分都是浪费掉的。
假设这个图成立,我们可以看到使用短时供电装置(电容)时,电流增强是缓慢的,很有可能只有在断电后形成峰值电流时才能达到能够产生足够弹丸磁饱和强度的磁场的电流,而此时又有一部分超出磁饱和强度的磁场是漏磁了的,所以整体效率自然不可能提升起来,所以,我想,考虑如何在使用低压恒流直流电源供电的情况下做到及时的0流关断,可能才是提升磁阻式线圈炮效率的方向。
请各位前辈指点一下

[修改于 8年9个月前 - 2016/03/25 20:19:11]

来自:物理高能技术 / 电磁炮
8
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~~空空如也
三水合番
8年9个月前 IP:四川
813678
楼主的画的电容供电电流图在 从右向左看并且把顶部变平滑后 还算正常……而 恒流供电那张图无论如何都是不对的……
断电时不会有“瞬间电流”出现,只要电感上的电压降方向和电流方向相同,电流就会减少。楼主可以学习一下电学中和电感,电容,RLC振荡相关的基础知识。
另外,回路电阻所带来的损耗相当大,比如说电容供电的简单的磁阻式里,仅仅是电流从零上升到峰值的过程,回路电阻上就可能已经损耗掉 70% 的能量了……所以在弹丸来之前很长一段时间就开始给线圈恒流供电也不现实,因为回路电阻上消耗的功率通常是数十千瓦……
还有,磁饱和之后增加线圈的磁场强度也是可以提高加速力的,并不是被完全的浪费掉,只不过这时随着电流的提高,加速力是成一次方增长的,而电阻上的损耗是成平方倍增长的,所以会导致效率降低。
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zpanther作者
8年9个月前 修改于 8年9个月前 IP:广东
813686
引用 三水合番:
楼主的画的电容供电电流图在 从右向左看并且把顶部变平滑后 还算正常……而 恒流供电那张图无论如何都是不对的……
断电时不会有“瞬间电流”出现,只要电感上的电压降方向和电流方向相同,电流就会减少。楼主可以学习一下电学中和电感,电容,RLC振荡...
您的意思是电流应该是这样的吗?(我上面的图好像把电感断电时的电压记成电流了)
电流变化.png
另外,回路中的电阻损耗功率达到数十千瓦是怎么计算的?假设是纯电阻电路,通恒流直流电,也就是只有电阻消耗,较长时间来看,电感部分的电阻应该等于绕制这部分线圈的铜线的总电阻?10米1mm^2的铜线(1级),炮口直径10MM计算应该也很大一坨了吧?总电阻应该是0.175Ω,按I^2R计算,100安电流,发热也才1750瓦吧?问题是,恒流直流供电的话是否真的需要100安这么大的电流(即使需要估计也很难找到合适的电源和导线),通恒流直流,估计20安应该就可以有很可观的磁力了。
而电容供电正是因为电流是变化的,在电感中等效于交流电,交流电时,电感的整体内阻(感抗)会变大,所以损耗会更大,这也是为什么您说的从0上升到峰值电流是,能量损耗会达到70%,而电阻损耗功率达到几十千瓦的原因吧?
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三水合番
8年9个月前 IP:四川
813706
引用 zpanther:
您的意思是电流应该是这样的吗?(我上面的图好像把电感断电时的电压记成电流了)

另外,回路中的电阻损耗功率达到数十千瓦是怎么计算的?假设是纯电阻电路,通恒流直流电,也就是只有电阻消耗,较长时间来看,电感部分的电阻应该等于绕制这部分线圈的...
额……电感不产生有功损耗,电感感抗引起“损耗”,就是电能从电容中转移到电感中的过程,也就是电能变成磁能的过程……你提到的那个规格的线圈在100A电流下,磁场储能应该是在两三焦耳附近……效率再高动能也还是很弱……
再次建议楼主学习一些电路的基本知识……
另外楼主貌似不知道有个看起来比较简易的模拟器,我不清楚它的误差怎么样,不过它的精度用来定性分析还是足够的
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/t/54797 比如说这个
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三水合番
8年9个月前 IP:四川
813718
引用 zpanther:
您的意思是电流应该是这样的吗?(我上面的图好像把电感断电时的电压记成电流了)

另外,回路中的电阻损耗功率达到数十千瓦是怎么计算的?假设是纯电阻电路,通恒流直流电,也就是只有电阻消耗,较长时间来看,电感部分的电阻应该等于绕制这部分线圈的...
其实第二张图的波形对于靠吸力做功的电磁炮来说还是挺理想的
不过目前制约磁阻式发展的主要是 磁饱和 和 回拉。前一个可以通过大幅度减小每级的能量来解决(电池供电的低压磁阻式效率高的一个原因),代价是加速度变小,需要很多级才能达到高速。后一个目前来看可以通过用可关断的开关,或者用无极性的电容和可控硅利用lc谐振让电流过零自动关断来解决,代价是成本变高,比如说国外分别有人用这两种方案达到过20%和30%的效率(有待核实……)然而第一个方案用了上百个IGBT,第二个方案用了单位能量价格远超电解电容的薄膜电容。
与前两个相比,电流波形目前还不是主要影响因素,其实这个改起来应该相对简单,只需要外加一个电感,搭一个简易的脉冲形成网络,就可以在用电容的情况下得到还算平的电流峰[s::lol]
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zpanther作者
8年9个月前 IP:广东
813724
引用 三水合番:
额……电感不产生有功损耗,电感感抗引起“损耗”,就是电能从电容中转移到电感中的过程,也就是电能变成磁能的过程……你提到的那个规格的线圈在100A电流下,磁场储能应该是在两三焦耳附近……效率再高动能也还是很弱……
再次建议楼主学习一些电路的基...
嗯,其实知识以前大致都学过,不过丢下太久,忘得差不多了,尤其是损耗这些,只是搞不清楚您前面说的电流从0到峰值,电阻的损耗就能达到几十千瓦的功率是怎么来的,整个电路来说,加上电容的内阻和电路本身的线阻,能达到1Ω应该也差不多了,加上开关部分的电阻可能会更大一些,算2欧姆(应该没那么大吧?还是更大?),假设0到峰值过程平均线损是20千瓦,那平均电流也要100安了,那峰值肯定超100安,可能接近200安,但是现在主流应该是采用高压低流吧?电流有那么高?好像看到有帖子说低压的也就是使用峰值电流70安左右。
其次是您说我的提到的线圈规格,磁场储能应该是在两三焦耳附近是怎么计算出来的?假设我的线圈长度是50mm,线圈直径是10mm,那么就算是绕100匝(线径1mm,线圈直径10mm,绕100匝不需要10米的铜线),100A电流,磁场强度是可以非常大的了吧?B=N*I/Le=100匝*100安/0.05米=20万A/m,磁感应强度会小?储能才2~3焦?而且我只是说了我准备用的线圈的材料规格,没算绕多少匝和线圈的长度,应该没办法计算储能吧?还是您把我的10米当成线圈长度了?或者是认为我只绕1层,那么10米铜线能绕300多匝,长度达到30多mm,不过即使只绕一层,平均磁场强度也能达到3万A/m了,储能是怎么算的?只计算储存的电量?好像储存的磁能和电能并不能等效吧?公式是什么?找不到线圈的磁能储存计算公式了
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三水合番
8年9个月前 IP:四川
813733
引用 zpanther:
嗯,其实知识以前大致都学过,不过丢下太久,忘得差不多了,尤其是损耗这些,只是搞不清楚您前面说的电流从0到峰值,电阻的损耗就能达到几十千瓦的功率是怎么来的,整个电路来说,加上电容的内阻和电路本身的线阻,能达到1Ω应该也差不多了,加上开关部分的...
现在的新作品太少了,我无法看出主流是啥……不过从近些年里的作品来看,主流是高压大电流……所用的电容耐压一般是300v到450v,电流峰值极少有小于200A的……
我的确没法比较精确地算出储能,所以我说“磁场储能应该是在两三焦耳附近”,我都已经用了三个表示不确定的词了……
磁场储能的就是 电感储能,即 0.5*L*i^2,满足楼主之前的条件的线圈电感应该不会超过400uH(由那个模拟器得到,我们暂时认为它是准的),所以 100A下,那个线圈的储能应该都超不过 2J。磁感应强度我还不会算……不过从模拟器上看,100A ,空心时之前的那个线圈的磁感应强度比 1T 稍高(暂时认为模拟器是准确的,如果想要更精确的数值的话,应该去找那位会仿真的)。
还是建议楼主学习相关理论……
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迪纳米斯
8年9个月前 IP:广西
813769
引用 三水合番:
其实第二张图的波形对于靠吸力做功的电磁炮来说还是挺理想的
不过目前制约磁阻式发展的主要是 磁饱和 和 回拉。前一个可以通过大幅度减小每级的能量来解决(电池供电的低压磁阻式效率高的一个原因),代价是加速度变小,需要很多级才能达到高速。后一个...
脉冲形成网络很有意思[s::lol]
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