全桥拓扑感应炮假想
440Nx2021/12/12电磁炮 IP:广东

此全桥仅是补全了半桥,每个IGBT都配有二极管,构成H型电路。 circle1.png

同半桥,使用单片机单独控制每个开关管,每次开启时原理同半桥;但得益于补全电路,线圈中的电流可以反向。

磁行波驱动需要磁行波峰保持移动推动弹丸,我的理解是感应线圈总是阻碍磁场变化向磁势降低的方向运动。但是,感应加热是利用高频磁场产生涡流而产生焦耳热,但涡流并没有像单级脉冲感应炮那样产生力的效果,这可能是因为磁场变化过快出现反拉抵消了推。或许可以利用这点,将反拉的中心移到弹丸前方,变为正拉。这就需要两个线圈协调工作。两个线圈的磁场叠加后的磁场中心为磁波峰。

前半个周期需要磁波峰快速产生、移动和消失。在磁场增强时上级线圈推动弹丸;在渡越时无作用力;在减弱过程中下级线圈始终拉动弹丸线圈向前,直到电流过零点而又开启反向电流,磁场变化率不变。到了后半周期磁波峰仍需快速移动和消失,但方向和前半周期相反。这个磁波峰移动速度必须高于弹丸运动速度,也就是说,随着弹丸加速,磁场频率必须越来越高。 d1c42cf6d939a6e714e08638c28c9de.jpg

由于开关管性能有限,电流上升到一定程度必须关闭。若使用大容量电容供电,这个电流上升曲线相当平直,下降过程也一样,所以单个线圈产生磁场的波形近似于三角波。

虽然原理类似于异步感应炮,但驱动弹丸需要考虑弹丸滑差,该炮不考虑滑差。使用半桥也可产生类似效果,但磁波峰只能单向移动,每个开关管开关频率更高负载更大。当然若是代码写错导致同侧开关管同时开启,结果不多说,boooom。这是全桥比半桥危险之处。

感应弹丸必须处于两个线圈之间才可如此运行,可使用光电门判断弹丸位置。若处于某个线圈之内,则必须按异步感应运行。若弹丸运动速度足够快,就可按同步感应运行。使用铁质弹丸可使用半桥,但由于三角波脉冲所以拉力不如普通磁阻炮。使用永磁弹丸在运行至两线圈之间可使两线圈极性相反开启互相排斥,由于磁铁有两级所以可同时受到拉和推的作用。

由于本人水平有限,不会使用软件仿真,当然无法计算这个模型的拉力、速度和效率等性能,具体实验需要等到明年。

来自:物理高能技术 / 电磁炮
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~~空空如也
三水合番
2年11个月前 IP:四川
899394

磁场以及电磁力这些比较复杂,先不谈…

这个拓扑比较要命的地方是需要用断路开关,比如IGBT。但是这些开关的功率容量都太小了,脉冲应用下比可控硅这种能小一个数量级… 而感应炮又对功率有特别高的要求,功率小的时候性能比磁阻炮差很多。因为感应炮的电磁力正比于电流的平方,磁阻炮的电磁力正比于电流的一次方。在自变量小的时候,平方函数的值是比线性函数小的。所以受开关功率容量限制,用这种拓扑做感应炮,效果会比磁阻炮还要差。

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440Nx作者
2年11个月前 IP:广东
899396
引用三水合番发表于1楼的内容
磁场以及电磁力这些比较复杂,先不谈…这个拓扑比较要命的地方是需要用断路开关,比如IGBT。但是这些开...

所以所谓的高要求指的是兆瓦级的吗…虽然确实和电流平方正相关,但其中系数也和电感有关,可以提高电压和匝数改善。但更大的管子开关会比较慢。文中我提出的模型必须在数khz以上运行。如果用那个常见的软件模拟电流,呃,每个周期焦耳热功率约几十焦,平均功率几十kw…还是受制于管子,若每个脉冲有更高的磁场变化率,性能将明显改善。

若使用scr,电路将复杂得多,就不是每线圈4管这么简单了,电路搭建将非常困难。

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三水合番
2年11个月前 IP:四川
899399

上面提到的电流,更准确的说应该是安匝数。管子的功率容量,指的是管子耐压和耐流的乘积。这些属于比较“根本”的参数,基本只受你花了多少钱影响,没法通过比如改匝数和改电压来提升。

即使对于很轻的弹丸,个位数的MW级功率容量也只是勉强够用,参考这个 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/t/82409

功率不能看“有功功率”,或者说焦耳热,无功功率才是主要部分。系统的峰值功率可能比 焦耳热/总时间 得到的结果高一个数量级,管子得能抗住峰值功率才行。上面那个链接里的感应炮,按 焦耳热/总时间 算功率只有21.6J/130us=166kW,但是按 需要的耐压*耐流 算,功率有598V*2.6kA=1.6MW。如果管子的功率容量只有几十kW的话,感应炮的效果会很差,可能动都不动……


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440Nx作者
2年11个月前 IP:广东
899402
引用三水合番发表于3楼的内容
上面提到的电流,更准确的说应该是安匝数。管子的功率容量,指的是管子耐压和耐流的乘积。这些属于比较“根...

好吧若是因为管子限制,就暂且抛开电源性能不谈…我们容易找到的例子都是单级或同步感应的,触发时只有单脉冲。但这里不能那样假设,而应该看作异步感应,是持续产生若干个脉冲的。速度也不要求太高,达到磁阻或直线电机水平即可。异步感应在磁场加强和减弱都有作用,不像磁阻只关大小也不像同步感应推走完事。使用igbt一次性推走很不现实,若将单脉冲化整为零持续加速又是否可行?我来问并不考虑工程实现难度,而是讨论和同步感应、磁阻相比,这个奇怪的行波感应有何优劣。

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440Nx作者
2年11个月前 IP:广东
899413
引用三水合番发表于3楼的内容
上面提到的电流,更准确的说应该是安匝数。管子的功率容量,指的是管子耐压和耐流的乘积。这些属于比较“根...

另外,对于推力和电流的正比关系,我简单推论一下你看看是否正确。弹丸回路的感生电流和磁通量变化率有关,要保持弹丸电流必须让驱动电流保持增大,其中电流梯度越大弹丸电流也越大。而后随着驱动电流增大磁感应强度和推力也会线性增大。因此同为峰值2ka的脉冲,10hz和10khz有巨大的差别,波长较短的显然效率高得多。

至于磁感应强度,若能得到同样大的电流,匝数越多就能产生更强的磁场。那么,外形一样的1ka*1匝和1a*1k匝的磁场是否相同呢?所以若磁感应强度变化率不变又是否可以通过增加匝数降低电流?

你那篇文章看了,粗略算一下△B大约95kT/s,方法是算出峰值磁通约5.7t除以半个半波60us,我这个代入现有条件只有那一半,推力1/6。

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三水合番
2年11个月前 IP:四川
899421
引用440Nx发表于5楼的内容
另外,对于推力和电流的正比关系,我简单推论一下你看看是否正确。弹丸回路的感生电流和磁通量变化率有关,...

“电流梯度”指的是电流随时间的变化率吗?只有在电流变化率(di/dt)或者说频率足够低的时候,弹丸电流和电磁力才会随着它的增大而上升,当di/dt足够高的时候,弹丸电流和电磁力不会继续随di/dt增加,而是会趋于一个由线圈电流大小决定的值。举个简单的例子,2.4GHz的WiFi,在10mW发射功率和50Ω阻抗的情况下,它的di/dt大概是10kA/us,比所有业余电磁炮都高几个数量级,但你拿着铜块靠近WiFi天线并不会被弹飞。具体多高的频率算足够高,可以参考这篇帖子关于电感时间常数的部分 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/t/85748 另外为啥要提频率的事?这个拓扑在“频率”上有什么特别的优势吗?

外形一样的1ka*1匝和1a*1k匝的磁场是完全一致的,可以参考这篇帖子 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/t/79380 

通过增加匝数确实可以降低电流,但代价是需要提高电压,否则没法得到相同的磁场变化率,因为匝数更多的线圈电感更大。对开关管功率容量的要求是不变的,因为电流下降和电压上升的效果刚好相互抵消。这个从场的角度更容易理解:空间中的磁场是储存有能量的,想得到相同的磁场变化率,就需要相同的能量变化率,或者说功率。


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440Nx作者
2年11个月前 IP:广东
899424
引用三水合番发表于6楼的内容
“电流梯度”指的是电流随时间的变化率吗?只有在电流变化率(di/dt)或者说频率足够低的时候,弹丸电...

按这么说弹丸电流是非线性的,那就很难算了。至于天线,对导体没什么作用一是距离太远,二是频率没按导体“磁矩”来,过高的频率使推和拉都向着天线中心相互抵消,三是由于互感等各种原因使天线的实际电流降低,最终表现就是那么一点涡流的焦耳热。假如这天线把大量脉冲合成一个不断上升的单脉冲,必定就像单级感应炮一样。

这个拓扑用异步感应方式运行,频率可控,或者用改变电磁力推拉方向的方法。峰值推力已经简单分析过比较弱,但能够持续加速。

似乎你一直局限于单线圈来看这个拓扑。但我在这里也不太确定,如果你保持观点我也只能接受。

关于开关管我大概理解了不必多说。

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三水合番
2年11个月前 IP:四川
899432
引用440Nx发表于7楼的内容
按这么说弹丸电流是非线性的,那就很难算了。至于天线,对导体没什么作用一是距离太远,二是频率没按导体“...

弹丸电流还是线性的:线圈电流增大x倍,弹丸电流也会同样增大x倍(如果弹丸不动的话)。只是弹丸电流对不同频率有不同的响应而已。你关于天线内容我理解不了,不做评价。

频率可控不是一个特有的优点。所有拓扑都是频率可控的,哪怕是最常见的可控硅无关断磁阻炮也一样——使用不同的线圈和电容就行。持续加速可以是一个优点,能保持出速和加速距离不变,降低峰值加速度,用来发射相对脆弱的载荷会比较好。需要考虑的是性能或者成本,和同样能实现“低加速度波动”的磁阻炮相比是否有优势。

我之前说的东西似乎没有啥是局限于单线圈的。不管是“功率容量问题”,“电磁力和电流变化率”,还是“线圈匝数和磁场”对于多个线圈也一样是成立的。

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440Nx作者
2年11个月前 IP:广东
899434
引用三水合番发表于8楼的内容
弹丸电流还是线性的:线圈电流增大x倍,弹丸电流也会同样增大x倍(如果弹丸不动的话)。只是弹丸电流对不...

好吧,但我现在对弹丸和驱动电流的线性关系很迷惑,能否展开解释?若是个直流储能电感…

你的论点多是关于单脉冲,磁行波也是关于磁阻,没有明确表示连续脉冲以及改善线圈之间弹丸“推”“拉”的情形,尤其是发射永磁弹丸和行波驱动感应弹丸的情况。即使持续加速远不如“力大飞砖”。

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440Nx作者
2年11个月前 IP:广东
899435

刚才拿旧线圈试一下,288uh的🙃合着△B只有3kT/s出头,只有95k的1/30,效果1/900都不到。结果倒不是动都不动,把铜环弹了一下。

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