本人是科创论坛的新人,是高中生,对科创已有一定的涉猎,要激活帐号要发贴,但一时间也写不出什么好帖,于是将我以前的小课题论文发上来,请多多指教,希望在线圈炮的磁路设计上有一定帮助。 以下是论文片段,请不要转载。
长直线圈磁场的面化 曹家骏 2011年9月25日摘 要:本文描述了一种将长直通电线圈磁场面化的一种磁路设计。电磁线圈是在电磁驱动机构中的重要部件,但由于线圈磁场分布范围广,行程难以精确计算,应用上很不方便。本文从物理学中的质点的概念出发,致力于将线圈磁力作用点质点化,通过利用高磁导率材料对磁感线的汇聚及引导作用,设计了导磁套管,使长直线圈磁场近似地压缩在一个平面中,部分解决了电磁驱动中线圈行程及控制问题。
关键词:电磁线圈;磁路;磁导率;导磁套管
一·概述 在电磁驱动机构中,对电磁线圈磁场的利用尤为重要,而线圈产生的磁场分布范围广,行程难以精确计算,对于应用造成了一定困难。本文基于电磁学的基本原理,利用外部介质对磁场的影响,压缩线圈的磁场,使线圈磁场趋向为一个平面,使磁力的作用区域变为一个面,应用更加方便。
二·基本物理原理 1.磁介质对磁场的压缩作用 对于线圈产生的磁场,磁场有一定的散度,磁感线会分散,总磁通不变而磁场强度减小,影响效率。而高磁导率的材料相对空气磁阻较小,能汇聚磁感线,减小散度,增大磁场强度,称为磁通压缩。 2.磁介质对磁场的引导作用 高磁导率的金属材料相比较于空气磁阻低,磁感线倾向于进入在磁导率高的介质。所以,磁路会被磁介质改变并引导。利用磁介质的这个性质,将线圈各处产生的磁通汇集到一处通过气隙放出,磁力为/
,S为气隙面积,依具体环境不同而调整。 3.磁介质对磁场的屏蔽作用 利用大块铁磁材料对磁场有屏蔽作用。其原理是将电磁波反射或吸收,并改变磁通通过的面积,减小局
部的磁场强度,使未被汇聚和引导的磁通由大面积的铁磁材料分散,使其影响降到最低。 1.磁路设计 磁路设计要完成三个步骤:引导,汇聚,屏蔽。 第一,利用贯穿线圈内腔的铁芯将线圈大部分磁通引导到磁介质中。第二,将铁芯中的磁通汇聚到线圈一端的大块铁磁材料中,再通过铁磁材料与目标物的气隙释放磁力。第三,用铁磁材料包裹线圈另一端,屏蔽线圈未能被引导的磁通。经过这三个步骤,达到的效果是将整个线圈的大部分磁通通过线圈一端的铁磁材料中放出,从而达到使线圈磁场面化的目的。 [align=left][size=4][font=黑体]
2.长直线圈磁场面化模型[/align][table=100%,#ffffff,#dddddd,1,0][tr][td=1,1,-1][/tr]
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图一 线圈整体模型 图二 线圈及磁通汇聚块 图三 线圈尾端电磁屏蔽管 图四 磁通汇聚块 线圈参数:[/font][/size]
漆包线直径
| 绕制圈数
| 线圈电阻
| 工作电压
| 静态电流
| 功率
|
0.5mm
| 900圈
| 4Ω
| 12V
| 3A
| 36W
|
长直线圈面化模型采用碳钢整体化加工,使漏磁更少,但由于碳钢是硬磁材料,断电后会有较大剩磁,磁导率也不尽人意,线圈采用0.5mm的漆包线,电阻较小,磁场强度大,而且线圈长度很长,这些对面化此线圈的磁场提出了挑战,但总体上达到了设计要求。
四·实验图像及分析
1.实验图像
图六 线圈磁场压缩效果图像
图六为DIS系统磁强针磁场强度纵剖面扫描:磁强针自左向右扫描,横轴为位移,竖轴为磁 场强度,具体位置与线圈图片一一对应,值得注意的是此处磁场强度是区分点或叉的磁通,所以有正负。此图像红线为长直线圈磁场面化模型实际磁场图像,而蓝线是基于可靠的电磁学
原理模拟的普通同规格线圈的外部磁场。模拟的图像若有不实之处,欢迎指正。
由图六可得以下三点:第一,线圈磁场强度图像斜率急剧提高,即磁场被急剧压缩。第二,由磁通汇聚块处磁场强度为零且左右磁通方向不同,可知线圈的磁通是由磁通汇聚块进入气隙的。第三,尾端磁场强度接近为零,说明电磁屏蔽管起到了很好的作用。
综上所述,各部件及磁路基本达到设计目的,能够投入实用化测试。
2.实验分析
对于普通同规格长直通电线圈来说,在其线圈外部轴线上磁场强度应该有如下公式计算:
说明:该公式仅计算在长直通电线圈端口横向的磁场强度,为该点到线圈另一端口的立体张角。
经过测量,长直线圈磁场面化模型的线圈端口磁场强度为1.80×10-3T。
通过比较发现,长直线圈磁场面化模型的磁通虽然在磁路中有损耗,但是经过铁磁材料的增幅和汇聚,磁场强度不减反增。至于线圈效率,除去线圈本身的热损外,还有尾端电磁屏蔽管及铁芯的涡流热损,但损耗不大,较线圈本身的热损可忽略不计。
最后我上传些我另一个课题有关环形电磁驱动的东西
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