通过环形磁铁是否能增加效率?
flyjack2015/03/29电磁炮 IP:北京

最近在计划一个低压的方案,电流比较小(<250A),加速太慢,因此考虑通过强磁铁来提高效率。

根据版上的经验,发射磁铁太脆,基本只能一次性使用,而且方向必须正确。本来我的想法增加一个铝壳,顺便增加一点动力,不过今天看到一篇文章,提到径向充磁的磁铁,我考虑了一下,觉得用磁铁作为发射管也是有一些好处的。

通常的螺旋线圈磁力线方向以轴向为主,但提供动力的是磁场径向分量,只是整个磁场强度的几分之一到几十分之一。如果采用径向充磁的环形磁铁,比如内圈是N极,外圈为S极,则内部磁力线主要为径向,而且一直保持稳定,虽然磁场峰值可能不如通电线圈,但平均值应该也比较高。  

结构上可以把线圈放在磁铁前面,线圈的脉冲电流在弹丸上产生感应电流,并提供初速,然后弹丸进入磁环加速。

大家觉得这个方案可行吗?如果理论上可行的话,我准备买几个磁铁试一下。
来自:物理高能技术 / 电磁炮
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~~空空如也
flyjack 作者
9年9个月前 IP:北京
760026
谢谢大家的回答。昨天找了一个暴力的电池,去测试电池去了。本来觉得低压很安全,结果手一抖,接头的地方火花四溅,表笔尖直接就烧掉了,现在还觉得心砰砰跳,今天准备买个空开继续测。
如果有人知道22V的锂电如何充电也请赐教,taobao上只找到18V的,不知道能不能用。

我准备用电池做电源,这样就可以相对长时间放电,我做了一个仿真计算,对一个6cm的管子,大概有2ms左右时间加速,如果通过中点之后,用一个全桥电路把电流翻转过来,就又可以增加1~2ms时间。

从磁路上来说,永磁体的磁导率接近空气,因此加速过程类似永磁电机,而不是磁阻。气隙的确是个比较大的问题,剩磁有1~2T的磁铁,表面磁场可能也就2000~4000Gs,离得再远一点就更小了。目前想到的方案是在周围加硅钢片做磁轭,或者先试试现在这种情况安培力有多大

如果大家测试驱动力的方案,也请赐教,我打算先一步一步从测试放电电流,驱动力,回拉力开始,慢慢的检验计算和实物的差距。
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flyjack作者
9年9个月前 IP:北京
760166
引用 三水合番:
能不能更详细的介绍下你的理论,1.5T的磁场如果是匀强的话弹丸显然不动的,如果是在1m内均匀增加的话那和1cm内加到1.5T有什么区别?

我来算一下吧,因为1cm内是很难靠电磁力来加速到100m/s的。

如果末速度为100m/s,为了方便计算,先假设为匀加速过程,则通过1cm需要时间s/v*2=0.01/100*2=0.0002s=200us

所需要加速度a=v/t=100/0.0002=5×(10^5),因此需要驱动力F=ma=0.005*5*10^5=2500N

通过仿真软件可以知道,这个驱动力是非常大的。而且在计算中是均匀加速,因此这个只是平均驱动力,峰值驱动力应该还要大一些。

如果其他条件不变,加速距离变为100cm,则F=0.5*m*v*v/s=0.5*0.005*100*100/1=25N,就比较容易达到了。不过实际上磁阻炮的加速过程只有前面一半,因此炮管长度需要200cm,而且驱动力F=-dW/dx,磁能W有变化才会产生动力,如果一个很长的管子,在中间磁能应该变化不大,如果考虑"电炮原理"中描述的磁阻炮周围有磁轭,而一般DIY的都是普通线圈,那么磁路气隙会超级大,效率会非常之低

因此我觉得永磁体比这个好,起码能提供F=nBIL的驱动力,考虑气隙和方向情况下,B远小于1T,但匝数n足够多的话,几百牛顿的力应该还是有的。这个下一步我就准备测一下。现在找到的力敏电阻或电阻桥都没有校准过,响应时间也不知道有多快,测出来估计误差小不了。
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flyjack作者
9年9个月前 IP:北京
760425
引用 zgs0301:
驱动力我是根据电磁铁吸力计算的: F=4*B^2*S*10^5,其中B是磁感应强度,S为子弹的截面积

en,一开始驱动力我也是按照电磁铁吸引力来计算的,但是怎么算都很小。如果考虑饱和的话,最多到2T左右,如果上高压大电流磁场峰值可以很高,但是时间又很短。而且有一个消磁的因素,如果线圈磁场非常强,>2T,而且和弹丸磁场相反,那么对弹丸就相当于消磁,多来几次弹丸就没有磁性了。如果弹丸为软磁性材料,那么按照理论公式来只会产生一个斥力,好像有人分析过因为有些阻抗、感生电流相位等因素,所以还是会变成拉力,不过这个就很难计算了。

后来我看了一些永磁电机的资料,里面提到线圈产生的磁场强度仅仅相当于永磁体强度的15%以下,说明主要的驱动力是安培力,而不是磁场之间的吸引力,这样算下来驱动力就大多了。
比如对于一个250A,192匝的60mm线圈来说,约可以得到1T的磁感应强度,按照麦克斯韦力F=B*B*S/2/u0,其中u0=4*pi*(10^-7),约等于
F=B*B*S*4*10^5,如果弹丸磁场取2T(实际上肯定不到),管子直径为6mm,则F=2*1*0.003*0.003*pi*4*10^5=22N

但同等情况下安培力F=nBIL=192*2*250*2*pi*0.003=1809N,实际上当然远远没有这么多了,磁场B是个空间矢量,大部分在轴线方向,而只有径向分量才能产生驱动力,而且线圈是均匀分布在60mm范围内,这个精确的应该积分来计算,不过就算只有十分之一,也比麦克斯韦力大很多。永磁电机的运转也证明了这一点。

如果乐观的考虑,这两个力都是存在的,只是对不同类型的炮起主导作用的力不同。对于线圈炮或永磁弹丸,起主导作用的是安培力,对于磁阻炮,不太好分析,书上是通过磁场能量来计算的,没有明确的说明这个问题。

我买的压敏电阻还没到,还要搭个实验平台,真是麻烦啊。
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flyjack作者
9年9个月前 修改于 9年9个月前 IP:北京
760440
引用 三水合番:
觉得楼主应该开一贴仔细讲讲你的方案和有关的理论,看到现在还是没看明白楼主想干什么。
楼主是想做一种特殊的感应式还是感应式和磁阻式的组合?发射的弹丸是铜铝类的还是铁质的?

目前的想法是
方案一
                                                   ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ -----------------------|
                    --------\                                     螺旋线圈                                                                       电池(40c以上)
                    --------/
                   (永磁体)                    ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~------------------------|


方案二
                                                                                                         SSSSSSSSSSS
                                                   ~~~~~~~~~~~~~~|   NNNNNNNNNN
                    --------\                                     螺旋线圈            储能电容         磁环    
                    --------/                                                                        
                   (铝管)                      ~~~~~~~~~~~~~~|    NNNNNNNNNN
                                                                                                          SSSSSSSSSSS

通过永磁体磁场来提高效率,主要驱动力来自安培力F=nBIL,电压低于电池电压22V,或电容电压150V,电流不超过300A,可以通过全桥电路改变电流方向
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flyjack作者
9年9个月前 修改于 9年9个月前 IP:北京
760510
引用 zgs0301:
这么这种就是传说中的径向充磁吗?

不是 mag1.jpg

而是
mag2.jpg
前一个对于通过中间的弹丸来说,会提供一个翻转的力,后一个会提供轴向力

是用电池提供250A电流,不是靠电容,因此和线圈存储能力关系不大,电流曲线类似下图
current.jpg

后面的是第二级、第三级的波形(如果有的话),前面的是靠电池缓慢提供电流,检测到弹丸通过中点则换相,然后反向提供电流
这个过程可能有几个ms,靠电池慢慢加速,和电容-电感回路的放电曲线不同。

不过这个只是计算结果,实际怎么样要等我慢慢的绕好线圈,搭好台子。
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flyjack作者
9年9个月前 IP:北京
760514
引用 三水合番:
径向充磁的磁铁环里磁感应强度衰减很快,隔层炮管就不剩啥了吧。另外钕铁硼导电,把它放在感应式线圈边上有涡流。而且万一几炮后磁铁碎了或者变轴向充磁的了咋办。
楼主最后两句是针对方案二的吗?感应式需要很少的匝数来提高耦合,电感通常就十几,几十uH...

铷铁硼材料的确强度不行,所以这个方案现在只是一个设想。

或者用一个不导电的材料包裹起来,比如什么pvc或者陶瓷什么的。主要还是看看这个方案是不是能提供效率,小磁铁还是比较便宜,就当一次性的用吧,以后再考虑加固的问题。

前面计算的时候我也在想,真的有个高效率的能量转换,一下子产生1000N以上的推力,那炮管就像被200斤的胖子踩了一脚一样,早就散架了。看来绕线圈的时候还要弄得结实点,安全第一。
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