对于线圈炮,我有一个新的想法
flyjack2015/04/06电磁炮 IP:北京

最近放假没法买东西,只能研究方案。在做线圈炮计算的时候,我发现线圈炮的动力来自于感生电流和螺线管的磁场,不过两者对电流变化速度的要求不同,越大的电流,越快的变化速度,才能在弹丸产生足够大的感生电流,但是磁场却是相反,最好能维持一个足够稳定的强磁场,否则,驱动力衰减的很快,还会产生反拉。而且线圈必须是空心的,这样才能让弹丸通过,空心线圈的效率显然不如带铁芯的效率高,磁场方向以轴向为主,对驱动力贡献不大。

现在的方案都是用一个螺旋线圈产生磁场和感生电流,这个矛盾就很难解决。我的想法是可以用两个不同的线圈来完成这个目的。一个线圈是空心的,电流快速振荡,用于产生弹丸的感生电流。另外一个是带铁芯的,不过有一个开口,类似一个U型的电磁铁,这样在开口处形成一个方向固定的磁场,通过配合适当的电容可以产生一个比较慢的振荡,比如几十Hz的振荡频率,可以保证在弹丸通过过程中受力基本不变,起码方向不变。

两个线圈的好处是经过适当的调整,可以让两个线圈都处于振荡状态,不需要强制关断任何一个回路,这样消耗的能量仅仅就是回路的热损耗和一些漏感的损耗,效率可以做到非常高,如果需要暂时停下来,也可以加入一个零电流的关断,把能量暂时保存在电容里面。

这个方案的问题是控制复杂度会增加一些,必须细致调整时序关系。另一个问题是弹丸感生电流是否能维持足够长的时间,以便充分利用加速磁场的作用。第三个问题是加速磁场的性质可能需要非常特别,对于通常的环形感生电流,需要一个辐射状的磁场,这个需要特别的设计,也许需要把子弹变成空心的管状?
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
761025
引用 ssungirl:
“磁场却是相反”,前提就是错的,磁场也一样,电流越大,磁感应强度越大。至于一个稳定的强大磁场所需要的能量不是一把电磁枪可以建立的。


嗯,我的意思是对变化速度的要求不同,感生电流的要快,维持磁场的要慢。
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flyjack作者
9年9个月前 IP:北京
761079
引用 ssungirl:
,还是不对,产生电流的速度和频率是无关的,只和电压于阻抗有关。而且你的术语也不标准,建议你多看点基础的电磁学书籍。

感生电流是由感生电动势Ep产生的,而感生电动势Ep=d Φ /dt=d(k*u*n*n*I*S*l)/dt,其他项均为常数,只有dI/dt是变化的,其中I为螺旋线圈的电流。因此螺旋线圈电流变化越快,产生的感生电流越大。

如果考虑弹丸产生的反电动势,则变成书上的联立方程组,不过趋势是相同的。

你所说的电压和电阻,都是影响电流变化的因素,不过对于电容和电感的谐振电路,其频率最主要是由LC值决定的,LC越小,电流变化越快,电压越大,则电流幅值越大,从而产生的感生电流越大。这些都是通过电流变化速度起作用的,怎么能说和电流频率无关呢?
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flyjack作者
9年9个月前 IP:北京
761137
引用 ssungirl:
感应线圈炮相当于一个变压器,初级是线圈,次级是炮弹,炮弹是一个金属圆环,相当于一圈线圈。电压比是次级圈数/初级圈数。我现在用1V,1KHZ驱动这个变压器,和1V,10KHz驱动这个变压器次级所得到的电流是一致的,因为电压比一致,次级得到的电...

嗯,这个思路不错,简化为变压器的确是个不错的模型。不过对于计算来说,回路的电抗是ωL,而不是L,因此频率越高,电抗值越大,回路电流越小。你所说的仅仅是一次二次的比例不变,但不同频率下,一次二次的电流幅值是变化的。

对于RLC回路,其阻抗是Z=R+jωL+(1/jωC) = R+(-ω*ω*L*C+1)/(jωC),电流I=U/Z,当R为常数时,最大电流与|Z|成反比,这个就是RLC回路电流的幅频特性,下图是从网上找的,表示不同频率下的电流幅值。当ω为谐振频率时,有最大电流U/R。
RLC回路电流幅频特性.png

对于正常的线圈炮系统,相当于一个电容充满电,没有电源的闭合回路,可以直接套用RLC回路的零输入响应解,这个我查了一下,在振荡情况下
Uc=Kexp(-αt)cos(ωt+φ),则电流IL=CdUc/dt=αKωexp(-αt)sin(ωt+φ),根据初始条件Uc(0)=U,IL(0)=0,则K=U,φ=0,则电流
IL=αUωexp(-αt)sin(ωt),其中α=R/2L,ω0=1/sqrt(LC),ω=sqrt(ω0*ω0-α*α),一般不考虑衰减过程,也就是不考虑exp(-αt)过程,IL幅值与ω也是有关系的
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flyjack作者
9年9个月前 IP:北京
761224
引用 ssungirl:
,你这完全是RLC回路的计算,没有考虑过弹丸线圈处于短路状态。我们应该以变压器模型来计算。由变压器的阻抗变换来计算,弹丸线圈只有一圈,弹丸线圈的电阻R2远远小于ωL,ωL可以忽略不计。于是初级输入电阻Ri≈N1/N2*R2.这个时候初级线圈...

首先二次回路负载是电阻性质的,不代表整个回路是电阻回路,放电的电容,一次侧线圈自身的电阻和电感才是主要部分,其次,折算到一次侧阻抗比例应该是N1/N2的平方,也就是Ri=N1*N1/N2/N2*R2,不过这个应该不影响你的结论。由于弹丸的面积很大,电阻很小,折算到一次侧也不是主要因素。最直观的就是在仿真器可以计算得到振荡波形,一个电阻回路是得不到这个波形的。

在计算中,通常都是把变压器作为电抗来计算的,无论二次侧是否短路都是如此。至于短路电流远远大于空载电流,在变压器模型里表现为一次和二次绕组的等值阻抗远小于励磁绕组阻抗,和二次回路短路电阻什么的没有关系。也就是说,负载是纯电阻短路,但是这个电阻太小了,不能改变一次线圈本身的电抗特性。
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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
761284
引用 ssungirl:
,好久以前的知识了,电阻的变换确实是匝数的平方比。而变换到初级是和初级并联。假设次级大概半径3毫米的铝圈,1。5毫米厚度,长10毫米,电阻率是2.83 × 10(-8)Ω m可以计算出电阻大概0.0178豪欧,假设初级是100圈,那么折算到...

你和三水合番的意思差不多,我就一起回复了。我知道我们的想法差别在什么地方了。我考虑的变压器模型是T形等值模型:
变压器T型等值电路.png

因此即使二次侧短路,一次侧和二次侧绕组本身的阻抗也是不可忽略的,在这种情况下,是个串联电路,电抗越大,就越表现为电感特性。

你们的意思是不考虑R1,X1什么的,认为线圈的电阻电抗是Rm和Xm,这样是个并联电路,如果二次侧短路,则近似是个纯电阻回路。

从等值的角度来说,R1和X1是漏磁通,Rm和Xm表示耦合磁通,也就是互感M。如果对于理想的互感情况,M近似为1,漏磁通为0,那么你们的结论就是正确的。

但是,对于一个实际的变压器,一次二次绕在一起,采取了种种措施,也有10%以上的漏磁通,像线圈炮这种结构,互感在不断变化,漏磁通更是大的不行,你们这种计算就是不合理的。即使在短路情况下,线圈表现的电抗也是自阻抗L-互感M,远远大于你计算得到的电阻。

我一开始把空心线圈的电阻电抗作为R1和X1的确是不正确的,应该是R1+jX1=RL+jXL-Rm-jXm,但是在数量级上没有什么问题。

根据你的计算也证明了这一点,互感再高,耦合做的再好,也不可能超过绕在一起的变压器吧,变压器算90%互感吧,你计算的490欧的电感,就算漏10%也远远大于电阻了,这个10%可是串到回路里的,足以把整个回路特性表现为RLC特性。三水合番的实验不也证明了这一点吗,下降了20%,就是互感的20%。需要注意的是,即使再努力,在这个结构下,互感也不可能是100%,而且差的很多。

再补充一下,耦合M最大的时候,是弹丸和线圈完全重合的时候,这个时候通常是驱动力最小的时候,因此这个状态对速度贡献很小。大部分有价值的情况,是耦合不是那么大的时候。
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flyjack作者
9年9个月前 IP:北京
761294
引用 坚持and突破:

关于你提出的恒定磁场的想法,我是不知道你是怎么想到。打个比方,如果弹丸在磁场的左边静止,那它受力向靠近磁场的右边运动,但如果弹丸的中点经过了磁场
的中点,这时如果不切断磁场,那弹丸就受到磁场向右的力。最后的结果就是弹丸在磁场的两边震荡,最后静止下来。所以恒定的磁场必须在子弹中点通过线圈中点
是快速可靠一点不剩的去掉..
一个近似恒定磁场的方向是不变的,因此只要弹丸的电流方向不变,在左边、中间、右边受到的力方向都是一致的,不存在振荡的问题。这个就是我说的优势,不需要切断,就没有能量损失。传统的线圈会出现振荡,是由于过中点之后,磁场方向变化了,轴向没有变,但径向磁场方向变化了,这个你再仔细考虑一下是不是这样。

至于感应加热问题,可以在电流过零点切断回路,把能量保存在电容里,实际上就是一个能量回收。
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flyjack作者
9年9个月前 IP:北京
761302
引用 坚持and突破:
你最好画个示意图,因为不太理解你的描述,感觉有矛盾之处。子弹无论在磁场的左边还右边,受到的只有拉力,而你的描述貌似是弹丸在恒定磁场的右边是受拉力,而到了左边是推力(假设是从右向左运动)这种情况我感觉是不太可能出现的!
磁场线圈.png

随手画了一个,磁场方向不变,电流方向不变,力的方向也是一致的。
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flyjack作者
9年9个月前 IP:北京
761315
引用 ssungirl:
更加糊涂了,到底那个是磁场B啊,如果是箭头,那么不可能存在这种磁场,如果是圆圈,磁场和电流的方向平行了。
当然是箭头状的辐射磁场了,只要径向分量是这样就可以了,这种磁场还是存在的
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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
761342
引用 三水合番:
这个模型我知道,这层中你的观点我也同意,但是我并没忽略漏感,否则我也不会在之前提到耦合差的事了。我不同意的是电流的大小和变化率与频率有关,对于一电感电流大小只和储能相关,电流变化率只和电压有关。对lc振荡来说,改电容大小不改电压不会让电流峰...


你的耦合差实验不错啊,我也是想一点一点的把这些实验都做一下。

我觉得和你说的并不矛盾,电感电流只和储能有关-->储能是0.5*U*U*C,因此电容越大,电感电流就越大,这不就联系上了吗?

至于速率什么的,我是在讨论弹丸电流,磁场变化越快,如果线圈电流相同情况下,产生的感生电流越大。这个和你说的电压越高,感生电流越大也是一致的。因为变化越快,电感电抗ωL越大,相同电流下电压越高,因此感生的电流越大。

最大电流肯定是和电容值相关的,模拟器结果也是这样,或者考虑极端情况,电容非常非常的小,那最大电流肯定也会变得很小。除非你说的是没有电容,一个电源给线圈充电,这样就和电容没有关系了。

RLC在谐振情况下最大电流是和LC值无关的,也许你说的是这种情况?但那个需要一个特定频率的电源。
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