序言

寒假期间，我对电磁加速器这种东西产生了浓厚的兴趣，它在未来拥有足够广泛的应用前景，当中包括但不限于交通，运输，航空航天等。于是，我便开始着手对小型化的电磁加速器的探索和研究，学到了很多的知识，也取得了一定的成果，本篇文章是为了参加一个比赛写的，各位大佬们看个乐呵就行

1.电磁加速器的原理

简单来讲，电磁加速器的本质其实就是电磁铁吸引一个金属块，只不过需要在用足够强大的磁力吸引金属块后，关闭磁力，使金属块利用惯性飞出，这便是最简单的电磁加速器的原理。

这便是最电磁加速器的原理。于是便利用手里所拥有的材料，在洞洞板上搭建了一个最为简单的电磁加速器  图1-3

1-3一个简单的电磁加速器

这个电磁炮采用了螺丝刀的批头作为被加速的物体，储能部分采用3个450v220uf的电容并联，开关部分用的70tps16可控硅，可以耐受高压和大电流。在加速的时候可以得到一个比较可观的速度，预估有15m/s。加速视频见视频1。整个装置十分的简陋，但足以让我对电磁加速器的最基础的原理有一部分的了解。下图1-4是这个简单加速装置的原理图。  

1-4加速装置原理图

2.多级电磁加速器的设计

了解了最简单的电磁加速器的基本原理后，接下来所做的便是要想办法使电磁加速器的速度更快，效率更高。最简单的方法便是在一定范围内直接加大电容的储能，使被加速的物体获得更大的速度，但这种方法会浪费掉非常多的能量，并且在一定范围之后，单纯加大电容的储能甚至会造成反拉，使得被加速物体的速度变得更低，想要获得更高的速度，效率，便需要更换另外的方案：多级加速。

若是要实现多级加速，线圈开关的时间如果用人来控制显然有些不太现实，在电磁加速这种速度极快的东西上，任何一点微小的误差都能导致速度截然不同。于是，如何控制多级电磁加速器每个线圈的开启时间也成为了一个问题。

这其中，有一个非常简单并且好用的东西，非常适合用来控制线圈“开”的那一部分——光电开关

光电开关的原理非常简单，仅仅需要几个元器件便可以完成。其本质便是红外二级管发出波长约940nm的红外光，红外接收管接受发射管所发出的光线，但在弹丸经过发射管和接收管之间——也就是光线被挡住的时候，接收管两端的电阻减小，再经过三极管将信号放大，便可实现开关的效果。下图2-1是简单光电开关的原理图。

2-1简单光电开关的原理图

照着原理图绘制PCB，找厂家定制打板，做好了几个用于电磁加速器的光电开关。下图2-2是做好的光电开关。

图2-2简单的光电开关

将做好的光电开关放于两级线圈的中间，并在不锈钢管上打上通光孔，加上其他的外围设备，便做出了一个简单的二级电磁加速器。

图2-3简单的二级电磁加速器               图2-4线圈部分以及光电开关  

这就是最简单的多级电磁加速器原理，以此类推，便可以做出更多级数的电磁加速器。图2-3所展示的电磁加速器第一级共用了6颗450v220uf的电容，第二级则用了三颗，速度大约能达到25m/s，比较可观的。

成功做出二级的电磁加速器之后，便利用软件绘制出了八级电磁加速器的电路图，见图2-5

图2-5小型八级电磁加速器

采用HA软件模拟，确定了每一级的电容容量，线圈匝数，以及每一级的速度等等参数。  图2-6—图2-14

图2-6——图2-14 八级电磁炮每一级的模拟数据

在仿真数据里可以看到，这个八级电磁加速器在理论上能有约70m/s的速度，但考虑到实际的情况，比如电容内阻，电容容量，线圈缠绕，光电延时等因素，实际做出来的速度大约在50m/s，效果还是比较不错。见图2-15

图2-15八级电磁加速器实物

3. 提高电磁加速器的效率—IGBT关断

前面在描述光电开关的作用时曾经提到过，光电开关只能控制可控硅的“开”的时间，而提高电磁加速器效率的关键，在于“关”的时间如果能有一种方法，能够准确地控制线圈中电流的“开”与“关”，那么磁阻类电磁炮的效率，将会得到显著的提高。见图3-1

图3-1由于关断不及时造成反拉示意图

但是，可控硅这种元件只能控制“开”的时间，而“关”则要等到电容放电至低于可控硅两端的最小导通电压，时间几乎不可控，在弹丸已经过了最佳的加速位置的时候，线圈仍然会提供磁力，造成严重的反拉，如上图3-1。导致采用可控硅作为开关的电磁加速器效率普遍较低。既然可控硅无法做到控制电流的关断，那么有没有能承受高电压，大电流，同时“开”与“关”都能控制的元件呢？

这里就不得不说说IGBT管了，它同时满足以上三个条件，并且成本可控，是一种较为适合用来做电磁加速器的元件。但是他又与可控硅不同，可控硅是电流驱动型元件，结实耐操，而IGBT则显得相对“娇气”了许多，和可控硅不同，它是电压驱动型元件，对驱动要求很高。我所采用的IGBT型号是FGY160，它至少需要18v的电压驱动，并且对驱动电压的上升率也有很高的要求，稍有不慎便会炸管。为了应对IGBT管这苛刻的驱动条件，我给现有的光电模块加上了24v升压以及光耦隔离，使得光电模块输出的信号能够近似于数字信号。下图3-2为经过改进后的光电开关。

图3-2改进后的光电开关

下图3-3为驱动IGBT管所需要的驱动波形

图3-3IGBT管的驱动波形

在搭建洞洞板进行了临时的测试之后，又用软件重新画了新的pcb采用了IGBT+光电驱动的方案，一共有9级加速，相比上一个项目缩小了30%的体积，电容的总储能减小了28%，但由于效率的提高，理论上的速度只减少了约10%  下图3-4为所绘制的PCB

图3-4采用IGBT控制的电磁加速器PCB

除此之外，我还在这次的电磁炮主板上面集成了zvs（零电压开关）升压模块，实测功率能达到300w，并且新的板子也采用了全新的结构使得整体的结构更加牢固。

下图3-5是搭建的一个测试用的zvs升压电路

3-5测试使用的zvs升压电路

下图3-6——图3-9为九级小型电磁加速器的一部分制作过程

图3-6——3-9九级电磁加速器的制作过程

可以看到，在采用了IGBT关断后，电磁加速器的效率得到了显著的提升，能量利用率更高，仿真结果大概为80m/s，在实际测试当中，初速度大约在65m/s，但是，这离我心中的目标还是差的很远。

4. 提高电磁加速器的效率—时序控制

在前面影响电磁加速器效率的因素中，除了关断，还提到过一个重要的因素—光电开关的延时。由于我所追求的是小型化，所有的线圈和光电开关都必须紧密排布，无法随心所欲地根据实际数据来调整位置，所以光电开关的延时就显得尤其的重要，而我之前所做的光电延时竟有惊人的100us，这意味着如果速度再高下去那么可能就会导致需要加速的物体已经完全经过了线圈，IGBT管才刚刚触发，那时候便不再是加速，而是减速了。为了将体积做的更小，结构更加紧凑，我果断放弃了使用光电管的方案，采用由单片机精确控制开启和关断时间的时序方案。

控制部分采用了意法半导体公司的STM32F103C8T6单片机，通过STM32CUBE软件进行端口和时钟树的配置，见图4-1。

图4-1对单片机进行端口配置

生成工程文件之后导入keil5软件，利用宏定义对延时函数user_delaynus_tim(uint32_t nus)进行定义，见图4-2.

图4-2自定义delaynus函数

定义好延时函数后便开始写控制端口开关的程序，先使用readpin读取按钮当前的状态，检测到按钮按下之后开始执行if之后的语句，利用HAL_delay函数延时去除按键抖动，保证检测的准确性，当确定按键已经被按下后，使用HAL_GPIO_WritePin函数改变IO口的输出状态，1为高电平，0为低电平，分别控制IGBT的开启和关断，中间则使用user_delaynus_tim函数进行精确的延时控制。见图4-3.

图4-3精确控制每一级开关时间的程序

绿色部分是2-6级的控制函数，为了方便调试所以注释掉了，暂时不被执行。

程序写好之后，绘制了原理图和PCB，见图4-5。并且在这次将体积缩小到了烟盒这么大（60*110*25）但模拟数据依然有大约60m/s，而效率达到了18%。下图4-4小型时序控制电磁加速器的具体数据。

图4-4小型时序控制加速器具体数据

图4-5时序控制加速器的电路图

这次的PCB上为了缩小体积，大部分电阻和电容都采用了0402的封装，下图4-6为焊接完成的控制板实物。

图4-6焊接完成的电磁加速器控制板

在控制板焊接完成后，利用预留的IO口点亮了一个简单的oled屏幕，并在上面显示出了简单的图像，见下图4-7。

图4-7在OLED屏幕上显示简单图像

在确认控制板的完好能用之后，将它与加速器的储能部分以及线圈进行连接，并完成电路部分的检查。下图4-8。

图4-8连接完成的小型电磁加速器主体

硬件部分基本完成之后，将先前所写好的最简单的程序刷写进控制板上的单片机之中，便开始了第一级的调试。最开始未经修改的程序只能达到16mps左右的速度，而在经过仔细调试之后，第一级的速度就能达到约20mps，可见开关时间对电磁加速器效率和速度巨大的影响。见图4-9。

图4-9测速器测出被加速物体的速度

在这次的制作中，还利用Fusion360软件设计了外壳部分，但由于笔者技术原因，未能将其制作出成品，下图4-10

图4-10小型电磁加速器的外壳设计

在电路板测试完毕后，对这块板子上的许多问题做出了改进，重新绘制了新一代的PCB，优化了部分元件的排布以及布线，见图4-11

图4-11新一代电磁加速器PCB3d图像

但由于笔者自身学业原因，新版的小型电磁加速器进度缓慢，目前的进度也就刚刚绘制完成了PCB，并送到了PCB定制厂商去打样，而上一代的加速器则因为笔者自身的操作失误，导致升压部分的元器件被烧毁，并且没有办法进行更换，图4-12

图4-12损坏的控制板，红圈为烧毁的焊盘

 5.总结

电磁加速器在未来有着广泛的应用前景，而我所做的是将其结构简化，研究一些小型化且效率还相对较高电磁加速器。在这个过程中我学到了相当多的知识和技术，使我收益匪浅。

而在前面的讲述中，其实并没有将我整个的研究过程全部展示出来，其中我所走过的弯路，遇到的挫折远不止于此，包括买到假的可控硅，电容实际尺寸和标注的尺寸不符，升压模块莫名其妙的烧毁等等，当中还有不少玄学问题，只有忍痛将整个已经快要做好的装置全部拆掉再重新做一遍，其中花费了相当多的时间，但好在达到了比较好的效果。而前面还没有展示的还有一个简单的八级电磁加速器，采用了光电开关＋可控硅的控制方案，其外观十分的简陋，见图5-1。

图5-1小型的八级电磁加速器

本来准备给这个加速器加上一个外壳方便展示，但和之前一样，由于笔者的技术原因，没能加上去，就使用了黑色的电工胶带和黄色玛拉胶进行了简单的缠绕和固定，如图5-2

图5-2简单的八级电磁加速器

而目前能够脱离我那一大坨电源和奇奇怪怪的东西，单独进行加速的电磁加速器，也只有上图这一台极为简陋的东西，其他的也都属于探索阶段用来研究使用的东西，能够进行真正的加速但都并不便携。但好在这个加速器虽然效率较低，但仍能将我常用的加速物体加速到50mps的速度。

但遗憾的是，由于笔者的学业原因，在电磁加速器上投入不了比较多的时间，所以只能以理论研究为主，实际做出来的东西都只是为了对理论部分进行论证，并不是为了做出一个成品用于展示，所以之前所展示的实物看起来都相对的较为简陋，并且也都不太能脱离我所搭建的实验环境进行单独的运作。但如果真要以做出成品为目的，相信我在理论上的研究也不会有现在这样深入，只会做出一堆看似外表高端大气上档次，但所使用的技术却十分落后的学术废物，并且我本身也对这样的行为十分反感。

在研究刚刚开始的时候，我所设想的结构并不是现在这样将圆柱形的物体放入金属管道加速，而是更为复杂的，每一级都采用四个相同的方形平板状的线圈，每两个线圈用于吸引一个磁导体，然后两个磁导体之间用连杆进行连接。然后将需要加速的物体放在连杆处，加速完成后依靠惯性飞出，如图5-3

图5-3一种设想的电磁截面加速示意图

这种类型的电磁加速器在理论上能够实现，但由于实际操作难度大，花费的材料和时间变得更多，不方便现阶段的研究，所以这种方案被放弃掉了。转而采用了更简单的，每级只有一个线圈缠绕在管道外面，中间放置金属块作为加速物体的方案，如图5-4。

图5-4简化后电磁加速器截面示意图

而事实证明，这种方案确实让我的研究变得更为直观，方便，快捷，在很大程度上方便了我对电磁加速器的探索。