浅尝多级感应炮——采用电刷可控硅方案的二级装置的实验
Hans
University of Western Australia,35 Stirling Hwy,Crawley WA 6009
汉斯喵喵2023/07/21原创 电磁炮 IP:澳大利亚
关键词
多级感应炮电刷可控硅电动力学

声明:本实验全程在安全的私人环境中完成,且为本人所在的西澳大利亚州法律所容许。


楼主数年前曾经和好友(Neu Licht)讨论过关于可靠的多级线圈炮触发装置的问题,我的这位好友当时提出的一种对于电刷式触发装置的观点,一直在我脑海中挥之不去,即“有时候最有效的方案恰恰是最古老和最简单的方案”。后来这位挚友去了某常春藤读数学,就没机会一起做课题了,再加上之后不久就爆发了疫情,我自己的心理状态也出了一些问题,始终没有动机去实现这个粗糙的想法,就一直搁置到23年,感觉心里痒痒了,搞点创造的动机又来了,所以完成了这样一台简陋的设备,用以验证电刷触发的可靠性:

微信图片_20230720230714.jpg

整体的设计事实上完全照搬了普通的以往制作磁阻炮的思想,800V高压电源为两组一共六个西门子薄膜电容充电(每个40uf),使用隔离二极管防反充,再通过可控硅触发电容为线圈供电,同时使用续流二极管保护可控硅。

一些关键性的零件指标如下:

内径19mm,第一级线圈电感15uH,第二级线圈电感20uH

1200V 40uf薄膜电容

杭州整流MTC250双向可控硅模块(只用一向)

以及杭整的快恢复二极管模块用于续流(其实没必要)

其中电容隔离二极管是串联的两颗fr607(下面会解释为什么两个串联)

充电用得是某宝上的杂牌ZVS升压模块和3S航电。

成功的实验视频如下:


f4b43a8a249500273be60d3ed1599973.mp4 点击下载

下面介绍一下这种电刷触发方法的技术细节,以及在实验推进过程中遇到的有趣的问题。

来自:物理高能技术 / 电磁炮动手实践:实验报导
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~~空空如也
汉斯喵喵 作者
9个月11天前 IP:澳大利亚
922962

在对于本装置的实验中,楼主设计了一种使用不锈钢簧片作为电刷的触发机构,当电枢的头部铜环触碰到伸入身管中的簧片时,则会导通电流,经实测颇为可靠。

微信图片_20230720232734.jpg 微信图片_20230720232738.jpg


be45f000eb0b9c0ff0ea8ccea7c62db0.mp4 点击下载

可以在视频中看到,这一结构被有效触发了。

值得注意的是,在这个电刷设计中,楼主采用的支架较为冗余,尚有可精简的空间,但一项较为重要的设计原则是,应当确保簧片电刷结构具有足够长的力臂,且在身管上开挖的槽口应该尽可能容许电刷在纵向上更大的摆动空间(从而防止电刷挡住电枢),这样可以使得电枢在撞击电刷触发信号时,有足够小的能量损耗。

此外,与电刷配对的电枢也需要较为精准的设计与加工,应当确保顶部用于导通电刷的部分与身管的口径足够匹配,否则可能会使得触发成功率降低。本作中的电枢分为三个部分,底部为纸壳,中部为本人已申请专利的一种3D打印多匝线圈结构,头部则是使用较粗的裸铜线制作的箍环。


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汉斯喵喵作者
9个月11天前 IP:澳大利亚
922964

比较有意思的是本装置在前期的实验中所遇到的一个问题,为此楼主付出了惨痛的代价。

微信图片_20230721002610.jpg

这些都是被强电流损坏的可控硅

在早期的一些参数的线圈(均低于10uH)的实验中,我发现了一个很惊悚的问题,第二级的可控硅,会发生经常性的损坏,隔离二极管也炸了,在一次实验中,全新的可控硅只有一轮就报废,而更糟糕的是,在单级装置上试验相同参数的线圈和电容,可控硅从来没有损坏过。楼主实验设备的局限使得无法更详尽的调查电路中的电流情况,这对问题的排查分析构成了极大的阻碍。(所以真的劝各位不要吝惜荷包,买台好点的示波器!)

直到我在记录的实验视频中发现端倪:

1689870537236.png

在本图中,装置的前方已经可以看到探出头的电枢,而装置后方的隔离二极管甚至字面意义上的爆炸了!这就让我突然想到了一个在磁阻炮中几乎不可能碰到的小概率问题——前后两级线圈放电的相位差导致的前级电容,向后级电容,在第二级触发后,剩余电量短接放电的问题;而它理论上根本不应该发生,因为第二级线圈显然是后触发的,没有道理第一级的电容还有高于第二级的电压,去构成这个可以通过隔离二极管的正向放电——除非,第二级线圈的电感电阻(或电容),小于第一级线圈达到了一个由级间距和线圈规格决定的临界值,从而使得第二级更快速的放电,第二级电容的电压迅速低于第一级电容,从而引起第一级电容的余电通过隔离二极管向第二级电容短接放电,同时引起隔离二极管的过流炸损,和第二级可控硅的过流损坏(但不确定是超过了单周期最大浪涌,还是长时间的过热)。而这个设计上的纰漏,回溯一下甚至还是本人一开始故意为之的,因为在本人的设想中,电枢本身的dx/dt(v)相对于驱动线圈能提供的的dB/dt以及dB/dx而言是构成了反相关关系的,也就是说对于更快速度的电枢,驱动线圈需要更短波长的电流曲线,那么根据LC振荡的原理,想到降低电感和电容的方式来获得更大的di/dt就是很合理的了,没想到,这个设想最终会以这样的方式暂时破灭。(当然,在可期待的改进中,可以有很多方式来满足完美的适配,除了通过计算仿真以及实验取得精确的临界值以外,也可以通过串联电阻给隔离二极管这样的方式缓解)

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汉斯喵喵作者
9个月11天前 IP:澳大利亚
922965

最后,向读者展示一下一些前期的工作,顺便做一些本项目未来的预告。

我现在将这个项目交给@zRed洲虹 进一步研究,计划的内容包括且不仅限于,针对这种电刷多级结构的仿真调试、进一步拓展级数从而达到更高的能级、装置的进一步精简和整体的模块化。

以下是前期工作的展示:


ef1c4c26e6bb352c6435f96cdba3de08.mp4 点击下载

↑古早的小实验,还特地用纸糊了个支架

微信图片_20230721005207.jpg

↑从单级到多级,各个规格的实验品

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zRed洲虹
9个月11天前 IP:中国
922976

zRed前来帮顶 sticker

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Company_Inspector
9个月11天前 IP:陕西
922981

就是说机械触发感应炮?加速度和初速一般来说更小的磁阻泡是否也可以使用类似机构呢?看起来比光电稳定不少

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Company_Inspector
9个月11天前 IP:陕西
922982

因为接触触发机构不在主回路中感觉甚至可以用小型高压装置使得电枢上导电触发部分接近时直接放电导通 无接触


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rb-sama
9个月11天前 IP:浙江
922997

难得一见的感应炮,赞扬

这种感应炮,口径可以再做大一点,这样碳纤维管厚度对耦合度的影响就会再减小一点

其实可控硅可以实现这种感应炮的触发,实测4KA峰值 200us的电流一颗70tps16可以耐受

火花间隙可能最大的问题是灭弧,

直流是可以在触点轻易产生电火花的,尤其是在有电感存在续流的情况下,小功率可能不是很明显

大功率可能存在电弧烧蚀严重回拉

楼主可以考虑使用火花间隙+二极管的方案,可以有效的实现大功率容量

并且可以回收没有用完的能量

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OMEGAERJSH
9个月11天前 IP:辽宁
923002

终于看到有人做有刷了👍

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OMEGAERJSH
9个月11天前 IP:辽宁
923003

我在想可不可以用轻触开关做触发,直接抠个槽放管里,弹丸到了自然按下,阻力应该不会很大吧😂

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thirty30
9个月3天前 IP:湖北
923340
引用OMEGAERJSH发表于9楼的内容
我在想可不可以用轻触开关做触发,直接抠个槽放管里,弹丸到了自然按下,阻力应该不会很大吧😂


一般的轻触开关应该不行

我设想的是制作一个微动开关:

IMG_2035.png

子弹通过时压下簧片,使两极导线导通,即可触发,不过不太好加工,需要3d打印,并且对精度和强度有要求,所以没有尝试过

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大仙
9个月3天前 IP:江苏
923373
引用thirty30发表于10楼的内容
一般的轻触开关应该不行我设想的是制作一个微动开关:子弹通过时压下簧片,使两极导线导通,即可触发,不过...

KW12行程限位开关触点按键KW11-3Z-2微动开关直柄三脚5A 125V250V

这种支架很长的,可以试试看看

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