CN102192680A - 旋转多极矩场电磁推进器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种旋转多极矩场电磁推进器，主要由磁场线圈、抛体电枢、电源电路、抛体位置检测传感器以及同步精确控制芯片构成，所述磁场线圈采用多极矩线圈组，分级设置的多极矩线圈组沿抛体电枢的运动方向延伸；多极矩线圈组与抛体电枢间设置有飞行导管；多极矩线圈组中各线圈与电源电路连接以获得放电脉冲电流。本发明旋转多极矩场电磁推进器能够对抛体电枢产生较强作用的轴向电磁加速推力；具有电磁加速力大、发射抛体质量大、出口速度高、旋转运动平衡、悬浮稳定，以及高效环保的优势。本发明可以广泛应用于机车推进、火箭助推、电磁成型以及旋转掘进机械等领域，特别建议用在真空管道运输技术。
Description
技术领域
本发明属于电磁发射技术领域，它特别涉及基于旋转多极矩磁场构型的电磁推进装置。
背景技术
电磁发射包括电磁推进和电磁弹射，是指利用电磁力推动抛体达到一定速度的装置，由于起初是作为军事武器，因此又称为电磁炮。常规电磁推进器可以分为两大类：一是导轨型（导轨炮），二是线圈型（线圈炮、重接炮）。
当前，常规电磁推进器存在一些原理性缺陷或面临一定技术困难。导轨型电磁推进器结构简单，它是利用两条平行的大电流导轨产生的强磁场来加速位于导轨间的导电电枢。由于在兆安级电流下进行推射，电枢、导轨等部件要在瞬间承受极大的热流冲击，易造成严重烧蚀与表面剥落；导轨—电枢之间的滑动接触处也会产生熔融，导轨出口处易产生电弧等现象，这些都严重制约导轨型电磁推进的寿命、抛体出口速度和系统发射效率的提高。同轴线圈型加速器是最早的电磁推进形式，它是利用一系列长直螺线管线圈产生的磁行波顺序加速抛体线圈（或感应涡流电枢）来实现加速的。同轴直螺线管线圈型电磁推进器对抛体电枢的电磁力分量主要表现为径向作用，径向应力远大于轴向加速力，导致抛体电枢的运动产生波动，可能会与飞行导管内壁相碰撞，因此系统推进的电磁力利用率不高，再加上抛体电枢的欧姆损耗较大，多级驱动线圈阵列的耗能与储能也较大，这些因素造成推进效率较低，推进性能难以提高，而且多级推进精确同步控制系统复杂，容易引起驱动线圈加载电流的误操作等。
发明内容
鉴于现有技术的缺点，本发明的目的是面向未来超高速、大质量和高效率的发射要求，解决常规线圈型电磁推进器轴向加速所用电磁力分量较小的缺陷，提出应用多级驱动的旋转多极矩场进行电磁推进与发射,设计旋转多极矩场电磁推进模式、电源电路和控制方式，保障抛体电枢旋转稳定地加速运动。
本发明的目的是通过如下手段实现的：
旋转多极矩场电磁推进器，主要由磁场线圈、抛体电枢、电源电路、抛体位置检测传感器以及同步精确控制芯片构成，所述磁场线圈采用多极矩线圈组，分级设置的多极矩线圈组沿抛体电枢的运动方向延伸；多极矩线圈组与抛体电枢间设置有飞行导管；多极矩线圈组中各线圈与电源电路连接以获得放电脉冲电流。
采用本发明的方案，单级多极矩磁场线圈构型产生指向圆心的径向磁场，与环向电流相互作用的电磁力主要分量为轴向加速力。在多级驱动的旋转多极矩磁场线圈中，平面的多极矩磁场沿纵向扩展并扭转，多级驱动线圈在时序脉冲电流的作用下产生一种旋转前进的磁行波，该变化的磁行波在抛体电枢上感生涡流，而涡流与多极矩磁场相互作用产生电磁力，对抛体电枢有轴向加速力、环向转矩和横向回复力的作用，使得抛体电枢能够旋转稳定地加速运动。
本发明旋转多极矩场电磁推进器能够对抛体电枢产生较强作用的轴向电磁加速推力；具有电磁加速力大、发射抛体质量大、出口速度高、旋转运动平衡、悬浮稳定，以及高效环保的优势。本发明可以广泛应用于机车推进、火箭助推、电磁成型以及旋转掘进机械等领域，特别建议用在真空管道运输技术。
附图说明如下：
图1为本发明旋转多极矩场电磁推进器的实施例结构示意图。
图2为图1实施例的整体系统框图。
图3为本发明单级多极矩场电磁推进器的原理示意截面图。
图4 为本发明旋转多极矩场电磁推进器的电磁力示意剖面图。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
多极矩线圈组沿抛体电枢的运动方向延伸时，相邻两组多极矩线圈组间的多极矩线圈可以直接重叠，多级驱动线圈的扭转角度为零，即每一级驱动线圈都并列排放，该种对称的多极矩场对抛体电枢没有旋转效应，抛体电枢的横向稳定性能满足。但更为体现本发明优点的是可采用呈螺旋角分布的构造，即多极矩线圈组沿抛体电枢的运动方向延伸的同时作并扭转排列，相邻两组多极矩线圈组间的多极矩线圈呈螺旋角分布。
结合图1和图2可看到本发明的一个三级旋转八极矩场电磁推进器实施例的结构，此时螺旋角为15度。
本发明可以根据发射条件的要求确定抛体的出口速度来设计设置发射级数，由抛体的形状来选择多极矩线圈的极对数，由抛体的旋转速度来设定级线圈的扭转角度。三级旋转八极矩场电磁推进器实施例的结构可作为对本发明结构的一个例解：该推进器系统包括三级八极矩场驱动线圈组1、抛体电枢2、飞行导管3、电源电路4、抛体位置检测传感器5，以及同步精确控制芯片6等。其中，电源电路4包括脉冲电容器、二极管、功率开关及其驱动电路，主要是为多极矩驱动线圈提供脉冲电流，也可以由变频发电机等其他电源方式提供。每一级串联多极矩线圈中的电流，由单独的脉冲电容器对其放电获得并由二极管与驱动线圈并联进行续流。组成多极矩磁场线圈组1的线圈为铜或超导线圈，在本例中采用铜质线圈；抛体电枢2可为良导体铝套筒或超导块材，在本例中由良导体铝块制作成多面体结构，前端开槽，后端为实体；飞行导管3由刚性绝缘管材制得，此例中可采用玻璃管或绝缘塑胶管；抛体位置传感器5为激光测距仪，用以检测抛体电枢的运动位置，分析其运动速度；抛体位置检测传感器5和电源电路4的功率开关驱动电路分别与同步精确控制芯片6连接，同步精确控制芯片6实时接收并处理抛体运动位置的检测信息，用以控制脉冲电容器电路的功率开关导通。
三级旋转八极矩场电磁推进器的工作过程如下：初始时，预先对脉冲电容器进行充电，达到设定的工作电压；抛体电枢从静止状态或以一定的初速度进入第一级八极矩场驱动线圈，该初速度可以由弹簧弹射加速获得；当抛体电枢运动到第一级驱动线圈的预定位置时，由抛体电枢位置传感器检测到信号，同步控制芯片获取此信号并控制触发功率开关导通，对应第一级的脉冲电容器对串联多极矩线圈进行放电，每个极矩场线圈产生瞬变磁场并在抛体侧面产生涡流，多极矩场线圈产生的指向圆心的径向磁场对抛体环向涡流产生朝向运动方向的电磁力作用，该电磁力主要用于驱动抛体电枢加速运动。当抛体电枢依次运动到第二三级驱动线圈时，同样由激光传感器检测抛体到达预定位置，同步逻辑芯片控制脉冲电源电路的功率开关顺序导通，多级驱动线圈产生沿轴向旋转前进的多极矩场磁行波，该磁行波感应抛体电枢受到电磁力作用，能够保证抛体电枢在飞行导管中作旋转稳定的加速运动。
结合图3和图4可对本发明的工作原理有更清楚的了解，单级多极矩场电磁推进器的原理如附图3所示，该发射模式基于直线感应电机原理与重接型线圈发射技术，当脉冲电流加载到串联的多极矩磁场线圈时，多极矩磁场线圈能够产生指向圆心的径向磁场B，由于瞬变磁场的感应作用，多极矩线圈组中的独立小线圈在抛体侧面感应产生反向涡流J，多个小线圈共同作用在抛体电枢上产生环向电流效应。这样，多极矩线圈产生的径向磁场与抛体电枢上的环向涡流作用产生安培力，该电磁力的主要分量对抛体电枢表现为轴向加速力，而径向压缩力则较小。相比常规直螺线管型电磁推进器轴向加速力较小的缺陷，本发明有明显的优势。多极矩磁场线圈型电磁推进器能够增强电磁力的利用，提高系统的发射效率。
对于旋转多极矩场电磁推进器的多级发射，当抛体电枢依次到达各级驱动线圈附近的预定位置时，向各级驱动线圈中顺序通载脉冲电流，由于对极矩线圈的纵向延伸和扭转作用，多级极矩线圈能够在空间产生旋转前进的磁行波。该磁行波在抛体电枢上感应出轴向涡流J z 和环向涡流J φ ，与多极矩径向磁场B相互作用，使得抛体电枢受到轴向加速力、环向转矩和横向排斥力（回复力），抛体电枢的涡流与电磁力示意如附图4所示：抛体电枢2所受到的轴向加速力F z ，角向扭转力F φ ，以及环向转矩M z 。轴向加速力在纵向加速抛体电枢运动，环向转矩作用保证抛体电枢作旋转运动，横向排斥力为抛体电枢的悬浮稳定提供回复力，这三个方向的电磁力作用保障了抛体电枢运动的高速性和稳定性。这也是本发明另一大突出优势所在，并可以扩展到多方面领域的应用。
与常规直螺线管型线圈电磁推进器轴向加速所用电磁力分量不足的缺陷相比，本发明的突出优点是：旋转多极矩场电磁推进器应用了多极矩磁场构型进行电磁发射，能够对抛体电枢产生较强作用的轴向电磁加速推力；多级驱动的旋转多极矩场线圈可以产生了一种旋转前进的多极矩场磁行波，能够对抛体电枢产生轴向加速力、环向转矩，以及横向回复力的作用；该推进器具有电磁加速力大、发射抛体质量大、出口速度高、旋转运动平衡、悬浮稳定，以及高效环保的优势。本发明的旋转多极矩场电磁推进模式可以广泛应用于机车推进、火箭助推、电磁成型，以及旋转掘进机械等领域，特别建议将本发明用在真空管道运输技术。
以上显示和描述了本发明的主要特征、发明实质、基本原理、技术优点，以及具体实施方式，本领域的技术人员将会意识到，这里所述的实施方式是为了帮助读者理解本发明的原理，在不脱离本发明思想和范围的前提下，本发明还会还有其他各种变化和改进，应被理解为本发明的保护范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书和发明思想的等效物界定。
Claims (5)
1.旋转多极矩场电磁推进器，主要由磁场线圈、抛体电枢、电源电路、抛体位置检测传感器以及同步精确控制芯片构成，其特征在于，所述磁场线圈采用多极矩线圈组，分级设置的多极矩线圈组沿抛体电枢的运动方向延伸；多极矩线圈组与抛体电枢间设置有飞行导管；多极矩线圈组中各线圈与电源电路连接以获得放电脉冲电流。
2.根据权利要求1所述之旋转多极矩场电磁推进器，其特征在于，所述多极矩线圈组沿抛体电枢的运动方向延伸时，相邻两组多极矩线圈组间的多极矩线圈呈螺旋角分布。
3.根据权利要求1所述之旋转多极矩场电磁推进器，其特征在于：对多极矩场驱动线圈进行放电的电源电路采用脉冲电容器；并由二极管与驱动线圈并联进行续流。
4.根据权利要求2所述之旋转多极矩场电磁推进器，其特征在于，驱动线圈的级数、多极矩线圈的极对数，以及多级驱动线圈的扭转角度根据发射条件的要求设计予以确定。
5.根据权利要求1所述之旋转多极矩场电磁推进器，其特征在于，所述飞行导管由刚性绝缘管材制得。
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Application publication date: 20110921 |