CN104197779A - 用于电磁线圈发射器的能量回收阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能量回收阻尼器，尤其涉及用于电磁线圈发射器的能量回收阻尼器，主要是将加速电枢回收，并将其动能转化为电能进行储存；即：在紧靠多级加速线圈的最后一级的位置，设置一个或者若干个线圈绕组并将该一个或者若干个线圈依次与二极管、电容器、以及电阻串联组成的一个封闭回路。本发明具有如下优点：可以回收目前多级线圈发射装置中，发射体中自然消散的能量，以供相关试验继续使用，不仅节约了试验成本，而且提高了能源使用效率，具有节约能源、保护环境的意义；另外，本发明可对高速运动的发射体减速，使其在相同的运动过程内，速度减少更加显著，这对于一般的科研、试验具有一定的意义。

Description

用于电磁线圈发射器的能量回收阻尼器

技术领域

本发明涉及一种能量回收阻尼器，其主要用于电磁线圈发射领域，可实现能量的回收和对发射体的减速作用，特别适合于相关的试验和应用需要，尤其涉及用于电磁线圈发射器的能量回收阻尼器。

背景技术

电磁发射技术是电磁场理论的应用技术，这项技术在许多科技领域中(诸如国防、航空、空间技术及工业)有着广泛的应用，是近年来国际学术界兴起的研究热点，它为取代传统化学能动力技术提供了新思路。

国内的相关研究和设备几乎都只有用于发射体加速的加速线圈，而发射体一旦通过全部加速线圈便开始减速，而其中先前感应出的涡流也会同时衰减直至为零。对于普通的科研试验来说，让经过加速达到较高速度的发射体自由减速并在轨道终点装设拦截装置必不可少，但有时候高速运动的发射体会对拦截装置产生较大的破坏作用，更重要的是，无论从试验还是实际应用来看，让完成加速的发射体内的涡流自行消耗，显然是一种浪费。因此，可以说现有的设计仍然有可以改进的地方，其中本发明针对的即是能量回收阻尼器。

根据以上分析，本发明拟在最后一级加速线圈之后，设置一级或若干级无激励的线圈组，作为电磁线圈发射器的能量回收阻尼器，实现系统剩余能量的回收以及高速发射体的减速。

发明内容

本发明针对现有多级电磁线圈发射系统提出改进，在紧靠多级加速线圈的最后一级的位置，设置一个或者若干个线圈绕组并将其与电容器和二极管串联构成回路，从而实现发射体部分剩余能量的回收，同时起到减速发射体的作用，本发明将这种线圈绕组称为阻尼器线圈。

具体来说，由于经过前面若干级线圈的加速以后，高速运动的发射体在较大一段运动轨迹内，其内部感应的涡流并不会立刻消散，而是逐渐减小直至为零。当其通过阻尼器线圈时，变化的涡流感应出磁场，而磁场的改变又会在阻尼器线圈内感应出电动势，推动电荷在电容器极板上累积即通过这样的充电过程，把发射体中本会消散的电能，储存在能量回收阻尼器中的电容器上。又由于回路中串联了一定方向的二极管，故可保证回收的电能不会震荡放电消散，可供相关试验再次使用。同时，根据电磁感应定律，在阻尼器线圈中感应出来的电流产生的磁场与发射体相互作用，反过来又会对发射体的运动产生阻碍作用，可帮助发射完毕的抛体减速。

能量回收阻尼器由阻尼器线圈、二极管和电容器组成，各部件的参数选择应根据加速试验的规模、通过一定的计算并进行相关的试验综合确定。尤其是阻尼器线圈，可调整的参数主要包括长度和匝数等，所以其设计非常灵活，是整个能量回收器设计的重点。

需要指出的是，阻尼器线圈应与加速线圈同轴放置，保证发射体的顺利通过。储存回收能量的电容器理论上应该与加速后的发射体动能相匹配，从而使回收的能量不会“溢出”电容器的容量。

阻尼器线圈、电容器结构和参数的选择要根据线圈加速的实际情况合理选择；定义电枢质量为m_a，进入能量回收器前的速度为v，则其动能为：

$E_k=\frac{1}{2}{m}_a{v}^2$

设能量回收阻尼器的电容为C，电压为U，则其可容纳能量为：

$E_e=\frac{1}{2}{\mathrm{CU}}^2$

定义电枢动能完全被能量回收器回收转化为电能，因此E_k＝E_e，为了保持一致，回收期的电容电压可以选择和电磁发射器的最高驱动电压相同，设为U₀，则可以得到回收期的电容量为：

$C=\frac{m_a{v}^2}{U^2}$

阻尼线圈与驱动线圈单位面积的按匝数相同，长度的选择根据电枢和载荷质量的比值来确定，定义载荷质量为m_L,电磁发射器长度为lc，则阻尼线圈发射器的长度l为：

$l=\mathrm{lc}\frac{m_a}{m_a+m_L}.$

本发明具有如下优点：可以回收目前多级线圈发射装置中，发射体中自然消散的能量，以供相关试验继续使用，不仅节约了试验成本，而且提高了能源使用效率，具有节约能源、保护环境的意义；另外，本发明可对高速运动的发射体减速，使其在相同的运动过程内，速度减少更加显著，这对于一般的科研、试验具有一定的意义。

附图说明

图1是本发明涉及的能量回收阻尼器电路模型图。

图2是本发明涉及的阻尼器线圈轴平面截面示意图。

图3a是本发明涉及的发射体通过能量回收阻尼器的过程示意图(发射体被加速线圈加速过程)。

图3b是本发明涉及的发射体通过能量回收阻尼器的过程示意图(发射体加速完毕，与阻尼器线圈相互作用过程)。

图3c是本发明涉及的发射体通过能量回收阻尼器的过程示意图(发射体与阻尼器线圈作用完毕，能量储存完成过程)。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，为能量回收阻尼器的电路模型图。电感元件代表阻尼器线圈，其作用为通过电磁感应规律在回路中产生一定的电动势，进而储存能量；电容器容量应根据具体发射装置参数确定，使回收的最大能量不“溢出”，而储存下来的能量可以再次放电供相关试验使用；二极管根据充电方向调整正负极性，保证回收能量时通路，反向时断路以防储存的电能释放消散。以上元件都需要根据具体的试验条件和方案，相应的改变参数，以适应不同的需要，从而发挥最好的效果。

如图2所示，为阻尼器线圈示意图，即假设线圈的中轴在截面上所截得的线圈绕组剖面图。其位置应紧靠最后一级加速线圈，其匝数和长度是两个对能量回收效率影响比较大的因素，是设计时应考虑的重点，另一方面这些参数相对来说方便调整，在不同的试验条件下可以着重考虑对阻尼器线圈的优化设计，从而提高能量回收效率。

如图3所示，为发射体在经过加速线圈以后，通过能量回收阻尼器的几个不同的位置，能量回收器的阻尼器线圈以单级线圈为例示意，在发射体通过阻尼器线圈的过程中，其中的涡流不断减小，伴随其位置的变化，使阻尼器线圈内部的磁场也在不断变化，从而在阻尼器线圈中产生一定的电动势。由图1所示的电路可以看到，当电感器上存在方向与二极管极性匹配的感应电动势时，整个回路可以向电容器两极板充电，这样就把发射体的部分能量，转移到了能量回收阻尼器中。由于二极管的存在，即使感应电动势减小到无法维持电容器的电位差甚至感应电动势反向，已经储存了电能的电容器是无法反向再放电的，可保证能量回收的有效性。

在本实施例中，阻尼器线圈、电容器结构和参数的选择要根据线圈加速的实际情况合理选择；定义电枢质量为m_a，进入能量回收器前的速度为v，则其动能为：

$E_k=\frac{1}{2}{m}_a{v}^2$

设能量回收阻尼器的电容为C，电压为U，则其可容纳能量为：

$E_e=\frac{1}{2}{\mathrm{CU}}^2$

定义电枢动能完全被能量回收器回收转化为电能，因此E_k＝E_e，为了保持一致，回收期的电容电压可以选择和电磁发射器的最高驱动电压相同，设为U₀，则可以得到回收期的电容量为：

$C=\frac{m_a{v}^2}{U^2}$

阻尼线圈与驱动线圈单位面积的按匝数相同，长度的选择根据电枢和载荷质量的比值来确定，定义载荷质量为m_L,电磁发射器长度为lc，则阻尼线圈发射器的长度l为：

$l=\mathrm{lc}\frac{m_a}{m_a+m_L}.$

本发明在现有的电磁线圈发射器的结构基础上，设计了一个有效的能量回收阻尼器，既能回收加速后电枢剩余的能量，节约能源，又能促使发射体更快的减速，可降低拦截发射体装置的强度要求，对于相关的科学试验和实际应用具有重要的实用价值。

本发明中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种用于电磁线圈发射器的能量回收阻尼器，其特征在于，将加速电枢回收，并将其动能转化为电能进行储存；即：在紧靠多级加速线圈的最后一级的位置，设置一个或者若干个线圈绕组并将该一个或者若干个线圈依次与二极管、电容器、以及电阻串联组成的一个封闭回路。

2.一种如权利要求1所述的能量回收阻尼器，其特征在于阻尼器线圈、电容器等组件结构和参数的选择要根据线圈加速的实际情况合理选择；定义电枢质量为m_a，进入能量回收器前的速度为v，则其动能为：

$E_k=\frac{1}{2}{m}_a{v}^2$

设能量回收阻尼器的电容为C，电压为U，则其可容纳能量为：

$E_e=\frac{1}{2}{\mathrm{CU}}^2$

定义电枢动能完全被能量回收器回收转化为电能，因此E_k＝E_e，为了保持一致，回收期的电容电压可以选择和电磁发射器的最高驱动电压相同，设为U₀，则可以得到回收期的电容量为：

$C=\frac{m_a{v}^2}{U^2}$

阻尼线圈与驱动线圈单位面积的按匝数相同，长度的选择根据电枢和载荷质量的比值来确定，定义载荷质量为m_L,电磁发射器长度为lc，则阻尼线圈发射器的长度l为：

$l=\mathrm{lc}\frac{m_a}{m_a+m_L}.$