CN104501654A - 一种感应式电磁线圈减速器及减速方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种感应式电磁线圈减速器及减速方法，借助电磁发射中常用加速技术的逆过程，采用脉冲电容器作为激励电源，给线圈进行放电，形成脉冲电磁场，对一个带有速度的非铁磁材料物体进行“推阻”，从而使其减速直至停止，实现对非铁磁物体的制动作用。本发明巧妙的利用加速的逆过程，使具有一定速度的非铁磁物体迅速、简单的被制动，方便又高效，并可无损回收非铁磁导电物体。

Description

一种感应式电磁线圈减速器及减速方法

技术领域

本文涉及一种感应式电磁线圈减速器及减速方法，其主要用于需要制动运动非铁磁物体的领域，可实现对已经获得一定速度的非铁磁导电物体的制动作用。

背景技术

电磁发射器属于新概念动能武器，是利用电磁力加速有效载荷达到一定的速度。它将电磁能转化为弹丸动能，其发射质量大，出口速度高，能量利用效率高，操作控制容易，隐蔽性良好，成本较低等，因此电磁发射是一种理想的发射方式。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。

根据电磁发射原理，感应线圈式电磁发射器主要是利用发射弹体时的感应涡流产生比较大的加速推力进行加速。对于普通的科研试验来说，让高速运动的发射体减速，需要在终点处装设拦截装置，但通常的拦截装置为物理靶体，高速运动的物体会对其产生较大的破坏作用，或者由于发射体动能太大，物理靶体的体积和质量会很大。因此，如果能够采用一种无接触方式的“靶体”使发射体制动，不但不会对靶体造成冲击性伤害，还能够对发射体本身进行无损回收，有利于科学研究。

本发明采用电磁发射的逆过程，即利用电磁力使达到高速的发射体减速，选择感应式线圈阻尼器实现对诸如铝和铜等非导磁材料类型的发射体的制动作用。

发明内容

本发明目标在于对获得一定速度的非铁磁导电物体进行制动，通过设置一个或者若干个线圈绕组并将其与电容器等电源设备串联构成回路，通过对激励触发时间进行控制，使已获得一定速度的非铁磁物体减速，并最终实现制动。

具体来说，对于带有一定初速度的非导磁特性的物体来说，为使其迅速减速，可采用电磁发射加速的原理逆用，即设置一级或者若干级线圈-电源回路，通过在合适的时间导通电路，使线圈中通过一定大小的电流。这时，阻尼线圈中电流变化率很大，此时发射体中被铰链的磁通感应出涡流，此环形电流与两线圈的磁场相互作用产生安培力，并在安培力的作用下向相反的方向运动。

感应式线圈减速器由减速器线圈、电容器电源、二极管以及保护电阻组成，各部分的参数应该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。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种感应式电磁线圈减速器，其特征在于，结构上包括至少一级减速组件，所述减速组件依次串联的至少一个阻尼线圈、电源、二极管组成的电路回路，二极管上还串联一电容。

在上述的一种感应式电磁线圈减速器，所述减速组件为若干级，依次平行设置。

一种采用感应式电磁线圈减速器的减速方法，其特征在于，根据磁阻式的制动原理，在非铁磁物体的中点在未到达减速线圈中点时，对减速线圈进行点火，从而使非铁磁导电物体感应出电流，并与线圈产生的脉冲磁场相互作用，产生与运动方向相反的排斥力，从而阻碍非铁磁导电物体的运动，达到制动效果，并且，二极管的反并联保证开关闭合后，电容器对线圈一次放电后不再反向二次放电；具体方法是：

定义驱动线圈电感量为L，电容器电容量为C，则由图2所示的驱动电路，根据基本的电路学公式，可确定出回路电流的上升时间:

                                                                         （1）

定义待减速的电枢的速度为v ₀，滑差为s。驱动线圈点火时，电枢与驱动线圈间的相对距离为D。

D = v ₀×t _rise  + s                                                                           （2）

由于滑差的确定s通常与电枢速度及D有关，因此可定义相关系数k，重新定义电枢与驱动线圈间的相对距离D，将s消去。

D = k×v ₀×t _rise                                                                      （3）

其中k取值为大于等于0.6小于等于1.4。

在上述的一种采用感应式电磁线圈减速器的减速方法，采用多级减速，实现非铁磁物体的完全制动。

在上述的一种采用感应式电磁线圈减速器的减速方法，待减速的电枢本身应为非导磁导电材料。

本发明的具有如下优点：巧妙的利用加速的逆过程，使具有一定速度的非铁磁物体迅速、简单的被制动，方便又高效，并可无损回收非铁磁导电物体。

附图说明

图1为感应式电磁线圈减速器的电路模型图。

图2为单级感应线圈电磁发射器示意图。

图3为非铁磁物体通过线圈减速器的过程示意图。

图4为本发明实施例中感应式减速器示意图。

图5为本发明实施例中外电路示意图。

图6为本发明实施例中不同点火位置下的驱动线圈电流波形。

图7为本发明实施例中电枢不同初始位置对应的受力曲线。

图8为本发明实施例中电枢不同初始位置对应的速度曲线。

图9为本发明实施例中电枢不同初始位置对应的位移曲线。

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，为感应式电磁线圈减速器的电路模型图。其中的线圈即为减速器线圈，其作用是通入脉冲电流产生强磁场，电容器上初始具有一定的电能。在适当的时候，导通电源，使电容对线圈通过可调保护电阻放电，从而在减速器线圈周围产生感应磁场。

图2以单级感应线圈电磁发射器为例，可以结合图说明本发明的原理，同时本发明也是基于其对非铁磁物体加速的逆过程，实现制动功能的。如图中标示，1为减速线圈，2为向右运动的非铁磁导电材料物体。当脉冲电流加到驱动线圈时，发射体铰链磁通并且在内部感应出一个相反方向的环形电流，此环形电流与磁场相互作用产生安培力，此力阻碍发射体向右运动。由于在发射体内感应的电流与驱动电流反向，所以在脉冲感应线圈炮中只存在推斥方式的驱动力。当非铁磁导电物体头部还未到达驱动线圈中心点时，触发驱动线圈导通，此时对发射体的作用力与其运动方向相反从而阻碍发射体内磁通增大的趋势；当发射体中心点从线圈中心移开时，原来发射体内的磁通减小，从而进一步阻碍其向右运动，使发射体减速。

具体方法是：

定义驱动线圈电感量为L，电容器电容量为C，则由图2所示的驱动电路，根据基本的电路学公式，可确定出回路电流的上升时间:

                                                                            （1）

定义待减速的电枢的速度为v ₀，滑差为s。驱动线圈点火时，电枢与驱动线圈间的相对距离为D。

D = v ₀×t _rise  + s                                                                           （2）

由于滑差的确定s通常与电枢速度及D有关，因此可定义相关系数k，重新定义电枢与驱动线圈间的相对距离D，将s消去。

D = k×v ₀×t _rise                                                                         （3）

其中k取值为大于等于0.6小于等于1.4。

图3所示为非铁磁物体经过加速线圈加速后向减速线圈运动，当发射体运动到其中心点距减速线圈中心点的距离为L时，电源对减速线圈开始放电，使发射体被“排斥”，受到与运动方向相反的作用力，从而实现制动并减速。值得指出的是，距离L为发射体按出口速度在减速线圈的脉冲电流上升时间内所走的距离，这样能够使电容的储能得到最大效率的应用。另外这样的线圈减速器可以有多个共同作用于同一个非铁磁物体，使减速效果更好。

下面是采用上述方法的具体实施例：

建立仿真模型如图4所示。具体参数描述如下：

铝筒电枢：内半径0.1m，外半径0.2m，长度为0.4m，质量为2kg，以100m/s的速度沿运动带向上运动。

铜质驱动线圈：内半径0.3m，外半径0.5m，长度为0.4m，匝数为60匝。

脉冲电容器：给线圈供电，电容量为8mF，初始电压为5000V。

驱动外电路如图5所示。

为了比较线圈点火时，电枢与线圈间距对电枢减速性能的影响，比较电枢初始位置不同时的减速效果。

电枢初始位置armz=0.0001m时，与驱动线圈距离1.1m；

电枢初始位置armz=0.2m时，与驱动线圈距离0.9m；

电枢初始位置armz=0.4m时，与驱动线圈距离0.7m；

电枢初始位置armz=0.6m时，与驱动线圈距离0.5m；

电枢初始位置armz=0.7m时，与驱动线圈距离0.4m；

电枢初始位置armz=0.8m时，与驱动线圈距离0.3m；

电枢初始位置armz=0.9m时，与驱动线圈距离0.2m；

电枢初始位置armz=1.0m时，与驱动线圈距离0.1m；

电枢不同初始位置下的受力曲线、速度曲线、位移曲线分别如图4、图5、图6所示。

由图6可知，电流上升沿trise为7ms左右，电枢初始速度v0=100m/s，则为使电枢减速，根据公式所得的点火位置大小应为D=0.7k，即0.42m~0.98m。

由图7、8、9可知，算例中电枢初始位置为0~0.8m时，对应于相距线圈距离为0.3~1.1m时，在此范围内均能使电枢顺利减速，甚至反弹。根据公式计算得到的点火方案可以满足减速要求。

本发明在现有的电磁线圈发射器的结构基础上，针对发射体为非导磁材料的情况，设计了一个感应式电磁线圈减速器，可方便、高效地使工作完成并具有一定速度的电磁物体制动，而其结构简单，安装方便，对于相关的科学试验和实际应用具有重要的使用价值。

本文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 (5)

1.一种感应式电磁线圈减速器，其特征在于，结构上包括至少一级减速组件，所述减速组件依次串联的至少一个阻尼线圈、电源、二极管组成的电路回路，二极管上还串联一电容。

2.根据权利要求1所述的一种感应式电磁线圈减速器，其特征在于，所述减速组件为若干级，依次平行设置。

3.一种采用权利要求1所述的感应式电磁线圈减速器的减速方法，其特征在于，根据磁阻式的制动原理，在非铁磁物体的中点在未到达减速线圈中点时，对减速线圈进行点火，从而使非铁磁导电物体感应出电流，并与线圈产生的脉冲磁场相互作用，产生与运动方向相反的排斥力，从而阻碍非铁磁导电物体的运动，达到制动效果，并且，二极管的反并联保证开关闭合后，电容器对线圈一次放电后不再反向二次放电；具体方法是：

定义驱动线圈电感量为L，电容器电容量为C，则由图2所示的驱动电路，根据基本的电路学公式，可确定出回路电流的上升时间:

                                               （1）

定义待减速的电枢的速度为v ₀，滑差为s；驱动线圈点火时，电枢与驱动线圈间的相对距离为D；

D = v ₀×t _rise  + s                                                 （2）

由于滑差的确定s通常与电枢速度及D有关，因此可定义相关系数k，重新定义电枢与驱动线圈间的相对距离D，将s消去；

D = k×v ₀×t _rise                                               （3）

其中k取值为大于等于0.6小于等于1.4。

4.根据权利要求3所述的一种采用感应式电磁线圈减速器的减速方法，其特征在于，采用多级减速，实现非铁磁物体的完全制动。

5.根据权利要求3所述的一种采用感应式电磁线圈减速器的减速方法，其特征在于，待减速的电枢本身应为非导磁导电材料。