CN110057240A - 线圈开放式电磁推挽发射装置 - Google Patents

Abstract

一种线圈开放式电磁推挽发射装置，由n组驱动线圈组、一台被发射线圈及n台驱动电源组成，n为正整数且n≥2。每组驱动线圈组由上部驱动线圈和下部驱动线圈构成，两个驱动线圈的中间空间为组线圈组内部气隙；n组驱动线圈组按照序号在空间上从左到右依次等间隙固定。发射开始前，被发射线圈左边缘位于第1组驱动线圈内部气隙，右边缘位于第2组驱动线圈的内部气隙，所有驱动线圈电流均被控制为恒定电流。发射开始后，被驱动线圈的右侧边缘离开第k组驱动线圈的内部气隙时，通过第k组驱动线圈驱动电源将其电流反向，被发射线圈在左侧驱动线圈的推力和右侧驱动线圈的拉力共同“推挽”作用下向右加速移动，k为正整数，且1≤k≤n。

Description

线圈开放式电磁推挽发射装置

技术领域

本发明涉及一种基于线圈的电磁加速装置，特别涉及一种线圈开放式电磁推挽发射装置。

背景技术

在高加速、高速度的飞行器发射或者试验研究领域，传统的技术方案通常采用火箭。而火箭通常采用化学燃料作为动力。但是采用化学燃料的火箭由于燃料火焰的限制，其比推力相对较小；而采用核动力的火箭系统复杂，且有很多安全问题，难以实用化。虽然通过改善火箭的气体动力学特性可以提高其速度，但是改善的程度一般也很有限。另外，采用火箭发射的航天器还存在有毒气体、高能热流、烟雾等多种环境污染因素，且火箭每次的发射成本高，技术复杂。

电磁发射技术是把电磁能转化为动能，进而使被发射物获得高加速度以及高速的新型发射技术。相比于传统的发射技术，电磁发射具有更高的能量转换效率和控制精度，环境污染小，且发射成本较低。通常，电磁发射装置可以分为导轨式、同轴线圈式和重接式三种。但是，导轨式电磁发射系统存在电枢与导轨带电高速摩擦导致的接触烧蚀问题；同轴线圈式电磁发射系统存在被发射体需被线圈包裹导致的形状受限问题；重接式电磁发射系统需要额外的助力启动装置，否则被发射体无法发射；而且三种电磁发射装置一般都需要高功率脉冲电源作为驱动。例如发明专利CN201410317730、CN201510025576、CN201710556536中的电磁发射系统的等均需采用脉冲功率电源。而高功率脉冲电源系统通常需要采用大量的储能元件，例如电容器、储能电感等，这会导致电磁发射系统占地增加，影响该技术的应用范围和领域。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有电磁发射系统的缺点，提出一种线圈开放式电磁推挽发射系统。本发明无需大功率脉冲功率电源，无需额外的助力启动装置，且被发射体的形状不受线圈形状限制，应用领域更加广泛。

所述的线圈开放式电磁推挽发射装置由n个驱动线圈组、一台被发射线圈及n台驱动电源组成，n为正整数且n≥2。每组驱动线圈组和一台驱动电源连接。每个驱动线圈组由两个驱动线圈构成组成，每个驱动线圈均为正方形绕制的空芯线圈，且所有驱动线圈的边长均为D_d；被发射线圈亦为正方形的空芯线圈，且被发射线圈的边长大于D_d且小于2×D_d；被发射线圈材质为不导磁的金属，例如铝或铜。

每组驱动线圈组由两个驱动线圈构成，第k组驱动线圈组由上部驱动线圈L_kU与下部驱动线圈L_kL构成，上部驱动线圈L_kU和下部驱动线圈L_kL均按照中心轴线垂直向上放置，下部驱动线圈L_kL放置于上部驱动线圈L_kU的正下方；从俯视角度看上部驱动线圈L_kU与下部驱动线圈L_kL的边缘重合，且上部驱动线圈L_kU与下部驱动线圈L_kL通过电流后产生的磁通方向相同，下部驱动线圈L_kL的顶部端面与上部驱动线圈L_kU底部端面之间的空间定义为第k组驱动线圈组的内部气隙，此间隙的高度为g，g为大于0的正数，k为驱动线圈组的序号，k为正整数，且1≤k≤n，n为正整数且n≥2；第1组驱动线圈组的上部驱动线圈L_1U固定在最左侧，第n组驱动线圈组的上部驱动线圈L_nU固定在最右侧，第1组至第n组驱动线圈组从左至右依照序号依次等间距固定，且在不影响安装和使用的前提下减小相互间的间距。

所述的n台驱动电源中，每台驱动电源均包括四个对外连接端子P_Ua、P_Ub、P_La和P_Lb，n为正整数且n≥2。驱动电源k的对外连接端子P_Ua连接到第k组驱动线圈的上部驱动线圈L_kU的连接端子T_kUa，驱动电源k的对外连接端子P_Ub连接到第k组驱动线圈的上部驱动线圈L_kU的连接端子T_kUb，驱动电源k的对外连接端子P_La连接到第k组驱动线圈的下部驱动线圈L_kL的连接端子T_kLa，驱动电源k的对外连接端子P_Lb连接到第k组驱动线圈的的下部驱动线圈L_kL的连接端子T_kLb，此处k为驱动线圈组的序号，k为正整数，且1≤k≤n。

发射开始前，被发射线圈在空间水平放置，且被发射线圈的左边缘位于第1组驱动线圈组的内部气隙内，被发射线圈的右边缘位于第2组驱动线圈组的内部气隙内，且被发射线圈的左边缘及右边缘分别与第1组驱动线圈组的上部驱动线圈L_1U和第2组驱动线圈组的上部驱动线圈L_2U的左边缘及右边缘均平行；所有驱动线圈中的电流均通过各自连接的驱动电源被控制为恒定的直流电流，第k组驱动线圈组的上部驱动线圈L_kU的电流为+i_kU，第k组驱动线圈组的下部驱动线圈L_kL的电流为+i_kL，此处k为正整数，且1≤k≤n，n为驱动电源的总台数。

所述的被发射线圈的发射过程如下：

(1)首先，所述的驱动电源1将第1组驱动线圈组的上部驱动线圈L_1U的电流由+i_1U立即控制为-i_1U，同时将第1组驱动线圈组的下部驱动线圈L_1L的电流由+i_1L立即控制为-i_1L，其余驱动线圈中的电流保持不变。在此过程中穿过被发射线圈的磁场方向发生反转，于是在被发射线圈中立即感应出很大的电流。由于发射开始前，被发射线圈的左侧边缘位于第1组驱动线圈组的内部气隙中，根据楞次定律，被发射线圈中左侧边缘处感应出的电流会受到来自上部驱动线圈L_1U和下部驱动线圈L_1L向右的安培力推动，被发射线圈中右侧边缘处感应出的电流会受到来自相邻的第2组驱动线圈组的上部驱动线圈L_2U和第2组驱动线圈组的下部驱动线圈L_2L向右的安培力拉动，在推力和拉力两种力的“推挽”作用下，被发射线圈开始向右侧第2组驱动线圈组加速移动；

(2)当所述的被发射线圈的右侧边缘向右移动到离开第k-1组驱动线圈组的内部气隙时，所述的驱动电源k-1将第k-1组的上部驱动线圈L_(k-1)U的电流由+i_(k-1)U立即控制为-i_(k-1)U，同时将第k-1组的下部驱动线圈L_(k-1)L的电流由+i_(k-1)L立即控制为-i_(k-1)L，其余的驱动线圈中的电流保持不变。由于穿过被发射线圈中的磁通突然减小，根据楞次定律，被发射线圈中感应出的电流进一步增大，且方向保持不变，被发射线圈左侧边缘的感应电流受到第k-1组驱动线圈组的上部驱动线圈L_(k-1)U和下部驱动线圈L_(k-1)L中磁场所产生的向右的安培力的推力，而被发射线圈右侧边缘的感应电流受到第k组驱动线圈组上部驱动线圈L_kU和下部驱动线圈L_kL中磁场所产生向右的安培力拉力，在推力和拉力两种力的“推挽”作用下，被发射线圈开始向右侧第k组驱动线圈加速移动。本步骤中的k为线圈组序号，k为正整数，且2≤k≤n-1。

(3)当所述的被发射线圈的右侧边缘向右移动离开第n组驱动线圈组的内部气隙时，所述的驱动电源n将第n组驱动线圈组上部驱动线圈L_nU的电流由+i_nU立即控制为-i_nU，同时将第n组驱动线圈组下部驱动线圈L_nL的电流由+i_nL立即控制为-i_nL，而其余的驱动线圈中的电流保持不变。由于穿过被发射线圈中的磁通突然减小，根据楞次定律，被发射线圈中感应出的电流进一步增大，且方向保持不变，被发射线圈左侧边缘的感应电流受到第n-1组或第n组驱动线圈中磁场所产生的向右的安培力推力，被发射线圈继续向右加速移动，直至整个被发射线圈移出第n组驱动线圈的内部气隙，完成一次发射过程，准备下一次发射。

附图说明

图1为本发明线圈开放式电磁推挽发射装置原理图；

图2a为本发明线圈开放式电磁推挽发射装置中第1组驱动线圈、第2组驱动线圈、第3组驱动线圈及被发射线圈在发射开始前的位置及各个线圈中的电流方向示意图；

图2b为本发明线圈开放式电磁推挽发射装置中第1组驱动线圈、第2组驱动线圈、第3组驱动线圈及被发射线圈在被发射线圈右边缘位于第2组驱动线圈内部气隙时各个线圈中的电流方向示意图；

图2c为本发明线圈开放式电磁推挽发射装置中第1组驱动线圈、第2组驱动线圈、第3组驱动线圈及被发射线圈在被发射线圈右边缘离开第2组驱动线圈内部气隙时各个线圈中的电流方向示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，所述的线圈开放式电磁推挽发射装置由n组驱动线圈组、一台被发射线圈及n台驱动电源组成，每组驱动线圈组和一台驱动电源连接。n为正整数且n≥2。

所述的每个驱动线圈均为正方形绕制的空芯线圈，且所有驱动线圈的边长均为D_d；被发射线圈亦为正方形绕制的空芯线圈，且被发射线圈的边长大于D_d且小于2×D_d；被发射线圈材质为不导磁的金属，例如铝或铜。

每组驱动线圈组由两个驱动线圈构成，第k组驱动线圈组由上部驱动线圈L_kU与下部驱动线圈L_kL构成，上部驱动线圈L_kU和下部驱动线圈L_kL均按照中心轴线垂直向上放置，下部驱动线圈L_kL放置于上部驱动线圈L_kU的正下方；从俯视角度看上部驱动线圈L_kU与下部驱动线圈L_kL的边缘重合，且上部驱动线圈L_kU与下部驱动线圈L_kL通过电流后产生的磁通方向相同，下部驱动线圈L_kL的顶部端面与上部驱动线圈L_kU底部端面之间的空间定义为第k组驱动线圈组的内部气隙，此间隙的高度为g，g为大于0的正数，k为驱动线圈组的序号，k为正整数，且1≤k≤n，n为正整数且n≥2；第1组驱动线圈组的上部驱动线圈L_1U固定在最左侧，第n组驱动线圈组的上部驱动线圈L_nU固定在最右侧，第1组至第n组驱动线圈组从左至右依照序号依次等间距固定，且在不影响安装和使用的前提下减小相互间的间距。

所述的n台驱动电源每台均包括四个对外连接端子P_Ua、P_Ub、P_La和P_Lb，n为正整数且n≥2。驱动电源k的对外连接端子P_Ua连接到驱动线圈L_kU的连接端子T_kUa，驱动电源k的对外连接端子P_Ub连接到驱动线圈L_kU的连接端子T_kUb，驱动电源k的对外连接端子P_La连接到驱动线圈L_kL的连接端子T_kLa，驱动电源k的对外连接端子P_Lb连接到驱动线圈L_kL的连接端子T_kLb，此处k为驱动线圈组的序号，k为正整数，且1≤k≤n。

图2a、图2b、图2c为本发明线圈开放式电磁推挽发射装置中含两台驱动电源时被发射线圈在第1组驱动线圈组和第2组驱动线圈组之间加速运动及电流控制方法的俯视示意图，下面详述具体过程。

如图2a所示，发射开始前，被发射线圈在空间水平放置，且被发射线圈的左边缘位于第1组驱动线圈组的内部气隙中，被发射线圈的右边缘位于第2组驱动线圈组的内部气隙中，且被发射线圈的左边缘及右边缘与驱动线圈L_1U和L_2U的左边缘及右边缘均平行；所有驱动线圈中的电流均通过各自连接的驱动电源被控制为恒定的直流电流，驱动线圈L_kU的电流被控制为+i_kU，驱动线圈L_kL的电流被控制为+i_kL，此处k为驱动线圈组的序号，k为正整数，且k＝1，2，3。

当发射过程开始时：

(1)首先，所述的驱动电源1将第1组驱动线圈组上部驱动线圈L_1U的电流由+i_1U立即控制为-i_1U，同时将第1组驱动线圈组下部驱动线圈L_1L的电流由+i_1L立即控制为-i_1L，而其余的驱动线圈中的电流保持不变，如图2b所示。在此过程中穿过被发射线圈的磁场方向发生反转，于是在被发射线圈中立即感应出很大的电流。由于发射开始前，被发射线圈的左侧边缘位于第1组驱动线圈组的内部气隙内，根据楞次定律，被发射线圈中左侧边缘处感应出的电流会受到来自第1组驱动线圈组上部驱动线圈L_1U和下部驱动线圈L_1L向右的安培力推动，被发射线圈中右侧边缘处感应出的电流会受到来自相邻的第2组驱动线圈组上部驱动线圈L_2U和下部驱动线圈L_2L向右的安培力拉动，在推力和拉力两种力的“推挽”作用下，被发射线圈开始向右侧第2组驱动线圈组移动。

(2)当所述的被发射线圈的右侧边缘向右移动离开第2组驱动线圈组的内部气隙时，如图2c所示，所述的驱动电源2将第2组驱动线圈组上部驱动线圈L_2U的电流由+i_2U立即控制为-i_2U，同时将第2组驱动线圈组下部驱动线圈L_2L的电流由+i_2L立即控制为-i_2L，而其余的驱动线圈中的电流保持不变。由于穿过被发射线圈中的磁通突然减小，根据楞次定律，被发射线圈中感应出的电流进一步增大，且方向保持不变，被发射线圈左侧边缘的感应电流受到第1组驱动线圈或第2组驱动线圈中磁场所产生的向右的安培力的推力继续向右移动，直至整个被发射线圈移出第2组驱动线圈的内部气隙，完成一次发射过程，准备下一次发射。

Claims (6)

1.一种线圈开放式电磁推挽发射装置，由n组驱动线圈组、一台被发射线圈及n台驱动电源组成，n为正整数且n≥2，每组驱动线圈组和一台驱动电源连接，其特征在于：所述的n组驱动线圈组中的所有驱动线圈均为正方形的空芯线圈，且所有驱动线圈的边长均为D_d；被发射线圈亦为正方形的空芯线圈，且被发射线圈的边长大于D_d且小于2×D_d；被发射线圈的材质为不导磁的金属。

2.如权利要求1所述的线圈开放式电磁推挽发射装置，其特征在于：每组驱动线圈组由两个驱动线圈构成，第k组驱动线圈组由上部驱动线圈L_kU与下部驱动线圈L_kL构成，上部驱动线圈L_kU和下部驱动线圈L_kL均按照中心轴线垂直向上放置，下部驱动线圈L_kL放置于上部驱动线圈L_kU的正下方；从俯视角度看上部驱动线圈L_kU与下部驱动线圈L_kL的边缘重合，且上部驱动线圈L_kU与下部驱动线圈L_kL通过电流后产生的磁通方向相同，下部驱动线圈L_kL的顶部端面与上部驱动线圈L_kU底部端面之间的空间定义为第k组驱动线圈组的内部气隙，此间隙的高度为g，g为大于0的正数，k为驱动线圈组的序号，k为正整数，且1≤k≤n，n为正整数且n≥2；第1组驱动线圈组的上部驱动线圈L_1U固定在最左侧，第n组驱动线圈组的上部驱动线圈L_nU固定在最右侧，第1组至第n组驱动线圈组从左至右依照序号依次等间距固定，且在不影响安装和使用的前提下减小相互之间的间距。

3.如权利要求1所述的线圈开放式电磁推挽发射装置，其特征在于：每台所述的驱动电源均包括四个对外连接端子P_Ua、P_Ub、P_La和P_Lb；驱动电源k的对外连接端子P_Ua连接到驱动线圈L_kU的连接端子T_kUa，驱动电源k的对外连接端子P_Ub连接到驱动线圈L_kU的连接端子T_kUb，驱动电源k的对外连接端子P_La连接到驱动线圈L_kL的连接端子T_kLa，驱动电源k的对外连接端子P_Lb连接到驱动线圈L_kL的连接端子T_kLb，k为驱动线圈组的序号，k为正整数，且1≤k≤n。

4.如权利要求1所述的线圈开放式电磁推挽发射装置，其特征在于：发射开始前，被发射线圈在空间水平放置，且被发射线圈的左边缘位于第1组驱动线圈组的内部气隙内，被发射线圈的右边缘位于第2组驱动线圈组的内部气隙内，且被发射线圈的左边缘及右边缘与驱动线圈L_1U和L_2U的左边缘及右边缘均平行。

5.如权利要求1所述的线圈开放式电磁推挽发射装置，其特征在于：发射开始之前，所有驱动线圈中的电流均通过各自连接的驱动电源控制，均为恒定的直流电流，上部驱动线圈L_kU的电流为+i_kU，下部驱动线圈L_kL的电流为+i_kL，k为驱动线圈组的序号，k为正整数，且1≤k≤n，n为驱动电源的总台数。

6.如权利要求1所述的线圈开放式电磁推挽发射装置，其特征在于：所述的被发射线圈的发射过程如下：

(1)首先，所述的驱动电源1将第1组驱动线圈组的上部驱动线圈L_1U的电流由+i_1U控制为-i_1U，同时将第1组驱动线圈组的下部驱动线圈L_1L的电流由+i_1L控制为-i_1L，而其余的驱动线圈中的电流保持不变；在此过程中穿过被发射线圈的磁场方向发生反转，于是在被发射线圈中感应出电流；由于发射开始前，被发射线圈的左侧边缘位于第1组驱动线圈的内部气隙中，根据楞次定律，被发射线圈中左侧边缘处感应出的电流会受到来自第1组驱动线圈组的上部驱动线圈L_1U和下部驱动线圈L_1L向右的安培力推动，被发射线圈中右侧边缘处感应出的电流会受到来自第2组驱动线圈组的上部驱动线圈L_2U和下部驱动线圈L_2L向右的安培力拉动，在推力和拉力两种力的“推挽”作用下，被发射线圈开始向右侧第2组驱动线圈组移动；

(2)当所述的被发射线圈的右侧边缘向右移动到离开第k-1组驱动线圈组的内部气隙时，所述的驱动电源k-1将第k-1组驱动线圈组的上部驱动线圈L_(k-1)U的电流由+i_(k-1)U控制为-i_(k-1)U，同时将第k-1组驱动线圈组的下部驱动线圈L_(k-1)L的电流由+i_(k-1)L控制为-i_(k-1)L，而其余的驱动线圈中的电流保持不变；由于穿过被发射线圈中的磁通突然减小，根据楞次定律，被发射线圈中感应出的电流进一步增大，且方向保持不变，被发射线圈左侧边缘的感应电流受到第k-1组驱动线圈组的上部驱动线圈L_(k-1)U和下部驱动线圈L_(k-1)L中磁场所产生的向右的安培力的推力，而被发射线圈右侧边缘的感应电流受到第k组驱动线圈组上部驱动线圈L_kU和下部驱动线圈L_kL中磁场所产生向右的安培力拉力，在推力和拉力两种力的“推挽”作用下，被发射线圈开始向右侧第k组驱动线圈加速移动；此处的线圈组序号k为正整数，且2≤k≤n-1；

(3)当所述的被发射线圈的右侧边缘向右移动离开第n组驱动线圈组的内部气隙时，所述的驱动电源n将第n组驱动线圈组上部驱动线圈L_nU的电流由+i_nU立即控制为-i_nU，同时将第n组驱动线圈组下部驱动线圈L_nL的电流由+i_nL控制为-i_nL，其余驱动线圈中的电流保持不变；由于穿过被发射线圈中的磁通突然减小，根据楞次定律，被发射线圈中感应出的电流进一步增大，且方向保持不变，被发射线圈左侧边缘的感应电流受到第n-1组或第n组驱动线圈中磁场所产生的向右的安培力推力，被发射线圈继续向右加速移动，直至整个被发射线圈移出第n组驱动线圈的内部气隙，完成一次发射过程，准备下一次发射。