CN110127085A - 电流源驱动型电磁发射装置 - Google Patents

Abstract

一种电流源驱动型电磁发射装置，由加速腔、n(n为正整数，n≥2)个驱动线圈L₁、L₂、……、L_n、一台被发射线圈及一台多相逆变器组成。n个驱动线圈L₁、L₂、……、L_n在空间上按序号依次固定排布在加速腔上。多相逆变器有n相输出，每相连接一个驱动线圈。所述的被发射线圈在发射开始前，n个驱动线圈L₁、L₂、……、L_n的电流均通过多相逆变器进行闭环控制，且n个驱动线圈的电流均被控制为恒定的直流电流，被发射线圈位于L₁的位置。发射开始时，按照L₁至L_n的顺序依次令L_k(k为正整数)中的电流改变极性，当被发射线圈到达驱动线圈L_k的位置时改变L_k的电流极性，使得被发射线圈在相邻驱动线圈的排斥和吸引两种磁场力的作用下被迅速加速。

Description

电流源驱动型电磁发射装置

技术领域

本发明涉及一种受控电流源驱动的直线型电磁发射装置。

背景技术

在航天器发射领域，传统的火箭通常采用化学燃料作为动力，并携带被发射的航天器进入太空。但是采用普通化学燃料的火箭由于燃料火焰的限制，其比推力小。采用核动力的火箭可以实现较高的比推力水平。但是目前的技术水平下，核反应装置一般结构复杂，体积和重量较大，限制了系统比推力的提高。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，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，提出一种无需大功率脉冲功率电源的电流源驱动型电磁发射装置。

所述的电流源驱动型电磁发射装置由加速腔、n个驱动线圈L₁、L₂、……、L_n、一台被发射线圈及一台多相逆变器组成，n为正整数且n≥2。所述的被发射线圈在发射开始前放置在驱动线圈L₁的位置，且被发射线圈的中心轴方向与驱动线圈L₁的中心轴方向相同。所述的加速腔为中空的圆筒形。所述的n个驱动线圈L₁、L₂、……、L_n在空间上按序号依次固定排布在加速腔上，且驱动线圈L₁位于最左侧，驱动线圈L_n位于最右侧。所述的多相逆变器由n相输出，n为正整数且n≥2，每相输出端子包括T_ka和T_kb；驱动线圈L_k的两个连接端子分别连接到多相逆变器第k相输出端子T_ka和T_kb上，此处的k为正整数，且1≤k≤n。

发射开始前，对n个驱动线圈L₁、L₂、……、L_n的电流均通过所述多相逆变器进行闭环控制，且n个驱动线圈L₁、L₂、……、L_n的电流均被控制为恒定的直流电流，驱动线圈L_k中的恒定直流电流大小为+i_k，且所有驱动线圈产生的磁场方向均相同，此处的k为正整数，且1≤k≤n。

所述的被发射线圈按照如下三个步骤开始发射：

(1)首先，所述的多相逆变器通过闭环控制，将驱动线圈L₁中的电流由+i₁迅速控制为-i₁，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，在被发射线圈中立即感应出很大的电流。根据楞次定律，被发射线圈中感应出的电流产生的磁场与驱动线圈L₁中电流为+i₁时的磁场方向相同。当驱动线圈L₁中电流变为-i₁时，被发射线圈中感应出的电流产生的磁场与驱动线圈L₁的磁场方向相反，被发射线圈在驱动线圈L₁的排斥磁场力以及驱动线圈L₂的吸引磁场力的共同作用下迅速向驱动线圈L₂移动。

(2)当所述的被发射线圈移动到驱动线圈L_k的位置时，所述的多相逆变器通过闭环控制，将驱动线圈L_k中的电流由+i_k迅速控制为-i_k，而其他驱动线圈中的电流保持不变。在此过程中，驱动线圈L_k产生的且穿过被发射线圈的磁场方向发生反转，在被发射线圈中的感应电流进一步增大。于是被发射线圈在驱动线圈L_k的排斥磁场力以及驱动线圈L_k+1的吸引磁场力的共同作用下迅速向驱动线圈L_k+1移动，此处的k为正整数，且2≤k≤n-1。

(3)当所述的被发射线圈移动到驱动线圈L_n的位置时，所述的多相逆变器通过闭环控制，将驱动线圈L_n中的电流由+i_n迅速控制为-i_n，而其他驱动线圈中的电流保持不变。在此过程中，驱动线圈L_n产生的且穿过被发射线圈的磁场方向发生反转，在被发射线圈中的感应电流进一步增大。于是被发射线圈在驱动线圈L_n的排斥磁场力作用下迅速离开驱动线圈L_n，完成一次发射过程，准备下一次发射。

附图说明

图1为本发明电流源驱动型电磁发射装置原理图；

图2为本发明电流源驱动型电磁发射装置中的多相逆变器的一种具体的电路拓扑原理图。

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，所述的电流源驱动型电磁发射装置，由加速腔、n个驱动线圈L₁、L₂、……、L_n、一台被发射线圈以及一台多相逆变器组成。所述的加速腔为中空的圆筒形，n为正整数且n≥2。所述的n个驱动线圈L₁、L₂、……、L_n在空间上按序号依次固定排布在加速腔上，且驱动线圈L₁位于最左侧，驱动线圈L_n位于最右侧。所述的多相逆变器由n相输出，n为正整数且n≥2，每相输出端子包括T_ka和T_kb；驱动线圈L_k的两个连接端子分布连接到多相逆变器第k相输出端子T_ka和T_kb上，此处的k为正整数，且1≤k≤n。

所述的被发射线圈在发射开始前，n个驱动线圈L₁、L₂、……、L_n的电流均通过所述多相逆变器进行闭环控制，且n个驱动线圈L₁、L₂、……L_n的电流均被控制为恒定的直流电流，驱动线圈L_k中的恒定直流电流大小为+i_k，且所有驱动线圈产生的磁场方向均相同，此处的k为正整数，且1≤k≤n。所述的被发射线圈在发射开始前被放置在驱动线圈L₁的位置，且所述的被发射线圈的中心轴方向与驱动线圈L₁的中心轴方向相同。

所述的被发射线圈按照如下三个步骤开始发射：

(1)首先，所述的多相逆变器通过闭环控制，将驱动线圈L₁中的电流由+i₁迅速控制为-i₁，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，在被发射线圈中立即感应出很大的电流。根据楞次定律，被发射线圈中感应出的电流产生的磁场与驱动线圈L₁中电流为+i₁时的磁场方向相同。当驱动线圈L₁中电流变为-i₁时，被发射线圈中感应出的电流产生的磁场与驱动线圈L₁的磁场方向相反，于是被发射线圈在驱动线圈L₁的排斥磁场力以及驱动线圈L₂的吸引磁场力的共同作用下迅速向驱动线圈L₂移动。

(2)当所述的被发射线圈移动到驱动线圈L_k的位置时，所述的多相逆变器通过闭环控制，将驱动线圈L_k中的电流由+i_k迅速控制为-i_k，而其他驱动线圈中的电流保持不变。在此过程中，驱动线圈L_k产生的且穿过被发射线圈的磁场方向发生反转，在被发射线圈中的感应电流进一步增大。于是被发射线圈在驱动线圈L_k的排斥磁场力以及驱动线圈L_k+1的吸引磁场力的共同作用下迅速向驱动线圈L_k+1移动，此处的k为正整数，且2≤k≤n-1。

(3)当所述的被发射线圈移动到驱动线圈L_n的位置时，所述的多相逆变器通过闭环控制，将驱动线圈L_n中的电流由+i_n迅速控制为-i_n，而其他驱动线圈中的电流保持不变。在此过程中，驱动线圈L_n产生的且穿过被发射线圈的磁场方向发生反转，在被发射线圈中的感应电流进一步增大。于是被发射线圈在驱动线圈L_n的排斥磁场力作用下迅速离开驱动线圈L_n，完成一次发射过程，准备下一次发射。

本发明电流源驱动型电磁发射装置中的多相逆变器的一种具体的电路拓扑原理图，如图2所示。该多相逆变器由直流电源u_dc和n个单相全桥逆变器组成，n为正整数且n≥2。第k个单相全桥逆变器由四只全控型半导体开关S_k1、S_k2、S_k3、S_k4以及四只二极管D_k1、D_k2、D_k3、D_k4组成，1≤k≤n：S_km的集电极和D_km的阴极连接在一起，S_km的发射极和D_km的阳极连接在一起，此处的m＝1，2，3，4；S_k1和S_k3的集电极连接到直流电源u_dc的正极，S_k2和S_k4的发射极连接到直流电源u_dc的负极，S_k1的发射极和S_k2的集电极连接在一点作为第k个单相全桥逆变器的输出端子T_ka，S_k3的发射极和S_k4的集电极连接在一点作为第k个单相全桥逆变器的输出端子T_kb，1≤k≤n。

Claims (3)

1.一种电流源驱动型电磁发射装置，所述的电流源驱动型电磁发射装置由加速腔、n个驱动线圈L₁、L₂、……、L_n、一台被发射线圈及一台多相逆变器组成，n为正整数且n≥2；所述的加速腔为中空的圆筒形；n个驱动线圈L₁、L₂、……、L_n在空间上按序号依次固定排布在加速腔上，且驱动线圈L₁位于最左侧，驱动线圈L_n位于最右侧；所述的多相逆变器有n相输出，n为正整数且n≥2，每相输出端子包括T_ka和T_kb；驱动线圈L_k的两个连接端子分布连接到多相逆变器第k相输出端子T_ka和T_kb上，此处的k为正整数，且1≤k≤n，其特征在于：发射开始前，对n个驱动线圈L₁、L₂、……、L_n的电流均通过所述多相逆变器进行闭环控制，且n个驱动线圈L₁、L₂、……、L_n的电流均为恒定的直流电流，驱动线圈L_k中的恒定直流电流大小为+i_k，且所有驱动线圈产生的磁场方向均相同，此处的k为正整数，且1≤k≤n。

2.如权利要求1所述的电流源驱动型电磁发射装置，其特征在于：发射开始前，所述的被发射线圈放置在驱动线圈L₁的位置，且被发射线圈的中心轴方向与驱动线圈L₁的中心轴方向相同。

3.如权利要求1所述的电流源驱动型电磁发射装置，其特征在于：所述的被发射线圈按照如下三个步骤开始发射：

(1)首先，所述的多相逆变器通过闭环控制，将驱动线圈L₁中的电流由+i₁控制为-i₁，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大电流；根据楞次定律，被发射线圈中感应出的电流产生的磁场与驱动线圈L₁中电流为+i₁时的磁场方向相同；当驱动线圈L₁中电流变为-i₁时，被发射线圈中感应出的电流产生的磁场与驱动线圈L₁的磁场方向相反，于是被发射线圈在驱动线圈L₁的排斥磁场力以及驱动线圈L₂的吸引磁场力的共同作用下向驱动线圈L₂移动；

(2)当所述的被发射线圈移动到驱动线圈L_k的位置时，所述的多相逆变器通过闭环控制，将驱动线圈L_k中的电流由+i_k控制为-i_k，其他驱动线圈中的电流保持不变；在此过程中，驱动线圈L_k产生的且穿过被发射线圈的磁场方向发生反转，在被发射线圈中的感应电流进一步增大，被发射线圈在驱动线圈L_k的排斥磁场力以及驱动线圈L_k+1的吸引磁场力的共同作用下向驱动线圈L_k+1移动，此处的k为正整数，且2≤k≤n-1；

(3)当所述的被发射线圈移动到驱动线圈L_n的位置时，所述的多相逆变器通过闭环控制，将驱动线圈L_n中的电流由+i_n控制为-i_n，其他驱动线圈中的电流保持不变；在此过程中，驱动线圈L_n产生的且穿过被发射线圈的磁场方向发生反转，在被发射线圈中的感应电流进一步增大，被发射线圈在驱动线圈L_n的排斥磁场力作用下离开驱动线圈L_n，完成一次发射过程，准备下一次发射。