CN110504815A - 双永磁直流磁力发射装置 - Google Patents

Abstract

一种双永磁直流磁力发射装置(简称磁力炮)，所述的“双永磁”是指：用两块永磁体(1a和1b)和非铁磁质连接件(1c)组合而成的“双永磁体”。所述的“双永磁体”，其组合形式是将两块永磁体的两块永磁体的两个同极性磁极相对、另外两个相同极性磁极背向、用非铁磁质连接组合件(1c)连接在一起。该发明只有动子、定子和开关控制部分组成，其特征与传统电磁炮相比较在于：一是结构简单，其动子部分只是将两块永磁体的同磁极极性的极面、通过一个铁磁质连接件组合在一起即可；而定子部分则是由一个长螺线线圈和一个非铁磁质空心管(炮管)组成；二是容易控制，该发明只需调节直流电流的大小即可控制发射驱动力的大小及发射的距离；三是加速距离长、出膛速度高。

Description

双永磁直流磁力发射装置

技术领域

本发明涉及电磁发射领域，涉及一种双永磁直流磁力发射装置(简称“磁力发射装置”或“磁力炮”)，准确地说是一种磁力发射装置的设计原理。

背景技术

目前在电磁发射领域，电磁炮是具体应用。根据结构和原理的不同，电磁炮可分为线圈炮、轨道炮、电热跑和重接炮四种类型。本发明提供了一种不同于以上四种发射原理的双永磁直流磁力发射装置，以满足国防建设的需要。

发明内容

如附图1-2所示，本发明所述的双永磁直流磁力发射装置，其“双永磁”是指：用两块永磁体(1a和1b)组合而成的“双永磁体”。其组合形式是将两块永磁体的两个同极性磁极相对、另外两个相同极性磁极背向、用非铁磁质连接组合件1c连接在一起。所述的两块永磁体，每一块永磁体也可以用多块小体积永磁体、磁极极面同向组合在一起。如附图4所示，所述的“直流”是指：螺线管线圈绕组2d接通的是直流电流。所述的“磁力”是指：永磁磁场与线圈绕组直流电流磁场之间产生的“磁场力”。本发明主要定子、动子和开关控制部分组成，定子部分主要由螺线管线圈绕组2d和空心管2c组成；动子部分主要由双永磁体和被发射体1e组成；开关控制部分主要由电源开关、电流调节装置和高速开关组成。以上所述的非铁磁质连接组合件1c是一个空心圆桶状的封闭容器，空心圆桶内安装两块永磁体(1a和1b)且同磁性极面对应、靠空心圆桶的两个端盖将两块永磁体挤压(克服两永磁磁场之间的斥力)固定在空心圆桶内。由1a、1b和1c组成的“双永磁体”，其两个端面显示的磁极极性相同(图中都是N极)。

本发明所述的磁力发射装置是一个多功能发射装置，当本发明用于发射炮弹时将该装置简称之为“磁力炮”；将螺线管的空心管2c称之为“磁力炮炮管”。所述“双永磁体”的两块永磁体的各项技术参数相同。图中的虚线表示由N极指向S极的磁力线。

下面通过附图所示的试验来说明本发明

在附图3中，2a和2b表示两块固定不动的永磁体，两永磁体相对极面的磁极极性不同，其中左侧极面显示为S极、右侧极面显示为N极，磁力线从右侧的N极指向左侧的S极。试验时在两块永磁体中间放置一个只能左右移动的双永磁体，双永磁体的左右两端面都显示为N极。根据同性磁极磁场相互排斥、异性磁极磁场相互吸引的属性，此时动子双永磁体在磁场力的作用下向左运动。

本发明的基本结构形式和发射原理：附图4表示磁力发射装置的结构和发射原理示意图，主要由一个长螺线管和一个双永磁体组成。其中由非铁磁质材料加工而成的长空心管2c和螺线管线圈绕组2d组成本发明的定子部分；由双永磁体(1a、1b、1c)和被发射体1e组成动子部分，其中双永磁体可称之为“发射母体”。动子部分被驱动的原理与附图3所示的驱动原理相似，也就是当螺线管线圈绕组2d接通的直流电流并且从上面的导线“流入”纸面、下面的导线“流出”纸面时，根据右手定则，绕组电流感应产生的磁通绝大部分经过螺线管所包围面积、磁力线从右侧指向左侧。根据同磁极磁场相互排斥、异性磁极磁场相互吸引的属性，此时发射母体受到驱动力(磁场力)的方向从右到左、发射母体带动被发射体1e向左运动。在发射母体运动过程中，永磁磁通的路径会穿过螺线管线圈绕组形成闭合回路，但根据磁阻最小原理和电磁感应定律：发射母体在螺线管内运动，载流螺线管线圈绕组与发射母体之间产生的磁场力为零。可见，当螺线管线圈绕组接通直流电时，发射母体只受到沿轴向磁场力的作用。总结附图3-4的试验，附图4所示的磁力发射装置具有以下特点：一是螺线管的长度和直径可长可短。二是螺线管内的磁场强度随线圈绕组电流大小的变化而变化；螺线管内的磁场强度近似于匀强磁场。可见，改变发射母体永磁体的磁场强度、改变螺线管的长度和直径的大小、改变接通螺线管线圈绕组电流的强弱，都可以改变被发射体的发射速度和发射距离。总之，本发射装置发射时，是靠磁场与磁场之间的磁场力来驱动被发射体的，与背景技术所述的利用电磁力(洛仑兹力)沿导轨发射(导轨跑)炮弹的原理不同；本发明所述的驱动(磁场力)原理适合设计制造磁力发射装置。

目前由于强永磁体由稀土材料加工而成，且稀土材料的矿藏量较少、价格高，所以具体设计制造时应该使发射母体能够重复利用，实现节约发射成本目的。如果将发射母体和被发射体(炮弹)固定一同发射出去，会使发射成本增加。所以在具体设计时，使发射母体和被发射体1e在磁力炮炮管内加速运动到达设定的位置，使发射母体减速、停止，并回到发射的初始位置进入下一个发射程序；而被发射体1e则是脱离发射母体按照原来的速度被发射出炮管。另外，被发射体1e设置在发射母体上，如果被发射体是能够被磁场吸引的铁磁质材料，而发射母体上永磁体的磁性会吸引被发射体，这样会导致在被发射体脱离发射母体时使被发射体的出膛速度降低。解决该问题的方法，一是设计制造被发射体的材质为非铁磁质材料(或低磁导率材料)；二是使被发射体与发射母体之间的距离加大，减小发射母体磁场吸引被发射体的吸引力。再就是，从本发明的发射过程可以看出，被发射体脱离发射母体的瞬间如果穿过被发射体的磁通发生变化、被发射体又是一个导电体，那么必定在被发射体内产生涡流现象，该涡电流会产生很高的热量，假如被发射体内装有火药、如果被发射体的温度过高，那么会使被发射体爆炸造成发射失败。所以具体设计时，应根据被发射体的特点必要时考虑阻止(或者说阻断)被发射体产生涡流。另外所述的磁力炮，是因为本发明的发射驱动力是永磁磁场与螺线管线圈绕组电流感应产生的磁场之间的相互作用，所以称之为“磁力炮”；将螺线管的空心管2c称之为“磁力炮炮管”。

有益效果及特点

本发明与传统电磁炮相比较的特点：一是结构简单：因为发明主要由定子、动子和开关控制部分组成，其动子部分只是将两块永磁体的同磁极极面相对、通过一个非铁磁质连接件1c组合在一起即可；而定子部分则是由一个长螺线线圈和一个非铁磁质、且不导电的空心管2c组成。二是容易调节控制：该发明只需调节直流电流的大小，即可控制发射驱动力的大小及发射的距离；另外发射时无后坐力。三是被发射体受力均匀、加速连续性、稳定性能好，加速时间长。四是节能效果好：由于磁力发射装置的驱动力来自永磁磁场与电流磁场之间产生的磁场力，而在发射过程中永磁磁场没有消耗发射电流的电能；电流磁场是由组成整个螺线管线圈绕组共同感应产生，没有哪一匝载流线圈(假如每一匝线圈缠绕的很紧密)产生的磁场不与永磁磁场相互作用，所以电能利用率高、具有良好的节约能源的效果；另外发射母体能够回收、可重复利用(永磁体可反复充磁多次使用)，这样也能够大大地降低发射成本。五是用途广泛：磁力发射装置可以发射普通的小型弹丸和炮弹，也可设计制造成大推力、长距离加速的导弹冷发射装置；利用该原理还可设计制造消防救援用的抛投器或工业设备中作直线往复运动的执行元件。总之，磁力发射装置除了以上所述的优点外，还与背景技术所述电磁炮一样具有相同的优点，也就是不会产生强大的冲击波和弥漫的烟雾；具有良好的隐蔽性；可根据目标的性质和距离，调节、选择适当的能量来调整弹丸或炮弹的射程。值得注意的是：接通螺线管线圈绕组电流在螺线管内感应产生的磁场强度应该低于永磁体的充磁磁场的强度，此做法主要是防止永磁体退磁现象出现；再就是，当磁力发射装置连续发射时线圈绕组会产生热量，该热量会导致磁力炮炮管2c和发射母体的永磁体的温度上升，而在高温(居里点)的情况下永磁体会出现消磁现象，为了防止该现象出现采用的方法是：设置线圈绕组降温、冷却系统；再就是一台磁力发射装置配备多个发射母体，当连续发射时多个发射母体循环使用。本发明的弱点是被发射体1e需要用非铁磁质材料(例如铝弹)加工制造。

附图说明

附图1表示“双永磁体”沿轴向剖视示意图；附图2表示附图1沿“A-A”方向的剖视示意图。

附图3表示“双永磁体”在两块永磁体之间受到永磁磁场作用的结构和原理示意图。

附图4表示双永磁直流磁力发射装置的基本结构与工作原理示意图。

附图5表示设有铁磁质连接件<1d>的发射母体的基本结构与工作原理示意图；附图6表示附图5所示的发射母体沿“A-A”方向的剖视示意图。

附图7表示发射小型弹丸的流磁力发射装置的基本结构与工作原理示意图。

附图8表示用于消防救援抛投器的结构与工作原理示意图。附图9表示用于作直线往复运动执行元件的结构原理示意图，推杆1g固定在发射母体上。

<1a>和<1b>表示永磁体，<1c>非铁磁质连接组合件，<1d>铁磁质连接件，<1e>被发射体，<1f>发射母体的空心体，<1g>发射母体上的推杆，<2a>和<2b>定子永磁体，<2c>空心管或称磁力炮炮管，<2d>线圈绕组，<2e>弹簧，<2f>弹堂，<2g>滑轨。图中虚线表示磁力线，实心箭头表示磁力线的方向，空心箭头表示动子运动的方向。

具体实施方式

下面结合附图作进一步说明

为了实现发射母体重复使用，具体设计制造时，应设计发射母体减速、停止机构。具体做法是：在螺线管末端(被发射体达到设计速度的位置)设置一个高速换向开关，使接通线圈绕组2d断开直流电源再反向接通，这样线圈绕组2d电流感应产生的是反向磁场，那么发射母体在反向磁场的作用下快速减速、停止再反向运行到磁力发射装置的发射起点；同时被发射体脱离发射母体沿原方向出炮膛直奔被打击目标。对于发射的炮弹质量轻、体积小、且要求出膛速度较低时，可采用在炮管的末端设置减速弹簧(或其它阻拦措施)，利用弹簧的弹力阻止发射母体冲出炮膛，炮弹则是同脱离发射母体冲出炮膛。

附图1-4所示的发射母体是将两块永磁体相同磁性磁极相对应、另外两个同极性磁极背向、利用非铁磁质连接组合件(1c)连接在一起。其中永磁体1a和1b之间的介质为空气，该介质也可填充其它轻质材料。采用该方案的优点是发射母体的质量轻、惯性小容易实现发射母体的减速与停止，弱点是发射母体沿轴向的长度较大。该方案适合设计制造垂直发射、大功率、高速、长行程发射的磁力发射装置。附图5、6所示的发射母体，其两永磁体(1a和1b)之间为铁磁质连接件1d，该做法的目的是利用铁磁质的屏蔽磁场功能，也就是在两块同极性磁体之间设置铁磁质连接件(1d)来屏蔽一部分磁场，从而减小两同性磁极磁场之间的排斥力、减小其组装时难度；铁磁质连接件(1d)的几何形状与磁导率应根据永磁体的几何形状和磁场强度而定。采用该方案的优点是发射母体沿轴向的长度较小，弱点是发射母体的质量较大、惯性大，发射母体的前冲力大不容易实现发射母体的减速、停止。所以该方案适合设计制造非垂直发射、小功率、短行程发射(或抛投)的磁力发射装置。

如附图4所示，空心管2c实际上就是磁力发射装置的炮管。具体设计时：一是要求该空心管的材质必须用非铁磁质(顺磁质或抗磁质)、非导电材料加工制造。二是要求该空心管的强度、韧性以及管件内壁与非铁磁质连接组合件1c外圆周之间的耐磨性达到磁力炮炮管要求的技术指标。可将磁力炮炮管设计为线膛炮使得炮弹本身在发射的时候具有极高的转速；也可设计为滑膛炮。

所述的空心管(2c)可以由一节组成，也可由多节空心管组合而成。螺线管的长度可设计为零点几米长、也可设计为几十米甚至更长；所述的螺线管线圈绕组(2d)可以设计为由一个独立绕组组成，也可以设计为由多个独立线圈绕组组合而成，各个绕组可以串联连接也可并连接。对于由多个独立线圈绕组组合而成的磁力发射装置，也可采用按独立线圈绕组的前后排序、依次接通直流电源。

应用例一：附图5-7表示发射母体的两块永磁体之间设置有铁磁质连接件1d、且能够组装拆卸的结构示意图。两块永磁体为环形圆柱体，发射母体的中间设有空心体1f；非铁磁质连接组合件1c分左右两部分，组合时用螺纹丝扣连接。定子空心管2c(磁力炮炮管)的末端设有发射母体减速弹簧2e，发射时，当发射母体带动被发射体(弹头)1e高速运动到达减速弹簧2e时，发射母体靠弹簧2e的弹力减速、停止；同时被发射体(弹头)1e迅速从枪膛2f射出。而后发射母体在反向线圈电流磁场的作用下回到发射起点进入下一个发射程序。

应用例二：附图8表示民用或消防抛投器的结构原理示意图。该设计方案的发射母体上设有发射推杆1g、导轨2g和被抛投体1e。当发射母体及发射推杆1g推动被抛投体1e高速到达减速弹簧2e时，发射母体及发射推杆1g靠弹簧2e的弹力减速、停止；同时被抛投体1e被抛出。附图9表示工业用、用于作直线往复运动执行元件的结构原理示意图，推杆1g固定在发射母体上、为双向推拉杆。当变换线圈绕组的直流电流的方向，可实现推杆1g推拉方向的改变。

所述的双永磁体，其外形几何形状可以是圆柱形也可以是长方体形状。所述的空心管(2c)，可以是圆柱形空心管状也可以是空心长方体形状。

Claims (5)

1.一种双永磁直流磁力发射装置，其中“双永磁”是指：用两块永磁体(1a和1b)组合而成的“双永磁体”；所述的“双永磁体”是一个组合体，其组合形式是将两块永磁体的两个同极性磁极相对、另外两个相同极性磁极背向、用非铁磁质连接组合件(1c)连接在一起；所述的两块永磁体，每一块永磁体可以用多块小体积永磁体、磁极极面同向组合在一起；所述的“直流”是指：螺线管线圈绕组(2d)接通直流电流；所述的“磁力”是指：永磁磁场与线圈绕组直流电流磁场之间产生的“磁场力”；本发明主要定子、动子和开关控制部分组成，定子部分主要由螺线管线圈绕组(2d)和空心管(2c)组成；动子部分主要由双永磁体和被发射体(1e)组成；开关控制部分主要由电源开关、电流调节装置和高速开关组成。

2.根据权利要求1所述的空心管(2c)，其特征在于：就是磁力发射装置的炮管。

3.根据权利要求1所述的空心管(2c)，其特征在于：可以由一节组成，也可由多节空心管组合而成。

4.根据权利要求1所述的螺线管线圈绕组(2d)，其特征在于：可以由一个独立绕组组成，也可以设计为由多个独立线圈绕组组合而成，各个绕组可以串联连接也可并连接。

5.根据权利要求1所述的双永磁体，其特征在于：其外形几何形状可以是圆柱形也可以是长方体形状。