CN111525770A - 一种半开放式直线电磁推进装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半开放式直线电磁推进装置。该装置包括驱动线圈、电枢和搭载平台；电枢为空心圆柱；空心圆柱的侧面沿轴向开设开口；空心圆柱的开口贯穿中空圆柱的上下底面；空心圆柱的开口处设置搭载平台；驱动线圈包括多组绕组；各绕组均为具有开口的环状结构；驱动线圈套设在电枢的侧面；空心圆柱的开口与绕组的开口相对应；通过对驱动线圈中的多组绕组按设定次序通电，使得电枢处于悬浮状态并沿轴向方向运动，从而带动搭载平台上的待推进物体运动。本发明能在避免承载物体受到电磁干扰的同时，提高推进效率。

Description

一种半开放式直线电磁推进装置

技术领域

本发明涉及电磁推进领域，特别是涉及一种半开放式直线电磁推进装置。

背景技术

电磁推进技术利用安培力可以在短距离短时间内使物体获得超高速。直线电磁推进装置具有储能大、加速度高、加速距离短等优势，可以在短时间内实现连续多次推进。直线电磁推进装置在高速轨道交通、高能物理与材料实验等方面中具有重要的应用前景。

传统的电磁线圈推进器的初级线圈是封闭圆筒式的，具有推进效率高、加速稳定性好等优势，但在推进时需要将承载物体放置于次级绕组内部，物体会受到初、次级磁场的干扰，因此不适合推进某些对外磁场敏感物体；且这种推进器的驱动线圈直径要大于承载物体的宽度，不适用于推进体积较大的物体。双边直线感应推进器也是线圈推进器的一种，其次级线圈上方有一个搭载平台，可将欲推进的承载物体置于搭载平台上方，该搭载平台远离励磁线圈，常用于推进大体积的功能性物体，但这种开放式的推进器漏磁高，推进效率较低。

发明内容

基于此，有必要提供一种半开放式直线电磁推进装置，以在避免承载物体受到电磁干扰的同时，提高推进效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种半开放式直线电磁推进装置，包括：驱动线圈、电枢和搭载平台；所述电枢为空心圆柱；所述空心圆柱的侧面沿轴向开设开口；所述空心圆柱的开口贯穿所述中空圆柱的上下底面；所述空心圆柱的开口处设置所述搭载平台；所述驱动线圈包括多组绕组；各所述绕组均为具有开口的环状结构；所述驱动线圈套设在所述电枢的侧面；所述空心圆柱的开口与所述绕组的开口相对应；通过对所述驱动线圈中的多组所述绕组按设定次序通电，使得所述电枢处于悬浮状态并沿轴向方向运动，从而带动所述搭载平台上的待推进物体运动。

可选的，多组所述绕组均匀的布设在所述电枢的侧面，当多组所述绕组串联时，各所述绕组均与相邻的绕组存在交叠区域。

可选的，多组所述绕组均匀的布设在所述电枢的侧面，当多组所述绕组并联时，各所述绕组之间存在间距。

可选的，所述绕组包括第一线圈、第二线圈、第一连接部和第二连接部；所述第一线圈和所述第二线圈均为具有开口的环状线圈；所述第一线圈的开口的一端通过所述第一连接部与所述第二线圈的开口的一端连接；所述第二线圈的开口的另一端通过所述第二连接部与所述第二线圈的开口的另一端连接。

可选的，各所述绕组上均设置有金属接线柱；所述金属接线柱用于连接脉冲电源。

可选的，所述驱动线圈的驱动方式为异步线圈驱动方式。

可选的，当所述驱动线圈的相数为N相，且多组所述绕组串联时，所述绕组的个数为N个，一组所述绕组为一相绕组；当所述驱动线圈的相数为N相，且多组所述绕组并联时，所述绕组的个数为2N个，第i组绕组与第i+N组绕组构成一相绕组；

通过对所述驱动线圈中的N相绕组按设定时间间隔依次通电，使得所述电枢处于悬浮状态并沿轴向方向运动，从而带动所述搭载平台上的待推进物体运动。

可选的，所述驱动线圈的相数为三相到六相。

可选的，所述半开放式直线电磁推进装置，还包括：环氧骨架；所述驱动线圈绕制在所述环氧骨架上形成驱动线圈骨架；所述驱动线圈骨架套设在所述电枢的侧面。

可选的，所述搭载平台包括由下到上依次设置的隔热层、电磁屏蔽层、防滑层和固定卡板。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种半开放式直线电磁推进装置，该装置中的驱动线圈为半开放式的结构，与封闭式结构相比，本发明可以推进体积大、质量高的物体，且大大减少承载物体受到推进器的电磁干扰；与开放式的双边型推进器相比，本发明漏磁小、能量利用率高、推进效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的半开放式直线电磁推进装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的半开放式直线电磁推进装置的主视图；

图3为本发明实施例1提供的半开放式直线电磁推进装置的等轴侧视图；

图4为本发明实施例2提供的半开放式直线电磁推进装置的结构示意图；

图5为本发明实施例2提供的半开放式直线电磁推进装置的主视图；

图6为本发明实施例2提供的半开放式直线电磁推进装置的等轴侧视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明基于双边直线感应电机，在圆筒式线圈推进器的基础上，构建半封闭式的驱动线圈，在电枢上方设置搭载平台，实现对大型承载物体的推进，且承载物体放置在高于驱动线圈的搭载平台上，不会受到驱动线圈的电磁干扰。

实施例1

图1为本发明实施例1提供的半开放式直线电磁推进装置的结构示意图；图2为本发明实施例1提供的半开放式直线电磁推进装置的主视图；图3为本发明实施例1提供的半开放式直线电磁推进装置的等轴侧视图。参见图1-图3，本实施例的半开放式直线电磁推进装置，包括：驱动线圈1、电枢2和搭载平台3；所述搭载平台3用于放置大型承载物体；所述电枢2为空心圆柱；所述空心圆柱的侧面沿轴向开设开口；所述空心圆柱的开口贯穿所述中空圆柱的上下底面；所述空心圆柱的开口处设置所述搭载平台3；所述驱动线圈1包括多组绕组；各所述绕组均为具有开口的环状结构；所述驱动线圈1套设在所述电枢2的侧面；所述空心圆柱的开口与所述绕组的开口相对应；通过对所述驱动线圈1中的多组所述绕组按设定次序通电，使得所述电枢2处于悬浮状态并沿轴向方向运动，从而带动所述搭载平台3上的待推进物体运动。

本实施例中，所述驱动线圈1是由金属导线绕制而成的多相多匝多饼线圈；在驱动线圈1内放置设置有搭载平台3的电枢2，可以在搭载平台3上放置大型承载物体，且物体不受驱动线圈1的电磁干扰，搭载平台3通过空心圆柱的开口伸出驱动线圈1之外，实现了对大型、功能性物体的高效短程高速推进。

本实施例中，所述电枢2为金属导体，所述电枢2的外圆的半径略小于所述驱动线圈1的半径，置于所述驱动线圈1仓内，但不能与所述驱动线圈1的内壁触碰摩擦。

本实施例中，多组所述绕组串联；多组所述绕组均匀的布设在所述电枢2的侧面，各所述绕组均与相邻的绕组存在交叠区域，如图1、图3所示。当所述驱动线圈1的相数为N相时，所述绕组的个数为N个，一组所述绕组为一相绕组；通过对所述驱动线圈1中的N相绕组按设定时间间隔依次通电，使得所述电枢2处于悬浮状态并沿轴向方向运动，从而带动所述搭载平台3上的待推进物体运动。所述驱动线圈1的驱动方式为异步线圈驱动方式。图1、图3中均仅示出两相两组绕组(第一组绕组和第二组绕组)，若三相驱动，则应含有三组绕组；若六相驱动，则应包含六组绕组。

本实施例中，所述绕组包括第一线圈、第二线圈、第一连接部和第二连接部；所述第一线圈和所述第二线圈均为具有开口的环状线圈；所述第一线圈的开口的一端通过所述第一连接部与所述第二线圈的开口的一端连接；所述第二线圈的开口的另一端通过所述第二连接部与所述第二线圈的开口的另一端连接。其中，第一组绕组包括第一线圈11a、第二线圈12a、第一连接部(图中未示出)和第二连接部(图中未示出)；第二组绕组包括第一线圈11b、第二线圈12b、第一连接部(图中未示出)和第二连接部(图中未示出)。

本实施例中，所述驱动线圈1的相数为三相到六相。各所述绕组上均设置有金属接线柱4(第一组绕组上设置有金属接线柱4a，第二组绕组上设置有金属接线柱4b)；所述金属接线柱4的上板为正极，下板为负极；所述金属接线柱4用于连接脉冲电源。脉冲电源的储能元件是一种大功率脉冲电容器，采用串联或者并联的方式组成电容器组为推进装置供电。以三相推进装置为例，在使用时，每一相线圈都有金属接线柱4，每一相的正极分别与各自的大功率开关相连，再将开关的出线与三相脉冲电源的相应正极相连接；每一相的负极分别与三相脉冲电源的负极相连。在触发推进装置之前，将电枢2放入驱动线圈1内，并在搭载平台3上固定好承载物体。整个推进装置器由控制系统统一管理，触发开始，控制系统按照预先设定的触发时序依次控制ABC三相开关动作，三相驱动线圈1绕组内依次通入脉冲电流，电枢2受到洛伦兹力而加速前进。

作为一种可选的实施方式，所述半开放式直线电磁推进装置，还包括：环氧骨架；所述驱动线圈1绕制在所述环氧骨架上形成驱动线圈骨架；所述驱动线圈骨架套设在所述电枢2的侧面。

作为一种可选的实施方式，所述搭载平台3包括隔热层、电磁屏蔽层、防滑层和固定卡板。所述搭载平台3的最下端是隔热层，该层可将驱动线圈1以及电枢2中的涡流所产生的热量与承载物体隔离；隔热层上方为电磁屏蔽层，该层可屏蔽线圈辐射出的电磁场；这两层可防止高温以及电磁辐射影响承载物体性能；防滑层在电磁屏蔽层上方，该层直接与承载物体接触，在防滑层上方有固定卡板，可将承载物体固定在搭载平台3上。

本实施例中的半开放式直线电磁推进装置，在供电时，图1中的第一线圈11a与第二线圈12a为串联关系，二者在同一时间通入同一电流。在使用时，采用脉冲电源对初级绕组供电，根据承载物体的重量以及预设的出口速度合理设置各相的触发时序，并顺序为各相绕组通入脉冲电流，该电流会在三相绕组中产生磁场，称之为激励磁场；该磁场会在电枢2线圈内感生涡流，继而在电枢2中产生感应磁场。励磁磁场与感应磁场相互作用而产生力矩，由于初级绕组会被固定在推进台上，因此，电枢2会在该力矩的作用下逐渐加速，直至完全离开驱动线圈1。

如图1所示，按照触发时序，在第一线圈11a最先由金属接线柱4a通入脉冲电流，根据第一组绕组的结构可知，第一线圈11a与第二线圈12a中的电流方向相反，电枢2此时会受到第一线圈11a的推力与第二线圈12a的拉力。继而在第二组绕组中通入脉冲电流，此时电枢2尾部运动至第二组绕组处，同样受到第一线圈11b与第二线圈12b的拉力。图1中的省略号处为第三、四、五、六相绕组，推进原理与上述第一、二相原理相同。本实施例中绕组的相数的选择要根据具体情况而定，常用的为三相绕组，一般最多不超过六相。以三相驱动为例，电流相序可表示为：A+、B-、C+、A-、B+、C-。

下面对半开放式直线电磁推进装置的具体实现原理进行介绍。

半开放式直线电磁推进装置中的多相驱动线圈1按照预定的相位差激励，在线圈附近产生一径向磁场。该原理类似于直线感应电动机，该径向磁场沿着驱动线圈1呈类正弦分布，激励电流是一个时间函数，径向磁场沿推进方向以波速度向前推进，因此也称该磁场为行波磁场。

向半开放式直线电磁推进装置的驱动线圈1中通入多相脉冲电流，该电流在驱动线圈1周围产生脉冲磁场。电枢2在该磁场中感应出电流，电枢2中的电流在磁场的作用下会受到电磁力的推动而产生运动。对于实施例中的半封闭式直线电磁推进装置而言，其电磁场遵从麦克斯韦方程：

其中

是磁场强度，

是磁感应强度，

是电场强度，

是电流密度，

是电枢的运动速度。

在各向同性的媒质中，满足以下条件：

其中

是电导率，

是磁导率。

因此电枢在推进方向上的受力为：

其中Ω是电枢的体积。

根据牛顿运动定律可知，在不计空气阻力的情况下，电枢沿推进方向上做加速直线运动的运动方程为：

其中，m是电枢、搭载平台以及承载物体的总质量，z是电枢沿推进方向上的位移。

本实施中的半开放式直线电磁推进装置具有如下优点：

(1)驱动线圈1为半开放式的结构，与封闭式结构相比，本实施例可以推进体积大、质量高的物体，且大大减少承载物体受到推进器的电磁干扰；与开放式的双边型推进器相比，漏磁小，能量利用率高。

(2)采用脉冲电容器作为主要储能元件，可在瞬间为驱动线圈1提供一个脉冲电流，从而产生电磁力实现对承载物体的推进。与电机驱动相比，本实施例不需要变压器，节约成本与空间。

(3)高效、高速、适用性强。

实施例2

图4为本发明实施例2提供的半开放式直线电磁推进装置的结构示意图；图5为本发明实施例2提供的半开放式直线电磁推进装置的主视图；图6为本发明实施例2提供的半开放式直线电磁推进装置的等轴侧视图。参见图4-图6，本实施例的半开放式直线电磁推进装置，包括：驱动线圈1、电枢2和搭载平台3；所述电枢2为空心圆柱；所述空心圆柱的侧面沿轴向开设开口；所述空心圆柱的开口贯穿所述中空圆柱的上下底面；所述空心圆柱的开口处设置所述搭载平台3；所述搭载平台3用于放置大型承载物体；所述驱动线圈1包括多组绕组；各所述绕组均为具有开口的环状结构；所述驱动线圈1套设在所述电枢2的侧面；所述空心圆柱的开口与所述绕组的开口相对应；通过对所述驱动线圈1中的多组所述绕组按设定次序通电，使得所述电枢2处于悬浮状态并沿轴向方向运动，从而带动所述搭载平台3上的待推进物体运动。

本实施例中，所述驱动线圈1是由金属导线绕制而成的多相多匝多饼线圈；在驱动线圈1内放置设置有搭载平台3的电枢2，可以在搭载平台3上放置大型承载物体，且物体不受驱动线圈1的电磁干扰，搭载平台3通过空心圆柱的开口伸出驱动线圈1之外，实现了对大型、功能性物体的高效短程高速推进。

本实施例中，所述电枢2为金属导体，所述电枢2的外圆的半径略小于所述驱动线圈1的半径，置于所述驱动线圈1仓内，但不能与所述驱动线圈1的内壁触碰摩擦。

本实施例中，多组所述绕组并联；多组所述绕组均匀的布设在所述电枢2的侧面，各所述绕组之间存在间距，如图4、图6所示。当所述驱动线圈1的相数为N相时，所述绕组的个数为2N个，第i组绕组与第i+N组绕组构成一相绕组；通过对所述驱动线圈1中的N相绕组按设定时间间隔依次通电，使得所述电枢2处于悬浮状态并沿轴向方向运动，从而带动所述搭载平台3上的待推进物体运动。所述驱动线圈1的驱动方式为异步线圈驱动方式。图4、图6中均仅示出两相四组绕组(第一组绕组、第二组绕组、第三绕组和第四绕组，其中第一组绕组与第三组绕组构成一相绕组，第二组绕组与第四组绕组构成一相绕组)，若三相驱动，则应含有六组绕组；若六相驱动，则应包含十二组绕组。

本实施例中，所述绕组包括第一线圈、第二线圈、第一连接部和第二连接部；所述第一线圈和所述第二线圈均为具有开口的环状线圈；所述第一线圈的开口的一端通过所述第一连接部与所述第二线圈的开口的一端连接；所述第二线圈的开口的另一端通过所述第二连接部与所述第二线圈的开口的另一端连接。其中，第一组绕组包括第一线圈11a、第二线圈12a、第一连接部和第二连接部；第二组绕组包括第一线圈11b、第二线圈12b、第一连接部和第二连接部；第三组绕组包括第一线圈11c、第二线圈12c、第一连接部和第二连接部；第四组绕组包括第一线圈11d、第二线圈12d、第一连接部和第二连接部。

本实施例中，所述驱动线圈1的相数为三相到六相。各所述绕组上均设置有金属接线柱4；所述金属接线柱4用于连接脉冲电源。

作为一种可选的实施方式，所述半开放式直线电磁推进装置，还包括：环氧骨架；所述驱动线圈1绕制在所述环氧骨架上形成驱动线圈骨架；所述驱动线圈骨架套设在所述电枢2的侧面；两者有间隙可相对移动。

作为一种可选的实施方式，所述搭载平台3包括由下到上依次设置的隔热层、电磁屏蔽层、防滑层和固定卡板。

本实施例的半开放式直线电磁推进装置，在供电时，以三相驱动为例，图4中的第一组绕组中的第一线圈11a与第四组绕组中的第一线圈11d在同一时间内，分别通入同一电流的两个分流电流，二者为并联关系。在使用时，采用脉冲电源对初级绕组供电，根据承载物体的重量以及预设的出口速度合理设置各相的触发时序，并顺序为各相绕组通入脉冲电流，该电流会在三相绕组中产生磁场，称之为激励磁场；该磁场会在电枢2线圈内感生涡流，继而在电枢2中产生感应磁场。励磁磁场与感应磁场相互作用而产生力矩，由于初级绕组会被固定在推进台上，因此，电枢2会在该力矩的作用下逐渐加速，直至完全离开驱动线圈1。

如图4所示，以两相驱动为例，图中第一组绕组中的第一线圈11a为第一相正向，第二组绕组中的第一线圈11b为第二相正向，第三组绕组中的第一线圈11c为第一相负向，第四组绕组中的第一线圈11d为第二相负向。在触发瞬间，11a与11c同时通入脉冲电流，间隔一个脉冲时序之后，11b与11d同时通入脉冲电流。驱动原理与图一中的串联式相同。图3中的并联式驱动线圈1按照相邻两线圈通入相反电流的原则进行供电。对于三相驱动的推进器而言，电流相序可表示为：A+、A-、B+、B-、C+、C-、A+、A-、B+、B-、C+、C-。

本实施例中的半开放式直线电磁推进装置，采用大功率脉冲电源按预设的触发时序为多相驱动线圈1供电，励磁磁场在电枢2中激发感应磁场，从而产生电磁力实现对电枢2和承载物体的加速。该装置为半封闭式推进器结构，它融合了两种线圈推进器的优势，既能将磁场敏感性承载物体外置于初级绕组之上，使承载物体不受电磁干扰，又具有较高的推进效率。该装置有效的将承载物体与磁场感应区进行了隔离，可将大体积的承载物体置于搭载平台3上方，使其与电枢2一起运动，从而达到推进的目的，可以满足对大质量承载物体的高速推进要求。

本实施例中的半开放式直线电磁推进装置的具体实现原理与上述实施例1相同，在此不再赘述。

下面提供了两个具体实例。

在实际应用中，采用大功率脉冲电源按预设的触发时序为半开放式直线电磁推进装置中的驱动线圈供电。驱动线圈采用并联式三相绕组形式，驱动线圈的内径130mm，外径138mm，线圈长度267mm。电枢采用圆柱形铝合金材料，壁厚5mm。

具体实例1：

采用上述的驱动线圈参数、电枢结构参数与供电方式，若电枢与承载物体总质量为1.6kg。驱动电源采用脉冲功率电容器放电，单相电容值为2300uf，放电电压为5kV。电磁结构动态仿真计算结果显示：电枢受到电磁力驱动加速向前，电枢最终出口速度为61m/s。

具体实例2：

采用上述的驱动线圈参数、电枢结构参数与供电方式，若电枢与承载物体总质量为100kg。驱动电源采用脉冲功率电容器放电，单相电容值为4500uf，放电电压为13kV。电磁结构动态仿真计算结果显示：电枢受到电磁力驱动加速向前，电枢最终出口速度为60m/s。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种半开放式直线电磁推进装置，其特征在于，包括：驱动线圈、电枢和搭载平台；所述电枢为空心圆柱；所述空心圆柱的侧面沿轴向开设开口；所述空心圆柱的开口贯穿所述中空圆柱的上下底面；所述空心圆柱的开口处设置所述搭载平台；所述驱动线圈包括多组绕组；各所述绕组均为具有开口的环状结构；所述驱动线圈套设在所述电枢的侧面；所述空心圆柱的开口与所述绕组的开口相对应；通过对所述驱动线圈中的多组所述绕组按设定次序通电，使得所述电枢处于悬浮状态并沿轴向方向运动，从而带动所述搭载平台上的待推进物体运动。

2.根据权利要求1所述的一种半开放式直线电磁推进装置，其特征在于，多组所述绕组均匀的布设在所述电枢的侧面，当多组所述绕组串联时，各所述绕组均与相邻的绕组存在交叠区域。

3.根据权利要求1所述的一种半开放式直线电磁推进装置，其特征在于，多组所述绕组均匀的布设在所述电枢的侧面，当多组所述绕组并联时，各所述绕组之间存在间距。

4.根据权利要求1所述的一种半开放式直线电磁推进装置，其特征在于，所述绕组包括第一线圈、第二线圈、第一连接部和第二连接部；所述第一线圈和所述第二线圈均为具有开口的环状线圈；所述第一线圈的开口的一端通过所述第一连接部与所述第二线圈的开口的一端连接；所述第二线圈的开口的另一端通过所述第二连接部与所述第二线圈的开口的另一端连接。

5.根据权利要求1所述的一种半开放式直线电磁推进装置，其特征在于，各所述绕组上均设置有金属接线柱；所述金属接线柱用于连接脉冲电源。

6.根据权利要求1所述的一种半开放式直线电磁推进装置，其特征在于，所述驱动线圈的驱动方式为异步线圈驱动方式。

7.根据权利要求1所述的一种半开放式直线电磁推进装置，其特征在于，当所述驱动线圈的相数为N相，且多组所述绕组串联时，所述绕组的个数为N个，一组所述绕组为一相绕组；当所述驱动线圈的相数为N相，且多组所述绕组并联时，所述绕组的个数为2N个，第i组绕组与第i+N组绕组构成一相绕组；

通过对所述驱动线圈中的N相绕组按设定时间间隔依次通电，使得所述电枢处于悬浮状态并沿轴向方向运动，从而带动所述搭载平台上的待推进物体运动。

8.根据权利要求1所述的一种半开放式直线电磁推进装置，其特征在于，所述驱动线圈的相数为三相到六相。

9.根据权利要求1所述的一种半开放式直线电磁推进装置，其特征在于，还包括：环氧骨架；所述驱动线圈绕制在所述环氧骨架上形成驱动线圈骨架；所述驱动线圈骨架套设在所述电枢的侧面。

10.根据权利要求1所述的一种半开放式直线电磁推进装置，其特征在于，所述搭载平台包括由下到上依次设置的隔热层、电磁屏蔽层、防滑层和固定卡板。

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