CN112161516A - 一种磁阻电磁阻尼与能量回收装置 - Google Patents

一种磁阻电磁阻尼与能量回收装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种磁阻电磁阻尼与能量回收装置，它包括弹丸、依次串联排列着M级阻尼与能量回收模块(1～M)和N级自由阻尼模块(a1～aN)；第j级自由阻尼模块包括一个第j级自由阻尼线圈，第i级阻尼与能量回收模块包括一个第i级阻尼与能量回收复合线圈连接一个第i级阻尼及能量回收控制电路；利用带电流线圈对铁质的弹丸产生减速的磁阻力，利用电磁感应原理吸收线圈电阻上的能量，并通过电容进行存储，实现部分能量回收。本发明借助电磁发射中常用加速过程的逆过程，利用磁阻最小原则，使得带电流的线圈对铁质弹丸产生减速的磁阻力，对铁质弹丸进行减速。同时利用电磁感应原理，吸收容易浪费在线圈电阻上的能量，并通过电容进行存储，实现部分能量回收。

Description

一种磁阻电磁阻尼与能量回收装置
技术领域
本发明属于电磁推进技术领域，涉及一种磁阻电磁阻尼与能量回收装置，用于连续多次磁阻电磁阻尼的减速与能量回收。
背景技术
根据电磁发射的原理，线圈式电磁发射器可以分为磁阻型和感应型。磁阻型电磁发射的优势在于，发射弹丸可以是一整块铁磁材料，不需要特别加工。因此，弹丸更加坚固，适用于需要多次连续发射的场合。而磁阻电磁阻尼，为磁阻电磁发射的逆过程，同样具有弹丸坚固，适用于多次连续使用的场合。
磁阻电磁阻尼的依据是磁阻最小原则。只需要在铁质弹丸与阻尼线圈中点重合时，在阻尼线圈中产生电流，即可获得使铁质弹丸减速的磁阻力。
由于磁阻电磁阻尼需要预先给相应电容充电，且阻尼时，弹丸动能将转化为线圈上的电能，线圈上的电能若不加以控制，将直接浪费在线圈上，以热能的形式耗散在空间中。因此，有必要对线圈上的电能加以控制以重新利用。
发明内容
本发明目的在于针对已有技术的不足，提供一种磁阻电磁阻尼与能量回收装置，在连续多次磁阻电磁阻尼的场合，完成对铁质弹丸的减速，并且对阻尼系统的能量，回收其中一部分，并加以利用。
为达到上述目的，本发明的构思是：
对于具有一定速度的铁质弹丸，为了使其减速，较为理想的方法是将磁阻电磁发射的原理逆运用，使其用作磁阻电磁阻尼，即设置一级或者若干级阻尼线圈，在合适的时间向阻尼线圈注入电流产生磁阻力，用以阻尼。
磁阻电磁阻尼系统可以看做一种特殊的电气传动装置。弹丸所损失的动能，大部分转移到了阻尼系统，表现为线圈上的电流会比仅由电容放电时产生的电流更大。而这一部分能量会全部消耗在线圈电阻上，以热的形式散发出去，造成浪费。
根据上述发明构思，本发明采用如下技术方案：
一种磁阻电磁阻尼与能量回收装置，包括弹丸、依次串联排列着M级阻尼与能量回收模块(1～M)和N级自由阻尼模块(a1～aN)；
所述第j级自由阻尼模块包括一个第j级自由阻尼线圈；
所述第i级阻尼与能量回收模块包括一个第i级阻尼与能量回收复合线圈连接一个第i级阻尼及能量回收控制电路；利用带电流线圈对铁质的弹丸产生减速的磁阻力，利用电磁感应原理吸收线圈电阻上的能量，并通过电容进行存储，实现部分能量回收。
优选地，所述第i级阻尼与能量回收复合线圈包括第i级受控阻尼线圈、第i级能量回收线圈；
所述第i级阻尼及能量回收控制电路包括：
L级放电开关元件、L级储能电容、L级能量回收开关元件、续流二极管；
所述第i级放电开关元件k、第i级续流二极管的阴极与第i级受控阻尼线圈的标记端相连；所述第i级储能电容k的负极和第i级续流二极管的阳极与第i级受控阻尼线圈的未标记端、第i级能量回收线圈的标记端相连；所述第i级能量回收开关元件k的阳极与第i级能量回收线圈的未标记端相连；所述第i级能量回收开关元件k的阴极、第i级放电开关元件k的阳极与第i级储能电容k的正极相连；所述第j级自由阻尼线圈两端通过导线直接相连；
所述电磁阻尼与能量回收方法为：
预先使第i级储能电容k到达减速电压，当被减速物体，即弹丸，运动至和第i级阻尼与能量回收复合线圈中点重合时刻，对第i级放电开关元件k以及除第i级能量回收开关元件k以外的所有第i级能量回收开关元件施加脉冲群，使之导通，则第i级储能电容k对第i级受控阻尼线圈放电，使弹丸减速，第i级能量回收线圈利用电磁感应原理吸收能量并为除第i级储能电容k以外所有第i级储能电容充电，当弹丸靠近第j级自由阻尼线圈时，由于感应电流的存在，弹丸仍被减速，当阻尼过程完成后，能量回收也完成。
优选地，待减速物体，即弹丸为圆柱形，且轴向长度与发射线圈一致，直径小于发射线圈，由铁磁材料制成。
优选地，所述线圈包括所有阻尼与能量回收复合线圈与所有自由阻尼线圈空间上轴心同一直线，按照弹丸发射方向依次排布，且线圈之间间距为零；所述第i级受控阻尼线圈与第i级能量回收线圈绕制方向相同，第i级受控阻尼线圈在内层，由第i级能量回收线圈在外层包裹住，且与第k级自由阻尼线圈在弹丸运动方向上依次设置。
优选地，第i级储能电容k与第i级其他储能电容可以实现功能互换，既可以作为放电电容使用以产生脉冲电流，也可以作为能量回收电容使用以吸收能量。
优选地，第i级能量回收开关元件k、第i级放电开关元件k采用晶闸管。
优选地，M、N为除零外任意自然数，L为大于1的任意自然数，i为不大于M的所有自然数，j为不大于N的所有自然数，k为不大于L的所有自然数。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明借助电磁发射中常用加速过程的逆过程，利用磁阻最小原则，使得带电流的线圈对铁质弹丸产生减速的磁阻力，对铁质弹丸进行减速；
2.本发明利用电磁感应原理，吸收本应浪费在线圈电阻上的能量，并通过电容进行存储，实现部分能量回收。
附图说明
图1为本发明的磁阻电磁阻尼与能量回收系统示意图。
图2为本发明的两级磁阻电磁阻尼与能量回收系统示意图。
图3为本发明的阻尼及能量回收电路。
图4为本发明的两级磁阻电磁阻尼与能量回收系统线圈电流、弹丸速度、能量回收电容电压变化波形图。
图5为改变减速电压后两级磁阻电磁阻尼与能量回收系统线圈电流、弹丸速度、能量回收电容电压变化波形图。
附图标记说明：
弹丸 100
第1级阻尼与能量回收模块 1
第i级阻尼与能量回收模块 i
第M级阻尼与能量回收模块 M
第1级自由阻尼模块 a1
第j级自由阻尼模块 aj
第N级自由阻尼模块 aN
第j级自由阻尼线圈 120
第i级阻尼与能量回收复合线圈 130
第i级阻尼与能量回收复合线圈标记端 1100
第i级阻尼及能量回收控制电路 1000
第i级受控阻尼线圈 110
第i级放电开关元件1 111
第i级放电开关元件k 112
第i级放电开关元件L 113
第i级续流二极管 114
第i级储能电容1 121
第i级储能电容k 122
第i级储能电容L 123
第i级能量回收线圈 140
第i级能量回收开关元件1 141
第i级能量回收开关元件k 142
第i级能量回收开关元件L 143
受控阻尼线圈电流 实心三角标记
能量回收线圈电流 空心尖三角标记
自由阻尼线圈电流 空心钝三角标记
弹丸速度 圆形标记
储能电容2、3电压 方形标记
具体实施方式
下面结合说明书附图和优选实施例对本发明做进一步说明：
实施例一：
参见图1，一种磁阻电磁阻尼与能量回收装置，包括弹丸100、依次串联排列着M级阻尼与能量回收模块(1～M)和N级自由阻尼模块(a1～aN)；
所述第j级自由阻尼模块包括一个第j级自由阻尼线圈120，
所述第i级阻尼与能量回收模块包括一个第i级阻尼与能量回收复合线圈130连接一个第i级阻尼及能量回收控制电路1000；工作原理：利用带电流线圈对铁质的弹丸产生减速的磁阻力，利用电磁感应原理吸收线圈电阻上的能量，并通过电容进行存储，实现部分能量回收。
本实施例采用的是磁阻电磁发射的逆过程，为运动的弹丸减速，并且利用电磁感应原理将阻尼线圈上的能量转移并储存在电容中。当减速弹丸的次数足够多时，储能电容的电压将达到用作磁阻电磁阻尼的标准，可用作下一次的阻尼，从而实现了能量的回收利用。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
在本实施例中，所述第i级阻尼与能量回收复合线圈130包括：第i级受控阻尼线圈110、第i级能量回收线圈140；
所述第i级阻尼及能量回收控制电路1000包括：
L级放电开关元件、L级储能电容、L级能量回收开关元件、续流二极管114；
所述第i级放电开关元件k(112)、第i级续流二极管114的阴极与第i级受控阻尼线圈110的标记端1100相连；所述第i级储能电容k(122)的负极和第i级续流二极管114的阳极与第i级受控阻尼线圈110的未标记端、第i级能量回收线圈140的标记端1100相连；所述第i级能量回收开关元件k(142)的阳极与第i级能量回收线圈140的未标记端相连；所述第i级能量回收开关元件k(142)的阴极、第i级放电开关元件k(112)的阳极与第i级储能电容k(122)的正极相连；所述第j级自由阻尼线圈120两端通过导线直接相连；所述电磁阻尼与能量回收方法为：
预先使第i级储能电容k(122)到达减速电压，当被减速物体，即弹丸100，运动至和第i级阻尼与能量回收复合线圈130中点重合时刻，对第i级放电开关元件k(112)以及除第i级能量回收开关元件k(142)以外的所有第i级能量回收开关元件施加脉冲群，使之导通，则第i级储能电容k(122)对第i级受控阻尼线圈110放电，使弹丸100减速，第i级能量回收线圈140利用电磁感应原理吸收能量并为除第i级储能电容k(122)以外所有第i级储能电容充电，当弹丸100靠近第j级自由阻尼线圈120时，由于感应电流的存在，弹丸100仍被减速，当阻尼过程完成后，能量回收也完成。
在本实施例中，待减速物体，即弹丸100为圆柱形，且轴向长度与发射线圈一致，直径略小于发射线圈，由铁磁材料制成。
在本实施例中，所述线圈，包括所有阻尼与能量回收复合线圈与所有自由阻尼线圈空间上轴心同一直线，按照弹丸100发射方向依次排布，且线圈之间间距为零；所述第i级受控阻尼线圈110与第i级能量回收线圈140绕制方向相同，第i级受控阻尼线圈110在内层，由第i级能量回收线圈140在外层包裹住，且与第k级自由阻尼线圈120在弹丸运动方向上依次设置。
在本实施例中，第i级储能电容k(122)与第i级其他储能电容可以实现功能互换，既可以作为放电电容使用以产生脉冲电流，也能作为能量回收电容使用以吸收能量。
在本实施例中，第i级能量回收开关元件k(142)、第i级放电开关元件k(112)可以是晶闸管。M、N为除零外任意自然数，L为大于1的任意自然数，i为不大于M的所有自然数，j为不大于N的所有自然数，k为不大于L的所有自然数。
本实施例借助电磁发射中常用加速过程的逆过程，利用磁阻最小原则，使得带电流的线圈对铁质弹丸产生减速的磁阻力，对铁质弹丸进行减速；本实施例利用电磁感应原理，吸收本应浪费在线圈电阻上的能量，并通过电容进行存储，实现部分能量回收。
实施例三：
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处如下：
在本实施例中，如图2所示为两级磁阻电磁阻尼与能量回收系统示意图。受控阻尼线圈110与能量回收线圈140绕制方向相同，受控阻尼线圈110在内层，由能量回收线圈140在外层包裹住。阻尼与能量回收复合线圈130通过阻尼及能量回收电路1000控制。自由阻尼线圈120相对于受控阻尼线圈110，沿轴向方向排列。自由阻尼线圈120的两端通过导线直接相连。
在本实施例中，如图3所示为阻尼及能量回收电路。令M＝N＝1，L＝3，受控阻尼线圈110、能量回收线圈140分别用两个电感表示。同名端如图3所示。储能电容既可以作为放电电容使用以产生脉冲电流，也可以作为能量回收电容使用以吸收能量。三个储能电容121、122、123分别使用对应的放电开关元件111、112、113以及能量回收开关元件141、142、143控制，以完成放电或者能量回收的任务。续流二极管114用作受控阻尼线圈110的续流，防止受控阻尼线圈110通过储能电容续流，造成储能电容反向充电。
在本实施例中，由于阻尼与能量回收复合线圈、自由阻尼线圈都只有1级，以下描述将省略第1级。进行阻尼前需要先对单个电容进行充电至减速电压。假设储能电容1(121)预先充好电，储能电容2、3(122、123)电压为零。在铁质弹丸的中点刚刚运动经过受控阻尼线圈110中点时刻，分别使用脉冲群触发放电开关元件1(111)、能量回收开关元件2、3(142、143)导通，使得储能电容1(121)能够对受控阻尼线圈110放电、储能电容2、3(122、123)与能量回收线圈140构成导通回路用以储存能量。随着铁质弹丸的运动，受控阻尼线圈110与自由阻尼线圈120依次对弹丸进行减速，能量回收线圈140则会由于电磁感应产生电流，感生电流随即被储能电容2、3(122、123)吸收。
本实施例磁阻电磁阻尼与能量回收装置，在连续多次磁阻电磁阻尼的场合，完成对铁质弹丸的减速，并且对阻尼系统的能量，回收其中一部分，并加以利用。
实施例四：
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处如下：
在本实施例中，建立如图2、3所示的两级磁阻电磁阻尼与能量回收系统。具体参数描述如下：
弹丸：半径18mm，轴向长度60mm，质量0.485kg，初速度20m/s，材料为10号钢。
受控阻尼线圈：内半径19.5mm，外半径25.5mm，轴向长度60mm，匝数135，材料为铜。
自由阻尼线圈：内半径19.5mm，外半径25.5mm，轴向长度60mm，匝数160，材料为铜，与受控阻尼线圈间隔为0mm。
能量回收线圈：内半径25.5mm，外半径31.5mm，轴向长度60mm，匝数480，材料为铜。
储能电容1：容值3.3mF，初始电压350V。
储能电容2：容值3.3mF，初始电压0V。
储能电容3：容值3.3mF，初始电压0V。
在本实施例中，两级磁阻电磁阻尼与能量回收系统，受控阻尼线圈电流、自由阻尼线圈电流、能量回收线圈电流、弹丸运动速度以及储能电容2、3电压如图4所示。其中实心三角标记为受控阻尼线圈电流，空心尖三角标记为能量回收线圈电流，空心钝三角标记为自由阻尼线圈电流，圆形标记为弹丸速度，方形标记为储能电容2、3电压。由m1处标记可知，储能电容2、3所储存电压为141.1V。由m2处标记可知，弹丸由20m/s的初速度，最终减速至0.35m/s。
在本实施例中，由于141.1V未到减速电压的标准(350V)，考虑到本发明应用于多次连续电磁阻尼场合，可保留141.1V的电压进行下一次的阻尼与能量回收，直至接近350V的减速电压标准。多次磁阻电磁阻尼与能量回收结果如表1-3所示，其中表2和表3作为表1的附表。由表1-3可知，当能量回收次数达到56次时，储能电容2、3电压可达减速电压标准。
表1.多次磁阻电磁阻尼与能量回收结果(一)
Figure BDA0002677158810000071
表2.多次磁阻电磁阻尼与能量回收结果(二)
Figure BDA0002677158810000072
表3.多次磁阻电磁阻尼与能量回收结果(三)
Figure BDA0002677158810000073
由于要充到350V所需次数太多，可降低减速电压标准。当能量回收电容电压达到300V左右，即表1-3所示，15次时的299.3V，用于磁阻电磁阻尼。此时受控阻尼线圈电流、自由阻尼线圈电流、能量回收线圈电流、弹丸运动速度以及储能电容2、3电压如图5所示，且图5波形标记与图4相同。
由图5可知，当减速电压选择为299.3V时，弹丸可被减速至6.16m/s，能量回收电容可充电至128.5V。此时，可增加机械缓冲装置，使弹丸完全停下。
本实施例利用电磁感应原理，将磁阻电磁阻尼过程中的能量进行回收，并可重新用于磁阻电磁阻尼，提高了系统的能量利用效率，为连续磁阻电磁阻尼领域的应用提供了参考。
综上所述，上述实施例磁阻电磁阻尼与能量回收装置，包括弹丸(100)、依次串联排列着M级阻尼与能量回收模块(1～M)和N级自由阻尼模块(a1～aN)；所述第j级自由阻尼模块包括一个第j级自由阻尼线圈(120)，所述第i级阻尼与能量回收模块包括一个第i级阻尼与能量回收复合线圈(130)连接一个第i级阻尼及能量回收控制电路(1000)；利用带电流线圈对铁质的弹丸产生减速的磁阻力，利用电磁感应原理吸收线圈电阻上的能量，并通过电容进行存储，实现部分能量回收。上述实施例借助电磁发射中常用加速过程的逆过程，利用磁阻最小原则，使得带电流的线圈对铁质弹丸产生减速的磁阻力，对铁质弹丸进行减速。同时，利用电磁感应原理，吸收本应浪费在线圈电阻上的能量，并通过电容进行存储，实现部分能量回收。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种磁阻电磁阻尼与能量回收装置，包括弹丸(100)、依次串联排列着M级阻尼与能量回收模块(1～M)和N级自由阻尼模块(a1～aN)；其特征在于：
所述第j级自由阻尼模块包括一个第j级自由阻尼线圈(120)；
所述第i级阻尼与能量回收模块包括一个第i级阻尼与能量回收复合线圈(130)连接一个第i级阻尼及能量回收控制电路(1000)；利用带电流线圈对铁质的弹丸产生减速的磁阻力，利用电磁感应原理吸收线圈电阻上的能量，并通过电容进行存储，实现部分能量回收。
2.根据权利要求1所述磁阻电磁阻尼与能量回收装置，其特征在于：所述第i级阻尼与能量回收复合线圈(130)包括第i级受控阻尼线圈(110)、第i级能量回收线圈(140)；
所述第i级阻尼及能量回收控制电路(1000)包括：
L级放电开关元件、L级储能电容、L级能量回收开关元件、续流二极管(114)；
所述第i级放电开关元件k(112)、第i级续流二极管(114)的阴极与第i级受控阻尼线圈(110)的标记端(1100)相连；所述第i级储能电容k(122)的负极和第i级续流二极管(114)的阳极与第i级受控阻尼线圈(110)的未标记端、第i级能量回收线圈(140)的标记端(1100)相连；所述第i级能量回收开关元件k(142)的阳极与第i级能量回收线圈(140)的未标记端相连；所述第i级能量回收开关元件k(142)的阴极、第i级放电开关元件k(112)的阳极与第i级储能电容k(122)的正极相连；所述第j级自由阻尼线圈两端通过导线直接相连；
所述电磁阻尼与能量回收方法为：
预先使第i级储能电容k(122)到达减速电压，当被减速物体，即弹丸(100)，运动至和第i级阻尼与能量回收复合线圈(130)中点重合时刻，对第i级放电开关元件k(112)以及除第i级能量回收开关元件k(142)以外的所有第i级能量回收开关元件施加脉冲群，使之导通，则第i级储能电容k(122)对第i级受控阻尼线圈(110)放电，使弹丸(100)减速，第i级能量回收线圈(140)利用电磁感应原理吸收能量并为除第i级储能电容k(122)以外所有第i级储能电容充电，当弹丸(100)靠近第j级自由阻尼线圈(120)时，由于感应电流的存在，弹丸(100)仍被减速，当阻尼过程完成后，能量回收也完成。
3.根据权利要求1所述磁阻电磁阻尼与能量回收装置，其特征在于：待减速物体，即弹丸(100)为圆柱形，且轴向长度与发射线圈一致，直径小于发射线圈，由铁磁材料制成。
4.根据权利要求1所述磁阻电磁阻尼与能量回收装置，其特征在于：所述线圈包括所有阻尼与能量回收复合线圈与所有自由阻尼线圈空间上轴心同一直线，按照弹丸(100)发射方向依次排布，且线圈之间间距为零；所述第i级受控阻尼线圈(110)与第i级能量回收线圈(140)绕制方向相同，第i级受控阻尼线圈(110)在内层，由第i级能量回收线圈(140)在外层包裹住，且与第k级自由阻尼线圈(120)在弹丸运动方向上依次设置。
5.根据权利要求1所述磁阻电磁阻尼与能量回收装置，其特征在于：第i级储能电容k(122)与第i级其他储能电容可以实现功能互换，既可以作为放电电容使用以产生脉冲电流，也可作为能量回收电容使用以吸收能量。
6.根据权利要求1所述磁阻电磁阻尼与能量回收装置，其特征在于：第i级能量回收开关元件k(142)、第i级放电开关元件k(112)采用晶闸管。
7.根据权利要求1所述磁阻电磁阻尼与能量回收装置，其特征在于：M、N为除零外任意自然数，L为大于1的任意自然数，i为不大于M的所有自然数，j为不大于N的所有自然数，k为不大于L的所有自然数。
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