CN112865471B - 一种电磁能-动能转化的教学仪器 - Google Patents

一种电磁能-动能转化的教学仪器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电磁能‑动能转化的教学仪器，属于教学仪器领域，所述教学仪器包括：充电电源，用于仪器的电能输入；脉冲电源，与充电电源连接，用于在所述电能输入的条件下产生预设强度的脉冲电流；驱动线圈，与脉冲电源连接，用于承载所述脉冲电流并在所述脉冲电流的作用下产生电磁场；弹丸模块，与驱动线圈连接，用于在所述电磁场驱动下将电磁能转化为动能发射弹丸主体并回收弹丸主体；测控模块，与脉冲电源、驱动线圈和弹丸模块连接，用于控制脉冲电源触发导通并测量记录驱动线圈承载的脉冲电流的波形，且记录弹丸模块中发射弹丸主体的运动轨迹。本发明能够适应多种实践课程教学的需求，提升实验效率。

Description

一种电磁能-动能转化的教学仪器
技术领域
本发明属于教学仪器领域，更具体地，涉及一种电磁能-动能转化的教学仪器。
背景技术
“电磁能-动能转化机制探究”教学仪器以电磁能新概念武器研发的前沿科学为兴趣牵引，涵盖了低压电-高压电电能变换、高电压大电流高功率脉冲的产生、电-磁-机械-热多物理场耦合分析、驱动线圈电磁能-动能转化、高电压大电流测试技术等主题，实现了高电压与绝缘、电力电子、电气测试、自动控制等多个学科的交叉融合。
现有的电磁能-电能转化的教学仪器涉及的理论仿真、测试手段与实践方式是分离的，同时无法适应多种实践课程教学的需求，导致教学实验效率较低、实验方式单一，影响教学和实验积极性。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电磁能-动能转化的教学仪器，其目的在于将理论仿真、测试手段与实践方式进行结合，能够适应多种实践课程教学的需求，可以充分调动学生的实验积极性，由此解决现有教学仪器无法适应多种实践课程教学的需求，教学实验效率较低、实验方式单一的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，如图1所示，提供了一种电磁能-动能转化的教学仪器，包括：
充电电源1，用于仪器的电能输入；
脉冲电源2，与充电电源1连接，用于在所述电能输入的条件下产生预设强度的脉冲电流；
驱动线圈3，与脉冲电源2连接，用于承载所述脉冲电流并在所述脉冲电流的作用下产生电磁场；
弹丸模块4，与驱动线圈3连接，用于在所述电磁场驱动下将电磁能转化为动能发射弹丸主体并回收弹丸主体；
测控模块5，与脉冲电源2、驱动线圈3和弹丸模块4连接，用于控制脉冲电源2触发导通并测量记录驱动线圈3承载的脉冲电流的波形，且记录弹丸模块4中发射弹丸主体的运动轨迹。
在其中一个实施例中，充电电源1包括：调压器、高压试验变压器、高压硅堆、充电电阻、泄能电阻和接地棒，调压器控制高压试验变压器输出交流高压，经高压硅堆整流，再经过充电电阻后对脉冲电源2中的脉冲电容器充电；泄能电阻一端接地一端接接地棒，紧急情况下，通过接地棒接触脉冲电源2中的脉冲电容器的高压端，进行能量的安全泄放。
在其中一个实施例中，脉冲电源2包括：多个脉冲电容器201，用于生产脉冲电流；脉冲晶闸管202，与多个脉冲电容器201连接，用于导通时传输所述脉冲电流；脉冲二极管203，与多个脉冲电容器201并联，用于当脉冲晶闸管202脉冲晶闸管关断时进行导通续流；脉冲电流传感器204，与多个脉冲电容器201连接，用于测量所述脉冲电流的幅值；其中，所述驱动线圈3分别与脉冲晶闸管202和脉冲电流传感器204连接。
在其中一个实施例中，多个脉冲电容器201采用统一接口、依次层叠排布并通过连接铜排205进行串联或并联连接，以搭建不同电容量的电容器组，实现一定储能下工作电压与电容量的匹配。
在其中一个实施例中，驱动线圈3，采用漆包线外裹热缩套管制作，采用单层线圈或多层线圈形式，同时支持单线绕制或者多股线绕制。
在其中一个实施例中，弹丸模块4，包括：
弹丸主体401，采用空心圆环形结构，外直径与质量相同，壁厚与长度由其材质决定，用于在所述电磁场下感应出感应电流并获得驱动力进行发射，以将电磁能转化为动能；
弹丸回收单元402，与弹丸主体401连接，作为弹丸主体401的运动轨道并将其回收。
在其中一个实施例中，测控模块5包括：
光电隔离触发单元501，与脉冲电源2连接，用于通过间接光触发方式控制脉冲电源2中的脉冲晶闸管导通。
脉冲电流记录单元502，与驱动线圈3连接，用于记录脉冲电流的波形数据；
高速相机测速单元503，与弹丸模块4连接，用于记录弹丸本体的运动轨迹并计算弹丸本体的运动速度；
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：本发明提供的电磁能-动能转化的教学仪器，将理论仿真、测试手段与实践方式进行结合，实现驱动线圈电磁能-动能转化。能够适应多种实践课程教学的需求，提升实验效率，进而充分调动学生的实验积极性。
附图说明
图1为本发明一实施例中电磁能-动能转化的教学仪器的结构示意图；
图2为本发明一实施例中电磁能-动能转化的教学仪器的电路原理图；
图3为本发明一实施例中脉冲电源的结构示意图；
图4为本发明一实施例中单个电容器及铜排连接电容器的示意图；
图5为本发明一实施例中测控模块的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种电磁能-动能转化的教学仪器，包括：充电电源1、脉冲电源2、驱动线圈3、弹丸模块4和测控模块5。其中，充电电源1，用于仪器的电能输入；脉冲电源2，与充电电源1连接，用于在电能输入的条件下产生预设强度的脉冲电流；驱动线圈3，与脉冲电源2连接，用于承载脉冲电流并在脉冲电流的作用下产生电磁场；弹丸模块4，与驱动线圈3连接，用于在电磁场驱动下将电磁能转化为动能发射弹丸主体并回收弹丸主体；测控模块5，与脉冲电源2、驱动线圈3和弹丸模块4连接，用于控制脉冲电源2触发导通并测量记录驱动线圈3承载的脉冲电流的波形，且记录弹丸模块4中发射弹丸主体的运动轨迹，以计算弹丸本体的运动速度。
在其中一个实施例中，充电电源1包括：调压器、高压试验变压器、高压硅堆、充电电阻、泄能电阻和接地棒。其中，调压器控制高压试验变压器输出交流高压，经高压硅堆整流，再经过充电电阻后对脉冲电源2中的脉冲电容器进行充电；泄能电阻一端接地一端接接地棒，紧急情况下，通过接地棒接触脉冲电源2中脉冲电容器的高压端，进行能量的安全泄放。
具体的，充电电源1包括：调压器、高压试验变压器、高压硅堆、充电电阻、泄能电阻、接地棒。调压器能够能从零平滑均匀地调整电压，并与试验变压器的原边电压、容量相配合；高压试验变压器的选型需要满足工作电压、工作电流两方面的技术要求；高压硅堆的选型要满足额定整流电流和额定反峰电压值的要求；充电电阻是根据充电时间的限制来选取的，若采用水电阻，还应考虑水的温升和有机玻璃管沿面闪络的问题；泄能电阻一端接地，一端接接地棒。充电电源1的结构设计大致要满足如下条件：绝缘性能好、回路尽可能短、电感尽可能小。例如，选取小容量自耦调压器，额定电压为50kV、额定容量为25kVA的试验变压器，额定整流电流为100mA、额定反峰电压值为100kV的高压硅堆，充电电阻的阻值为167kΩ。另外，电磁能-动能转化的教学仪器的电路原理如图2所示。充电电源1、脉冲电源2、驱动线圈3、弹丸模块4依次相连。其中，充电电源1给脉冲电源2供电；脉冲电源2触发产生预设强度的脉冲电流；驱动线圈3承载脉冲电流并在脉冲电流的作用下产生电磁场；弹丸模块4在电磁场驱动下将电磁能转化为动能发射弹丸主体并回收弹丸主体。
在其中一个实施例中，如图3所示，脉冲电源2包括：多个脉冲电容器201、脉冲晶闸管202、脉冲二极管203、脉冲电流传感器204和连接铜排205。其中，多个脉冲电容器201，用于生产脉冲电流；脉冲晶闸管202，与多个脉冲电容器201连接，用于导通时传输脉冲电流；脉冲二极管203，与多个脉冲电容器201并联，用于当脉冲晶闸管202脉冲晶闸管关断时进行导通续流；脉冲电流传感器204，与多个脉冲电容器201连接，用于测量脉冲电流的幅值；其中，驱动线圈3分别与脉冲晶闸管202和脉冲电流传感器204连接。
具体的，脉冲电源2包括：脉冲电容器201、脉冲晶闸管202、脉冲二极管203、脉冲电流传感器204、连接铜排205。多个脉冲电容器201采用相同接口与固定方式的单体，通过串联可以提高工作电压，通过并联提高电容量，以此达到需要工作电压与电容量的电容器组。脉冲电容器201采用统一的接口，可采用连接铜排205将多个脉冲电容器201进行连接，以搭建不同电容量的电容器组，实现一定储能下工作电压与电容量的匹配。例如选取20个标称电容为50μF的脉冲电容器，按照每组四台电容器进行并联，使用连接铜排205构建。
在其中一个实施例中，多个脉冲电容器201采用统一接口、依次层叠排布并通过连接铜排205进行串联或并联连接，以搭建不同电容量的电容器组，实现一定储能下工作电压与电容量的匹配。
具体的，多个脉冲电容器201组成的电容器组为具有统一接口和相同固定方式的单体，通过串联可以提高工作电压，通过并联提高电容量，以此达到需要工作电压与电容量的电容器组，如图4所示，可采用连接铜排205连接多个脉冲电容器201搭建不同电容量的电容器组。
在其中一个实施例中，驱动线圈3，采用漆包线外裹热缩套管制作，采用单层线圈或多层线圈形式，同时支持单线绕制或者多股线绕制。
具体地，驱动线圈3采用漆包线外裹热缩套管制作，可采用单层线圈、多层线圈形式，支持单线绕制或者多股线绕制。要求驱动线圈3绕制紧密、耦合紧密，形成较强的脉冲磁场；要求驱动线圈3能够承受较高的电压和较大的冲击电流，在有效加速时间内使电枢得到更高的初速；要求驱动线圈3能够承受较高的温度，防止绝缘在温升的情况下老化破坏。脉冲大电流流经驱动线圈，产生脉冲强磁场，磁场在电枢线圈中感应出电流，电枢线圈由于受到安培力的作用而高速飞出，驱动线圈3主要起到“激励源”的作用。例如选取线径2mm的漆包线，外裹直径2mm热缩套管，密绕在内径31mm，外径52mm，长度78mm的骨架上，线圈匝数为45匝，层数为3。
在其中一个实施例中，弹丸模块4包括：弹丸主体401和弹丸回收单元402。其中，弹丸主体401，采用空心圆环形结构，外直径与质量相同，壁厚与长度由其材质决定；弹丸回收单元402，与弹丸主体401连接，用于在电磁场驱动下感应出感应电流并产生驱动力控制弹丸主体401发射和回收，以将电磁能转化为动能。
具体地，弹丸模块4包括：弹丸主体401和弹丸回收单元402，弹丸主体401采用空心圆环形结构，材质包含铝、铜、黄铜等，其外直径与质量相同，壁厚与长度由其材质决定。例如选取弹丸为圆筒状铝制，长度15mm，内径19mm，外径27mm，质量为13g。
在其中一个实施例中，测控模块5包括：光电隔离触发单元501、脉冲电流记录单元502和高速相机测速单元503。其中，光电隔离触发单元501，与脉冲电源2连接，用于通过间接光触发方式控制脉冲电源2中的脉冲晶闸管导通；脉冲电流记录单元502，与驱动线圈3连接，用于记录脉冲电流的波形数据；高速相机测速单元503，与弹丸模块4连接，用于记录弹丸本体的运动轨迹并计算弹丸本体的运动速度。
具体地，如图5所示，测控模块5包括：光电隔离触发单元501、脉冲电流记录单元502和高速相机测速单元503。控制与测量部分通过分压器和万用表监测充电电压，通过间接光触发方式控制晶闸管导通，通过PCB罗氏线圈和示波器测量放电回路电流，通过高速相机测速单元503中的高速摄像机和计算机测量弹丸的运动参数。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电磁能-动能转化的教学仪器，其特征在于，应用于高电压教学，包括：
充电电源（1），用于仪器的电能输入；
脉冲电源（2），与充电电源（1）连接，用于在所述电能输入的条件下产生预设强度的脉冲电流；
驱动线圈（3），与脉冲电源（2）连接，用于承载所述脉冲电流并在所述脉冲电流的作用下产生电磁场；
弹丸模块（4），与驱动线圈（3）连接，用于在所述电磁场驱动下将电磁能转化为动能发射弹丸主体并回收弹丸主体；
测控模块（5），与脉冲电源（2）、驱动线圈（3）和弹丸模块（4）连接，用于控制脉冲电源（2）触发导通并测量记录驱动线圈（3）承载的脉冲电流的波形，且记录弹丸模块（4）中发射弹丸主体的运动轨迹；
测控模块（5）包括：
光电隔离触发单元（501），与脉冲电源（2）连接，用于通过间接光触发方式控制脉冲电源（2）中的脉冲晶闸管导通；
脉冲电流记录单元（502），与驱动线圈（3）连接，用于记录脉冲电流的波形数据；
高速相机测速单元（503），与弹丸模块（4）连接，用于记录弹丸本体的运动轨迹并计算弹丸本体的运动速度。
2.如权利要求1所述的电磁能-动能转化的教学仪器，其特征在于，充电电源（1）包括：调压器、高压试验变压器、高压硅堆、充电电阻、泄能电阻和接地棒，调压器控制高压试验变压器输出交流高压，经高压硅堆整流，再经过充电电阻后对脉冲电源（2）中的脉冲电容器充电；
泄能电阻一端接地一端接接地棒，紧急情况下，通过接地棒接触脉冲电源（2）中的脉冲电容器的高压端，进行能量的安全泄放。
3.如权利要求1所述的电磁能-动能转化的教学仪器，其特征在于，脉冲电源（2）包括：
多个脉冲电容器（201），用于存储电能，为脉冲电流的产生提供能量；
脉冲晶闸管（202），与多个脉冲电容器（201）串联，用于控制所述脉冲电流的导通；
脉冲二极管（203），与多个脉冲电容器（201）和脉冲晶闸管（202）并联，用于当脉冲晶闸管（202）关断时进行导通续流；
脉冲电流传感器（204），与多个脉冲电容器（201）串联，用于测量所述脉冲电流的幅值与幅值；
其中，所述驱动线圈（3）串联连接在脉冲晶闸管（202）和脉冲电流传感器（204）之间。
4.如权利要求3所述的电磁能-动能转化的教学仪器，其特征在于，多个脉冲电容器（201）采用统一接口、依次层叠排布并通过连接铜排（205）进行串联或并联连接，以搭建不同电容量的电容器组，实现一定储能下工作电压与电容量的匹配。
5.如权利要求1所述的电磁能-动能转化的教学仪器，其特征在于，驱动线圈（3），采用漆包线外裹热缩套管制作，采用单层线圈或多层线圈形式，同时支持单线绕制或者多股线绕制，用于感生出电磁场作为弹丸模块（4）的驱动。
6.如权利要求1所述的电磁能-动能转化的教学仪器，其特征在于，弹丸模块（4），包括：
弹丸主体（401），采用空心圆环形结构，不同材质的弹丸主体对应的外直径与质量均相同，壁厚与长度由其材质决定，用于在所述电磁场下感应出感应电流并获得驱动力进行发射，以将电磁能转化为动能；
弹丸回收单元（402），与弹丸主体（401）连接，作为弹丸主体（401）的运动轨道并将其回收。
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