CN114362470A - 一种超长行程的电磁力装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种超长行程的电磁力装置，该装置采用嵌套电感结构，所述结构由多个电感互相重叠嵌套而成，所述结构的发射端处，各级电感逐渐向外突出；所述电感由线圈螺线式绕制而成，电感的形状可以是空心圆柱形也可以是一端大一端小的圆锥形；所述装置的主电路由多个脉冲放电电路并联而成，各个脉冲放电电路结构相似；所述主电路通过控制多个脉冲放电电路，使电感依次通电，产生持续的磁场；所述装置的次级线圈与该磁场相互作用，产生持续的、长时间的脉冲电磁推力，推动次级线圈及负载在超长的行程内高加速度地移动。本发明嵌套的电感数量理论上可以不受限制，可以用在冲击动力测试、高压断路器推力机构、电磁炮等场合。

Description

一种超长行程的电磁力装置

技术领域

本发明涉及动力加载、电磁驱动领域，尤其涉及一种超长行程的电磁力装置。

背景技术

随着我国科技的飞速进步，科研、生产中对实验的动力加载装置的要求也大幅提升。对于动力加载，目前研究较多的是电磁驱动，电磁驱动具有全电能运行，推力大、推力平稳、效率高、速度及加速度可控等优点。采用电磁驱动可以实现推力的稳定控制，进而保持物体加速度的稳定。同时，电磁驱动系统环境适应性强，可在海拔5000米、低温至零下20度的环境中正常工作，设备的存储温度可以达到零下45度，具有广泛的应用前景。

目前，关于电磁驱动的装置多种多样，但大多数采用直流感应电机作为电磁能量转换的执行机构，将直流电能转换成机械能，推动负载直线运动。该方法技术较为成熟，推力大、推力平稳，但电机驱动的特殊性导致了装置结构的固定，在一些单个电机产生推力无法达到实验要求，必须采用多个电机共同作用的情况下，需要改变电磁驱动装置的结构，重新配套各类配件，步骤复杂。

同时，现有的电磁推力装置产生的推力作用间隙短，无法应用在例如冲击试验、电磁炮等需要长行程稳定电磁力的场合。例如在模拟火箭发射实验中，现有的电磁驱动装置提供的推力低于传统的气压推动或液压推动装置，且装置产生的电磁推力随位移的增加而急速下降。在短间隙的加速下，发射杆的速度无法达到一些创新型试验要求。

综上所述，在动力加载方面，现有电磁推力装置具有装置结构固定升级困难、行程短导致后期推力不足等缺点。

发明内容

本发明主要的目的在于解决现有电磁型动力加载装置结构固定升级困难、行程短导致后期推力不足的问题。

为此，本发明提出了一种超长行程的电磁力装置。这种电磁推力装置采用了多个并联电感相互嵌套而成的电感结构，本装置主要包括多个脉冲放电电路和一个次级线圈。

所述脉冲放电电路由一组电容器及其充电电路、一组放电开关及其驱动电路、一个电感串联形成一个闭合电路；所述电磁力发生装置的主电路由多个脉冲放电电路并联而成，各个脉冲放电电路结构相似；

所述电感为主动线圈，由线圈螺线式绕制而成，电感外围套有一层绝缘外壳，所述绝缘外壳起到固定电感位置和绝缘的作用；所述电感的形状可根据需要进行调整，可以是空心圆柱形也可以是一端大一端小的圆锥形。

本发明所述的电感结构是指，各个电感相互嵌套，处于同一中心轴线上，且嵌套的各个电感产生的电磁力方向保持一致；在所述结构的发射端，各级电感逐渐向外突出。

所述电感结构中，各个相邻的电感之间保持有一定的间隙，便于绝缘以及磁路通过。

所述次级线圈可以为金属盘，初始位置为第一级电感的发射端，其与电感产生的磁场相互作用产生脉冲电磁力，该力推动次级线圈及负载沿着电感结构的中心轴线向外运动。

本发明放电开关驱动脉冲的时序示意图如附图2所示，本发明的驱动电路控制脉冲放电电路的电感依次通过脉冲电流；最先通电的为第一级电感，间隔一段时间后开始通电的为第二级电感，其他电感的级别以此类推；电感依次通电，产生长行程的磁场，次级线圈在长行程内受到脉冲电磁推力，推动负载产生长行程的移动。

本发明提出的一种超长行程的电磁力装置，具有如下特点：

1、本发明所述装置模块化，易于根据实验情况进行调整。嵌套电感结构中，各个电感相互嵌套，空间利用率更高。本发明中不仅串并联电感数量和电感线圈匝数可根据推力要求进行调整，主动线圈以及次级线圈形状也可根据需要进行调整。主动线圈可以设计为空心圆柱形，也可以设计成圆锥等形状，空心圆柱形的电感有利于装置对电感位置的固定，圆锥形电感有利于批量生产，且采用圆锥形电感的结构理论上可以嵌套数量不受限制的电感，产生行程长度不受限制的稳定电磁推力。次级线圈可以设计为圆盘、圆环等形状，也可以为不规则形状，例如设计成一侧有凹槽的圆盘形次级线圈，其中凹槽用于实现负载位置的固定。

2、本发明所述电磁力发生装置可提供分段式、长时间的电磁推力。本发明系统放电时，系统通过脉冲放电电路开关的闭合来控制的主动线圈产生磁场的时间，通过脉冲放电电路参数的调整来控制的主动线圈产生磁场的大小，使嵌套电感依次产生持续磁场。持续的分段式磁场作用于次级线圈，为其加速。当次级线圈受到上一级电感产生的推力移动至下一级电感发射端时，控制下一级电感所在脉冲放电电路的放电开关闭合，进行放电，产生持续的长磁场，次级线圈将继续受到电磁推力，向前运动。

通过主电路的控制，本发明可获得持续较长时间的磁场，所述次级线圈与磁场相互作用，可以产生分段式、长时间的脉冲电磁推力，推动次级线圈及负载在长行程内高加速度地移动，满足一些场景例如航天器冲击动力实验中对大力度、高加速度的需要。

3、本发明所述电磁力发生装置可提供任意波形的电磁推力。所述装置可以通过设置各个脉冲放电电路的电流波形，使各个电感产生的电磁力波形叠加，合成任意波形的电磁推力，获得满意的复合型电磁力波。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明仅用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是本发明电磁发生装置的示意图；

图2是本发明放电开关驱动脉冲的时序示意图；

图3是本发明实施例1的结构示意图；

图4是本发明实施例1的基座及外壳的示意图；

图5是本发明实施例1中实施步骤的示意图；

图6是本发明实施例2的结构示意图；

附图标记说明：1-基座；2-外壳；3、4、5-主动线圈；6-次级线圈；7-发射管；8-负载；9-交流电源；10-升压变压器；11-整流桥；12、17、22-充电开关；13、18、23-放电开关；14、15、19、20、24、25-电容器组；16、21、26-限流电阻。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本实施例提供一种电磁霍普金森杆实验装置，以下结合附图3、附图4、附图5，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。

实施例1中，有三个长度一致的空心圆柱主动线圈相互嵌套，所述主动线圈轴向侧面与所述外壳的内壁面平行；三个空心圆柱主动线圈中，内围半径较小的主动线圈皆比外围相邻电感向右突出2cm的距离。

图3是根据本发明实施例的示意图，参考图3，所述系统包括：基座1、外壳2、主动线圈3、主动线圈4、主动线圈5、次级线圈6、负载8以及主电路；

基座1的左端垂直于外壳2的内壁，基座1与外壳2保持在同一中心轴上；外壳2密封罩设在基座1上，围成安装腔，以防止安装腔内的主动线圈位置发生偏移。安装腔的示意图如图4所示，此图只是为了更直观地展示安装腔结构，实际上基座1与外壳2相互嵌套，紧密连接。

如图4所示，基座1是由4个共轴圆柱组合而成的结构，所述多个共轴圆柱的半径由大到小排列；所述基座结构的最大半径圆柱处于最左端，且该圆柱半径与外壳2内径相同；所述基座结构中最大半径圆柱与外壳2、相邻圆柱(第二大半径圆柱)之间形成第一线圈槽；第二大半径圆柱与第三大半径圆柱之间形成第二线圈槽；以此类推，得到第三线圈槽；

线圈槽的数量与主电路控制的脉冲放电电路数量相同；

基座1线圈槽处设置有导线通道，便于安装腔内的主动线圈和主电路的连接，未来还可以安装各种转接件与传感器等。

所述基座结构的最小半径的圆柱起到定位作用，其右侧为次级线圈6的出射端；

如图3所示，本实施例中的所述主动线圈为空心圆柱形电感，由铜线螺线式绕制而成，电感外围套有一层绝缘外壳，所述绝缘外壳起到固定电感位置和绝缘的作用；三个主动线圈长度一致，其轴向截面为轴对称的两个矩形，径向截面为圆环形。

主动线圈3为第一级放电线圈，其外围紧贴有绝缘外壳，所述绝缘外壳与外壳2的内壁面留有间隙且保持平行，该间隙可供磁通经过；主动线圈4为第二级放电线圈，其与绝缘外壳占满第二线圈槽，所述绝缘外壳紧贴主动线圈4的外围、主动线圈3的内侧。相较于主动线圈3，主动线圈4向右凸出2cm的距离；主动线圈5为第三级放电线圈，其与绝缘外壳占满第三线圈槽，所述绝缘外壳紧贴电感5的外围、主动线圈4的内侧。相比主动线圈4，主动线圈5向右凸出2cm的距离，其内侧与所述外壳的内壁面齐平。

依次安装在所述安装腔线圈槽中的主动线圈3、主动线圈4、主动线圈5互相重叠嵌套，形成所述嵌套电感结构；

所述次级线圈6为金属圆盘，初始位置紧贴基座1的中心圆柱，处于出射端，由高电导率的铜组成，可以在圆柱嵌套电感结构的内部沿着基座1的中心轴线向右运动。

所述负载8由放大器、压缩头以及霍普金森杆组成，三者均与基座1同轴。

所述实施例的主电路由3个脉冲放电电路并联而成，参考图3，所述脉冲放电电路从左端至右端依次排列，三个脉冲放电电路结构相同，共用交流电源9、升压变压器10以及整流桥11。三个脉冲放电电路皆由一组电容器及其充电电路、一组放电开关及其驱动电路、一个空心圆柱电感串联形成一个闭合电路。

在主动线圈3两端所串连的一级脉冲放电电路中，所述电容器及其充电电路由电容器组14、15、整流桥11、限流电阻16、充电开关12以及升压变压器10组成。所述放电开关及其驱动电路由放电开关13、电容器组14、15组成，该电路两端与主动线圈3串联；主动线圈4两端所连接的二级脉冲放电电路，电路结构与上述一级脉冲放电电路相同，由升压变压器10、整流桥11、充电开关17、放电开关18、电容器组19、20以及限流电阻21组成；主动线圈5两端所连接的三级放电电路，由升压变压器10、整流桥11、充电开关22、放电开关23、容器组24、25以及限流电阻26组成。

具体实施步骤，如图5所示。

电磁推力系统工作时，首先电路通电，3个脉冲放电电路的充电开关闭合、放电开关断开，交流电源9经过升压变压器变压器10变压、二极管整流电路11整流，然后对各个电容器组充电，电容器组将能量储存起来。当充电电压达到设定电压后，可以开始放电。

放电时，首先控制第一级脉冲放电电路的放电开关13闭合，电容器组14、15对连接的主动线圈3瞬间放电，产生上升率可控的脉冲电流，所述电流会在主动线圈3周围产生相应的可控磁场；所述磁场将使次级线圈6内产生感应涡流，所述感应涡流会在次级线圈6周围引起与主动线圈磁场方向相反的磁场，该反方向磁场会使主动线圈3和次级线圈6之间产生大小可控的电磁强推力F，所述强推力将推动次级线圈6及负载8快速移动。同时，所述电磁推力F被所述负载中的放大器放大，表现为压缩应力波。放大后的压缩应力波通过所述压缩头传入所述霍普金森杆中，实现霍普金森杆的应力波加载。

当次级线圈6受到第一级主动线圈3产生的推力，由初始位置移动至第二级主动线圈4右端时，控制第二级主动线圈4的放电开关18闭合，二级主动线圈4通电，产生磁场；此磁场与所述次级线圈6相互作用，推动次级线圈6及霍普金森杆继续移动。

以此类推，即主电路在次级线圈6受到上一级主动线圈产生的推力移动至下一级主动线圈右端时，控制下一级主动线圈所在脉冲放电电路的放电开关闭合，进行放电，产生持续的长磁场，金属盘将继续受到叠加的电磁推力，向前运动。由此，在本实施例中，次级线圈6在长行程内受到三次分段的脉冲电磁推力，推动次级线圈6及霍普金森杆快速地移动，获得现有电磁霍普金森杆冲击加载设备不能达到的冲击要求。

实施例2

本实施例提供了另一种电磁式霍普金森杆实验装置，以下结合附图6，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。

本实施例结构特点是：有三个形状大小一致的圆锥形电感相互嵌套，所述各个主动线圈的处于同一中心轴线上；最左侧的主动线圈小内径端放置有圆盘形状的次级线圈。

具体结构：

图6是实施例2的电磁发生装置的示意图，参考图6，所述系统包括：基座1、外壳2、主动线圈3、主动线圈4、主动线圈5、次级线圈6、负载8以及主电路；

基座1结构为圆柱形，其两侧垂直于外壳2的内壁，基座1、外壳2与主动线圈保持在同一中心轴上；外壳2结构为空心圆柱，罩设在基座1上，且右端与基座1的右端平齐；所述基座与所述外壳均为金属材料，起固定电感位置、防止磁场外泄的作用。

如图6所示，本实施例中，所述电感结构由第一级主动线圈3、第二级主动线圈4、第三级主动线圈5组成，所述主动线圈为圆锥形电感，由铜线螺线式绕制而成，左端内径大，右端内径小，电感内径均匀过渡，电感外围套有一层绝缘外壳，所述绝缘外壳起到绝缘的作用。

各相邻电感之间留有间隙且保持平行，该间隙可供磁通经过；

所述次级线圈6为金属圆盘，与所述电感结构同轴，初始位置为主动线圈3的右端；所述次级线圈6可以在发射管7中沿着中心轴线向右运动。

所述发射管7在所述电感结构的内部，与所述结构保持在同一中心轴线上，起到支撑主动线圈，定位次级线圈、撞杆的作用。

所述负载8由放大器、压缩头以及钛合金材质的霍普金森杆组成，三者均与所述电感结构同轴。

所述实施例的主电路由3个脉冲放电电路并联而成，各个脉冲放电电路结构相同，皆由一组电容器及其充电电路、一组放电开关及其驱动电路、一个电感串联而成，各脉冲放电电路共用交流电源9、升压变压器10以及整流桥11。

在主动线圈3两端所串连的脉冲放电电路中，充电电路由电容器组14、15、整流桥11、限流电阻16、充电开关12以及升压变压器10组成，驱动电路由主动线圈3、放电开关13、电容器组14、15组成；主动线圈4两端所连接的脉冲放电电路，电路结构与上述脉冲放电电路相同，由升压变压器10、整流桥11、充电开关17、放电开关18、电容器组19、20以及限流电阻21组成；主动线圈5两端所连接的脉冲放电电路，由升压变压器10、整流桥11、充电开关22、放电开关23、电容器组24、25以及限流电阻26组成.

具体实施步骤，如下所示：

电磁推力系统工作时，首先电路通电，3个脉冲放电电路的充电开关闭合、放电开关断开，交流电源9经过升压变压器变压器10变压、二极管整流电路11整流，然后对各个电容器组充电，电容器组将能量储存起来。当充电电压达到设定电压后，可以开始放电。

放电时，首先控制第一级脉冲放电电路的放电开关13闭合，电容器组14、15对连接的主动线圈3瞬间放电，所述电流会在主动线圈3周围产生相应的可控磁场；所述磁场将使主动线圈3和次级线圈6之间产生电磁强推力F，所述强推力将推动次级线圈6及负载8快速移动。当金属圆盘受到一级主动线圈3产生的推力，由初始位置移动至第二级主动线圈4右端时，闭合第二级主动线圈4的放电开关18，第二级主动线圈4通电，产生磁场，推动次级线圈6及霍普金森杆继续移动。

以此类推，即主电路在次级线圈6受到上一级主动线圈产生的推力移动至下一级主动线圈右端时，控制下一级主动线圈所在脉冲放电电路的放电开关闭合，放电产生持续的磁场，次级线圈6将继续受到电磁推力，向前运动。

本实施例中电感形状大小一致，易于批量生产；电感结构不受装置半径大小限制，理论上可以嵌套电感的数量不受限制。本发明中串并联电感数量、电感线圈匝数可根据推力要求进行调整，次级线圈形状也可根据需要进行调整。

Claims (7)

1.本发明提出了一种超长行程的电磁力装置，其特征在于，包括多个脉冲放电电路和一个次级线圈；

所述脉冲放电电路由一组电容器及其充电电路、一组放电开关及其驱动电路、一个电感串联形成一个闭合电路；

所述次级线圈与电感产生的磁场相互作用，产生脉冲电磁力，推动次级线圈发生运动。

2.根据权利1所述的一种超长行程的电磁力装置，其特征是，该装置采用嵌套电感结构，所述结构由多个电感互相重叠嵌套而成，各个电感处于同一中心轴线上；在所述结构的发射端，各级电感逐渐向外突出；所述电感由线圈螺线式绕制而成，电感外围套有一层绝缘外壳，所述绝缘外壳起到固定电感位置和绝缘的作用；所述电感的形状可根据需要进行调整，可以是空心圆柱形也可以是一端大一端小的圆锥形。

3.根据权利1所述的一种超长行程的电磁力装置，其特征是，所述次级线圈初始位置为第一级电感的发射端；在脉冲电磁力的作用下，次级线圈和负载沿着所述电感结构的中心轴线向外运动。

4.根据权利1所述的一种超长行程的电磁力装置，其特征是，所述脉冲放电电路包括的一组电容器及其充电电路，是指充电电路输出端连接电容器组，给电容器组储能；所述脉冲放电电路包括的一组放电开关及其驱动电路，是指所述开关管一端连接电容器，一端连接电感，所述脉冲电路里的驱动电路控制接通或者断开电容与电感的连接。

5.根据权利1所述的一种超长行程的电磁力装置，其放电开关驱动脉冲的特征是，所述装置的驱动电路控制多个脉冲放电电路的电感依次通过脉冲电流，最先通电的为第一级电感，其次通电的为第二级电感，其他电感的级别以此类推；在次级线圈受到上一级电感产生的推力移动至下一级电感的发射端时，控制下一级脉冲放电电路的放电开关闭合，进行放电，产生持续的长磁场，次级线圈将继续受到电磁推力，推动负载产生长行程的移动。

6.根据权利1所述的一种基于圆柱嵌套电感的增程式电磁力装置，其特征是，可以通过设置各个脉冲放电电路的电流波形，使各个电感产生的电磁力波形叠加，合成任意波形的电磁推力。

7.根据权利1所述的一种超长行程的电磁力装置，其特征是，所述电感结构由电感互相嵌套而成，该嵌套结构空间利用率更高，理论上嵌套电感的数量可以不受限制，产生行程长度不受限制的稳定电磁推力；本发明所述电感也易于批量生产以及实验安装。

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