CN114678963A - 一种利用内部电流感应驱动的电推进装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用内部电流感应驱动的电推进装置，其包括卷绕的两层导电薄膜及间隔的绝缘薄膜、金属筒次级、导向筒以及外电路等：金属筒次级位于导向筒内部，在导向筒外卷绕两层导电薄膜，导电薄膜间有绝缘薄膜，导电薄膜和绝缘薄膜相间连续地包绕导向筒多层，外电路在两层导电薄膜的两端施加高电压，然后外电路将两层导电薄膜通过两端短接，导向筒内形成轴向的强脉冲磁场，驱动金属筒次级加速前进。本发明将传统的储能用脉冲功率电容器、发射器初级绕组及附属的机械加强结构，整合为一个零件，极大地简化了电磁推进装置，同时，又完全地利用了作为储能元件的导电薄膜在放电过程中形成的内部电流，提高了能量的利用效率。

Description

一种利用内部电流感应驱动的电推进装置

技术领域

本发明涉及电磁推进的技术领域，具体涉及一种利用内部电流感应驱动的电推进装置。

背景技术

传统的脉冲功率电容器作为电源的电磁推进装置，无论是轨道式还是线圈式，或者二者的组合方式，从结构上都是电容器对电感型负载放电，电路上电容和电感分开，理论上，其能量利用率不大于50％，另外，都需要制造专用的电磁推进发射具(参考中国专利：CN202010569204.2，CN201810830703.5，CN201810371043.9，CN201120199296.6等等)和专用的搭载弹药或战斗部的电枢(参考中国专利：CN202010596960.4，CN201822245810.X，CN201810975647.4，CN201810830703.5等等)，发射具和储能元件为分别独立的部分。一般用脉冲功率电容器作为电源，电子从电容器的负极经过负载运动到正极，电子在电极薄膜内部移动过程中形成的电流，我们可以称之为内部电流，内部电流在电容器内部产生大量无效能量损耗，降低了整体运行效率，目前的电容器独立模块的方式无法利用这部分能量，只能在电容器内部产生焦耳热损耗和电动力，限制了电容器的充放电频率，整个电容器也需要加固外壳来克服电动力。另外，现有方案都是发射具初级绕组单独加工的结构，为了克服发射具内部脉冲电流产生的强大电动力，绕组外侧还要有很厚的复合材料绑扎层和金属套筒，金属套筒内的涡流损耗提高了负载的感抗，降低了系统运行效率，也造成整个系统体积重量庞大，且多个零部件及其连接提高了故障率。

发明内容

为解决现有感应式线圈推进的脉冲功率电容器作为独立模块的设计，本发明提供一种利用内部电流感应驱动的电推进装置，

本发明解决上述问题采用的技术方案为：一种利用内部电流感应驱动的电推进装置，包括卷绕的两层导电薄膜及两层导电薄膜间绕的绝缘薄膜、金属筒次级、导向筒以及外电路；其中，所述金属筒次级位于绝缘材料制成的导向筒内部；两层导电薄膜和两层导电薄膜间绕的绝缘薄膜在导向筒外连续包绕；所述外电路用于给所述导电薄膜施加高电压。

进一步地，所述外电路给导电薄膜施加高电压而达到额定电压值后，外电路将两层导电薄膜两端进行短路，所述导电薄膜上的电荷移动过程中形成电流，在所述导向筒内部形成轴向的变化的强脉冲磁场，将金属筒次级高速推进出去。

进一步地，所述金属筒次级为铁磁性材料时，其以磁阻式方式加速。

进一步地，所述金属筒次级是圆筒形、杯形、盘形或者实心圆柱形状。

进一步地，多个所述导电薄膜和绝缘薄膜以及导向筒形成的结构同轴串联，分别充电，在金属筒次级途经各串联段时放电，以进行连续加速，最后使得所述金属筒次级达到更高的出口速度。

进一步地，所述导向筒的绝缘材料为环氧玻璃钢、钢化玻璃、陶瓷或工程塑料。

进一步地，所述导电薄膜和绝缘薄膜为多层卷绕。

进一步地，多层卷绕的所述导电薄膜和绝缘薄膜的外径尺寸和传统火炮的炮膛内径一致。

进一步地，所述导电薄膜的材料为铝合金、铜或不锈钢。

进一步地，所述绝缘薄膜的材料为聚乙烯、聚氯乙烯或者聚四氟。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明将脉冲功率储能器件、发射器初级绕组及其机械加强结构一体化，在具备储能、推进、结构加强等基础功能的同时，集成为一个元件，降低了系统复杂度、体积和重量；其将脉冲功率电容器、初级绕组和发射器一体化的设计方案，不仅简化了现有的电感式线圈推进器的结构，而且充分利用了储能电容器放电过程中内部电流释放的能量，提高了系统运行效率，理论上能够突破传统感应式线圈推进器的50％上限。

(2)由于电荷在电容器卷绕的电极薄膜移动过程中形成内部电流，内部电流的螺旋分布效果等同于线圈推进初级绕组内的电流分布，电容的导电薄膜就等效作为电磁感应推进的初级绕组，内部电流产生的磁场与位于中部筒状空腔内的金属筒次级因为电磁感应相互作用，推动其加速前进，本发明巧妙地利用了储能元件的内部电流，提高了整个系统的能量利用率。

(3)本发明的装置结构简单，多层导电薄膜和绝缘薄膜卷绕后外形可以根据需求定制，多层卷绕的导电薄膜与内部的绝缘薄膜共同起到结构加强的作用，推进器初级结构被简化，适用于多种现有传统火药弹丸发射装置而形成兼容。一次发射动作后，储能电容器，也就是初级绕组，可以重新充电，内部装填新的金属筒次级，实现快速重复发射。

附图说明

图1本发明的导电薄膜上的电荷移动方向与磁场方向的关系原理图；

图2本发明的多层卷绕的导电薄膜、绝缘薄膜与导向筒和金属筒次级的相互空间关系的轴向投影示意图；

图3本发明的多层卷绕的导电薄膜、绝缘薄膜与导向筒和金属筒次级的相互空间关系的斜前方视图；

图4本发明的多层卷绕的导电薄膜、绝缘薄膜与导向筒和金属筒次级的相互空间关系的斜后方视图；

图中：1.导电薄膜；2绝缘薄膜；3.金属筒次级；4.导向筒。

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。

本发明的原理如图1所示，两个相邻的导电薄膜1在施加电压以后，一个带正电荷，一个带负电荷，成为正负两个电极；将两个电极在两端短路以后，正负电荷互相移动中和，正负电荷的移动方向相反，在宏观上表现为电流方向相同，根据电磁感应定律，在卷绕的内部空间形成方向一致的磁场。

本发明的利用内部电流感应驱动的电推进装置，包括卷绕的两层导电薄膜1及两侧导电薄膜1间绕的绝缘薄膜2、金属筒次级3、导向筒4以及外电路等。其中，如图2-4所示，所述金属筒次级3位于绝缘材料制成的导向筒4内部，在导向筒4外，两层导电薄膜1和两侧导电薄膜1间隔的绝缘薄膜2在导向筒4外连续包绕。所述外电路给导电薄膜1施加高电压，达到额定电压值以后，外电路将两层导电薄膜1两端进行短路，导电薄膜1上的电荷移动过程中形成电流，在所述导向筒内部形成轴向的强脉冲磁场，利用电磁感应定律，将金属筒次级3高速推进出去。所述金属筒次级3为铁磁性材料时，其可以磁阻式方式加速。多个电推进装置同轴串联，金属筒次级3就可以连续加速，达到更高的末端速度。

所述外电路(未绘出)在两层导电薄膜1的两端上施加高电压(充电)，两层导电薄膜1成为两个电极，正电极带上正电荷，负电极带负电荷，到达额定电压，在绝缘薄膜2内部形成强电场，强电场储存能量，其大小和两层导电薄膜1之间的电势差以及绝缘层薄膜2厚度和材料的介电常数有关。达到额定电压值后，外电路(未绘出)将两层导电薄膜1两端短接而短路(放电)，注意导电薄膜1被短路端应该如图1所示形成电荷移动方向，导电薄膜1上的电荷互相移动中和，因为正电极上的正电荷和负电极上的负电荷移动方向相反，宏观上表现为同绕向强电流，在导向筒4内部形成轴向的变化的强脉冲磁场，根据电磁感应定律，金属筒次级3内部感应出与导电薄膜1内绕向相反的电流，金属导电薄膜1内的电流在短路之后至到达峰值电流之前，电流有个上升的变化过程，金属筒次级3内的感应电流与金属导电薄膜1内的电流方向相反，二者形成的磁场为对极相斥，导致金属筒次级3沿轴向加速前进。金属筒次级3飞出导向筒4之后，可以装入新的金属筒次级3，重复上述充放电过程，实现连续多次发射。

可以看出，本发明提出的电磁推进装置，将传统的储能电容器、初级绕组和紧固装置集成为一个零件，同时，在导电薄膜1上的电荷移动过程中，内部电流形成磁场对金属筒次级3形成推力，而不是经过线路输出到执行部件，降低了连接导线等部件的线路损耗，提高了系统运行效率。

本发明的电推进装置减小了体积和重量，同时提高了整体运行效率。所述金属筒次级3，也是电推进装置的动子，或者载荷承载部，一般为由铝合金或者铜等制作的圆筒。如果进行磁阻式运行，所述金属筒次级3也可以是铁磁性材料，如钢或者铸铁等。所述金属筒次级3也可以是杯状、圆盘状或者实心圆柱等回转体结构。导向筒4约束金属筒次级3的前进方向，同时也起到绝缘的作用。导向筒4用绝缘结构材料制作，如环氧玻璃钢、钢化玻璃、陶瓷、工程塑料等。在导向筒4外卷绕两层导电薄膜1，导电薄膜1间有绝缘薄膜2。导电薄膜1可以是铝合金、铜、不锈钢等金属材料，绝缘薄膜2可以是各种工程塑料，如聚乙烯、聚氯乙烯或者聚四氟等。导电薄膜1和绝缘薄膜2可以是复合工艺制作，如镀铝薄膜，或者电解质，化合物电解层，形成类似电解质电容器或者超级电容器的电极结构。导电薄膜1和绝缘薄膜2可以多层卷绕。多层导电薄膜1和相间的绝缘薄膜2卷绕，其圆周方向和轴向结构强度互相加强，形成自加强结构，克服内部电流形成的电动力，以及推进金属筒次级3前进的反作用力，保证卷绕的机械稳定性。

可以看出，本发明的拓扑结构，将传统的储能用脉冲功率电容器多层卷绕薄膜结构、发射器多匝金属导体初级绕组结构及附属的机械加强多层复合绝缘材料结构和外层金属紧固层，整合为一个零件，进行了极大地简化。同时，当导电薄膜1上的电荷中和移动过程中消耗的能量(激励磁场)，也就是内部电流，直接在金属筒次级3上感应出电流，不经过外部导线连接到初级绕组，提高了能量的利用效率。多个导电薄膜1和绝缘薄膜2以及导向筒4形成的结构可以同轴串联，分别充电，在金属筒次级3途经本段时放电，就可以连续加速，最后金属筒次级3就可以达到很高的出口速度。金属筒次级3可以挂载各种类型的战斗部。

如果将多层卷绕的导电薄膜1和绝缘薄膜2的外径尺寸和传统火炮的炮膛内径做成一致，本装置就可以直接利用传统火炮发射，也就是在现有火炮不经任何改动的情况下，直接电磁化，突破传统火炮的出口速度限制，具备更高的出口动能和投送距离，而且储存、运输和维护方面要比传统发射药弹丸更安全方便且可靠。多层卷绕的导电薄膜1外径及长度尺寸可以适应于现有常规火炮内径，以使得本发明提出的推进装置可以兼容于现有的常规火炮，能够成为出口速度超过现有火药发射弹药的新弹种。

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 (10)

1.一种利用内部电流感应驱动的电推进装置，其特征在于：包括卷绕的两层导电薄膜及两层导电薄膜间绕的绝缘薄膜、金属筒次级、导向筒以及外电路；其中，所述金属筒次级位于绝缘材料制成的导向筒内部；两层导电薄膜和两层导电薄膜连续间绕在导向筒外；所述外电路用于给所述导电薄膜施加高电压。

2.根据权利要求1所述的电推进装置，其特征在于：所述外电路给导电薄膜施加高电压而达到额定电压值后，外电路将两层导电薄膜两端进行短路，所述导电薄膜上的电荷移动过程中形成电流，在所述导向筒内部形成轴向的强脉冲磁场，将金属筒次级高速推进出去。

3.根据权利要求1所述的电推进装置，其特征在于：所述金属筒次级为铁磁性材料时，其以磁阻式方式加速。

4.根据权利要求1所述的电推进装置，其特征在于：所述金属筒次级是圆筒形、杯形、盘形或者实心圆柱形状。

5.根据权利要求1所述的电推进装置，其特征在于：多个所述导电薄膜和绝缘薄膜以及导向筒形成的结构同轴串联，分别充电，在金属筒次级途经各串联段时放电，以进行连续加速，最后使得所述金属筒次级达到更高的出口速度。

6.根据权利要求1所述的电推进装置，其特征在于：所述导向筒的绝缘材料为环氧玻璃钢、钢化玻璃、陶瓷或工程塑料。

7.根据权利要求1所述的电推进装置，其特征在于：所述导电薄膜和绝缘薄膜为多层卷绕。

8.根据权利要求7所述的电推进装置，其特征在于：多层卷绕的所述导电薄膜和绝缘薄膜的外径尺寸和传统火炮的炮膛内径一致。

9.根据权利要求1所述的电推进装置，其特征在于：所述导电薄膜的材料为铝合金、铜或不锈钢。

10.根据权利要求1所述的电推进装置，其特征在于：所述绝缘薄膜的材料为聚乙烯、聚氯乙烯或者聚四氟。

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