CN115987052A - 一种低推力脉动的多级重接式电磁推进装置及其供电控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低推力脉动的多级重接式电磁推进装置及其供电控制方法，包括两列定子线圈、嵌有多块金属板的动子板、动子机构以及定子供电装置；两列定子线圈并行固定在静止基座上，定子线圈两两面对面同轴布置；金属板嵌入在动子板上，动子板固定在动子机构上，动子板位于两列定子线圈之间并与之平行，金属板中心与两列定子线圈轴线位于同一面上，负载通过联结机构与动子机构相连，每列定子线圈沿推进方向等间隔均匀布置；多块金属板在动子板上沿推进方向等间隔均匀布置，通过定子供电装置向定子线圈中通入脉冲电流，金属板受到可控的强大推力作用，动子机构高速向受力方向运动，本电磁推进装置适用于推进不同速度范围内运动体的高速运动。

Description

一种低推力脉动的多级重接式电磁推进装置及其供电控制方法

技术领域

本发明涉及电磁推进领域，具体涉及一种低推力脉动的多级重接式电磁推进装置及其供电控制方法。

背景技术

目前，火箭仍然是主流的高速推进器。虽然火箭燃料能够持续提供巨大的推力，但是因为受到燃料化学性质的影响，传统燃料火箭的比推力有限。核燃料虽然能够提供很大的比推力，但是其装置重量也很大。火箭推进器存在发射成本高、技术复杂等缺点。

电磁发射器能够通过电磁力做功，将电磁能转换为动能，其理论出口速度远大于火箭推进器。1989年美国考恩等提出重接式电磁发射器的概念,并申请了美国专利“MAGNETIC RECONNECTIONLAUNCHER，PatentNumber:US4817494”，重接式电磁发射器是一种特殊的感应型线圈式电磁发射器，它不但保留了线圈炮在短时间内释放巨大能力的优点，还因非接触式发射而克服了轨道磨损、材料烧蚀等缺点，同时其在非推进方向的能量损失很小，所以它在炮弹发射、电磁弹射、轨道列车等方面具有极高的应用价值。

传统的多级脉冲线圈驱动重接式电磁发射器也称为多级式重接炮，由于相邻两级脉冲电流间隔时间较长，产生的推力也是脉冲式的，并且在线圈电流下降时由于电流不能及时关断还会产生阻力，效率很低。这样的重接式电磁发射器只适用于行程较短、速度较快、速度范围较小的场合，不宜作为长距离连续电磁推进装置。

文献“张珹,周文祥,李甜甜,等.超高速实验车驱动方案设计及优化[J].铁道科学与工程学报,2013,10(6):109-115.”中描述了一种多级式重接炮应用于超高速实验车的设计，该设计通过合理分配驱动单元，优化驱动电路方案，改善了重接式电磁发射的运动特性，提高了发射效率。但该设计中的推进装置发出的推力仍为强烈的脉冲形式、效率很低，推力突变较大且有一定间隔，难以保证运动体结构稳定，也不适用于长距离推进。

文献“郭芳,唐跃进,任丽,李敬东.基于交错式线圈布局的连续脉冲磁行波电磁发射基础研究[J].中国电机工程学报,2010,30(27):123-128.”中描述了一种发出连续推力的多级式重接炮，该装置的主要特点是通过将脉冲线圈交错布置，在时间和空间上产生连续的脉冲磁行波，增加每级推力持续时间，缩短脉冲推力间隔，从而提升发射效率。但是，该装置由于次级金属板两侧的磁场分布不对称，导致次级两侧表面受到的垂直力不能抵消，虽然文献中通过增加一组与之对称的驱动器的方式防止推进方向发生偏移，但是无法解决次级因持续受到不均匀的脉冲式垂直力而发生扭曲变形的问题，同时线圈受不对称反作用力也容易产生扭曲变形。

中国专利申请“董亮,柳敬,谢华君.用于火车驱动的多翼式重接型电磁推进装置及使用方法[P].四川：CN108407824A,2018-08-17.”公布了一种用于火车驱动的多翼式重接型电磁推进装置，该装置是人工控制的非连续性辅助加速装置。

中国专利申请“程鹏,王晓超,兰海,李伟力,王鸣迪,刘阔,韩孝乾,成倩,李睿烨.一种适用于四驱电动汽车的动力装置及动力驱动方法[P].黑龙江：CN108674197A,2018-10-19.”公布了一种电磁重接技术应用于汽车动力装置的技术，该装置通过单级重接炮实现往复直线运动形式的电磁驱动，再通过机械装置转化为车轮的圆周运动。该装置实现为四驱电动汽车提供高效驱动力，但推进方式为车轮滚动，不适用于高速运动场合。

可知，现有的技术方案中，多级重接式电磁推进装置虽然可以通过优化电路方式产生短间隔脉冲推力，但运动体所受的力仍不是连续的。交错布置线圈虽然能产生连续的推力，但系统结构稳定性低，不适用于工程场合。将重接效应转化为旋转力虽然能实现长距离驱动，但车轮驱动不适用于高速场合。

发明内容

为了将重接式电磁发射器应用于电磁推进系统，本发明提出一种低推力脉动的多级重接式电磁推进装置及其供电控制方法。本发明设计了一种新的多级重接式电磁发射系统布置方式及其供电装置，使得运动体受到的推力连续稳定，特别适合在短时间里、不同的速度范围内对运动体进行连续大推力驱动。同时，动子金属板发热比较均匀，工作可靠性和工作效率极大提高。

本发明解决技术问题采用的技术方案如下：

一种低推力脉动的多级重接式电磁推进装置，包括两列定子线圈、嵌有n块金属板的动子板、动子机构以及定子供电装置；两列定子线圈并行固定在静止基座上，定子线圈两两面对面同轴布置，面对面布置的两个定子线圈为一个定子线圈组，定子线圈轴线位于同一面上；金属板嵌入在动子板上，动子板固定在动子机构上，动子板位于两列定子线圈之间并与之平行，金属板中心与两列定子线圈轴线位于同一面上，负载通过联结机构与动子机构相连，每列定子线圈沿推进方向等间隔均匀布置，相邻定子线圈组的轴线距离为p，定子线圈组共m组，m≥2n为正整数；n块金属板在动子板上沿推进方向等间隔均匀布置，相邻金属板中心的距离为q，p＜q＜2p，每组定子线圈配置一台与之对应的供电装置；通过设定定子供电装置通入每组定子线圈的脉冲电流大小，并根据动子板的位置控制电流通断，推进动子板运动。

进一步地，n个金属板是非导磁、高导电率材料，包括铝合金。

进一步地，定子线圈为圆环形或跑道型，定子线圈采用模块化封装，形成定子列。

进一步地，金属板为与定子线圈直径相同的圆形，或为与定子线圈直径相同的圆形的外切矩形，或为与定子线圈直径相同的半圆形和长边与此半圆形直径重合且长边是短边的二倍的矩形结合而成的异形。

进一步地，金属板沿推进方向等间隔均匀嵌入布置在动子板上，相邻金属板中心的距离q＝(2n-1)p/n。

进一步地，每个定子线圈的匝数相同、尺寸相同，每组内的2个相对的定子线圈串联连接，所有定子线圈绕向使其磁场方向相同，每组定子线圈流过的脉冲电流大小以及开始时间和持续时间通过外部定子供电装置调节。

本发明还提供一种低推力脉动的多级重接式电磁推进装置的供电控制方法，当金属板尾部环状边缘与某一定子线圈的边缘对齐瞬间，控制定子供电装置向所述的两列相对的定子线圈放电电流达到最大值，通过金属板在定子线圈产生的电磁场中的重接效应，金属板受到向前的推力作用；以此类推，定子供电装置依此向第一至第2n-1定子线圈通入放电电流，第一至第n金属板交替受力，推进金属板运动，行进距离为p，定子供电装置再依此向第二至第2n定子线圈通入放电电流，第一至第n金属板交替受力，继续推进金属板运动，每有n组定子线圈通电完成，金属板就行进距离p，即相邻的下一组定子线圈的边缘与金属板尾部环状边缘对齐，直至完成第m定子线圈推动第n金属板。

进一步地，当需要所述的重接脉冲式电磁推进装置工作在速度变化较小的范围内时，按上述的次序对每组定子线圈通入脉冲电流，每次通入定子线圈中脉冲电流大小相同、单脉冲持续时间相同，使n个金属板上产生大小相同、频率相同、相位不同的推力，所有推力的合力是连续的；当需要所述的重接脉冲式电磁推进装置工作在速度变化较大的范围内时，按上述的次序对每组定子线圈通入脉冲电流，所有定子线圈中通入的脉冲电流大小相同，但单脉冲持续时间随着速度的增加而线性减小，n个金属板上产生大小相同、频率随速度变化的推力，在金属板中形成连续的推力。

进一步地，每个定子线圈的匝数不同，尺寸相同，低速度段定子线圈的匝数多、高速度段匝数少，每组内的2个定子线圈串联连接，所有定子线圈绕向相同，每组定子线圈流过的脉冲电流大小以及开始时间和持续时间通过外部定子供电装置调节。

进一步地，定子供电装置采用超级电容作为供电电源，晶闸管作为主电路控制开关，控制信号根据位置传感器信息提供，电阻和二极管串联组成的泄放电路与供电电源并联，起到续流作用。

有益效果：

目前已有的重接脉冲式电磁推进装置，虽然可以通过多级或连续布置的形式单程提供多次推力，但被驱动物获得的推力实际上多次高冲击力，无法稳定、持续、可控的运行，更对被驱动物的机械结构强度有很大要求。本发明有效利用了重接脉冲式电磁推进装置的特性，合理排布脉冲定子线圈和金属板，实现了提供稳定、持续、可控推进力的重接脉冲式电磁推进装置，保证了驱动系统能够按照所需的速度、加速度曲线运行，适用于不同速度范围内运动体的连续大推力驱动。本发明的一种低推力脉动的多级重接式电磁推进装置，定子线圈阵列采用模块化封装，可以有效减少定子线圈维护工作量。

附图说明

图1为本发明的低推力脉动的多级重接式电磁推进装置的一个实施例的主要结构三维模型图；

图2为本发明的低推力脉动的多级重接式电磁推进装置的一个实施例的定子线圈组和动子板结构截面图；

图3为一个实施例的金属板个数n＝4且线圈组m≥8时的一种布置方式；

图4为一个实施例的定子供电装置的控制电路图；

图5为一个实施例的在各脉冲触发时刻的定子线圈和动子板、金属板位置关系图；

图6为一个实施例的定子供电装置的控制电路触发信号次序图；

图7为一个实施例的运行过程中输出的总电磁推力；

图8为一个实施例的运行过程中的各组线圈的电流；

图9为一个实施例的运行过程中的储能电容C₁电压；

图中，1定子线圈，2动子板，3金属板。

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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明的低推力脉动的重接式电磁推进装置，包括两列定子线圈、嵌有n块金属板的动子板、动子机构以及定子供电装置；两列定子线圈并行固定在静止基座上，定子线圈两两面对面同轴布置，面对面布置的两个定子线圈为一个定子线圈组，定子线圈轴线位于同一面上；金属板嵌入在动子板上，动子板固定在动子机构上，动子板位于两列定子线圈之间并与之平行，金属板中心与两列定子线圈轴线位于同一面上，负载通过联结机构与动子机构相连，每列定子线圈沿推进方向等间隔均匀布置，相邻定子线圈组的轴线距离为p，定子线圈组共m组，m≥2n为正整数；n块金属板在动子板上沿推进方向等间隔均匀布置，相邻金属板中心的距离为q，p＜q＜2p；每台定子线圈配置一台与之对应的供电装置；通过设定定子供电装置通入每组定子线圈的脉冲电流大小，并根据动子板的位置控制电流通断，推进动子板运动。

图1为本发明的低推力脉动的多级重接式电磁推进装置的一个实施例的主要结构三维模型图，包括两列定子线圈1、一块动子板2和一列金属板3。金属板3沿推进方向等间隔均匀布置在动子板2上，动子板2处于两列定子线圈1中间，与两列定子线圈1平行。所述的金属板3是非导磁、高导电率材料，包括铝合金。

图2为本发明的低推力脉动的多级重接式电磁推进装置的一个实施例的定子线圈和金属板结构截面图，包括两列定子线圈1、一列铝合金的金属板3。金属板3为与定子线圈1直径相同的半圆形和长边与此半圆形直径重合且长边是短边的二倍的矩形结合而成的异形。

图3为本发明的低推力脉动的多级重接式电磁推进装置的一个实施例，在金属板3的个数n＝4时的一种布置方式。每列m个定子线圈1沿推进方向等间隔均匀布置，相邻的定子线圈1中心的距离为p，轴线相同的定子线圈1为一组，记为定子线圈组W1、W2、……、W8、……、Wm共m组；4个金属板S1、S2、S3、S4沿推进方向等间隔均匀布置，相邻的金属板中心的距离为q，q＝7p/4，m≥8，图中仅展示前8组定子线圈。

图4为本发明一个实施例的定子供电装置的控制电路图，阻感负载Z_W1至Z_Wm对应线圈组W1至Wm，Z_W1至Z_Wm分别由储能电容器C₁至C_m供电，电阻R₁至R_m分别和二极管D₁至D_m串联，作为C₁至C_m的续流回路，通断电时间由位置传感器产生的控制信号g₁至g_m分别控制开关T₁至T_m决定。

图5为一个实施例的在各脉冲触发时刻的定子线圈和动子板、金属板的位置关系图。初始时刻t＝t₁时，动子板位于x＝x₁处，金属板S1的轴线与定子线圈组W1的轴线对齐，利用重接效应，此时对定子线圈组W1通电可以将金属板S1驱动；前进距离p/4后至动子板位于x＝x₂处，金属板S2的轴线与定子线圈组W3的轴线对齐，此时对定子线圈组W3通电可以将金属板S2驱动，依次持续进行，每前进距离p/4就有一块金属板与一组定子线圈组的轴线完全对齐，依次为金属板S3-定子线圈组W5、金属板S4-定子线圈组W7、金属板S1-定子线圈组W2、金属板S2-定子线圈组W4、金属板S3-定子线圈组W6、金属板S4-定子线圈组W8……，金属板S1、S2、S3、S4交替受力，每由4组定子线圈组通电完成，动子板就行进p，使金属板S1的轴线与定子线圈组W1、W2、……、W8对齐，即又有4组定子线圈组依次通电使金属板S1、S2、S3、S4交替受力，从而保证所有金属板持续产生推力。

图6为本发明实施例的控制电路的触发信号次序图，其中各位置x₁、x₂、……x₁₂对应图5中的x₁、x₂、……x₁₂。动子板位于x＝x₁处时，金属板S1轴线与定子线圈组W1轴线对齐，控制信号g₁控制控制开关T₁导通，储能电容C₁为定子线圈组W1供电，金属板S1产生推力；动子板行进p/4至x＝x₂时，金属板S2轴线与定子线圈组W3轴线对齐，控制信号g₃控制控制开关T₃导通，储能电容C₃为定子线圈组W3供电，金属板S2产生推力；动子板行进p/2至x＝x₃时，金属板S3轴线与定子线圈组W5轴线对齐，控制信号g₅控制控制开关T₅导通，储能电容C₅为定子线圈组W5供电，金属板S3产生推力；动子板行进3p/4至x＝x₄时，金属板S4轴线与定子线圈组W7轴线对齐，控制信号g₇控制控制开关T₇导通，储能电容C₇为定子线圈组W7供电，金属板S4产生推力；动子板行进p至x＝x₅时,金属板S1轴线与定子线圈组W2轴线对齐，即金属板S1完全离开定子线圈组W1，不再控制T₁保持导通，定子线圈组W1进入续流状态，同时控制信号g₂控制控制开关T₂导通，储能电容C₂为定子线圈组W2供电，使金属板S1持续产生推力；动子板行进5p/4至x＝x₆时,金属板S2轴线与定子线圈组W4轴线对齐，即金属板S2完全离开定子线圈组W3，不再控制控制开关T₃保持导通，定子线圈组W3进入续流状态，同时控制信号g₄控制控制开关T₄导通，储能电容C₄为定子线圈组W4供电，使金属板S2持续产生推力；动子板行进3p/2至x＝x₇时,金属板S3轴线与定子线圈组W6轴线对齐，即金属板S3完全离开定子线圈组W5，不再控制控制开关T₅保持导通，定子线圈组W5进入续流状态，同时控制信号g₆控制控制开关T₆导通，储能电容C₆为定子线圈组W6供电，使金属板S3持续产生推力；动子板行进7p/4至x＝x₈时,金属板S4轴线与定子线圈组W8轴线对齐，即金属板S4完全离开定子线圈组W7，不再控制控制开关T₇保持导通，定子线圈组W7进入续流状态，同时控制信号g₈控制控制开关T₈导通，储能电容C₈为定子线圈组W8供电，使金属板S4持续产生推力。这保证了每个金属板都完全利用每个线圈提供的能量，且每时每刻所有金属板都处于受推力状态，并能不间断从连续布置的定子线圈(定子线圈组W1、W2、……)转化能量。

图7为实施例的运行过程中输出的总电磁推力、图8为其相应的各组定子线圈1的电流、图9为储能电容C₁电压。所述的低推力脉动多级重接式电磁推进装置的一种结构方式是，每个定子线圈的匝数相同、尺寸相同。每组内的2个相对的定子线圈串联连接，所有定子线圈绕向相同，每组定子线圈流过的脉冲电流大小以及开始时间和持续时间通过外部定子供电装置调节。按次序对每组定子线圈1通入脉冲电流，所有定子线圈1中通入的脉冲电流大小相同，单脉冲持续时间随速度增加而略有减小，使4个金属板上产生大小相同且频率随速度变化的推力，所有推力施加到动子板的合力是连续的近似正弦波。储能电容的电压最终降至0，代表该电容的能量被完全利用。

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)

1.一种低推力脉动的多级重接式电磁推进装置，其特征在于，包括两列定子线圈、嵌有n块金属板的动子板、动子机构以及定子供电装置；两列定子线圈并行固定在静止基座上，定子线圈两两面对面同轴布置，面对面布置的两个定子线圈为一个定子线圈组，定子线圈轴线位于同一面上；金属板嵌入在动子板上，动子板固定在动子机构上，动子板位于两列定子线圈之间并与之平行，金属板中心与两列定子线圈轴线位于同一面上，负载通过联结机构与动子机构相连，每列定子线圈沿推进方向等间隔均匀布置，相邻定子线圈组的轴线距离为p，定子线圈组共m组，m≥2n为正整数；n块金属板在动子板上沿推进方向等间隔均匀布置，相邻金属板中心的距离为q，p＜q＜2p，每组定子线圈配置一台与之对应的供电装置；通过设定定子供电装置通入每组定子线圈的脉冲电流大小，并根据动子板的位置控制电流通断，推进动子板运动。一种低推力脉动的多级重接式电磁推进装置及其供电控制方法。

2.根据权利要求1所述的一种低推力脉动的多级重接式电磁推进装置，其特征在于，n个金属板是非导磁、高导电率材料，所述非导磁、高导电率材料包括铝合金。

3.根据权利要求1所述的一种低推力脉动的多级重接式电磁推进装置，其特征在于，定子线圈为圆环形或跑道型，定子线圈采用模块化封装，形成定子列。

4.根据权利要求1所述的一种低推力脉动的多级重接式电磁推进装置，其特征在于，金属板为与定子线圈直径相同的圆形，或为与定子线圈直径相同的圆形的外切矩形，或为与定子线圈直径相同的半圆形和长边与此半圆形直径重合且长边是短边的二倍的矩形结合而成的异形。

5.根据权利要求1所述的一种低推力脉动的多级重接式电磁推进装置，其特征在于，金属板沿推进方向等间隔均匀嵌入布置在动子板上，相邻金属板中心的距离q＝(2n-1)p/n。

6.根据权利要求1所述的一种低推力脉动的多级重接式电磁推进装置，其特征在于，每个定子线圈的匝数相同、尺寸相同，每组内的2个相对的定子线圈串联连接，所有定子线圈绕向使其磁场方向相同，每组定子线圈流过的脉冲电流大小以及开始时间和持续时间通过外部定子供电装置调节。

7.根据权利要求1-6之一所述的一种低推力脉动的多级重接式电磁推进装置的供电控制方法，其特征在于，当金属板尾部环状边缘与某一定子线圈的边缘对齐瞬间，控制定子供电装置向所述的两列相对的定子线圈放电电流达到最大值，通过金属板在定子线圈产生的电磁场中的重接效应，金属板受到向前的推力作用；以此类推，定子供电装置依此向第一至第2n-1定子线圈通入放电电流，第一至第n金属板交替受力，推进动子板运动，行进距离为相邻定子线圈组的轴线距离p，定子供电装置再依此向第二至第2n定子线圈通入放电电流，第一至第n金属板交替受力，继续推进动子板运动，每有n组定子线圈通电完成，金属板就行进相邻定子线圈组的轴线距离p，即相邻的下一组定子线圈的边缘与金属板尾部环状边缘对齐，直至完成第m定子线圈推动第n金属板。

8.根据权利要求7所述的供电控制方法，其特征在于，当需要所述的重接脉冲式电磁推进装置工作在速度变化较小的范围内时，按上述的次序对每组定子线圈通入脉冲电流，每次通入定子线圈中脉冲电流大小相同、单脉冲持续时间相同，使n个金属板上产生大小相同、频率相同、相位不同的推力，所有推力的合力是连续的；当需要所述的重接脉冲式电磁推进装置工作在速度变化较大的范围内时，按上述的次序对每组定子线圈通入脉冲电流，所有定子线圈中通入的脉冲电流大小相同，但单脉冲持续时间随着速度的增加而线性减小，n个金属板上产生大小相同、频率随速度变化的推力，在动子板中形成连续的推力。

9.根据权利要求7所述的供电控制方法，其特征在于，每个定子线圈的匝数不同，尺寸相同，低速度段定子线圈的匝数多、高速度段匝数少，每组内的2个定子线圈串联连接，所有定子线圈绕向相同，每组定子线圈流过的脉冲电流大小以及开始时间和持续时间通过外部定子供电装置调节。

10.根据权利要求7所述的供电控制方法，其特征在于，定子供电装置采用超级电容作为供电电源，晶闸管作为主电路控制开关，控制信号根据位置传感器信息提供，电阻和二极管串联组成的泄放电路与供电电源并联，起到续流作用。

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