CN116576724A - 一种用于多级线圈电磁炮的补能谐振电路结构及作业方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多级线圈电磁炮的补能谐振电路结构及作业方法。电路结构包括有极性的第一主储能单元、第一全控开关、第一续流二极管，以及至少一组加速网络。加速网络包括多级第一加速电路、第二加速电路、无极性的副储能单元，或者还可以包括第二主储能单元和第二续流管。通过控制多组加速网络循环作业，并且每一轮循环中，先各组加速网络依次导通一级第一加速电路，再依次导通一级第二加速电路。本发明利用少量元器件即可设计出多级电磁炮，并且电路结构紧凑，具有轻量化、便携性特点。本发明利用高压薄膜电容参与能量的回收和释放，能够提高多级电磁炮的发射功率和效率。

Description

一种用于多级线圈电磁炮的补能谐振电路结构及作业方法

技术领域

本发明涉及磁阻电磁发射器领域，尤其是一种用于多级线圈电磁炮的补能谐振电路结构，以及相应的作业方法。

背景技术

电磁炮是一种把电磁能量转换为载体动能的加速设备。目前受限于材料、电源、开关器件等因素，电磁炮呈现的往往是舰载，车载的形式，而很少出现小型化高功率的电磁枪械。

目前在便携型电磁炮装置领域，以“磁阻最小原理”工作的磁阻型线圈炮有很大潜力[1]。由于其不需要滑动接触馈电、效率相对较高、可靠性好，磁阻型很有希望成为实用化的电磁枪械主流方案。

目前常见的磁阻线圈炮大多使用的是电容储能和晶闸管放电电路，使铁芯在通过线圈后，电容完全放电，电流降低，弹体依靠惯性发射出去。但由于电感中的电流无法迅速下降，弹体在经过线圈中点后，拉力阻碍弹体运动，使效率大大降低。如文献[2]中制作的三级电磁炮，整体效率低于1％。即使经过算法和结构优化，但由于传统拓扑的限制，效率仍然不高[3]。所以需要设计合理的电路拓扑结构，以显著提升性能。

朱洪强.电磁枪械(磁阻型线圈式)的有关问题研究[D].南京理工大学,2007。

费付聪,李渊成,唐勇,陆媛媛,倪广源,黄晓琴.基于传感器控制的多级磁阻式电磁炮制作与研究[J].物理与工程,2013,23(01):25-28+35。

张红旭.多级磁阻型电磁枪发射效率研究[D].南京理工大学,2019.DOI:10.27241/d.cnki.gnjgu.2019.000379。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种用于多级线圈电磁炮的补能谐振电路结构，以提高线圈型电磁炮的效率和功率。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于多级线圈电磁炮的补能谐振电路结构，包括有极性的第一主储能单元、第一全控开关、第一续流二极管，以及至少一组加速网络；所述第一续流二极管与所述第一主储能单元同相并联，所述第一全控开关连接于所述第一主储能单元和所述第一续流二极管之间；

所述加速网络包括至少一级第一加速电路、无极性的副储能单元，以及级数与所述第一加速电路相同的第二加速电路；各级所述第一加速电路和第二加速电路均包括串联的加速线圈和半控开关；各级所述第一加速电路均顺着所述第一主储能单元的放电方向，连接于所述第一续流二极管和所述副储能单元之间；各级所述第二加速电路均连接于所述副储能单元两端，连接方向与所述第一主储能单元为所述副储能单元充电方向相反；

所述第一主储能单元、所述第一续流二极管、所述副储能单元未连接所述第一加速电路的一端等电势。

优选的，所述第一续流二极管的第一端通过所述第一全控开关以相反极性连接所述第一主储能单元的第一端；

各级所述第一加速电路均顺着所述第一主储能单元的放电方向连接于所述第一续流二极管的第一端和所述副储能单元的第一端之间；各级所述第二加速电路均连接于所述副储能单元的第一端和第二端之间；

所述第一主储能单元的第二端、所述第一续流二极管的第二端和所述副储能单元的第二端等电势。

优选的，至少一组所述加速网络还包括第二主储能单元、第二全控开关和第二续流二极管；所述第二主储能单元、第二全控开关、第二续流二极管和各级所述第二加速电路构成的电路，与所述第一主储能单元、第一全控开关、第一续流二极管和各级所述第一加速电路构成的电路，关于所述副储能单元呈对称关系。

优选的，所述第一主储能单元为高储能密度有极元件，所述副储能单元为高压无极元件。

优选的，每一组加速网络中，第一加速电路的加速线圈和第二加速电路的加速线圈交替排布；并且，各组加速网络的加速线圈根据各组加速网络的排列顺序交错排布。即，每一组加速网络的一级第一加速电路依次排布后，再依次排布每一组加速网络的一级第二加速电路，同理排布剩余的第一加速电路和第二加速电路。

本发明还提供了一种上述用于多级线圈电磁炮的补能谐振电路结构的作业方法，该电路结构的加速网络中不含主储能单元，用于多级线圈电磁炮的补能谐振电路结构中，每一组加速网络中，第一加速电路的加速线圈和第二加速电路的加速线圈交替排布；并且，各组加速网络的加速线圈根据各组加速网络的排列顺序交错排布；方法包括：

根据各组加速网络中加速线圈排列的先后顺序，循环执行：

根据各组加速网络排列的顺序，从第一组加速网络的开始，依次执行(即每一组加速网络执行一次)：

导通第一全控开关，和当前组加速网络的当前级第一加速电路的加速线圈的半控开关；以使第一主储能单元为当前级第一加速电路的加速线圈充电，使其经历励磁过程；

第一时长后，关断所述第一全控开关第二时长；即励磁第一时间后，关断第一全控开关，使加速线圈经副储能单元、第一续流二极管续流，同时为附储能单元充电，实现能量回收，经第二时长后，第一加速电路的电流降低到无法保持半控开关导通，此时第一加速电路关断，剩余能量保留于副储能单元中；

然后，根据各组加速网络排列的顺序，从第一组加速网络开始，依次执行：

导通当前组加速网络的当前级第二加速电路的加速线圈的半控开关，经历第三时长。待所有加速网络均导通一次第一加速电路后，所有加速网络的副储能单元上均存储有能量，此时依次导通各组加速网络的一级第二加速电路，依次利用副储能单元上的能量为第二加速电路上的加速线圈供电，经历第三时间后，第二加速电路上的电流下降到难以维持半控开关的导通，此时第二加速电路关断，副储能单元上的能量耗尽且极性发生反转。所有加速网络均导通一级第二加速电路后，完成一轮循环。

本发明还提供了上述另一种用于多级线圈电磁炮的补能谐振电路结构的作业方法，该电路结构的所有加速网络中均包含主储能单元，用于多级线圈电磁炮的补能谐振电路结构中，所有加速网络均包括第二主储能单元、第二全控开关和第二续流二极管，每一组加速网络中，第一加速电路的加速线圈和第二加速电路的加速线圈交替排布；并且，各组加速网络的加速线圈根据各组加速网络的排列顺序交错排布；方法包括：

根据各组加速网络中加速线圈排列的先后顺序，循环执行：

根据各组加速网络排列的顺序，从第一组加速网络的开始，依次执行；

导通第一全控开关，和当前组加速网络的当前级第一加速电路的加速线圈的半控开关；

第一时长后，关断所述第一全控开关第二时长；

然后，根据各组加速网络排列的顺序，从第一组加速网络开始，依次执行：

导通当前组加速网络的第二全控开关，和当前组加速网络的当前级第二加速电路的加速线圈的半控开关；

第三时长后，关断当前组加速网络的第二全控开关第四时长。

本发明还提供了上述另一种用于多级线圈电磁炮的补能谐振电路结构的作业方法，该电路结构的部分加速网络中包含主储能单元，所述用于多级线圈电磁炮的补能谐振电路结构中，部分加速网络包括第二主储能单元、第二全控开关和第二续流二极管，每一组加速网络中，第一加速电路的加速线圈和第二加速电路的加速线圈交替排布；并且，各组加速网络的加速线圈根据各组加速网络的排列顺序交错排布；其特征在于，方法包括：

根据各组加速网络中加速线圈排列的先后顺序，循环执行：

根据各组加速网络排列的顺序，从第一组加速网络的开始，依次执行：

导通第一全控开关，和当前组加速网络的当前级第一加速电路的加速线圈的半控开关；

第一时长后，关断所述第一全控开关第二时长；

然后，根据各组加速网络排列的顺序，从第一组加速网络开始，依次执行：

若当前组加速网络包含第二主储能单元、第二全控开关和第二续流二极管，则，

导通当前组加速网络的第二全控开关，和当前组加速网络的当前级第二加速电路的加速线圈的半控开关；

第三时长后，关断当前组加速网络的第二全控开关第四时长；

若当前组加速网络不包含第二主储能单元、第二全控开关和第二续流二极管，则，

导通当前组加速网络的当前级第二加速电路的加速线圈的半控开关，经历第三时长。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明能够对第一加速电路的电流进行回收，用以加速第二加速电路的加速线圈，从而充分利用了主储能单元的能量，提高了电磁炮效率。另外，副储能单元放电过程中，电流过零时电压极性发生反转，有利于下一次第一加速电路提升工作电压，进而提高对弹丸的加速功率。

2、本发明可以进行加速网络组数的拓展，多级加速网络结构设计紧凑，可以对弹丸进行连续加速，提高发生功率。在弹丸发射过程中，利用谐振过程不断抬升电压，使加速线圈承受远高于主储能单元的电压，可使电容储能型做到更高的发射功率，或能够大幅降低对主储能单元电压的要求，使电池直驱型的发射器具备实用性。

3、本发明的电路拓扑结构中电路器件少，即使设计多级加速网络让可以保持电磁炮装置的小型化设计特点。

4、本发明的主储能单元可由多个小电容并联形成，大大减少了电容内阻在整个发射过程中的损失。另外主储能单元不会被放尽，利用恒流充电时可保持较高的充电功率，有利于提高发射功率。各组加速网络共用第一主储能单元，使得电磁炮可把储能元件集中放置，方便单兵装备。

5、本发明可以省略所有全控开关和续流二极管，仅使用半控开关进行开关控制，电流减小自动关断，相比于使用MOS管、IGBT等全控开关进行控制，可以获得更高的发射功率，即在同样的加速长度上可以获得更高的动能。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明补能谐振电路结构包含一组加速网络的一个实施例。

图2是第一加速电路工作时的等效电路。

图3是第一加速电路续流阶段的等效电路。

图4是第二加速电路工作时的等效电路。

图5是第一加速电路的等效电路。

图6、图7分别是图1所示实施例的两种衍生实施例。

图8是图7实施例的衍生实施例。

图9是本发明补能谐振电路结构包含两组加速网络的一个实施例。

图10、图11分别是全控开关和半控开关的控制电路实施例。

图12-图14依次为加速网络作业过程中励磁、续流、能量回收三个阶段的电流示意图。

图15-图18分别为对图9实施例进行仿真实验得到的测试波形图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

常用于便携式电磁发射装置的储能元件是电容或电池，相比于火药，这些元件的储能密度较低。开关器件同样是提升发射功率的瓶颈。在储能材料以及相关器件的发展没有取得重大突破之前，电磁武器完全取代火药武器并不现实。但是用改进拓扑的方式可以在现有的材料下尽可能提升性能。

磁阻电磁发射是利用大电流产生强磁场加速弹丸，因此器件内阻的影响十分显著。在储能电容中，高压无极薄膜电容大多具有极低的内阻和极高的功率，但其能量密度较低。小型电解电容以及电池的储能密度相对较高，但内阻往往比较大。因此本发明考虑利用一种拓扑结构将两者优点相结合，使其既具有高储能密度，又有很低的内阻和高脉冲功率，同时实现能量回收，提高发射效率。

本发明利用一颗大电解电容或电池作为主储能单元提供储能，在弹丸发射过程中为高压无极电容(副储能单元)补能，而高压无极电容在发射过程中与加速线圈组成谐振回路，利用谐振回收线圈能量，完成对能量的高效率利用。采用半控器件SCR(可控硅)作为加速电路的开关元件，可减少驱动难度，使得电路更精简。相比与IGBT、MOS等全控型器件，SCR有功率容量大的特点，利用SCR可做到更大的发射功率，即可在同样的加速长度上做到更高的动能，但本发明并不局限于使用SCR。

本发明拟解决的问题或者达到的效果：

(1)通过本发明设计进一步提高电磁炮的性能，促进电磁炮的小型化、便携化，推进电磁炮的实用化。

(2)通过本发明设计实现能量在储能电容、多级线圈和高压无极电容之间的循环利用来提高效率，同时既结合了电解电容相对较高的储能密度的优势，又利用了薄膜电容极低的内阻和高耐压的优点。

(3)储能器件相对集中，方便电磁炮机械结构的设计，主储能元件集中放置，方便管理和携带。同时解决了现有多级电磁炮每级使用一个电解电容，导致内阻损耗大，对电解电容品质要求高等弊端。

(4)利用发射中的谐振过程不断抬升电压，使发射线圈得到远高于主储能系统的电压，降低了对主电源电压的要求，并使电池直驱型发射器成为可能。

名词解释：

全控开关：具备全控能力的半导体开关，例如MOS管、IGBT等；

半控开关：具备半控能力的半导体开关，例如SCR可控硅、火花间隙开关等。

本发明实施例中，所提及的第一、第二等，除特别说明外，仅是为了区分描述的对象，不对其具体属性做区别限制。所提及的第一时长、第二时长等，是为了说明存在时间停留行为，并不限定具体的时间长短，也不对具体时长是否相同进行限定，在具体应用场景中可根据实际情况进行设定。

实施例一

本实施例介绍了一种用于多级线圈电磁炮的补能谐振电路结构(以下简称电路结构)，本实施例以包含一组加速网络进行电路结构的说明，多组加速网络的结构在此基础上进行同理扩展。

如图1所示，电路结构包括有极性的第一主储能单元C1、第一全控开关Q1、第一续流二极管D0，以及一组加速网络，加速网络包括副储能单元C2。第一主储能单元C1为大容量高密度储能有极性元件，副储能单元C2为小容量高压无极性元件，第一主储能单元C1和副储能单元C2均可以由多个小元件连接而成。第一续流二极管D0与第一主储能单元C1同相并联，所谓即第一续流二极管D0的极性与第一主储能单元C1的极性相同，其并联后，导通方向与第一主储能单元C1的放电方向相反。第一续流二极管D0和第一主储能单元C1之间，连接有第一全控开关Q1。

加速网络包括三级(其他级数可同理增删，本发明所有实施例均适用)第一加速电路和第二加速电路，还包括无极性的副储能单元C2。每一级加速电路均包括加速线圈和对应串联的半控开关(选级开关)，例如图中，第N(N＝1,2……6)级加速电路，则包括第N级加速线圈LN以及第N级半控开关DN。各级加速电路中，所有第一加速电路的导通方向相同，所有第二加速电路的导通方向也均相同，且分别形成并联结构。各级第一加速电路顺着第一主储能单元C1的放电方向，连接于第一续流二极管D0和副储能单元C2之间，如图1所示，各级第一加速电路一端连接于第一续流二极管D0的负极，另一端连接到副储能单元C2。当然，各级第一加速电路也可以连接于副储能单元C2和第一续流二极管D0的正极之间，只是将导通方向(即连接方向)相反设计。各级第二加速电路的两端则分别连接到副储能单元C2的两端，导通方向为第一主储能单元C1为副储能单元C2充电后，副储能单元C2的放电方向，即导通方向与第一主储能单元C1为副储能单元C2充电的方向相反。第一主储能单元C1的负极、第一续流二极管D0的正极和副储能单元C2的一端(第二端)并联接地(接低电势)，若第一加速电路连接于第一续流二极管D0的正极，则在不考虑第一全控开关Q1的压降的情况下，第一主储能单元C1的正极、第一续流二极管D0的负极和副储能单元C2的另一端(第一端)等电势。

在作业时，各级加速电路是依次导通的，电流降低后自动关断，导通顺序同图1所示电路中的标号，即第一加速电路和第二加速电路交替工作。

假设初始状态下，电路结构的回路无电流，第一主储能单元C1初始电压为U，副储能单元C2初始电压为0。在第一级(级数按标号由小到大排序)第一加速电路工作时，第一全控开关Q1、D1同时导通，忽略内阻的情况下，得到图2所示的等效电路，此时第一主储能单元C1通过加速线圈L1对副储能单元C2充电，同时在加速线圈L1上产生磁场以加速弹丸，此时L1处于励磁阶段，在电路结构中的电流如图12所示。该回路可等效为LC串联回路，由于其中存在可控硅(即半控开关D1)，电流过零关断。该过程结束时副储能单元C2被充能，电压为上正下负。

励磁一定时间即可关断第一全控开关Q1，假设到此时经历了第一时长的时间。第一全控开关Q1作用是在第一加速电路工作过程中进行调功，当副储能单元C2的电压超出其耐压时，可以在半控开关导通状态下提前关断第一全控开关Q1，以停止第一主储能单元C1对副储能单元C2的补能。之后电流会经过第一续流二极管D0进行续流，此时加速线圈L1进入续流阶段，该阶段的等效电路如图3所示，电路结构中的电流如图13所示，该过程结束时副储能单元C2被充能。

续流进行第二时长后，L1上的能量逐渐降低到无法继续维持半控开关D1导通，则进入第三个阶段-能量回收阶段，该阶段由副储能单元C2回收的能量为第二加速电路的加速线圈供能。如图4所示，此时导通第一级第二加速电路的半控开关D2，则副储能单元C2对加速线圈L2放电，同时加速线圈L2产生磁场为弹丸加速，此时电路结构中的电流如图14所示，此过程经历第三时长时间再进入下一轮循环。电路同样为LC串联回路，由于可控硅在电流过零时已关断，根据LC谐振的特性，关断时副储能单元C2电压由上正下负变为上负下正，该状态有利于在下一级第一加速电路工作时与第一主储能单元C1相串联提升发射电压，以提供更高的发射功率。

再之后，第一加速电路和第二加速电路则以此原理循环交替作业。由于第二加速电路工作后副储能单元C2电压极性反转，变为上负下正，所以第一加速电路的加速线圈两端电压为主、副储能单元电压绝对值之和，故能输入更高的能量。第二加速电路工作原理均相同，起到的作用均是释放能量并利用LC谐振回收磁场能量。

当副储能单元C2容量是确定的时候在第一加速电路补能时输入的能量取决于副储能单元C2的电压，而第一主储能单元C1能为副储能单元C2补偿多少能量是需要主要关心的内容，因此本实施例还对副储能单元C2的电压进行分析：

将图2中串联的第一主储能单元C1和副储能单元C2看成一个新的电容C，回路电阻之和为R，得到等效电路如图5所示。该电路可以用下述二阶齐次微分方程描述(参数解释依据本领域的通用理解即可):

特征方程：

特征根

电路以电容电压为响应的两个初始值

该电路中线路电阻比较小,电路处于欠阻尼状态即

令衰减谐振角频率/>

则回路微分方程可表示为：

则

应用欧拉公式最终求解得：

电流响应为：

电流为零时间即为谐振关断时间：

得到电流为0时C的电压为：

由于C是由第一主储能单元C1、副储能单元C2串联得到的，根据回路电流处处相等，有：

则第一主储能单元C1、副储能单元C2的电压变化与容量成反比，有：

第一主储能单元C1、副储能单元C2对地电压为U1、U2，则：

u_c(i＝0)＝U_1末-U_2末＝(U₀-|Δu₁|)-(U_2初+|Δu₂|)

解得各电容电压变化量：

得到奇数级放电后电容U2的电压

回路电流过零关断时第一主储能单元C1、副储能单元C2串联电压为u_c(i＝0)＝U_X，且其中U₀＝U_1初-U_2初则可简化为：

可以看出第一加速电路放电后的电压与电容第一主储能单元C1和副储能单元C2的容量、回路电流过零关断时第一主储能单元C1、副储能单元C2串联电压，第一主储能单元C1和副储能单元C2初始电压这几个参数有关。可以看出Ux和第一主储能单元C1/副储能单元C2越大、U_2初越小(电压可为负)，补能过程后的电压就越高，在第二加速电路就能输出更多能量。

对于回路电流过零关断时第一主储能单元C1、副储能单元C2串联电压Ux，与之相关参数较多，不容易直接确定哪些参数有影响。这里使用线性系统时域方法分析，可将这个RLC电路看成欠阻尼二阶系统的零输入响应。对于RLC电路C两端电压是阻尼衰减的，系统阻尼比为：

将该零输入响应看成反向的阶跃响应，根据二阶系统特征参数公式可直接计算出超调量：

可以看出，当该系统阻尼比越小，回路电流过零关断时第一主储能单元C1、副储能单元C2串联电压Ux却越大，副储能单元C2在补偿后电压是越高的。

Q即是RLC串联电路中的品质因数，因此提高品质因数便能提高副储能单元C2电压。所以在设计时也应当从回路电阻以及器件的品质因数进行考虑。

实施例二

实施例一中，第一全控开关Q1为全控开关，其与第一续流二极管D0和第一加速电路的加速线圈构成的电路结构可控制高能量密度的储能器件向高压无极器件的补能过程。如果不需要调功的场合，则可以删除第一全控开关Q1和第一续流二极管D0。本实施例即在实施例一基础上，舍弃了第一全控开关Q1和第一续流二极管D0，得到如图6所示的电路结构。

本实施例电路结构的工作过程与实施例一基本相同，仍然是交替导通第一加速电路和第二加速电路进行作业，不同之处仅在于没有对第一全控开关Q1的控制步骤，即没有了续流阶段。这样的话，为保证补能过程中的副储能单元C2电压，线圈参数的设计难度会提升。本实施例仍然是第一主储能单元C1通过半控开关和加速线圈对副储能单元C2在弹丸发射过程中进行补能，并利用LC谐振过程回收加速线圈能量。

实施例三

实施例一作为本发明的主要拓扑结构，其只在第一加速电路工作过程中利用第一主储能单元C1对副储能单元C2进行补能，第二加速电路工作过程全是对副储能单元C2储能消耗的过程。本实施例在实施例一基础上，将电路衍生设计为在第二加速电路工作过程中，同样可以对副储能单元C2进行补能。

如图7所示，在图1电路结构基础上，对于加速网络，还设计了第二主储能单元C3、第二全控开关第二全控开关Q2和第二续流二极管Dy。其中，如图7所示，在一些实施方式中，C3、第二全控开关Q2、第二续流二极管Dy和各级第二加速电路构成的电路，与第一主储能单元C1、第一全控开关Q1、第一续流二极管D0和各级第一加速电路构成的电路，关于副储能单元C2呈中心对称。

具体的，第二续流二极管Dy与第二主储能单元C3同相并联，第二全控开关Q2连接于两者之间。各级第二加速电路顺着C3的放电方向，连接于第二续流二极管Dy和副储能单元C2之间，如图7所示，各级第二加速电路一端连接于第二续流二极管Dy的负极，另一端连接到副储能单元C2(的接地端)，这样，副储能单元C2两侧即构成类似中心对称关系。同样的，各级第二加速电路也可以连接于副储能单元C2和第二续流二极管Dy的正极之间，只是将导通方向(即连接方向)相反设计，这样，副储能单元C2两侧即构成类似轴对称关系。无论怎样布置，第二加速电路均是主要由第二主储能单元C3进行供能，同时副储能单元C2经第一主储能单元C1充电后同样通过第二加速电路释放回收的磁场能量。

图7所示的电路结构由于在加速网络中单独设计了第二主储能单元C3，则在作业时，与实施例一中的电路结构略有区别，这在下文进行具体说明。

在图7所示实施例基础上，参考实施例二的设计思路，本实施例同样可以舍弃掉所有全控开关和续流二极管，得到如图8所示的电路结构，其工作过程在图7基础上没有了续流阶段，但仍然是第一加速电路和第二加速电路交替作业。

无论是否设计有全控开关和续流二极管，在弹丸发射过程中，均是第一主储能单元C1、第二主储能单元C3对副储能单元C2进行补能，并利用LC谐振过程回收线圈能量。因为在每轮发射中都进行补能，此设计可以使副储能单元C2的振荡电压更高，更适用于以电池作为主储能单元的电磁炮。对于电容储能型器件，副储能单元C2电压更高能进一步提升发射的功率。

实施例四

本实施例以实施例一中的加速网络设计两组为例，对电路结构的作业方法进行说明。如图9所示为设计两组加速网络的电路结构，两组加速网络均连接到第一续流二极管D0的负极。依据实施例一中的介绍，原则上，两组加速网络也可以连接在第一主储能单元C1放电回路的其他位置。

两组加速网络的各级加速线圈交错排布，并且，每一组加速网络中，第一加速电路和第二加速电路的加速线圈交替排布，最后，得到按照图9中各级加速线圈LN(N＝1,2……12)标号N的顺序进行排布。扩展到多组的情况同理，即每一组加速网络中，第一加速电路的加速线圈和第二加速电路的加速线圈交替排布，各组加速网络的加速线圈根据各组加速网络的排列顺序交错排布。每一组加速网络的各级加速线圈排布结构相同，因此，相当于将第一组加速网络的各级加速线圈进行了平移。在本发明中，所提到的第一级加速线圈，即为排布在加速网络，或者电路结构最前的加速线圈，电路结构中的第一组加速网络，即为加速线圈排布在最前的那一组加速网络，当然，这也属于本领域的公知理解，不会产生歧义。

在作业时，两组加速网络交替作业，并且，每一组加速网络中，第一加速电路和第二加速电路交替作业。更多组数的加速网络同理作业。具体的，作业方法包括：

根据各组加速网络中加速线圈排列的先后顺序，循环执行(即从第一组开始，然后第二组、第三组……，最后又回到第一组，如此循环)：

根据各组加速网络排列的顺序(即从第一组开始到最后一组的顺序)，从第一组加速网络开始，依次执行(依次执行即每一组加速网络按顺序均执行一次)：

导通第一全控开关Q1，和当前组加速网络的当前级第一加速电路的加速线圈的半控开关。第一时长后，关断第一全控开关Q1第二时长。具体到图9实施例中，即为导通第一全控开关Q1和半控开关D1，第一时长后，关断第一全控开关Q1第二时长；然后再导通第一全控开关Q1和半控开关D2，第一时长后，关断第一全控开关Q1第二时长。多组加速网络同理，一直到最后一组加速网络的第一加速电路的半控开关。

然后，根据各组加速网络排列的顺序，从第一组加速网络开始，依次执行：

导通当前组加速网络的当前级第二加速电路的加速线圈的半控开关，经历第三时长。如此完成一轮循环。具体到图9实施例，即为导通半控开关D3，经历第三时长；然后导通半控开关D4，再经历第三时长；多组加速网络同理，一直到最后一组加速网络的第二加速电路的半控开关。

这样，每一轮循环，即为各组加速网络先依次导通排在最前的、还未导通过的第一加速电路，然后再依次导通排在最前的、还未导通过的第二加速电路。然后根据加速线圈排列的先后顺序，再同理导通后续的加速电路。每一组、每一轮循环中，各个时长是可以变化的，例如在一轮循环中，第一组加速网络的第一时长和第二组加速网络的第一时长，或者，在连续两轮循环中，第一组加速网络的第一时长，是可以不同的。

需要说明的是，对于在电路结构中省略了全控开关和续流二极管的实施方式，同样可以参照上述流程，仅需省略对全控开关操作的动作步骤即可(其他实施例同理)。

实施例六

本实施例对设计多组实施例三(即图7实施例)中加速网络的电路结构的作业方法进行说明。多组加速网络的加速线圈，同样是通实施例五所述的交错排布。作业方法包括：

根据各组加速网络中加速线圈排列的先后顺序，循环执行：

根据各组加速网络排列的顺序，从第一组加速网络的开始，依次执行：

导通第一全控开关Q1，和当前组加速网络的当前级第一加速电路的加速线圈的半控开关。第一时长后，关断所述第一全控开关第二时长。

然后，根据各组加速网络排列的顺序，从第一组加速网络开始，依次执行：

导通当前组加速网络的第二全控开关Q2，和当前组加速网络的当前级第二加速电路的加速线圈的半控开关。第三时长后，关断当前组加速网络的第二全控开关Q2第四时长。如此完成一轮循环。

实施例七

电路结构中，多组加速网络的电路可以全部采用实施例一(参考图1)中的设计，也可以全部采用实施例三(参考图7)中的设计，当然，也可以两种设计均包含，即只有部分加速网络包括第二主储能单元C3、第二全控开关Q2和第二续流二极管Dy。对于该种情况，电路结构的作业方法，综合上述实施例六和实施例七的作业方法即可得到。具体而言，作业方法包括：

根据各组加速网络中加速线圈排列的先后顺序，循环执行：

根据各组加速网络排列的顺序，从第一组加速网络的开始，依次执行：

导通第一全控开关Q1，和当前组加速网络的当前级第一加速电路的加速线圈的半控开关。第一时长后，关断所述第一全控开关Q1第二时长。

然后，根据各组加速网络排列的顺序，从第一组加速网络开始，依次执行：

若当前组加速网络包含第二主储能单元C3、第二全控开关Q2和第二续流二极管Dy，则，导通当前组加速网络的第二全控开关Q2，和当前组加速网络的当前级第二加速电路的加速线圈的半控开关。第三时长后，关断当前组加速网络的第二全控开关Q2第四时长。

若当前组加速网络不包含第二主储能单元C3、第二全控开关Q2和第二续流二极管Dy，则，导通当前组加速网络的当前级第二加速电路的加速线圈的半控开关，经历第三时长。

电路结构在作业时，涉及到对全控开关和半控开关的控制行为，这可以通过设计全控开关和半控开关控制电路来实现。如图10、图11所示，分别为全控开关和半控开关的控制电路实施例。图中，H1、H2为将16伏转为+20V和-4V的隔离电源，用于悬浮驱动供电，图1中A、B点为悬浮模块高边地的接入点。STM32F103C8T6单片机的IO口串联200Ω电阻接到TLP152光耦驱动的输入口，通过单片级控制不同IO口输出信号，通过光耦驱动模块便能控制半导体器件的导通。

实施例八

本实施例采用实施例四(图9实施例)的电路结构进行了仿真实验。

用于发射的圆柱形弹丸的规格为直径8mm，长度20mm，重7.8g，材质为A3钢；炮管使用内径8.1mm，外径8.5mm的304不锈钢管；单极加速线圈(简称线圈)长12mm，线圈之间使用厚度为1mm的FR-4板材隔开，为线圈提供支撑。线圈共36级，线圈匝数由多次仿真计算得到，总长度469mm。线径各级依次为0.64mm、0.71mm、0.77mm、0.83mm、0.9mm、1mm、1.08mm、1.18mm。使用的储能组为多个标称450v220uF小电容并联，总容量约为12000uF，内阻8mΩ；使用110uF的薄膜电容，内阻5mΩ，并利用提前补能的方式使其有一个初始电压。第一全控开关Q1由五个IGBT并联而成，型号为英飞凌的AUIRGPS4070。各级使用的SCR为70tps16，每级一个，共36个。使弹丸以13m/s的初始速度注入。开关进行触发，并由3个stm32f103c8t6控制36个io口，各开关工作顺序依靠时序触发控制依次开通。

图15是弹丸受力和弹丸速度曲线，可以看到在整个加速过程在5ms内完成，弹丸受力也始终维持在一个很高的水平，并且最终弹丸被加速到了192.8m/s，动能达到145j。该动能已满足一般的警用需求。

图16是储能电容电压曲线，储能电容(即第一主储能单元C1)电压呈阶梯下降趋势，这是因为发射过程中只在第一加速电路发射时进行补能，而第二加速电路发射时并不消耗主电容的储能。最终电压由450v下降到了268v，整个发射过程消耗了784j，占总储能的65％，弹丸得到了145j的动能，总体效率约为18.5％。

图17所示为高压薄膜电容的端电压。由于发射过程中的补能，薄膜电容(即副储能单元C2)电压在初期呈振荡上升，且最大时接近储能电容电压的两倍，由此提升了发射功率。在后期由于主储能电容电压下降，电压也会有所下降。

图18所示为各级线圈的电流曲线，可以看出，各级线圈电流是逐渐上升的，最大电流接近1500A，这仍在可控硅的通态浪涌容许电流范围内。从电流曲线也可以看出，各级线圈是交替导通的，每级放电时间逐渐缩短，从660us到120us不等。

由试验的测试波形可以看出，本发明设计可以仅由一颗大电解电容提供储能，小薄膜电容参与谐振，就能做到能量的回收与释放，能够提高电磁炮发射功率和发射效率。

该发明方案控制方式简单，电路器件较少，能在较短距离上加速弹丸到高速，且效率相较传统拓扑有很大的提升，有极强的实用价值。可以用于制成高性能的电磁单兵武器(电磁枪)，同时可利用电压可控的特点调节发射功率，精确控制弹丸出速，用于非致命的防暴场合和运动枪械。由于其良好的便携性，也可以运用于各类电磁抛投发射系统(如破窗抛投器、救援绳抛投器以及各类代替气动抛投的场合)，利用其速度高且可控的特性，也可用于各类材料碰撞实验。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种用于多级线圈电磁炮的补能谐振电路结构，其特征在于，包括有极性的第一主储能单元、第一全控开关、第一续流二极管，以及至少一组加速网络；所述第一续流二极管与所述第一主储能单元同相并联，所述第一全控开关连接于所述第一主储能单元和所述第一续流二极管之间；

所述加速网络包括至少一级第一加速电路、无极性的副储能单元，以及级数与所述第一加速电路相同的第二加速电路；各级所述第一加速电路和第二加速电路均包括串联的加速线圈和半控开关；各级所述第一加速电路均顺着所述第一主储能单元的放电方向，连接于所述第一续流二极管和所述副储能单元之间；各级所述第二加速电路均连接于所述副储能单元两端，连接方向与所述第一主储能单元为所述副储能单元充电方向相反；

所述第一主储能单元、所述第一续流二极管、所述副储能单元未连接所述第一加速电路的一端等电势。

2.如权利要求1所述的用于多级线圈电磁炮的补能谐振电路结构，其特征在于，所述第一续流二极管的第一端通过所述第一全控开关以相反极性连接所述第一主储能单元的第一端；

各级所述第一加速电路均顺着所述第一主储能单元的放电方向连接于所述第一续流二极管的第一端和所述副储能单元的第一端之间；各级所述第二加速电路均连接于所述副储能单元的第一端和第二端之间；

所述第一主储能单元的第二端、所述第一续流二极管的第二端和所述副储能单元的第二端等电势。

3.如权利要求1或2所述的用于多级线圈电磁炮的补能谐振电路结构，其特征在于，至少一组所述加速网络还包括第二主储能单元、第二全控开关和第二续流二极管；所述第二主储能单元、第二全控开关、第二续流二极管和各级所述第二加速电路构成的电路，与所述第一主储能单元、第一全控开关、第一续流二极管和各级所述第一加速电路构成的电路，关于所述副储能单元呈对称关系。

4.如权利要求1或2所述的用于多级线圈电磁炮的补能谐振电路结构，其特征在于，所述第一主储能单元为高储能密度有极元件，所述副储能单元为高压无极元件。

5.如权利要求1所述的用于多级线圈电磁炮的补能谐振电路结构，其特征在于，每一组加速网络中，第一加速电路的加速线圈和第二加速电路的加速线圈交替排布；并且，各组加速网络的加速线圈根据各组加速网络的排列顺序交错排布。

6.如权利要求1或2所述的用于多级线圈电磁炮的补能谐振电路结构的作业方法，所述用于多级线圈电磁炮的补能谐振电路结构中，每一组加速网络中，第一加速电路的加速线圈和第二加速电路的加速线圈交替排布；并且，各组加速网络的加速线圈根据各组加速网络的排列顺序交错排布；其特征在于，方法包括：

根据各组加速网络中加速线圈排列的先后顺序，循环执行：

根据各组加速网络排列的顺序，从第一组加速网络开始，依次执行：

导通第一全控开关，和当前组加速网络的当前级第一加速电路的加速线圈的半控开关；

第一时长后，关断所述第一全控开关第二时长；

然后，根据各组加速网络排列的顺序，从第一组加速网络开始，依次执行：

导通当前组加速网络的当前级第二加速电路的加速线圈的半控开关，经历第三时长。

7.如权利要求3所述的用于多级线圈电磁炮的补能谐振电路结构的作业方法，所述用于多级线圈电磁炮的补能谐振电路结构中，所有加速网络均包括第二主储能单元、第二全控开关和第二续流二极管，每一组加速网络中，第一加速电路的加速线圈和第二加速电路的加速线圈交替排布；并且，各组加速网络的加速线圈根据各组加速网络的排列顺序交错排布；其特征在于，方法包括：

根据各组加速网络中加速线圈排列的先后顺序，循环执行：

根据各组加速网络排列的顺序，从第一组加速网络的开始，依次执行：

导通第一全控开关，和当前组加速网络的当前级第一加速电路的加速线圈的半控开关；

第一时长后，关断所述第一全控开关第二时长；

然后，根据各组加速网络排列的顺序，从第一组加速网络开始，依次执行：

导通当前组加速网络的第二全控开关，和当前组加速网络的当前级第二加速电路的加速线圈的半控开关；

第三时长后，关断当前组加速网络的第二全控开关第四时长。

8.如权利要求3所述的用于多级线圈电磁炮的补能谐振电路结构的作业方法，所述用于多级线圈电磁炮的补能谐振电路结构中，部分加速网络包括第二主储能单元、第二全控开关和第二续流二极管，每一组加速网络中，第一加速电路的加速线圈和第二加速电路的加速线圈交替排布；并且，各组加速网络的加速线圈根据各组加速网络的排列顺序交错排布；其特征在于，方法包括：

根据各组加速网络中加速线圈排列的先后顺序，循环执行：

根据各组加速网络排列的顺序，从第一组加速网络的开始，依次执行：

导通第一全控开关，和当前组加速网络的当前级第一加速电路的加速线圈的半控开关；

第一时长后，关断所述第一全控开关第二时长；

然后，根据各组加速网络排列的顺序，从第一组加速网络开始，依次执行：

若当前组加速网络包含第二主储能单元、第二全控开关和第二续流二极管，则，

导通当前组加速网络的第二全控开关，和当前组加速网络的当前级第二加速电路的加速线圈的半控开关；

第三时长后，关断当前组加速网络的第二全控开关第四时长；

若当前组加速网络不包含第二主储能单元、第二全控开关和第二续流二极管，则，

导通当前组加速网络的当前级第二加速电路的加速线圈的半控开关，经历第三时长。