PL224830B1 - Wyrzutnia elektromagnetyczna - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest wyrzutnia elektromagnetyczna, mająca zastosowanie głównie do edukacyjnych eksperymentów fizycznych w dziedzinie mechaniki i elektromagnetyzmu, w szczególn ości do badania rzutów i przemian energii elektrycznej.

Ze stanu techniki znana jest wyrzutnia elektromagnetyczna, ujawniona w publicznie dostępnym raporcie, opracowanym przez Eric'a Davis'a, zatytułowanym „Advanced Propulsion Study”, wydanym przez Air Force Research Laboratory w Stanach Zjednoczonych w 2004 r. Znana wyrzutnia składa się z kilku ustawionych wzdłuż jednej prostej cewek bezrdzeniowych. Każda z tych cewek przyłączona jest do oddzielnego zasilacza impulsowego. Przez cewki przechodzi nieferromagnetyczna prowadnica, na początku której przed pierwszą cewką, umieszczany jest ferromagnetyczny pocisk. Zasada działania znanej wyrzutni polega na tym, że do cewek przykładane są kolejno impulsowe napięcia o dokładnie dobranym czasie trwania, zależnym od masy pocisku i innych parametrów wyrzutni. W wyniku tego pocisk jest wciągany do pierwszej cewki i nabiera przy tym pewnej prędkości początkowej. Gdy pocisk znajdzie się w tej cewce i ma maksymalną prędkość, wówczas impuls przyłożony do tej cewki zanika. W tym momencie przykładany jest analogiczny impuls do drugiej cewki, która wciąga pociski i powoduje dalsze zwiększenie jego prędkości. Po osiągnięciu maksymalnej prędkości pocisku w tej cewce, przyłożony do niej impuls również zanika. Opisana sytuacja powtarza się dla kolejnych cewek. W wyniku tego pocisk wylatujący z ostatniej cewki ma znacznie większą prędkość, niż prędkość początkowa. Z tego samego raportu znana jest też wyrzutnia, nazywana działem szynowym. Wyrzutnia ta składa się z dwóch równoległych, przewodzących szyn. Początki tych szyn przyłączone są do zasilacza impulsowego. Na szynach umieszczony jest pocisk, mający kształt belki zwierającej szyny i zakończonej z przodu grotem, wykonany z nieferromagnetycznego metalu. Działanie znanej wyrzutni polega na tym, że do początków szyn przykładany jest impuls prądu o dużym natężeniu. Szyny wytwarzają przez to pole magnetyczne, które oddziałuje z prądem elektrycznym płynącym w pocisku zwierającym szyny. W wyniku tego wytwarzana jest siła elektrodynamiczna, która rozpędza pocisk do dużej prędkości, skierowanej w stronę otwartych końców szyn. W końcowym efekcie pocisk opuszcza szyny i następuje jego wyrzut. Powierzchnie szyn mogą ulec przy tym nadtopieniu, wskutek ciepła wytwarzanego przez łuk elektryczny zapalający się przy bardzo dużym natężeniu prądu i niedostatecznym kontakcie pocisku z szynami.

Znana wyrzutnia elektromagnetyczna, podobna do poprzednio opisanej wyrzutni z kilkoma cewkami, znana jest też z artykułu D. Bresie i S. Ingram'a pod tytułem „Coilgun technology at the center for electromechanics, The University of Texas at Austin”, opublikowanego w czasopiśmie „Transaction on Magnetics” tom 29, numer 1, rok 1993, strony 649-654. Wyrzutnia ta różni się tym od poprzednio opisanej tym, że przykładanie impulsów do kolejnych cewek sterowane jest za pomocą źródeł światła i fotokomórek, umieszczonych przed cewkami wzdłuż prowadnicy, po której porusza się pocisk. Przechodzący przed fotokomórką pocisk powoduje przerwanie strumienia światła wysyłanego przez źródło. Przerwanie to wykrywa fotokomórka połączona z układem elektronicznym, załączającym impuls napięcia do cewki, do której zbliża się pocisk.

Znane są też przenośne wyrzutnie elektromagnetyczne w formie pistoletów elektromagnetyc znych, opisane przez Marka Utkina w artykule zatytułowanym „Działa elektromagnetyczne”, opublikowanym w czasopiśmie „Młody Technik”, numer 5, rok 2006, strony 36-39. Wyrzutnie te zawierają układy cewek ustawionych wzdłuż jednej prostej, prowadnicę i ferromagnetyczny pocisk w kształcie walca, analogiczne do wcześniej opisanych. Oprócz tego w wyrzutniach tych do zasilania cewek zastosowano akumulatory i przetwornicę napięcia. Załączanie impulsów napięcia do poszczególnych cewek następuje za pomocą kontaktów umieszczonych wzdłuż prowadnicy i zwieranych przez pocisk, zbliżający się do cewek. Z tego artykułu znane są też wyrzutnie elektromagnetyczne, zbudowane tak samo, jak działo szynowe opisane we wcześniej cytowanym raporcie, opracowanym przez Eric'a Davis'a.

Ponadto znane są wyrzutnie elektromagnetyczne zawierające układy cewek lub szyny, zb udowane analogicznie, jak we wcześniej cytowanych źródłach z tą różnicą, że pocisk jest dodatk owo przyspieszany za pomocą sprężonego pod dużym ciśnieniem powietrza. Powietrze to rozprężając się do ciśnienia atmosferycznego przekazuje swoją energię pociskowi. Wyrzutnie te opisane są przez Jarosława Domina i Krzysztofa Kluszczyńskiego w artykule zatytułowanym „Hybrid pneumatic-electromagnetic launcher - general concept, mathematical model and result of simulaPL 224 830 B1 tion”, opublikowanym w czasopiśmie „Przegląd Elektrotechniczny”, rocznik 89, numer 12 rok 2013, na stronach 21-26.

Wszystkie znane ze stanu techniki wielostopniowe wyrzutnie elektromagnetyczne mają tę niekorzystną cechę, że wymagają precyzyjnie zsynchronizowanego zasilania elektromagnesów. Natomiast szynowe wyrzutnie elektromagnetyczne wymagają bardzo dużego natężenia prądu, co powoduje wypalanie się prowadnic.

Istota rozwiązania polega na tym, że wyrzutnia elektromagnetyczna zawierająca, nieferrom agnetyczną prowadnicę o przekroju ceownika zwróconego ramionami ku górze, przymocowana od dołu do łącznika, połączonego przegubowo za pomocą śruby i nakrętki ze wspornikiem, osadzonym w podstawie, zasilacze impulsowe oraz ferromagnetyczny pocisk, według wynalazku, zawiera co najmniej dwa elektromagnesy, z których każdy składa się z uzwojenia nawiniętego na izolacyjn ym karkasie, umieszczonym w jednostronnie otwartym ferromagnetycznym rdzeniu garnkowym, natomiast końcówki tych uzwojeń przyłączone są równolegle do zasilacza impulsowego. Elektromagnesy umieszczone zostały współosiowo, przy czym otwarte końce rdzeni zwrócone są w tę samą stronę i rdzenie zostały przymocowane do nieferromagnetycznej prowadnicy o przekroju ceownika, zwróconego ramionami ku górze, przy czym koniec prowadnicy, znajdujący się przed otwartą stroną rdzenia pierwszego elektromagnesu jest zamknięty nieferromagnetyczną zastawką. Przed otwartą stroną rdzenia pierwszego elektromagnesu zamocowane jest uzwojenie startowe, nawinięte na izolacyjnym karkasie, otaczającym prowadnicę i przyłączane do oddzielnego zasilacza impulsowego. W poziomej powierzchni nieferromagnetycznej prowadnicy od strony zamkniętego końca każdego z rdzeni elektromagnesów oraz od strony zastawki znajdują się klinowe zagłębienia. Ponadto w prowadn icy pomiędzy elektromagnesami leżą po dwa ferromagnetyczne walce, wykonane korzystnie ze stali krzemowej, przy czym walec leżący bliżej zamkniętej strony rdzenia elektromagnesu ma k orzystnie jedną podstawę nachyloną względem drugiej podstawy pod kątem równym kątowi nach ylenia zagłębienia. W prowadnicy przed zastawką leży jeden ferromagnetyczny walec, natomiast od zamkniętej strony rdzenia ostatniego elektromagnesu leży jeden ferromagnetyczny walec z korzystnie nachyloną podstawą i ferromagnetyczny pocisk. Nieferromagnetyczną prowadnica przymocowana jest od dołu do łącznika połączonego przegubowo za pomocą śruby i nakrętki ze wspornikiem osadzonym w podstawie.

Istota zasady działania wyrzutni elektromagnetycznej według wynalazku polega na tym, że w położeniu początkowym wszystkie ferromagnetyczne walce leżą w klinowych zagłębieniach prowadnicy, przy czym walce między elektromagnesami stykają się ze sobą oraz z zamkniętą stroną rdzeni elektromagnesów, walec leżący przed zastawką również się z nią styka, zaś ferromagnetyczny pocisk i walec stykają się ze sobą oraz z zamkniętą stroną rdzenia ostatniego elektromagnesu. Nieferromagnetyczna prowadnica ma przy tym kierunek poziomy lub jest nachylona pod zadanym kątem wylotu pocisku. W tej sytuacji uzwojenia elektromagnesów zasila się napięciem magnesującym z zas ilacza impulsowego, co powoduje namagnesowanie ferromagnetycznych walców i uzyskanie przez nie energii potencjalnej, zgromadzonej w polu magnetycznym, przy czym walce leżące dalej od zamkniętej strony rdzeni elektromagnesów znajdują się w stanie równowagi metastabilnej. Podczas trwania impulsu magnesującego do uzwojenia startowego przykładny jest dodatkowy, krótki impuls napięcia z zasilacza, który powoduje odciągnięcie ferromagnetycznego walca od zastawki i jego uderzenie w pierwszy elektromagnes. Wytworzona przez to fala uderzeniowa rozchodzi się w rdzeniach i powoduje wybijanie kolejnych walców leżących dalej od zamkniętej strony rdzeni ze stanu równowagi m etastabilnej oraz przyciąganie ich do otwartej strony rdzeni następnych elektromagnesów. Przez to kolejne, odbijane walce uzyskują coraz większe prędkości kosztem zmniejszenia energii pola magnetycznego. W końcowym efekcie od walca leżącego za ostatnim elektromagnesem odbijany jest pocisk ze zwielokrotnioną prędkością w porównaniu z prędkością walca odciągniętego od zastawki. Po wyrzuceniu pocisku impuls napięcia magnesującego zostaje wyłączony. Nieferromagnetyczną prowadnicę przechyla się przez obrót na przegubowym połączeniu łącznikiem w stronę zastawki, co powoduje przesunięcie wszystkich ferromagnetycznych walców do położenia początkowego, zaś do walca leżącego za ostatnim elektromagnesem przykłada się kolejny, ferromagnetyczny pocisk. W tej sytuacji można oddać następny strzał przez przyłożenie impulsów napięcia w poprzednio opisany sposób. Klinowe zagłębienia w prowadnicy umożliwiają utrzymanie ferromagnetycznych walców w pozycjach dosuniętych do rdzeni i do zastawki przy poziomym ustawieniu prowadnicy, natomiast ukośne nach ylenie jednej z podstaw walców zwiększa ich powierzchnię styku z rdzeniami elektromagnesów.

PL 224 830 B1

Głównymi zaletami wyrzutni elektromagnetycznej według wynalazku są usunięcie konieczności precyzyjnie zsynchronizowanego zasilania i brak wypalania prowadnic oraz łatwa regulacja prędkości wyrzucanego pocisku przez zmianę napięcia impulsów zasilających.

Wyrzutnia elektromagnetyczna według wynalazku przedstawiona jest na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia przekrój podłużny wyrzutni płaszczyzną A-A przed wystrzałem, Fig. 2 pokazuje budowę elektromagnesu w przekroju osiowym, Fig. 3 przedstawia przekrój poprzeczny wyrzutni płaszczyzną B-B, a Fig. 4 pokazuje jej przekrój podłużny płaszczyzną A-A po wystrzale.

Wyrzutnia elektromagnetyczna według wynalazku zawiera sześć elektromagnesów 1, z których każdy składa się z uzwojenia 2, nawiniętego na izolacyjnym karkasie 3, umieszczonym w jednostronnie otwartym ferromagnetycznym rdzeniu garnkowym 4, o średnicy 18 mm i długości 25 mm, natomiast końcówki tych uzwojeń przyłączone są równolegle do zasilacza impulsowego 5. Elektromagnesy 1 umieszczone są współosiowo, przy czym otwarte końce rdzeni 4 zwrócone są w tę samą stronę i rdzenie 4 zostały przymocowane do nieferromagnetycznej prowadnicy 6 o przekroju ceownika mającego szerokość wewnętrzną 18,5 mm i wysokości ramion 24 mm, zwróconego ramionami ku górze, przy czym koniec prowadnicy 6, znajdujący się przed otwartą stroną rdzenia pierwszego elektromagnesu jest zamknięty nieferromagnetyczną zastawką 7. Przed otwartą stroną rdzenia 4 pierwszego elektromagnesu zamocowane jest uzwojenie startowe 8, nawinięte na izolacyjnym karkasie 9, otaczającym prowadnicę 6 i przyłączane do oddzielnego zasilacza impulsowego 10. W poziomej powierzchni nieferromagnetycznej prowadnicy 6, od strony zamkniętego końca każdego z rdzeni elektromagnesów oraz od strony zastawki 7, znajdują się klinowe zagłębienia 11. Ponadto w prowadnicy 6 pomiędzy elektromagnesami 1 leżą po dwa ferromagnetyczne walce 12, 13 o średnicy 18 mm, wykonane ze stali krzemowej, przy czym walec 12, leżący bliżej zamkniętej strony rdzenia elektromagnesu 1 ma jedną podstawę nachyloną względem drugiej podstawy pod kątem równym 5°. W prowadnicy 6 przed zastawką 2 leży jeden ferromagnetyczny walec 14, natomiast od zamkniętej strony rdzenia ostatniego elektromagnesu leży jeden ferromagnetyczny walec 15 z nachyloną podstawą, jak walec 12 i ferromagnetyczny pocisk 16 o średnicy 18 mm. Nieferromagnetyczną prowadnica 6 jest przymocowana od dołu do łącznika 17, połączonego przegubowo za pomocą śruby 18 i nakrętki 19 ze wspornikiem 20, osadzonym w podstawie 21.

Działanie wyrzutni elektromagnetycznej według wynalazku polega na tym, że w położeniu początkowym wszystkie ferromagnetyczne walce 12, 13 leżą w klinowych zagłębieniach 11 nieferromagnetycznej prowadnicy 6, przy czym walce między elektromagnesami 1 stykają się ze sobą oraz z zamkniętą stroną rdzeni 4 tych elektromagnesów 1, walec 14 leżący przed zastawką 7 również się z nią styka, zaś ferromagnetyczny pocisk 16 i walec 15 stykają się ze sobą oraz z zamkniętą stroną rdzenia ostatniego elektromagnesu 1. Nieferromagnetyczną prowadnica 6 ma przy tym kierunek poziomy lub jest nachylona pod zadanym kątem wylotu pocisku. W tej sytuacji uzwojenia 3 elektromagnesów 1 zasila się napięciem magnesującym z zasilacza impulsowego 5, co powoduje namagnesowanie ferromagnetycznych walców 12, 13, 15 i uzyskanie przez nie energii potencjalnej, zgromadzonej w polu magnetycznym, przy czym walce 13, leżące dalej od zamkniętej strony rdzeni elektromagnesów 1 znajdują się w stanie równowagi metastabilnej. Podczas trwania impulsu magnesującego do uzwojenia startowego 8 przykładny jest dodatkowy, krótki impuls napięcia z zasilacza 10, który powoduje odciągnięcie ferromagnetycznego walca 14 od zastawki 7 i jego uderzenie w pierwszy elektromagnes 1. Wytworzona przez to fala uderzeniowa rozchodzi się w rdzeniach i powoduje wybijanie kolejnych walców 13, leżących dalej od zamkniętej strony rdzeni 4 ze stanu równowagi metastabilnej oraz przyciąganie ich do otwartej strony rdzeni 4 następnych elektromagnesów 1. Przez to kolejne odbijane walce 13 uzyskują coraz większe prędkości kosztem zmniejszenia energii pola magnetycznego. W końcowym efekcie od walca 15, leżącego za ostatnim elektromagnesem odbijany jest pocisk 16 z prędkością około pięć razy większą w porównaniu z prędkością walca 14. Po wyrzuceniu pocisku 16 impuls napięcia magnesującego zostaje wyłączony. Nieferromagnetyczną prowadnicę 6 przechyla się przez obrót na przegubowym połączeniu łącznikiem 17 w stronę zastawki 7, co powoduje przesunięcie wszystkich ferromagnetycznych walców 12, 13, 14, 15 do położenia początkowego, zaś do walca 15, leżącego za ostatnim elektromagnesem 1, przykłada się kolejny, ferromagnetyczny pocisk 16. W tej sytuacji można oddać następny strzał przez przyłożenie impulsów napięcia w poprzednio opisany sposób.

Claims (3)

1. Wyrzutnia elektromagnetyczna zawierająca, nieferromagnetyczną prowadnicę (6) o przekroju ceownika zwróconego ramionami ku górze, przymocowana od dołu do łącznika (17), połączonego przegubowo za pomocą śruby (18) i nakrętki (19) ze wspornikiem (20), osadzonym w podstawie (21), zasilacze impulsowe (5) (10) oraz ferromagnetyczny pocisk (16), znamienna tym, że zawiera co najmniej dwa elektromagnesy (1), z których każdy składa się z uzwojenia (2), nawiniętego na izolacyjnym karkasie (3), umieszczonym w jednostronnie otwartym ferromagnetycznym rdzeniu garnkowym (4), końcówki tych uzwojeń (2) przyłączone są równolegle, przy czym elektromagnesy (1) umieszczone są współosiowo, otwarte końce rdzeni (4) zwrócone są w tę samą stronę a rdzenie (4) zostały przymocowane do nieferromagnetycznej prowadnicy (6), koniec prowadnicy (6), znajdujący się przed otwartą stroną rdzenia pierwszego elektromagnesu (1) jest zamknięty nieferromagnetyczną zastawką (7) i przed otwartą stroną rdzenia tego elektromagnesu zamocowane jest uzwojenie startowe (8), nawinięte na izolacyjnym karkasie (9), otaczającym prowadnicę (6), w poziomej powierzchni nieferromagnetycznej prowadnicy (6), od strony zamkniętego końca każdego z rdzeni elektromagnesów oraz od strony zastawki, znajdują się klinowe zagłębienia (11), w których pomiędzy elektromagnesami (1) leżą po dwa ferromagnetyczne walce (12), (13), a przed zastawką (7) leży jeden ferromagnetyczny walec (14), od zamkniętej strony rdzenia ostatniego elektromagnesu (1) leży jeden ferromagnetyczny walec (15).

2. Wyrzutnia elektromagnetyczna według zastrz. 1, znamienna tym, że walce (12), (13), wykonane są ze stali krzemowej.

3. Wyrzutnia elektromagnetyczna według zastrz. 1 albo 2, znamienna tym, że walce (12) i (15) mają jedną podstawę nachyloną względem drugiej podstawy pod kątem równym kątowi nachylenia