CN104901602A - 一种小型电磁加速*** - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种小型电磁加速***，包括：ZVS升压模块，将低压直流转化为高频交流；电源模块，为ZVS模块提供低压直流电；电压控制模块，对ZVS升压模块的输出电压进行自动控制；控制信号模块，用于检测被加速物体所处位置与产生控制信号；共轴线圈组模块，用于产生强脉冲磁场以加速磁性或非磁性导体；开关管模块，由固态开关管构成，受控制信号模块的信号控制，用于导通电容与发射线圈回路；主板，集成了与上述模块连接的接口，以及各加速单元电容电压指示。测速模块，用于检测被加速物体的速度；本发明体积小、重量轻、效率高、寿命长、可直接向人们展示加速过程。

Description

一种小型电磁加速***

技术领域

本发明涉及电磁加速器技术领域，尤其涉及一种小型电磁加速***。

背景技术

目前常用的电磁加速器有磁阻线圈加速器、同步感应线圈加速器；

磁阻线圈加速器：由一系列螺线管驱动线圈和铁磁材料的磁轭铁芯组成。所谓磁阻，是指阻止线圈周围磁路建立磁通的阻力。显然，在线圈腔管内放置铁磁材料能减少磁阻。当铁芯运动时，环绕线圈的磁路的磁阻将发生变化，于是就对铁芯弹丸产生了作用力。铁磁材料的铁芯比被它取代的空气有更大的磁导率（μ_p>>1）。当铁芯行进到线圈中心时，磁通较容易形成和通过，这是因为磁路的空气隙变小，磁路的磁阻也小，此时对铁芯的作用力亦最小。当铁芯从线圈中心移开时，原来拉铁芯向前的磁力现在变为拉铁芯向后，因此，当铁芯到达线圈中心后必须立即采取某些措施以使它不被拉回。应特别注意，铁芯弹丸仅受拉力，而不受推力作用，它不具备某些线圈加速器在适当选择两种线圈电流方向时可对弹丸可拉、可推的优点。但由于铁磁材料在磁路中出现，将给分析到来非线性问题，因而在确定加速力和绕组电感时，应当使用计算机有限元编码。

同步感应线圈加速器：上世纪60年代中期，由于磁通压缩、反作用发动机和金属成形等相继得到应用，使单级感应线圈加速器得以问世和发展。单级感应线圈加速器结构极为简单，一般由储能电源（如电容器组）、开关、驱动线圈和弹丸线圈（或被驱动环）组成。通常驱动线圈和弹丸线圈是同轴和等直径的，这是为了保证磁耦合最紧密。当脉冲电流加到驱动线圈时，弹丸线圈交链磁通感应出一方向相反的环形电流，此环形电流与两线圈间的磁场相互作用产生安培力，此力驱动弹丸线圈朝前运动。由于在弹丸线圈内感应的电流与驱动电流反向，所以在脉冲感应线圈炮中只存在推斥方式的驱动力。

多级脉冲感应线圈加速器是由多个单级线圈串列而成。每当弹丸线圈到达驱动线圈的适当位置时，使该驱动线圈放电，其磁场在弹丸线圈内变化，以感生电流。驱动线圈是分立的，一般每个驱动线圈各有自己的独立电源，并由开关同步转换。弹丸线圈可以是多匝闭合线圈，也可以是金属套筒（即单匝弹丸线圈）。由于利用同步放电和弹丸线圈内磁通变化感应加速，故称之为同步感应线圈加速器。

目前电磁加速器具有如下缺点：

1、传统加速器通常采用单级加速模式，浪涌极高，普通开关无法承受，而大功率开关价格却又异常昂贵，而且即使是灭弧开关，在接通高压大电流时，也会因接触电阻而烧蚀，导致开关寿命短，且损耗也非常大，使得加速效率低下。

2、传统升压方式为低频（大部分采用“220V、50HZ ”通过变压器升至高压），体积庞大，重量大，功率小，能源转化效率低。

3、现投入应用的加速器一般属于工业和军用，被加速的物体虽然携带动能大，但是储能装置质量也异常大，一般是用几个仓库来存储发射一次用的电能。这样的装置体积庞大而笨重，无法搬运，而且内部结构封闭，无法为人们直观展示加速原理与工作机制。而且近代的一些实验受计算机技术发展的限制，无法对电磁加速器中引入铁磁性物质带来的非线性问题进行计算与分析，因此需要大量的试验才能找到一组效率稍高的参数（因为该***中影响加速效率与速度的自变量有11个），而且效率一般较为低下。

4、传统电磁加速器，只能以单模式（磁阻模式或感应模式）工作。

发明内容

基于背景技术提出的问题，本发明提出一种小型电磁加速***，本发明体积小、重量轻、效率高、寿命长、可直接向人们展示加速过程。

一种小型电磁加速***，包括：

ZVS升压模块，将输入的低压直流12V-24V经双电感ZVS电路转化为高频交流，然后输入高频变压器进行升压，峰值高于450V，再对该高压进行全桥整流，实现了小体积下的大功率升压。

电源模块，为ZVS模块提供低压直流电；

电压控制模块，对ZVS升压模块输出的高压进行采样，当达到预定电压时，电压控制模块中的继电器控制ZVS模块中固态继电器的动作，切断ZVS模块的电力供应；

控制信号模块，用于检测被加速铁磁性材料所处位置与产生控制信号；

共轴线圈组模块，用于产生强脉冲磁场以加速磁性或非磁性导体；

储能模块，临时电能储存装置，由电容组组成；

开关管模块，由固态开关管构成，受控制信号模块的信号控制，用于导通电容与发射线圈回路；

测速模块，用于检测被加速物体的速度；

主板模块，集成了与上述模块连接的接口，以及各加速单元电容电压指示。

优选地，控制信号模块由集成光电开关电路与光电探头组成，光电探头由红外发射管和红外接收管组成，用于检测被加速铁磁性材料的所在位置，并把信号反馈给光电开关电路。

优选地，共轴线圈组模块包括共轴线圈组，共轴线圈组由漆包铜线同向绕制，其匝数、线径和层数由被加速铁磁性材料决定，整个线圈外部由铜胶带包裹，以屏蔽电磁场。

优选地，储能模块容量因共轴线圈组匝数与层数、被加速磁性材料质量、磁导率及初始速度决定。

优选地，储能模块采用耐压值为450V的电解电容。

优选地，电源模块由储能密度高的锂离子电池组组成。

优选地，开关管模块采用型号为70TPS16晶闸管。

优选地，测速模块由单片机、信号采集电路、数码管和独立电源组成。

本发明使用了ZVS升压模块进行升压，实现了小体积大功率升压，并采用电压控制模块来实现ZVS升压模块的通断，开关管模块采用了大功率型号为70TPS16晶闸管，并且借助线圈加速器仿真软件，通过分析LC谐振时间与被加速铁磁性材料的初速度、质量、磁导率等参数，搭配电容容量与线圈的匝数与层数和线径，并进行大量仿真模拟，寻找到一组适合于小体积加速器的数据，实现了将曾经庞大的电磁加速***小型化。鉴于其小型化的特点，可直接向人们展示加速的整个过程，对电磁力加速物体的应用具有科普作用。

本发明采用多单元加速模式，将总能量合理分布至各个加速单元，降低了瞬间浪涌电流以降低对开关结构的冲击，并使用了固态开关作为开关结构，大大降低了开关损耗，提高了加速效率，大大延长了使用寿命长；本发明通过ZVS（零电压开关）将低压直流转化高频交流（高于40KHZ），搭载高频变压器进行升压，体积小，重量轻，功率大，能源转化效率高，而且使得整个电磁加速***可以脱离电网工作，降低环境因素对其工作的影响；本发明通过将***设计为多个模块，在每个模块的设计上都考虑到了将该***进行小型化的目的，其主要有电容组模块和线圈组组模块的大幅改进。同时，通过借助线圈式电磁加速仿真软件，通过大量的仿真模拟，在保证加速效率的同时，调配***中11个变量之间的搭配关系，将质量与体积大大缩减，达到一个人可以轻松搬运的程度，使之成为一个真正的小型电磁加速***。

附图说明

图1为本发明提出的一种小型电磁加速***的结构框图。

图2为本发明提出的一种小型电磁加速***的ZVS逆变及电压自动控制电路图。

图3为本发明提出的一种小型电磁加速***的电路连接图。

图4为本发明提出的一种小型电磁加速***的加速单元的电路图。

具体实施方式

如图1-4所示，图1为本发明提出的一种小型电磁加速***的结构框图；图2为本发明提出的一种小型电磁加速***的ZVS逆变及电压自动控制电路图；图3为本发明提出的一种小型电磁加速***的电路连接图；图4为本发明提出的一种小型电磁加速***被加速铁磁性材料的电路图。

参照图1-4，本发明实施例提出的一种小型电磁加速***，包括：

ZVS升压模块，将输入的低压直流12V-24V经双电感ZVS电路转化为高频交流，然后输入高频变压器进行升压，峰值高于450V，再对该高压进行全桥整流，实现了小体积下的大功率升压。

电源模块，为ZVS模块提供低压直流电，由储能密度高的锂离子电池组组成。

电压控制模块，对ZVS升压模块输出的高压进行采样，当达到预定电压时，电压控制模块中的继电器控制ZVS模块中固态继电器的动作，切断ZVS模块的电力供应。

控制信号模块，用于检测被加速铁磁性材料所处位置与产生控制信号；控制信号模块由集成光电开关电路与光电探头组成，光电探头由红外发射管和红外接收管组成，用于检测被加速铁磁性材料的所在位置，并把信号反馈给光电开关电路。

共轴线圈组模块，用于产生强脉冲磁场以加速磁性或非磁性导体；共轴线圈组模块包括共轴线圈组，共轴线圈组由漆包铜线同向绕制，其匝数、线径和层数由被加速铁磁性材料决定，整个线圈外部由铜胶带包裹，以屏蔽电磁场。

储能模块，临时电能储存装置，由电容组组成；储能模块容量由共轴线圈组匝数与层数、被加速磁性材料质量、磁导率及初始速度决定，一般采用耐压值为450V的电解电容。

开关管模块，由固态开关管构成，受控制信号模块的信号控制，用于导通电容与发射线圈回路；具体地开关管模块采用型号为70TPS16晶闸管。

测速模块，测速模块由单片机、信号采集电路、数码管和独立电源组成，用于检测被加速物体的速度。

主板模块，集成了与上述模块连接的接口，以及储能模块的各单元电容电压指示。

本发明操作步骤如下：以磁阻式电磁加速模式为例，

1、***组装：按照图1-3，组装实物；注：1、在接入ZVS升压模块时，应先断开ZVS升压模块开关，再接入小型电磁加速***；2、在ZVS升压模块高压输出端并联上一支直流500V电压表，以此作为储能模块中电容组电压的实时监测。

2、电路检查：检查所有电路连接是否正常，不得有导线接触不良或连接错误。

3、实验前准备：在共轴线圈组的铁磁性材料出口书放置一个沙袋，以消耗铁磁性材料被加速后携带有的较大动能，防止弹射伤人；清理实验台上所有无关物品；所有数码设备应离该装置至少1米，以防脉冲磁场损坏其内部电子器件；由于铁磁性材料被加速后，携带较大动能，因此任何人员不得处于共轴线圈所在直线。

4、初步上电测试：打开ZVS升压模块开关，等待储能模块电压达到150V后断开该开关，在共轴线圈组铁磁性材出口的另的一端放入预设的铁磁性材料，按下加速按钮，即可对该磁性材料进行加速。

5、正式上电实验：初步上电试验成功后，闭合电源模块开关，一直等待ZVS升压模块给储能模块充电结束，再次放入预设的铁磁性材料，按下加速开关，加速***便会对该铁磁性材料进行全力加速。

本发明还可以以感应式或磁阻--感应复合电磁加速模式工作，通过修改***参数，即可实现多模式（磁阻——感应复合模式、磁阻模式、感应模式）工作，为后续的实验探究与开发利用提供了广阔空间。

在具体实施例中，下表数据是由不断协调该***中各项参数值，通过大量的仿真模拟，并不断改进使其最大程度趋近于小型化特点而得出的，适合于廉价固态开关，低浪涌，质量小，加速效率相对较高的实验参数。其较为符合电磁加速***小型化的特点。

为了保证电磁加速***最终能实现小型化的特点，实验之初固定了一些参数，其各项数据如下：

1、铁磁性材料的质量、直径、长度、饱和磁导。（具体数值：质量=5.2g；直径=6mm；长度=30mm；饱和磁导=1.8T）

2、所使用的铜质漆包线密度以及导电率。（密度=8920kg/m^3；导电率=5.8*10^7Siemens/m）

3、共轴线圈的长度和所使用支架的直径。（长度=30mm；支架直径=8mm)

4、电容的耐压值。(耐压值=450V)

本发明中，电压控制模块可以采用单片机控制；ZVS升压模块可以换用市电升压或其他开关电路升压替代；控制信号产生模块中控制信号的产生可以用单片机、金属触片和磁耦合等方式产生；电源模块中电池可以换成市电，但对应的升压参数也应随之改变。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，如本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种小型电磁加速***，其特征在于，包括：

ZVS升压模块，将输入的低压直流12V-24V经双电感ZVS电路转化为高频交流，然后输入高频变压器进行升压，峰值高于450V，再对该高压进行全桥整流；

电源模块，为ZVS模块提供低压直流电；

电压控制模块，对ZVS升压模块输出的高压进行采样，当达到预定电压时，电压控制模块中的继电器控制ZVS模块中固态继电器的动作，切断ZVS模块的电力供应；

控制信号模块，用于检测被加速铁磁性材料所处位置与产生控制信号；

共轴线圈组模块，用于产生强脉冲磁场以加速磁性或非磁性导体；

储能模块，临时电能储存装置，由电容组组成；

开关管模块，由固态开关管构成，受控制信号模块的信号控制，用于导通电容与发射线圈回路；

测速模块，用于检测被加速物体的速度；

主板模块，集成了与上述模块连接的接口，以及各加速单元电容电压指示。

2.如权利要求1所述的小型电磁加速***，其特征在于，控制信号模块由集成光电开关电路与光电探头组成，光电探头由红外发射管和红外接收管组成，用于检测被加速铁磁性材料的所在位置，并把信号反馈给光电开关电路。

3.如权利要求1所述的小型电磁加速***，其特征在于，共轴线圈组模块包括共轴线圈组，共轴线圈组由漆包铜线同向绕制，其匝数、线径和层数由被加速铁磁性材料决定，整个线圈外部由铜胶带包裹，以屏蔽电磁场。

4.如权利要求1所述的小型电磁加速***，其特征在于，储能模块容量因共轴线圈组匝数与层数、被加速磁性材料质量、磁导率及初始速度决定。

5.如权利要求1所述的小型电磁加速***，其特征在于，储能模块采用耐压值为450V的电解电容。

6.如权利要求1所述的小型电磁加速***，其特征在于，电源模块由储能密度高的锂离子电池组组成。

7.如权利要求1所述的小型电磁加速***，其特征在于，开关管模块采用型号为70TPS16晶闸管。

8.如权利要求1所述的小型电磁加速***，其特征在于，测速模块由单片机、信号采集电路、数码管和独立电源组成。