旋轉多極矩場電磁推進器的製作方法
2023-05-31 09:08:16
專利名稱：旋轉多極矩場電磁推進器的製作方法
技術領域：
本發明屬於電磁發射技術領域，它特別涉及基於旋轉多極矩磁場構型的電磁推進
直O
背景技術：
電磁發射包括電磁推進和電磁彈射，是指利用電磁力推動拋體達到一定速度的裝置，由於起初是作為軍事武器，因此又稱為電磁炮。常規電磁推進器可以分為兩大類一是導軌型(導軌炮)，二是線圈型(線圈炮、重接炮)。當前，常規電磁推進器存在一些原理性缺陷或面臨一定技術困難。導軌型電磁推進器結構簡單，它是利用兩條平行的大電流導軌產生的強磁場來加速位於導軌間的導電電樞。由於在兆安級電流下進行推射，電樞、導軌等部件要在瞬間承受極大的熱流衝擊，易造成嚴重燒蝕與表面剝落；導軌一電樞之間的滑動接觸處也會產生熔融，導軌出口處易產生電弧等現象，這些都嚴重製約導軌型電磁推進的壽命、拋體出口速度和系統發射效率的提高。同軸線圈型加速器是最早的電磁推進形式，它是利用一系列長直螺線管線圈產生的磁行波順序加速拋體線圈(或感應渦流電樞)來實現加速的。同軸直螺線管線圈型電磁推進器對拋體電樞的電磁力分量主要表現為徑向作用，徑向應力遠大於軸向加速力，導致拋體電樞的運動產生波動，可能會與飛行導管內壁相碰撞，因此系統推進的電磁力利用率不高，再加上拋體電樞的歐姆損耗較大，多級驅動線圈陣列的耗能與儲能也較大，這些因素造成推進效率較低，推進性能難以提高，而且多級推進精確同步控制系統複雜，容易引起驅動線圈加載電流的誤操作等。
發明內容
鑑於現有技術的缺點，本發明的目的是面向未來超高速、大質量和高效率的發射要求，解決常規線圈型電磁推進器軸向加速所用電磁力分量較小的缺陷，提出應用多級驅動的旋轉多極矩場進行電磁推進與發射，設計旋轉多極矩場電磁推進模式、電源電路和控制方式，保障拋體電樞旋轉穩定地加速運動。本發明的目的是通過如下手段實現的
旋轉多極矩場電磁推進器，主要由磁場線圈、拋體電樞、電源電路、拋體位置檢測傳感器以及同步精確控制晶片構成，所述磁場線圈採用多極矩線圈組，分級設置的多極矩線圈組沿拋體電樞的運動方向延伸；多極矩線圈組與拋體電樞間設置有飛行導管；多極矩線圈組中各線圈與電源電路連接以獲得放電脈衝電流。採用本發明的方案，單級多極矩磁場線圈構型產生指向圓心的徑向磁場，與環向電流相互作用的電磁力主要分量為軸向加速力。在多級驅動的旋轉多極矩磁場線圈中，平面的多極矩磁場沿縱向擴展並扭轉，多級驅動線圈在時序脈衝電流的作用下產生一種旋轉前進的磁行波，該變化的磁行波在拋體電樞上感生渦流，而渦流與多極矩磁場相互作用產生電磁力，對拋體電樞有軸向加速力、環向轉矩和橫向回復力的作用，使得拋體電樞能夠旋
3轉穩定地加速運動。本發明旋轉多極矩場電磁推進器能夠對拋體電樞產生較強作用的軸向電磁加速推力；具有電磁加速力大、發射拋體質量大、出口速度高、旋轉運動平衡、懸浮穩定，以及高效環保的優勢。本發明可以廣泛應用於機車推進、火箭助推、電磁成型以及旋轉掘進機械等領域，特別建議用在真空管道運輸技術。
如下
圖1為本發明旋轉多極矩場電磁推進器的實施例結構示意圖。圖2為圖1實施例的整體系統框圖。圖3為本發明單級多極矩場電磁推進器的原理示意截面圖。圖4為本發明旋轉多極矩場電磁推進器的電磁力示意剖面圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。多極矩線圈組沿拋體電樞的運動方向延伸時，相鄰兩組多極矩線圈組間的多極矩線圈可以直接重疊，多級驅動線圈的扭轉角度為零，即每一級驅動線圈都並列排放，該種對稱的多極矩場對拋體電樞沒有旋轉效應，拋體電樞的橫向穩定性能滿足。但更為體現本發明優點的是可採用呈螺旋角分布的構造，即多極矩線圈組沿拋體電樞的運動方向延伸的同時作並扭轉排列，相鄰兩組多極矩線圈組間的多極矩線圈呈螺旋角分布。結合圖1和圖2可看到本發明的一個三級旋轉八極矩場電磁推進器實施例的結構，此時螺旋角為15度。本發明可以根據發射條件的要求確定拋體的出口速度來設計設置發射級數，由拋體的形狀來選擇多極矩線圈的極對數，由拋體的旋轉速度來設定級線圈的扭轉角度。三級旋轉八極矩場電磁推進器實施例的結構可作為對本發明結構的一個例解該推進器系統包括三級八極矩場驅動線圈組1、拋體電樞2、飛行導管3、電源電路4、拋體位置檢測傳感器5， 以及同步精確控制晶片6等。其中，電源電路4包括脈衝電容器、二極體、功率開關及其驅動電路，主要是為多極矩驅動線圈提供脈衝電流，也可以由變頻發電機等其他電源方式提供。 每一級串聯多極矩線圈中的電流，由單獨的脈衝電容器對其放電獲得並由二極體與驅動線圈並聯進行續流。組成多極矩磁場線圈組1的線圈為銅或超導線圈，在本例中採用銅質線圈；拋體電樞2可為良導體鋁套筒或超導塊材，在本例中由良導體鋁塊製作成多面體結構， 前端開槽，後端為實體；飛行導管3由剛性絕緣管材製得，此例中可採用玻璃管或絕緣塑膠管；拋體位置傳感器5為雷射測距儀，用以檢測拋體電樞的運動位置，分析其運動速度；拋體位置檢測傳感器5和電源電路4的功率開關驅動電路分別與同步精確控制晶片6連接， 同步精確控制晶片6實時接收並處理拋體運動位置的檢測信息，用以控制脈衝電容器電路的功率開關導通。三級旋轉八極矩場電磁推進器的工作過程如下初始時，預先對脈衝電容器進行充電，達到設定的工作電壓；拋體電樞從靜止狀態或以一定的初速度進入第一級八極矩場驅動線圈，該初速度可以由彈簧彈射加速獲得；當拋體電樞運動到第一級驅動線圈的預定位置時，由拋體電樞位置傳感器檢測到信號，同步控制晶片獲取此信號並控制觸發功率開關導通，對應第一級的脈衝電容器對串聯多極矩線圈進行放電，每個極矩場線圈產生瞬變磁場並在拋體側面產生渦流，多極矩場線圈產生的指向圓心的徑向磁場對拋體環向渦流產生朝向運動方向的電磁力作用，該電磁力主要用於驅動拋體電樞加速運動。當拋體電樞依次運動到第二三級驅動線圈時，同樣由雷射傳感器檢測拋體到達預定位置，同步邏輯晶片控制脈衝電源電路的功率開關順序導通，多級驅動線圈產生沿軸向旋轉前進的多極矩場磁行波，該磁行波感應拋體電樞受到電磁力作用，能夠保證拋體電樞在飛行導管中作旋轉穩定的加速運動。結合圖3和圖4可對本發明的工作原理有更清楚的了解，單級多極矩場電磁推進器的原理如附圖3所示，該發射模式基於直線感應電機原理與重接型線圈發射技術，當脈衝電流加載到串聯的多極矩磁場線圈時，多極矩磁場線圈能夠產生指向圓心的徑向磁場隊由於瞬變磁場的感應作用，多極矩線圈組中的獨立小線圈在拋體側面感應產生反向渦流/， 多個小線圈共同作用在拋體電樞上產生環向電流效應。這樣，多極矩線圈產生的徑向磁場與拋體電樞上的環向渦流作用產生安培力，該電磁力的主要分量對拋體電樞表現為軸向加速力，而徑向壓縮力則較小。相比常規直螺線管型電磁推進器軸向加速力較小的缺陷，本發明有明顯的優勢。多極矩磁場線圈型電磁推進器能夠增強電磁力的利用，提高系統的發射效率。對於旋轉多極矩場電磁推進器的多級發射，當拋體電樞依次到達各級驅動線圈附近的預定位置時，向各級驅動線圈中順序通載脈衝電流，由於對極矩線圈的縱向延伸和扭轉作用，多級極矩線圈能夠在空間產生旋轉前進的磁行波。該磁行波在拋體電樞上感應出軸向渦流厶和環向渦流，與多極矩徑向磁場5相互作用，使得拋體電樞受到軸向加速力、 環向轉矩和橫向排斥力(回復力)，拋體電樞的渦流與電磁力示意如附圖4所示拋體電樞2 所受到的軸向加速力/^，角向扭轉力/^，以及環向轉矩軋。軸向加速力在縱向加速拋體電樞運動，環向轉矩作用保證拋體電樞作旋轉運動，橫向排斥力為拋體電樞的懸浮穩定提供回復力，這三個方向的電磁力作用保障了拋體電樞運動的高速性和穩定性。這也是本發明另一大突出優勢所在，並可以擴展到多方面領域的應用。與常規直螺線管型線圈電磁推進器軸向加速所用電磁力分量不足的缺陷相比，本發明的突出優點是旋轉多極矩場電磁推進器應用了多極矩磁場構型進行電磁發射，能夠對拋體電樞產生較強作用的軸向電磁加速推力；多級驅動的旋轉多極矩場線圈可以產生了一種旋轉前進的多極矩場磁行波，能夠對拋體電樞產生軸向加速力、環向轉矩，以及橫向回復力的作用；該推進器具有電磁加速力大、發射拋體質量大、出口速度高、旋轉運動平衡、懸浮穩定，以及高效環保的優勢。本發明的旋轉多極矩場電磁推進模式可以廣泛應用於機車推進、火箭助推、電磁成型，以及旋轉掘進機械等領域，特別建議將本發明用在真空管道運輸技術。以上顯示和描述了本發明的主要特徵、發明實質、基本原理、技術優點，以及具體實施方式
，本領域的技術人員將會意識到，這裡所述的實施方式是為了幫助讀者理解本發明的原理，在不脫離本發明思想和範圍的前提下，本發明還會還有其他各種變化和改進，應被理解為本發明的保護範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書和發明思想的等效物界定。
權利要求
1.旋轉多極矩場電磁推進器，主要由磁場線圈、拋體電樞、電源電路、拋體位置檢測傳感器以及同步精確控制晶片構成，其特徵在於，所述磁場線圈採用多極矩線圈組，分級設置的多極矩線圈組沿拋體電樞的運動方向延伸；多極矩線圈組與拋體電樞間設置有飛行導管；多極矩線圈組中各線圈與電源電路連接以獲得放電脈衝電流。
2.根據權利要求1所述之旋轉多極矩場電磁推進器，其特徵在於，所述多極矩線圈組沿拋體電樞的運動方向延伸時，相鄰兩組多極矩線圈組間的多極矩線圈呈螺旋角分布。
3.根據權利要求1所述之旋轉多極矩場電磁推進器，其特徵在於對多極矩場驅動線圈進行放電的電源電路採用脈衝電容器；並由二極體與驅動線圈並聯進行續流。
4.根據權利要求2所述之旋轉多極矩場電磁推進器，其特徵在於，驅動線圈的級數、多極矩線圈的極對數，以及多級驅動線圈的扭轉角度根據發射條件的要求設計予以確定。
5.根據權利要求1所述之旋轉多極矩場電磁推進器，其特徵在於，所述飛行導管由剛性絕緣管材製得。
全文摘要
本發明公開了一種旋轉多極矩場電磁推進器，主要由磁場線圈、拋體電樞、電源電路、拋體位置檢測傳感器以及同步精確控制晶片構成，所述磁場線圈採用多極矩線圈組，分級設置的多極矩線圈組沿拋體電樞的運動方向延伸；多極矩線圈組與拋體電樞間設置有飛行導管；多極矩線圈組中各線圈與電源電路連接以獲得放電脈衝電流。本發明旋轉多極矩場電磁推進器能夠對拋體電樞產生較強作用的軸向電磁加速推力；具有電磁加速力大、發射拋體質量大、出口速度高、旋轉運動平衡、懸浮穩定，以及高效環保的優勢。本發明可以廣泛應用於機車推進、火箭助推、電磁成型以及旋轉掘進機械等領域，特別建議用在真空管道運輸技術。
文檔編號H02P6/08GK102192680SQ20111007793
公開日2011年9月21日 申請日期2011年3月30日 優先權日2011年3月30日
發明者嚴仲明, 朱英偉, 李海濤, 王豫, 邵慧 申請人:西南交通大學