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感应研究所 发布于2018-02-13 16:49
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简单的介绍一下如何利用软件简单的计算电磁弹射实验的效率

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http://www.acfun.cn/a/ac4195753最近垃圾王借着寒假的东风,成功的再次引领了一波科技区的学习风。随着电磁弹射系列视频受到越来越多人的关注,UP表示受宠若惊。因此在这里不敢不将自己所知倾囊相授。
“理论联系实际,理论指导实际。”
在各位实验的同时,不要忘记了理论知识所起到的绝对作用:从实际中来,回到实际中去。如何用理论指导实际,结合实际就成了一个有用的人所必知的知识了。
在电磁弹射中,其本质是将电能转化为机械能。而一言以蔽之,就是电动的一种瞬态完成形式。因此可以参考常见的电动机械的原理进行一部分的参考。在这里UP建议各位简单的看一下《电机与拖动》这本书中关于异步感应电动机的介绍。其实电磁弹射本质上就是将异步感应电动机抻直了作为脉冲直线感应电动机使用而已。所以很多地方的原理都是和感应电动机通用的。之前分享的那本《电磁感应*原理与技术》来之不易,各位有兴趣的一定不要错过如此稀有的资料,相信看了不会后悔。
既然其原理是通用的,那么很多名词和定理也均可以套用。例如:电枢这个概念之前也说过,在电机中是指实现机械能与电能相互转换过程中,起关键和枢纽作用的部分。对于发电机来说,它是产生电动势的部件,如直流发电机中的转子,交流发电机中的定子;对于电动机来说,它是产生电磁力的部件,如直流电动机中的转子。而在电磁弹射中,电枢指的就是被弹射物体,如航母上的飞机。
由于我们实验所采用的仅仅是电磁弹射最简化的模型,因此很多地方都相对来说更加偏向理想模型。
例如电枢,理论上电磁弹射所需要的电枢是不导磁,电导率(电阻率的倒数)高的材料制成。而现实中由于超导材料难以获取,因此电磁弹射所需的材料往往是金属良导体,如铝,铜等。
而事实上超导磁悬浮ac3016585抗磁性磁悬浮(热解石墨,铋等)以及跳环实验电磁阻尼等实验均为高中物理电磁学中非常经典的实验,而其中的道理无一不为互通。
简单的阐述一下结论吧,电枢采用铝作为材料,圆柱体作为几何形状时电磁弹射的效率最高。而各位如果注意到的话就知道之前视频中所采用的不是铜片就是铝合金材料作为弹射的电枢,而由于理论结论所示可知利用铝合金材料作为电枢的效率最高。
但是,由于高频电流趋肤效应(由于物体表面电容量大而高频电流优先通过容抗小的部分)的存在,电枢的感应电流分布不均匀,因此电磁弹射能量转化效率较低。而绕制电枢能够有效提高效率。所谓绕制电枢即为自身短路的线圈,由于线圈在空间中限制了感应电流的走向,因此能够令电流分布均匀,从而极大的提高电磁弹射的效率。从15%到40%的飞跃。但是相比实体电枢,其制造过程相对麻烦,机械强度有待提高。
由于电磁弹射完全是利用感应电流进行能量的转化的,因此如何利用好感应电流与驱动电流的相互作用即为至关重要的一部。这里我介绍一个简单实用的WIN软件的使用方法给大家,如图。
只需要将线圈和电容器的参数输入进软件,软件就会进行简单的计算并且给出许多重要的参数。例如封面中的实验,UP将线圈和电容器的参数输入进去:其中软件会默认弹射线圈的形状为圆柱体,但是由于现实原因,线圈的截面往往是梯形的。就像图上小学数学中圆木的堆放一样,截面不可能是矩形,因此,线圈也不可能是圆柱体。然而,我们计算的时候可以取上底和下底的平均值,忽略微小的计算误差的影响而将线圈截面近似成矩形进行计算。线圈总匝数输入到“缠绕圈数”位置即可。当输入相应线圈长度后,软件会自动计算线圈的层数。当“层完成”指示条满的时候则表示输入参数正确可以进行计算。而由于计算考虑到线圈的线匝间存在间距,因此输入线圈长度的时候不能仅仅输入线径X单层匝数,而要稍微多一点。而支架直接其实是翻译失误,应该理解为线圈内径。
而涂漆厚度这里由于软件默认采用的是漆包线进行的线圈绕制,因此具体厚度可言通过查表来得知。例如垃圾王的线圈使用的是QZ2-130型聚酯漆包线,那么查找相应的规格表即可得知漆包线涂漆厚度。而如果各位中有用普通导线作为线圈材料的,那么将导线的绝缘皮换算成相应单位输入即可。
然后我们输入电容器的参数即可。由于软件默认使用电容器作为唯一的脉冲电源,因此对于其他储能方式的计算相对来说处理具有难度,建议采用更加系统的仿真软件进行处理。(ANSYS MAXWELL MULTISIM等有限元分析软件)




这时候我们就可以开始查看计算结果了。软件会粗略的计算在电磁弹射过程中RLC电路自由震荡的参数并绘制I/T U/T图像。将鼠标指针放置在图像上点击还可以获得某一时刻的具体数值。
首先软件的默认时间刻度是5000us,这个长度大概等于5ms,也就是0.005s,是一个非常短暂的过程。而电路中的电流由于自由振荡的缘故可以理解为等效高频交流电,遵守高频交流电的特性(趋肤效应等)。这时候我们需要注意的参数有:
CONDUCTION LOSSES:这个参数代表完成一次电磁弹射消耗的电能,通常是软件依靠Ec=1/2CU^2计算的,即电容器储能。这个参数可以简单理解为总能量。
磁场电流峰值代表了电磁弹射线圈中电流的最大值,一般来说这个参数代表了线圈中电流的最高强度。而它的意义是代表了驱动电流的最大值。
磁场储能这个参数代表了在电磁弹射的过程中电容器中储存的电能转为线圈中磁场的能量的具体大小。通常这个值应该越接近总能量CONDUCTION LOSSES的值越好。而电磁弹射在理想过程中的机械能大小就等于电枢存在时的磁场储能大小减去电枢不存在时的磁场储能大小。一般而言没有转化为磁场储能的能量都消耗在电路中了,也就是做无用功。
而最重要的参数,磁场磁通峰值。由于感应电流=E/R=nΔΦ/Δt*R,在实体电枢中由于不存在限制电流自由度的导线,因此匝数n取1。ΔΦ就是穿过电枢的磁通量的变化量。而显然的提高ΔΦ就能提高感应电流的强度,从而提高系统的整体效率。因此在一般的情况下磁场磁通峰值应该是越大越好的,这个值比磁场储能更加重要。
另外简单的说一下图像的意义。一般来说ΔΦ/Δt的大小直接与ΔI/Δt大小相关,因此I/T的图像的斜率越大感应电流就越大。而一般来说,提升电路中的电容电压能够显著地提升上述各项参数。对比下就可以发现,450V300uf的电容器对电磁弹射线圈放电线圈储存的磁场能不过12.53J,而同样是10多J的磁场储能提升电容电压到1KV左右时只需要消耗少于15J的电能即可。因此本教程也间接证明了高电压对于提升电磁弹射效率的意义。另外线圈的电感值越大,所能储存的磁场能就越高。但是如果仅仅是储能提高但是磁场峰值并没有增加的话对电磁弹射的意义也仅仅在于能够弹射更重的电枢。而电枢与电磁弹射器中各项性能的参数指标相匹配才能达到最高的效率。
最后如果各位还有更多疑问,欢迎在评论区参与探讨 加入失传技术研究所电磁所252424140
祝各位早日成为栋梁之材
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