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感应研究所 发布于2018-08-26 10:16
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日本爱好者达到了20%效率?让我们看看它是怎么做到的

楼层直达
建议BGM:FANTASTIC DREAMER
最近投的那个日本电磁铁号称有20的效率,我个人除了第一感觉肯定有问题以外还想到了一些可能的方案,所以就仔细看了两眼这个电磁铁,看看它究竟是怎样实现的如此高效
我们都知道电磁铁不基于电磁感应定律E=NΔΦ/Δt,因此不必采用高电压也能获得较高的效率。相反,它要求电枢中的感应电流尽可能小,有必要的时候甚至要给电枢开槽,和电磁弹射正好相反。而当线圈电压过高,电流/时间的这个参数过大的时候电枢的感应电流势必要增大,因此适当的降低电压如200V就可以提升效率







高效升压,带控制IC
电池应该是3S20C,理论功率P=UI=0.5*20*12=120W


视频截图

参数,可以看得出来射程只有感人的5m,也根本没有精度,就是个大号电磁铁

经过简单的检查我发现这电磁铁确实有那么几处地方很可能存在造假
首先是从效率的计算方式来讲,一般国内的效率计算方法都是动能/电容储能
不过很多外国的计算方式偷梁换柱将动能/电容储能换成了动能/线圈储能,也就是说厚实的线圈自身的阻抗以及线路和电源内阻等等损耗被忽略掉了不予计算,仅仅计算成功转为线圈磁场储能的看上去效率非常吓人的计算套路。这不符合我们国家的国标规定,可以认定为学术造假或者说民科伪科学。

根据参数使用的电容量来计算的话,完全放电消耗的能量足足有48J,接近50J 但是线圈的磁场储能才10.24J
当然这个作品可能并没有用这种自欺欺人的方式……
但是我们发现它在计算效率的时候忽略了撞针给电枢的初速度提供了可观的动能,一般我们计算的时候是不可忽略的,然而有证据指出日本人在计算效率方面并没有忽略这方面的初始动能。不过反正日本人都躬匠精神了我们也不必深究了——计算纯撞针碰撞加速的斜抛运动来获取初速度?免了(何况作者的视频里虽然能看得出来这点也没用给出让我们计算的环境,看得出来它根本没想让我们算这个)

弹簧是有弹性势能的,经过撞针的碰撞根据理想条件下动量守恒可以得知m1v1+m2v2=m1v1'+m2v2' 1/2m1v1^2+1/2m2v2^2=1/2m1v1'^2+1/2m2v2'^2
总之,能量会有很多传递到电枢中,而这些动能不可忽略。根据视频很容易发现电枢具有不低的初始速度
我们根据这个视频本身的说明,可以看得出来它上的控制系统还是非常先进的。
它使用了比无极电容振荡电路的能量回收还更有效的方法实现了高效——可关断控制



这个技术之前BADBOYFLY就已经提过了很长时间,可惜国内鉴于市场现状,奸商们是不会进行任何改良设计的除非我们公开设计图,就像以前的开源团队一样。奸商选取他们公开的设计与电路肯定是瞄准了一种设计能够有最大的利润,而最大利润就肯定势必会发生这个效率感人之类的问题。当然,我解释一下为什么可关断控制就有高效率。不知道各位模拟过实验没有,电磁铁本身而言电容对线圈放电的这个过程在自然界中发生,自然的过程就势必是连续的过程,自然界中不存在数值的突变,因此无论是线圈电流上升还是电容器电压下降都存在一个过程。简单来说电流上升需要时间,下降也需要时间。无论是上升需要时间还是下降需要时间都会影响整个过程的效率。

图像上表明了很多问题,电流上升需要的时间很长,下降的时间更长,而且总之滞后于电压的
根据参数使用的电容量来计算的话,完全放电消耗的能量足足有48J,接近50J 但是线圈的磁场储能才10.24J
各位也应该知道,电磁铁吸引铁磁材料的磁力本身也和永磁材料与铁磁材料之间的作用机制相同,简单来说就是只有当距离喝水合适的时候它们之间才会有最大作用力,无论距离远了还是近了都会影响效率。电磁实验是对初始环境敏感的实验,初始触发的环境一旦有微小的变化都会引起效率的锐减,因此寻找最佳初始参数如位置和触发时间电流等等就是一直以来的课题。一般电流上升过程引起的效率损失可以通过调节初始位置而抵消,因此存在效率问题的一般都是电流下降的这个过程。我们知道电磁铁吸引铁钉,在这个作品中。这个过程铁钉是先接近线圈后远离的。如果当远离线圈的时候线圈依然有电流,那么线圈对铁钉的作用力由于线圈一直都在吸引铁钉,所以是反向的。它本身在做负功。而真正的电磁弹射由于使用的是电磁感应定律或者磁重接原理,它们没有这个问题。

既然这样那么我们控制电路使电路中的电流在铁钉远离线圈的时候=0不就行了?错,电路中的电流我们刚刚也提到了,它无论上升还是下降都存在过程,因此当初始位置固定在一点的时候存在最高效率,即使有负功过程,由于它加速过程中由于最大作用距离和最大电流重合,因此仍然有最大效率。而可关断就能够一石二鸟的消灭负功,同时降低能量消耗和动能损失。


224v,2000uf 电容实际储能48J,约50J
这个储能其实也很小,实际消耗能量更小
另外由电枢的速度和线圈长度来看,加速度a也很小

看得出来整个放电过程中一次放电电压并没有完全下降到0
还记得CG42那个低压(小于100V)电池直驱电磁铁吗?它就采用了当电枢通过线圈几何中心后强制放掉线圈中的磁场储能的电流实现的可关断控制。当然,它由于放掉了线圈电感储能,因此效率只有7%——就算这样在国产电磁铁界也是望尘莫及的效率,要知道国产电磁铁3%就是非常吓人的高效率了,7%更是国内记录。20%的效率他们根本想都不敢想。这就是消除负功和低压电路的优势

另外可以注意到的是它使用的测速计是自制产品,并不能准确反映电枢最终速度。当然国内的那些电磁铁玩家也都使用这种DIY级别的测速器就是了。但是我们可以发现,它实测的速度并不高。
当速度=16.5M/S时,动能Ek=4J的话,那么很容易发现电枢很重(29g),相比国内电磁铁玩家的钢珠或者纯铁电枢来说。




另外根据KC某纸上大佬的文章,我们发现要想获得高效率的电磁铁除了可以关断的开关以外,还可以靠LC自由震荡和无极电容实现能量回收, 而这个方案也采用了低速大质量电枢的方案。
我们可以确定的就是,电磁铁要想提升效率就需要降低加速度,也就是降低对电枢做功的功率。反过来说,电磁弹射器的高功率高加速度以至于动辄国家实验室能够使用单级电磁弹射即令电枢达到半个宇宙速度的水平,电磁铁要想做到是需要耗费很大的代价也达不到的。这就好比赶猪上树赶鸭子上架,做不到的。相反电磁弹射适用于低质量高加速度,但是对于高质量物体同样拥有不错的效率,这就是云泥之别。
各位也知道电磁铁基于的那套理论和电磁感应没什么太大关系,反倒是基于磁路理论,因此各位若是想要深入学习电磁铁的话,应该首先去学习磁路。
总之,这个电磁铁的效率有20,不管你信不信,我是不信的。但是它效率确实很高,而且其中的技术是现在的淘宝贴吧奸商掌握不了的,这就是现实。
当然电磁弹射器的理论效率在90%以上,爱好者们DIY的作品没水分的效率5%起步15-25%是日常就不说了,总之,还有很多东西要学。
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