電磁驅(qū)動片梭投射裝置設(shè)計

1、電磁驅(qū)動的片梭投射裝置設(shè)計 Electromagnetic Driven for Gripper Projection Device Design摘 要 當代物理學發(fā)展的極快，各種各樣的裝置都應(yīng)運而生，在很大程度上提高了我們的生活質(zhì)量的同時又節(jié)約了能源。這所有的一切跟我們?nèi)祟惖闹腔鄯植婚_同時也是我們對物理學深入研究的必然結(jié)果。本項目研究對象為無梭織機中的片梭織機，探索的一種全新的引緯驅(qū)動原理，將是提高織機工作性能的有效方法，在其特有工藝原理基礎(chǔ)上，提出電磁驅(qū)動的高速磁懸浮式引緯機理的設(shè)想，探討磁懸浮式引緯器在高速往復(fù)運動中的動態(tài)特性及多物理場耦合機理，揭示磁懸浮式引緯原理進入高速織機引緯的可行

2、性，為片梭織機裝備提供質(zhì)量穩(wěn)定可靠的通用引緯器。本課題研究電磁力驅(qū)動的磁懸浮式引緯原理，是利用“以電代機”省略中間機械傳動(扭軸式儲能驅(qū)動機構(gòu))環(huán)節(jié)，通過“零傳動”驅(qū)動模式實現(xiàn)引緯器高速往復(fù)運動和無摩擦引緯。為了從原理上實現(xiàn)提速與降耗，同時滿足現(xiàn)代織機高性能引緯器要求，將織機幅寬從5.4m增加至8m、實際入緯率從1200m/min提升至2400m/min，因此無法忽略電磁投/制梭驅(qū)動理論、多物理場在動態(tài)運行中的相互耦合問題、磁懸浮式引緯的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與運動穩(wěn)定性等問題。本次畢業(yè)設(shè)計要求用本科四年所學的專業(yè)知識以及專業(yè)基礎(chǔ)知識，為紡織機械的片梭設(shè)計“線圈感應(yīng)型片梭投射裝置”。首先根據(jù)題目所給要求確

3、定方案，然后畫出電路圖，校核電路圖，最后購買電子元器件連接電路進行實驗并調(diào)試電路。本課題的難點是正確的確定電路圖以及選擇合適的電子元器件的規(guī)格，并且要做到各元器件之間能夠協(xié)調(diào)工作，保證實驗的成功和裝置的穩(wěn)定性！關(guān)鍵字：物理學 電磁驅(qū)動 磁懸浮 引緯原理 AbstractVery quickly in the development of contemporary physics, various types of device are arises at the historic moment, to a great extent, improved the quality of our li

4、fe at the same time saves energy. All of this with us inseparable human wisdom as well as the result of our in-depth study of physics. Based on gripper loom as the research object, based on its unique process principle, put forward the electromagnetic drive of high speed maglev type weft insertion m

5、echanism of vision, explore the weft insertion device in high speed maglev type reciprocating motion of the dynamic characteristics and multiple physical field coupling mechanism of revealing the maglev type principle of weft insertion into the feasibility of high-speed loom weft insertion, for grip

6、per loom equipment general weft insertion device to provide stable and reliable quality.This topic research the electromagnetic drive principle of magnetic suspension type weft insertion is the use of "electric generation machine" omit intermediate mechanical drive (torsion shaft type ener

7、gy storage drive mechanism) link, by "zero transmission" drive mode weft insertion machine high speed reciprocating motion and frictionless weft insertion. In order to realize the speed and consumption from the principle, at the same time meet the requirements of modern loom high-performan

8、ce weft insertion device, will loom width increased from 5.4 m to 8 m, the actual filling rate from 1200 m/min to 2400 m/min, so we can not ignore the electromagnetic cast/spindle drive theory, more physical fields in the dynamic mutual coupling problems in running, the structure stability of the ma

9、gnetic suspension type weft insertion, and motion stability and so on.This graduate design requirements with four years of undergraduate study specialized knowledge and professional knowledge, for textile machinery gripper design project "induction coil type gripper device". According to t

10、he requirement of subject to plan first, and then draw the circuit diagram, check circuit diagram, and finally to buy electronic components and debugging the circuit connection circuit experiment. The difficulties of this topic is the right to determine the circuit diagram and choose the right of th

11、e specifications of the electronic components, and to be able to coordinate work among different components, to ensure the success of the experiment and the stability of equipment!KeyWords:physics electromagnetic drive magnetic levitation principle of weft insertion目 錄 摘 要IAbstractII1 緒 論11.1 概述11.2

12、 電磁推進技術(shù)11.2.1 電推技術(shù)發(fā)展史11.2.2 電磁推進器的分類31.2.3 電磁推進技術(shù)發(fā)展前景31.3 片梭織機引緯原理42 電磁引緯總體方案62.1 電磁引緯裝置的基本原理和結(jié)構(gòu)62.1.1 基本原理62.1.2 推進裝置的主要結(jié)構(gòu)72.2 線圈型電磁推進系統(tǒng)的優(yōu)缺點82.3 提出設(shè)計方案82.3.1 方案一線圈型拋體82.3.2 方案二鐵磁性拋體102.4 方案選擇113 電磁推進系統(tǒng)理論說明124 方案的具體實施134.1 電路圖的擬定134.1.1 單極線圈時電路圖的擬定134.1.2 多級線圈時電路圖的擬定154.2 各元器件規(guī)格的確定174.2.1 供電電容的選擇184

13、.2.2 可控硅的選擇184.2.3 螺線管材質(zhì)的選擇184.2.4 漆包線的規(guī)格184.2.5 觸發(fā)電源的選擇184.2.6 光電傳感器選擇194.3 計算拋體一級加速后的速度195 電磁推進系統(tǒng)實驗20結(jié) 論21致 謝22參考文獻23IV1 緒 論1.1 概述電推進就是利用電能來加熱、加速以及離解工質(zhì)，從而使其產(chǎn)生高速射流而產(chǎn)生推力的技術(shù)，通常習慣按照工質(zhì)的加熱方式來分類，電推進大致分為電熱式、靜電式和電磁式三種。其中電熱式又可以分為電阻加熱、微波加熱和電弧加熱三種類型。電推進器在上世紀60年代就已經(jīng)成功研制出來了，技術(shù)上基本成熟了并且達到了較高的水平。其中美國跟前蘇聯(lián)分別進行了空間飛行試

14、驗；1972年以來，前蘇年在其行星探測器和衛(wèi)星上多次使用了穩(wěn)態(tài)等離子體發(fā)動機；日本也在60年代以后開展了電磁推進器的研究，也取得了一定的成果。1.2 電磁推進技術(shù)1.2.1 電推技術(shù)發(fā)展史電磁推進系統(tǒng)是部分利用或者全部利用電能來給載荷提供動力的一種新型的加速裝置，它有稱為電磁發(fā)射器。電磁推進技術(shù)包含著許多學科的理論知識，例如電磁學、工程力學、等離子體物理以及化學等等，電磁是許多學科的交叉學科，并不是簡單的機電一體化學科的結(jié)合物。電磁推進產(chǎn)生的背景跟軍事密切相關(guān)。傳統(tǒng)的化學發(fā)射類武器（火箭、火炮等等）經(jīng)過長期的發(fā)展。雖然跟火器時代和冷兵器時代鎖使用的機械類投射裝置（弓箭、弩等）相比具有非常高的功

15、率密度和儲能密度，但是隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，當前它已經(jīng)不能滿足人們對加速能力的要求，這時改善加速物體的能力，得到更高的速度及動能便成為人們追求的重點。人們希望有一種比化學火箭更佳的新型加速裝置，從而能夠更容易的把航天飛機、火箭等輕松的送上太，人們還希望把渺小的粒子加速到每秒幾十甚至上百公里，以便能夠進行撞擊實驗。盡管人們采用不同的結(jié)構(gòu)和不同的推進劑（液體的、固體的等），但是由于原理的缺陷已經(jīng)很難取得突破性的成就，就在這個時候電磁推進器應(yīng)運而生。電磁推進最早是在一百多年前提出來的，英國物理學家查爾斯.惠斯通（Chars Wheastone)就建成了世界上第一臺直線磁阻電動機，并且將金屬棒拋射出

16、20m遠，1895年，梅厄（Mayor）得到了世界上第一個直線感應(yīng)電動機的專利。1901年，挪威的奧斯陸（Oslo）大學物理學的教授伯克南（Birkeland）使用直流激勵管樁直線電動機的系列線圈，把質(zhì)量為500g的重物加速到50m/s，這個實驗?zāi)Ｐ秃髞矸胖迷趭W斯陸科學實驗館里面。1912年，法國的艾米爾.巴徹斯特（Emile Bachelet）建造了一個交流激勵的磁推進裝置，在1914年的時候展出過，當時引起了時任英國首相的丘吉爾的興趣。1917年，另外以為法國的發(fā)明者提出了利用電磁力推進有翼物體的設(shè)想。1920年，法國的福瓊.維來普勒（Fauchon-Villeplee）發(fā)表了電器火炮的文

17、章。與此同時，美國費城的電炮公司研制出了電磁加速推進器。1937年美過航空公司創(chuàng)始人諾斯拉普（Northrup）教授用“Abkad Psendoman”當作筆名在0到80一書中提到了電磁推進原理。此后，美國普林斯頓大學用電磁力試著加速載體。一直到第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)之前，各種電磁推進裝置的專利已經(jīng)多到了45項。戰(zhàn)爭期間，日本、德國都曾公開研制過電磁推進裝置。1944年德國的漢斯萊（Hansler）就曾將一個10g的物體加速到1.2km/s。1946年，美國的威斯丁豪斯電氣公司建成了一個全尺寸的飛機彈射裝置，取名為“電托”（Electopult），它的基本原理類似于一個直線電動機。后來，美國海軍和

18、空軍也進行了一些研究工作。但受到當時技術(shù)條件的限制，美國空軍的科學研究院經(jīng)過反復(fù)的論證，最后的結(jié)論是電磁推進根本行不通，在1957年放棄電磁推進技術(shù)。電磁推進技術(shù)的研究因此降到了谷底。但是，世界其他各國在60年代任然在孜孜不倦的進行著電磁推進技術(shù)的研究，并取得了一系列的進展，他們的研究重新點燃了電磁推進技術(shù)的希望之火。澳大利亞國立大學的馬希爾（Marshall）跟他的同事在改進大電流滑動技術(shù)方面提出了“等離子體電弧電樞的概念”，把31mg的物體加速到6km/s?；谏鲜龅墓ぷ骱兔}沖技術(shù)的發(fā)展，電磁推進技術(shù)在20世紀70年代有了非常重大的突破。目前世界各國也在積極的投入大量的人力物力以及財力建設(shè)

19、實驗室，對電磁推進技術(shù)進行實驗研究。俄羅斯、美國、法國、英國、日本、中國、德國、以色列等十幾個國家都競相研究，美國暫時處于領(lǐng)先地位。我國的電磁推進技術(shù)起步比較晚，在規(guī)模、實驗設(shè)備、理論水平等方面相比于美國存在著非常大的差距，但是中國的電磁推進技術(shù)發(fā)展的非?？?，尤其是最近幾年，由于投入的加大使得我國的電磁推進技術(shù)得到了突飛猛進的發(fā)展。目前國內(nèi)的研究主要是在高密度能量電源、擴大電磁推進的應(yīng)用領(lǐng)域以及提高系統(tǒng)能夠的能量利用率等方面。1.2.2 電磁推進器的分類電磁推進的分類方式很多，按照加速軌道的不同可以將其分為：軌道型、重接型和線圈型。電磁推進裝置基本上可以分為三大類，即導(dǎo)軌型、線圈型和重接型，三

20、種類型各自具有不同的特點，可以滿足不同發(fā)射條件的要求。導(dǎo)軌型電磁發(fā)射器研究起步較早，各方面技術(shù)都比較完善；而線圈感應(yīng)型電磁推進作為一種新型的加速方式，具有速度高、加速時間短、易于加速大質(zhì)量載荷等優(yōu)點，在航空航天、高能物理、核能研究等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力，因此世界各國都進行了大量的研究；重接型電磁發(fā)射技術(shù)的研究工作開展的比較晚，現(xiàn)階段僅處于理論研究階段。1.2.3 電磁推進技術(shù)發(fā)展前景電推進的基本特點是比沖高、壽命長、推力小。因此電推進在要求大推力的運輸器以及空間推進器的場合并不適用，反而適合用于各種航天器的姿態(tài)調(diào)整和控制、軌道修正、動力補償、軌道轉(zhuǎn)移、位置保持、重新定位、宇宙探測等任務(wù)。將電

21、推進器應(yīng)用于航天器的空間推進可以顯著的增加其有效載荷、延長使用壽命和降低發(fā)射成本。當前兩年一次的國際電推進會議主要是交流世界各國電推研究成果與發(fā)展狀態(tài)。從電推進的發(fā)展趨勢來看，隨著航天技術(shù)的發(fā)展，航天器對推進系統(tǒng)有如下的要求：體積小、質(zhì)量輕、效率高，因此比沖高、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊和環(huán)保的電推進將受到航天方面的廣泛應(yīng)用。有理由相信，電推進在航天領(lǐng)域的應(yīng)用將一片光明。1.3 片梭織機引緯原理織機歷經(jīng)好幾千年的發(fā)展，根據(jù)它的編織工藝原理可將其分為有梭織機與無梭織機?；旧鲜峭ㄟ^引緯梭子往復(fù)直線運動與經(jīng)紗交替變換動作，完成經(jīng)緯紗線編織。有梭織機中梭子既是引緯器，又做存緯器用。無梭織機則由機械式引緯器或以

22、流體為介質(zhì)(如空氣或水射流)作為引緯線器，存緯功能由其它輔助裝置實現(xiàn)。無梭織機主要包括片梭織機、劍桿織機、噴氣及噴水織機等。片梭織機是利用片狀式梭體作為引緯器，每臺織機由若干片梭順序從織機的供緯側(cè)將緯紗引入梭口。如圖1-1所示結(jié)構(gòu)，片梭織機投梭動力來自扭軸加扭時貯存的彈性位能，制梭過程由油壓緩沖器實現(xiàn)。片梭將沿導(dǎo)梭軌高速直線運動進入接梭箱被制動，由梭口下方的傳送機構(gòu)送回原處，如圖1-2所示。當引緯器依次完成選梭、投梭、制梭、交接后實現(xiàn)一次經(jīng)緯紗線編織動作循環(huán)。根據(jù)以上編織工藝原理分析可知，片梭織機利用現(xiàn)有扭軸式儲能驅(qū)動方式，其能量利用率低、噪聲大、引緯器工作效率低。由于機械裝置直接影響引緯器在

23、投梭及制梭中不勻速往復(fù)運動，易產(chǎn)生振動，磨擦能耗高，導(dǎo)致機速低、織物幅寬窄、入緯率低等問題，所以在現(xiàn)有工藝原理基礎(chǔ)上要大幅提高織機編織效率難以實現(xiàn)。圖1-1 片梭織機扭軸式投梭裝置原理圖 圖1-2 片梭織機引緯工作原理本課題研究電磁力驅(qū)動的磁懸浮式引緯原理，是利用“以電代機”省略中間機械傳動(扭軸式儲能驅(qū)動機構(gòu))環(huán)節(jié)，通過“零傳動”驅(qū)動模式實現(xiàn)引緯器高速往復(fù)運動和無摩擦引緯。為了從原理上實現(xiàn)提速與降耗，同時滿足現(xiàn)代織機高性能引緯器要求，將織機幅寬從5.4m增加至8m、實際入緯率從1200m/min提升至2400m/min，因此無法忽略電磁投/制梭驅(qū)動理論、多物理場在動態(tài)運行中的相互耦合問題、磁

24、懸浮式引緯的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與運動穩(wěn)定性等問題。192 電磁引緯總體方案2.1 電磁引緯裝置的基本原理和結(jié)構(gòu)2.1.1 基本原理電磁推進器是利用電磁力座位驅(qū)動力來發(fā)射拋體的裝置，它的基本原理簡單點概括起來就是導(dǎo)體在磁場中由于受到洛侖茲力而前進。電流激勵定子線圈使其產(chǎn)生磁場，同樣的拋體內(nèi)部也有磁場（可能有外加電源提供、也可以是兩線圈之間感應(yīng)產(chǎn)生）；感應(yīng)力既有軸向力又有徑向力，其中軸向力是主要的推動力，軸向力推動定子前進，而徑向力則維持拋體能夠懸浮在管中央以此來減小摩擦。如圖2-1，假如線圈中的電流跟磁體中電流的方向相同，當拋體處于螺線管左側(cè)時由法拉第電磁感應(yīng)定律可知：電樞受到的洛侖茲力是促進拋體前進的

25、，當拋體經(jīng)過線圈中間而到達右側(cè)后所受到的洛侖茲力是阻礙其前進的，因此，當拋體達到線圈中間時切斷電源是關(guān)鍵所在。圖2-1 電磁推進器原理圖為了使拋體有更高的速度，可以采用多級結(jié)構(gòu)，發(fā)射時依次為拋體加速，理論上是級數(shù)越多拋體最后的速度越大。當拋體是線圈時，加速原理跟鐵磁性物質(zhì)大體相同。2.1.2 推進裝置的主要結(jié)構(gòu)推進裝置的組成部分：（1） 定子線圈：有合適規(guī)格的漆包線組成。（2） 拋體：一般有兩種形式的，鐵磁性物質(zhì)的和自帶線圈以及供電電路。對于我們處于研究階段因此常使用鐵磁性物質(zhì)。（3） 導(dǎo)管：通常有不導(dǎo)磁的材料組成，其作用是避免定子線圈受損，因為，一旦拋體在導(dǎo)管中不是平行的懸浮在導(dǎo)管中間，那么

26、在拋體運動過程中勢必會損壞定子線圈。（4） 供電電源：供電電源可以是脈沖電源、交流電源、直流電源。2.2 線圈型電磁推進系統(tǒng)的優(yōu)缺點電磁推進器作為新型的推進裝備，在最近幾十年的迅猛發(fā)展也體現(xiàn)出了其獨特的有點，但同時其自身也有許多不夠完善的地方。線圈型電磁推進器主要優(yōu)點:（1） 加速體懸浮在驅(qū)動線圈軸線上，因此兩者并無接觸，當然也不會有摩擦力，這樣就能夠給拋體提供更多的能量，拋體的出口速度也會更高。（2） 效率高。由理論知識可知，系統(tǒng)的效率應(yīng)該是100%的，與另外幾種形式的推進器相比效率明顯的高。（3） 力學結(jié)構(gòu)合理。（4） 便于提高電磁力或者減小電流。（5） 高阻抗。其他元器件上損失的能量少，

27、開關(guān)容易控制，電流小時，電磁力破壞的可能性也小，高阻抗的負載供電電源容易選擇。（6） 維修方便。（7） 加速器出口不會產(chǎn)生電弧、電火花，操作安全。（8） 可以迅速發(fā)射并且易于控制。線圈型電磁推進器的主要缺點：（1） 技術(shù)復(fù)雜，就目前情況來看同步技術(shù)還是相對復(fù)雜繁瑣的。（2） 當拋體處于告訴狀態(tài)時電樞電流非常大，因此發(fā)熱不得不面對。（3） 拋體運動過程中會產(chǎn)生高的感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電壓。速度越高反電動勢越大，反電動勢會倒拉拋體。（4） 驅(qū)動線圈的機械強度在一定意義上決定著沖擊載荷的大小。因此載荷大時，機械強度能否滿足要求便是主要的問題。2.3 提出設(shè)計方案2.3.1 方案一線圈型拋體線圈型電磁發(fā)射

28、器的模型圖如圖2-2所示。如圖2-2（a)所示，一個單匝的驅(qū)動線圈和一個帶有線圈的彈體同軸排列。當兩個線圈上都通上電后，于是就可以建立起一個恒定磁場，從而兩個線圈之間就會產(chǎn)生互感，其互感M如圖2-2（b）所示。圖2-2 單匝同軸電磁推進器示意圖當驅(qū)動線圈中通以圖示2-2（c）所示規(guī)律的電流時，彈體上始終要受到一個軸向力F，從而使其加速，沿著X軸的正方向前進。當兩個線圈電流方向相同的時候，彈體將受到吸力，反之，彈體線圈將受到斥力。一般的為了減少軸向力F的波動和延長其加速行程，上述的驅(qū)動線圈和彈體線圖2-3 多級線圈型電磁推進器原理圖圈都做成多級結(jié)構(gòu)，一個多級線圈原理圖如圖2-3所示。方案一最主要

29、的特點是：拋體是線圈，并且是有獨立供電電源的線圈，對于一般的體積較小的推進器，此種模式不太適用。為了更為方便簡潔，我們提出案二。2.3.2 方案二鐵磁性拋體當螺線管通電時，螺線管的內(nèi)外就有了磁感應(yīng)線分布，其磁勢分布為出人口高內(nèi)部低，管外的彈體(鐵磁芯)被拉向中心圖2-4示為線圈中彈體受力和磁勢的分布圖線圈中心彈體力最大，但磁勢最低以簡化模型來分析彈體彈體彈芯為鐵磁性物質(zhì)，因此，在恒定外磁場的作用 下，可將其視為一繞子彈中心軸為對稱軸的圓電流體子彈在螺線管所產(chǎn)生的磁場中的受力分析可簡化為通電圓線圈之間的受力問題如圖2-5所示，當彈體處于管中心時，控制電路切斷電流，彈體依靠慣性發(fā)射出去因此解決電流

30、通斷時機是本方案的關(guān)鍵。圖2-4線圈磁勢分布示意圖 圖2-5線圈加速原理圖當彈體加速到線圈中心位置時，即磁勢最低的位置，觸發(fā)控制開關(guān)使線圈斷電，彈體依靠慣性運動，由于此種方案控制比較簡單，易于實現(xiàn)多級加速。2.4 方案選擇上述兩種方案中，方案一理論上彈體獲得的速度大，但相對而言結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且推進器的結(jié)構(gòu)尺寸龐大，但方案二就顯得更加有優(yōu)勢，首先，彈體是片梭不容易做成定子線圈因此也避免了外加電源，同時節(jié)省了空間，總的看來還是方案而更加適合。3 電磁推進系統(tǒng)理論說明對于多級電磁炮，第一級我們可以采用兩種觸發(fā)方式，光電傳感器觸發(fā)（拋體放到驅(qū)動線圈中時，遮住光電傳感器就自動觸發(fā)）或者手動觸發(fā)。（1） 手

31、動觸發(fā)：就是和單機電磁炮的觸發(fā)方式一樣，通過按鈕或者開關(guān)觸發(fā)第一級可控硅。其中，這種觸發(fā)方式又可以分為兩種一是高壓串聯(lián)電阻觸發(fā)，第二種是低壓電池組觸發(fā)。高壓串聯(lián)電池組需要計算阻值，觸發(fā)所需電容電壓范圍較窄，阻值較小觸發(fā)會對效果有所影響，阻值過大觸發(fā)困難。手動觸發(fā)的特點就是拋體發(fā)表在固定的位置然后手動按下發(fā)射按鈕。（2） 光電傳感器觸發(fā)：就是在一級驅(qū)動線圈上拋體的初始位置處安裝光電傳感器，當發(fā)射條件允許時，將拋體放到初始位置，光電傳感器就會檢測到并觸發(fā)一級可控硅。特點是會占用一條傳感線路。電磁推進系統(tǒng)的理論相對而言比較簡單，但其牽涉的知識相當?shù)膹?fù)雜，每一個參數(shù)都扮演著舉足輕重的地位。我們假設(shè)螺線

32、管的半徑為R，電流為I，每單位長度L有線圈n匝。只要L大于R，那么螺線管內(nèi)部磁場較均勻。于是拋體的推力計算大致如下：有麥克斯韋吸力公式有,式中，F(xiàn)為磁力；B為磁通密度，S為與磁通密度相垂直（正交）的面積。由牛頓第二定律知其中F為物體受到的力，M為物體的質(zhì)量。A為物體的加速度。同時由沖量定理有可以看出拋體的初速度與加速度a以及時間t有關(guān)。所以我們在計算的時候要注意，加速度a又跟電容電壓和螺線管電流I有關(guān)。4 方案的具體實施4.1 電路圖的擬定經(jīng)過簡單的計算并查閱相關(guān)資料，以及要達到速度要求。最終決定采用多級驅(qū)動線圈。4.1.1 單極線圈時電路圖的擬定由前面的理論知識可知驅(qū)動線圈必須在拋體到達其中

33、部時斷電，因此切斷電源是主要任務(wù)，鑒于此我們采用的電容器做為蓄能原件，因為相比于直流電源，電容器有很高的功率密度，是相同伏值電池的1100倍，更加適用于短時間的充放電，并且電容器的放電時間也可以大致估算出來，因此選擇電容器作為儲能元件是再合適不過，所以選擇直流電源與為其充電。用開關(guān)控制充電電路的通斷，接法如圖4-1所示。 圖4-1 電容充電回路放電電路的確定時需要注意保護線圈，防止線圈過熱。因此我們在螺線管所處回路上并聯(lián)一條有二極管和限流電阻組成的回收回路，由此來保護螺線管防止其過熱。在螺線管支路上需要控制原件控制其通斷，有以下三種方式:（1） 使用小型的空氣開關(guān)控制，因為空氣開關(guān)可以在極短時

34、間內(nèi)通過較大的電流。（2） 用可控硅做控制開關(guān)。（3） 用IGBT器件做控制開關(guān)，但需要復(fù)雜的控制電路，控制其通斷。芯片一般都是進口的，性價比不高。由于可控硅是一種電流型控制元件，需要觸發(fā)電路，導(dǎo)通時存在方向問題（單向可控硅），因此，可控硅是最合適的控制元件。連接電路圖時注意可控硅引腳問題?？煽毓璧奶幜P電路由電池組組成觸點開關(guān)FS點控，因此FS也是發(fā)射按鈕。開關(guān)控制電容器放電。綜合以上的分析電容器放電電路電路圖如圖4-2所示。圖4-2 電容放電回路由于在電容器充電時電容器不允許放電，而且當充電完成后關(guān)閉充電控制開關(guān)的同時我們就可以打開放電控制開關(guān)，所以將兩個開關(guān)合并為一個鈕子開關(guān)。因此單極驅(qū)動

35、線圈時的電路圖如圖4-3所示。 圖4-3 單極驅(qū)動線圈電路圖4.1.2 多級線圈時電路圖的擬定對于擁有多級驅(qū)動線圈的電磁推進裝置，最主要的是控制好各級驅(qū)動線圈的放電以及其放點時間的長短，因為在第一級線圈加速過后拋體就已經(jīng)擁有一定的速度，在第二級線圈加速的過程中拋體的速度比第一級時更大。因此，利用率相對而言較低。正因為如此，后面兩級驅(qū)動線圈的供電電容的大小理論上應(yīng)該更大，并且放電應(yīng)該更快，這樣才能提高利用率。對于多級驅(qū)動線圈時在理論上我們有兩種驅(qū)動方法：（1） 用延時的方法讓螺線管依次通電以此來產(chǎn)生時序磁場，以便加速拋體。（2） 我們可以在炮管上安裝傳感器，這樣在拋體經(jīng)過螺線管時就會通過傳感器來

36、觸發(fā)下一級螺線管工作，從而是拋體在下一級螺線管獲得加速。下面來具體分析這兩種方法：（1） 對于延時法，我們需要用到延時電路，延時電路的種類繁多，其中最基本的就是RC延時電路。而最精確的就是單片機控制的延時電路，對于但是電路來說精確的控制好延時時間才是最主要的，而控制延時時間又主要取決于拋體速度的確定。假設(shè)螺線管的長度為h，各級螺線管之間的距離依次為s，拋體的始終處于螺線管的軸線上。假設(shè)拋體經(jīng)過第一級加速后速度由0到30m/s，計算拋體到第二級加速位置所需的時間，而這個計算時間就是第二級驅(qū)動線圈需要延時的時間。拋體從第一級初始位置到打 h處，速度由0到30m/s，由此便得出出加速度 （4-1）

37、（4-2） （4-3）其中分別為拋體的初速度、末速度、第i級加速時間、第i級延時時間 第三級延時時間如此類推。這只是理論計算，但實際上我們最需要的是測速儀。只有在精確的計算出一級速度后才能精確的計算第二級的延時時間。同理只有精確計算出第二級的速度后才能準確計算出第三級的延時時間。同時用延時法的前提是保證每一次的發(fā)射環(huán)境一樣，比如，拋體的仰角、重力加速的影響等等。（2） 對于炮管中安裝傳感器的方法。這種方法就是拋體在經(jīng)過傳感器時，由傳感器檢測到信號，并將傳感信號進行放大，放大的信號經(jīng)過處理后去觸發(fā)下一級的通斷，傳感器的類型就采用非接觸式傳感器(接近型傳感器)。由于速度是逐級遞增的，所以每一級的加

38、速時間就逐漸遞減。也就是說電容容量要減少，否則會反拉給拋體減速。這些都可以反復(fù)調(diào)試，左后可以確定一個相對理想的狀態(tài)。該方法的前提是，保證每次發(fā)射田間答題一樣。缺點是無法考慮仰角、重力加速度等問題，只能夠做到相對最佳狀態(tài)。圖4-4 多級驅(qū)動線圈時的電路圖最終我們選擇第二種方法既是在炮管中安裝光電觸感器，因為我們無法保證每次的發(fā)射條件絕對一致，電路圖如圖4-4所示。其中FS是發(fā)射按鈕，電阻根據(jù)光電傳感器選配，三極管為NPN型的。4.2 各元器件規(guī)格的確定 由于要滿足速度要求因此各級的速度有一個大致的標準。因此，假設(shè)經(jīng)第一級驅(qū)動線圈加速后速度需要達到10m/s，因為假如第一級速度為10m/s經(jīng)過第二

39、級加速后速度不會是20m/s，故而必須在第一級加速時讓速度盡可能的大，同時線圈中通的是直流電所以螺線管是不存在感抗問題的，此處只考慮螺線管的內(nèi)阻即可。一般織機梭子的參數(shù)為27.8*3.5*2.6（各單位均為厘米），我們盡可能的減輕梭子的質(zhì)量，所以將其做成空心的而且對材質(zhì)也有所要求。盡可能選擇輕金屬或者合金。拋體在螺線管中的加速距離一定要小于或者等于螺線管長度的一半，假如大于其一半必然存在反拉問題從而影響其速度。假設(shè)拋體的質(zhì)量為M（）、加速時間為t（s）、螺線管中的磁場為B(G)、螺線管長度為L（m）、加速距離為h（m）、拋體加速度a（）、拋體的最大橫截面積s()、拋體在螺線管中的受力F（N）、

40、拋體經(jīng)過第一級螺線管加速后的速度為v()，螺線管中的電流為I（A）、電容放點時間為（s）、電容容量為C(F)、RC回路的電阻為R（）、為真空磁導(dǎo)率（）、n為單位長度線圈匝數(shù)、P為拋體的動量、。因此有： （4-4） （4-5） （4-6） （4-7） （4-8） （4-9） （4-10） （4-11）由以上各式可知各參數(shù)之間是相互關(guān)聯(lián)的，因此它們之間要有一個相對合理的取值。首先，將片梭做成中空以減輕質(zhì)量從而提高速度并且盡量做成橫截面積大有利于提高驅(qū)動力F，取織機梭子質(zhì)量M為40g。4.2.1 供電電容的選擇電容的容量大，放電時間就會越長，為了讓拋體一直加速則第一級驅(qū)動線圈的長度必然加長，進而裝置

41、的尺寸會加大；電容的電壓高儲存的電量就會多。因此并不是電容的容量越大拋體的最終速度就會越高，再就是如果大電流放電時間超過10ms可控硅就容易壞掉。所以當電容的電壓高了電流就會變大從而加速度也會變大，拋體到達螺線管中央的時間就會縮短，因此為了充分利用電容的儲存的能量各級電容儲能量應(yīng)該逐級減小。綜合考慮個因素之后我們選定規(guī)格為48V 10000的電解電容，取放電回路電阻為4。由公式3-9知其放電時間4.2.2 可控硅的選擇由于電容瞬間放電的電流為因此可控硅選擇40TPS12即通過的最大電流40A耐壓值為1200V。4.2.3 螺線管材質(zhì)的選擇查閱相關(guān)資料后很多資料顯示金屬類螺線管優(yōu)于非金屬類螺線管

42、，可是我仍然覺得非金屬類螺線管更優(yōu)。我個人覺得只要螺線管的內(nèi)徑合適，內(nèi)壁光滑就可以了，而且金屬類螺線管還存在電渦流的問題，最終選擇非金屬類螺線管，從耦合的角度分析，拋體與螺線管的徑向距離應(yīng)該盡可能的小從而有利于磁耦合，但是從物理學的角度分析應(yīng)該盡可能使其橫截面積大。4.2.4 漆包線的規(guī)格由大學物理學中的電磁學知識可知，通電螺線管所產(chǎn)生的磁場，因此，漆包線越細則n就越大，但I會由此變小。是真空磁導(dǎo)率為固定值。所以我們在選擇漆包線時要注意匝數(shù)n與電流I的協(xié)調(diào)。最終選擇0.8mm的純銅漆包線10m長，經(jīng)測量內(nèi)阻為，n為1250。4.2.5 觸發(fā)電源的選擇取可控硅觸發(fā)電流為1A左右，因此選擇5V直流

43、電源或者4.5V電池組，外加3電阻，組成可控硅觸發(fā)電路。4.2.6 光電傳感器選擇選配對射式光電傳感器無型號，接5V電源，測試距離根據(jù)螺線管調(diào)整。電阻R1、R2根據(jù)電源選配。保證電流在1A以下。4.3 計算拋體一級加速后的速度放電電流 螺線管內(nèi)磁場強度 驅(qū)動力 放電時間 加速度 速度 5 電磁推進系統(tǒng)實驗單極驅(qū)動線圈時供電電源原則的直流48V電源，可控硅用鈕子開關(guān)代替了，電容還是63V 10000的，電阻采用的是10W 1的水泥電阻。各實驗數(shù)據(jù)如表5-1所示：表5-1 單級實驗數(shù)據(jù)記錄表電容充電時間（s）50匝時拋體發(fā)射距離（mm）200匝時拋體發(fā)射距離（mm） 10 60 620 30 66

44、 600 40 54 586 60 45 606由此可見，加速距離跟充電時間關(guān)系不大，更能夠說明電容充電很快。通過實驗最明顯的是拋體的初始位置不同最終發(fā)射距離也不同，甚至會出現(xiàn)反拉問題，從而向相反彈出。拋體的加速距離跟線圈匝數(shù)成正比，匝數(shù)越多距離越遠。由以上數(shù)據(jù)可知拋體的初始位置至關(guān)重要，而其初始位置又與電容放電時間以及每級螺線管的長度還有拋體本身的長度。結(jié) 論電磁推進技術(shù)是近些年的研究熱門，它充分詮釋了理論與實踐的完美接合。它的提出以及研究解決了一只困擾著人們的一個問題，如何將大質(zhì)量物體加速到超高速。它的高性價比更是讓各國科學家為趨之若鶩，紛紛對其進行研究。本文是基于電磁片梭投制裝置來研究的，利用電磁力對紡織機械的片梭進行加速以及制動。現(xiàn)將本文的主要工作匯報如下：（1）根據(jù)課題要求設(shè)計了多級驅(qū)動線圈時電路圖。并根據(jù)電路圖大致計算了各參數(shù)。（2）分析了影響速度的各因素，著重介紹了主要的影響因素。（3）實驗論證了分析的正確性，理論結(jié)合實際。（4）將理論知識運用到實際中，解決