虛感應(yīng)式線圈炮的方法以及設(shè)計(jì)對應(yīng)的控制器方案

電磁炮這一未來的軍事武器，本就是一件小眾的事情。于我而言，對于電磁炮技術(shù)有些許了解也是在2019年電子設(shè)計(jì)大賽之時(shí)。在這之前，關(guān)于它的信息全部來自于新聞報(bào)道，對于它的認(rèn)識也就是一個模糊的印象。

在2019年電子設(shè)計(jì)大賽之時(shí)，查閱了大量的期刊文獻(xiàn)，從見到了電磁炮發(fā)展的歷史、演變的方向。也開始關(guān)注各國電磁炮技術(shù)的進(jìn)展。作為大型軍事武器，電磁炮大多采用電樞和軌道組成電磁軌道炮；作為手持玩具，一些愛好者采用線圈制作感應(yīng)線圈炮。在這類我將介紹感應(yīng)式線圈炮的原理，推導(dǎo)它的數(shù)學(xué)表達(dá)式、分析其中的物理含義。以及，介紹制作虛感應(yīng)式線圈炮的方法以及設(shè)計(jì)對應(yīng)的控制器。

電磁炮簡介

目前，電磁發(fā)生器存在三種不同的形式，分別為軌道炮、線圈炮、重接炮。三者的性能對比如下。

?三種電磁發(fā)生器的比較

下面介紹線圈炮。 線圈炮是由固定線圈和彈丸線圈兩部分組成，采用普通直流電動機(jī)的原理，電磁力是靠同軸線圈作用的互感梯度產(chǎn)生。其中固定線圈作為炮管，若有電流通過時(shí)將會產(chǎn)生一個強(qiáng)磁場，同時(shí)彈丸線圈中形成感應(yīng)電流，這樣炮彈就可用被由磁場和感應(yīng)電流間產(chǎn)生的電磁力以超高的速度發(fā)射出去。其基本原理概括起來就是帶電導(dǎo)體或磁性物體在磁場中受到電磁力的作用而被推動前進(jìn)。如下圖。

?線圈炮原理圖

線圈炮中的彈丸與炮膛不直接接觸，因而兩者之間無摩擦，能量利用率高；此外還有加速度大、需要的電流更小，從而使開關(guān)裝置簡化等優(yōu)點(diǎn)，因此更適合發(fā)射初速度較低、容積和質(zhì)量更大的炮彈。

下圖線圈炮實(shí)物模型。

?線圈炮實(shí)物模型

1.單級感應(yīng)線圈炮

單級線圈炮包含控制器、能量轉(zhuǎn)換電路兩部分。能量轉(zhuǎn)換電路指的是能夠存儲大容量電能的電容元件以及定子線圈和鐵質(zhì)拋體。工作基本原理如下，

電路狀態(tài)1：電容元件充電儲能、開關(guān)K斷開，定子線圈中無電流、拋體裝備在預(yù)定位置。

電路狀態(tài)2：開關(guān)K打開，電路導(dǎo)通，電容放電，定子線圈電流瞬間增大、周圍產(chǎn)生變化磁場，鐵質(zhì)導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電流，受電磁力作用，開始運(yùn)動。直至射出炮口。

電磁狀態(tài)3：拋體射出，關(guān)斷開關(guān)K。電路續(xù)流二極管導(dǎo)通，續(xù)流二極管支路電阻消耗能量，直至消耗結(jié)束。然后進(jìn)入電路狀態(tài)1。當(dāng)然為了節(jié)省時(shí)間，可以讓電容在這個階段就開始充電。

?單級線圈炮示意圖

上圖為單級線圈炮原理示意圖。

?單級線圈炮工作
電路圖

一般開關(guān)選擇晶閘管或者IGBT元件。電路圖中給電容充電部分電路未畫出來。

式4為電磁炮電路微分方程、式5為電磁炮拋體運(yùn)動微分方程。

單級線圈炮硬件系統(tǒng)搭建

單級線圈炮由下圖所示電路和主控電路組成。硬件系統(tǒng)搭建也包含這幾部分。接下來分步論述。

單級線圈炮電路圖

1. 單級線圈炮硬件電路

單級線圈炮包含儲能電容、開關(guān)元件、二極管、電阻、定子線圈、炮管。其中儲能電容、開關(guān)元件、二極管、電阻都是完整元件，可以通過購買獲得。開關(guān)元件這里選擇晶閘管，二極管額定電流一般設(shè)定為定子線圈最大電流的1.4至1.8倍，電阻應(yīng)該選擇能承受大電流的瓦片電阻，儲能電容根據(jù)需求選擇。定子線圈可以在網(wǎng)上購買，也可以自己購買1mm左右直徑銅線，然后自己纏繞。至于纏繞方法，可查看網(wǎng)絡(luò)上資料。炮管可使用塑料管裁切而成。

1.1儲能電容電路

一般使用電解電容，根據(jù)具體選擇的電解電容型號，可以考慮選擇將電解電容并聯(lián)。

電解電容

并聯(lián)電解電容電路可以參考如下。

并聯(lián)電解電路圖

1.2 定子線圈制作

定子線圈采用層級繞制而成。每一層匝數(shù)固定，且每一層需要使用電膠布纏繞，起到相鄰兩層電感繞組隔離。見下圖。

定子線圈示意圖

2.控制電路設(shè)計(jì)

線圈炮控制電路有多種分類方式。以開關(guān)觸發(fā)方式可分類為，可分為電控式、機(jī)械控制式。

機(jī)械控制式指的是開關(guān)觸發(fā)方式采用物理式觸發(fā)；電控式指的是開關(guān)觸發(fā)方式采用電力控制。后者觸發(fā)方式優(yōu)于前者。在這里，主要介紹電控式控制電路。

電磁炮控制電路最基本的功能是控制開關(guān)電路。開關(guān)關(guān)閉時(shí)，電容放電。開關(guān)開啟時(shí)，電容充電。選用8051即可實(shí)現(xiàn)該功能。如果需要在這基礎(chǔ)之上完成更多功能，可以考慮換用功能更強(qiáng)大的控制芯片。

線圈式電磁炮等效仿真電路

上圖中程序控制邏輯可用下表表示。理論上，開關(guān)開斷邏輯可以使用邏輯芯片實(shí)現(xiàn)。

開關(guān)開斷邏輯

以上基本是電磁炮硬件搭建方法。想要完成其它更加復(fù)雜的功能，需要加入其它傳感器。