电磁驱动的片梭投射装置设计

电磁驱动的片梭投射装置设计Electromagnetic Driven for Gripper Projection Device DesignI摘 要 当代物理学发展的极快，各种各样的装置都应运而生，在很大程度上提高了我们的生活质量的同时又节约了能源。这所有的一切跟我们人类的智慧分不开同时也是我们对物理学深入研究的必然结果。本项目研究对象为无梭织机中的片梭织机，探索的一种全新的引纬驱动原理，将是提高织机工作性能的有效方法，在其特有工艺原理基础上，提出电磁驱动的高速磁悬浮式引纬机理的设想，探讨磁悬浮式引纬器在高速往复运动中的动态特性及多物理场耦合机理，揭示磁悬浮式引纬原理进入高速织机引纬的可行性，为片梭织机装备提供质量稳定可靠的通用引纬器。本课题研究电磁力驱动的磁悬浮式引纬原理，是利用“以电代机”省略中间机械传动( 扭轴式储能驱动机构)环节，通过“零传动”驱动模式实现引纬器高速往复运动和无摩擦引纬。为了从原理上实现提速与降耗，同时满足现代织机高性能引纬器要求，将织机幅宽从 5.4m 增加至 8m、实际入纬率从 1200m/min 提升至2400m/min，因此无法忽略电磁投/制梭驱动理论、多物理场在动态运行中的相互耦合问题、磁悬浮式引纬的结构稳定性与运动稳定性等问题。本次毕业设计要求用本科四年所学的专业知识以及专业基础知识，为纺织机械的片梭设计“线圈感应型片梭投射装置” 。首先根据题目所给要求确定方案，然后画出电路图，校核电路图，最后购买电子元器件连接电路进行实验并调试电路。本课题的难点是正确的确定电路图以及选择合适的电子元器件的规格，并且要做到各元器件之间能够协调工作，保证实验的成功和装置的稳定性！关键字：物理学 电磁驱动 磁悬浮 引纬原理 IIAbstractVery 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 life 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 mechanism 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 gripper 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 energy 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-performance 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 magnetic 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 the 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 the IIIspecifications 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 insertionIV目 录 摘 要 .IAbstract.II1 绪 论 .11.1 概述 .11.2 电磁推进技术 .11.2.1 电推技术发展史 .11.2.2 电磁推进器的分类 .31.2.3 电磁推进技术发展前景 .31.3 片梭织机引纬原理 .42 电磁引纬总体方案 .62.1 电磁引纬装置的基本原理和结构 .62.1.1 基本原理 .62.1.2 推进装置的主要结构 .72.2 线圈型电磁推进系统的优缺点 .82.3 提出设计方案 .82.3.1 方案一线圈型抛体 .82.3.2 方案二铁磁性抛体 .102.4 方案选择 .113 电磁推进系统理论说明 .124 方案的具体实施 .134.1 电路图的拟定 .134.1.1 单极线圈时电路图的拟定 .134.1.2 多级线圈时电路图的拟定 .154.2 各元器件规格的确定 .174.2.1 供电电容的选择 .184.2.2 可控硅的选择 .18V4.2.3 螺线管材质的选择 .184.2.4 漆包线的规格 .184.2.5 触发电源的选择 .184.2.6 光电传感器选择 .194.3 计算抛体一级加速后的速度 .195 电磁推进系统实验 .20结 论 .21致 谢 .22参考文献 .2311 绪 论1.1 概述电推进就是利用电能来加热、加速以及离解工质，从而使其产生高速射流而产生推力的技术，通常习惯按照工质的加热方式来分类，电推进大致分为电热式、静电式和电磁式三种。其中电热式又可以分为电阻加热、微波加热和电弧加热三种类型。电推进器在上世纪 60 年代就已经成功研制出来了，技术上基本成熟了并且达到了较高的水平。其中美国跟前苏联分别进行了空间飞行试验；1972 年以来，前苏年在其行星探测器和卫星上多次使用了稳态等离子体发动机；日本也在 60 年代以后开展了电磁推进器的研究，也取得了一定的成果。1.2 电磁推进技术1.2.1 电推技术发展史电磁推进系统是部分利用或者全部利用电能来给载荷提供动力的一种新型的加速装置，它有称为电磁发射器。电磁推进技术包含着许多学科的理论知识，例如电磁学、工程力学、等离子体物理以及化学等等，电磁是许多学科的交叉学科，并不是简单的机电一体化学科的结合物。电磁推进产生的背景跟军事密切相关。传统的化学发射类武器（火箭、火炮等等）经过长期的发展。虽然跟火器时代和冷兵器时代锁使用的机械类投射装置（弓箭、弩等）相比具有非常高的功率密度和储能密度，但是随着科学技术的不断发展，当前它已经不能满足人们对加速能力的要求，这时改善加速物体的能力，得到更高的速度及动能便成为人们追求的重点。人们希望有一种比化学火箭更佳的新型加速装置，从而能够更容易的把航天飞机、火箭等轻松的送上太，人们还希望把渺小的粒子加速到每秒几十甚至上百公里，以便能够进行撞击实验。尽管人们采用不同的结构和不同的推进剂（液体的、固体的等） ，但是由于原理的缺陷已经很难取得突破性的成就，就在这个时候电磁推进器应运而生。电磁推进最早是在一百多年前提出来的，英国物理学家查尔斯.惠斯通（Chars Wheastone)就建成了世界上第一台直线磁阻电动机，并且将金属棒抛射出 20m 远，21895 年，梅厄（Mayor ）得到了世界上第一个直线感应电动机的专利。1901 年，挪威的奥斯陆（Oslo）大学物理学的教授伯克南（Birkeland）使用直流激励管桩直线电动机的系列线圈，把质量为 500g 的重物加速到 50m/s，这个实验模型后来放置在奥斯陆科学实验馆里面。1912 年，法国的艾米尔.巴彻斯特（Emile Bachelet）建造了一个交流激励的磁推进装置，在 1914 年的时候展出过，当时引起了时任英国首相的丘吉尔的兴趣。1917 年，另外以为法国的发明者提出了利用电磁力推进有翼物体的设想。1920 年，法国的福琼.维来普勒（Fauchon-Villeplee）发表了电器火炮的文章。与此同时，美国费城的电炮公司研制出了电磁加速推进器。1937 年美过航空公司创始人诺斯拉普（Northrup）教授用“Abkad Psendoman”当作笔名在0 到80一书中提到了电磁推进原理。此后，美国普林斯顿大学用电磁力试着加速载体。一直到第二次世界大战爆发之前，各种电磁推进装置的专利已经多到了 45 项。战争期间，日本、德国都曾公开研制过电磁推进装置。1944 年德国的汉斯莱（Hansler）就曾将一个 10g 的物体加速到 1.2km/s。1946 年，美国的威斯丁豪斯电气公司建成了一个全尺寸的飞机弹射装置，取名为“电托” （Electopult） ，它的基本原理类似于一个直线电动机。后来，美国海军和空军也进行了一些研究工作。但受到当时技术条件的限制，美国空军的科学研究院经过反复的论证，最后的结论是电磁推进根本行不通，在 1957 年放弃电磁推进技术。电磁推进技术的研究因此降到了谷底。但是，世界其他各国在 60 年代任然在孜孜不倦的进行着电磁推进技术的研究，并取得了一系列的进展，他们的研究重新点燃了电磁推进技术的希望之火。澳大利亚国立大学的马希尔（Marshall）跟他的同事在改进大电流滑动技术方面提出了“等离子体电弧电枢的概念” ，把 31mg 的物体加速到 6km/s。基于上述的工作和脉冲技术的发展，电磁推进技术在 20 世纪 70 年代有了非常重大的突破。目前世界各国也在积极的投入大量的人力物力以及财力建设实验室，对电磁推进技术进行实验研究。俄罗斯、美国、法国、英国、日本、中国、德国、以色列等十几个国家都竞相研究，美国暂时处于领先地位。我国的电磁推进技术起步比较晚，在规模、实验设备、理论水平等方面相比于美国存在着非常大的差距，但是中国的电磁推进技术发展的非常快，尤其是最近几年，由于投入的加大使得我国的电磁推进技术得到了突飞猛进的发展。目前国内的3研究主要是在高密度能量电源、扩大电磁推进的应用领域以及提高系统能够的能量利用率等方面。1.2.2 电磁推进器的分类电磁推进的分类方式很多，按照加速轨道的不同可以将其分为：轨道型、重接型和线圈型。电磁推进装置基本上可以分为三大类，即导轨型、线圈型和重接型，三种类型各自具有不同的特点，可以满足不同发射条件的要求。导轨型电磁发射器研究起步较早，各方面技术都比较完善；而线圈感应型电磁推进作为一种新型的加速方式，具有速度高、加速时间短、易于加速大质量载荷等优点，在航空航天、高能物理、核能研究等领域有着巨大的应用潜力，因此世界各国都进行了大量的研究；重接型电磁发射技术的研究工作开展的比较晚，现阶段仅处于理论研究阶段。1.2.3 电磁推进技术发展前景电推进的基本特点是比冲高、寿命长、推力小。因此电推进在要求大推力的运输器以及空间推进器的场合并不适用，反而适合用于各种航天器的姿态调整和控制、轨道修正、动力补偿、轨道转移、位置保持、重新定位、宇宙探测等任务。将电推进器应用于航天器的空间推进可以显著的增加其有效载荷、延长使用寿命和降低发射成本。当前两年一次的国际电推进会议主要是交流世界各国电推研究成果与发展状态。从电推进的发展趋势来看，随着航天技术的发展，航天器对推进系统有如下的要求：体积小、质量轻、效率高，因此比冲高、体积小、结构紧凑和环保的电推进将受到航天方面的广泛应用。有理由相信，电推进在航天领域的应用将一片光明。1.3 片梭织机引纬原理织机历经好几千年的发展，根据它的编织工艺原理可将其分为有梭织机与无梭织机。基本上是通过引纬梭子往复直线运动与经纱交替变换动作，完成经纬纱线编织。有梭织机中梭子既是引纬器，又做存纬器用。无梭织机则由机械式引纬器或以流体为介质(如空气或水射流)作为引纬线器，存纬功能由其它辅助装置实现。无梭织机主要包括片梭织机、剑杆织机、喷气及喷水织机等。片梭织机是利用片状式梭体作为引纬器，每台织机由若干片梭顺序从织机的供纬侧将纬纱引入梭口。如图 1-1 所示结构，片梭织机投梭动力来自扭轴加扭时贮存的弹性位能，制梭过程由油压4缓冲器实现。片梭将沿导梭轨高速直线运动进入接梭箱被制动，由梭口下方的传送机构送回原处，如图 1-2 所示。当引纬器依次完成选梭、投梭、制梭、交接后实现一次经纬纱线编织动作循环。根据以上编织工艺原理分析可知，片梭织机利用现有扭轴式储能驱动方式，其能量利用率低、噪声大、引纬器工作效率低。由于机械装置直接影响引纬器在投梭及制梭中不匀速往复运动，易产生振动，磨擦能耗高，导致机速低、织物幅宽窄、入纬率低等问题，所以在现有工艺原理基础上要大幅提高织机编织效率难以实现。图 1-1 片梭织机扭轴式投梭装置原理图 图 1-2 片梭织机引纬工作原理本课题研究电磁力驱动的磁悬浮式引纬原理，是利用“以电代机”省略中间机械传动( 扭轴式储能驱动机构)环节，通过“零传动”驱动模式实现引纬器高速往复运动和无摩擦引纬。为了从原理上实现提速与降耗，同时满足现代织机高性能引纬器要求，将织机幅宽从 5.4m 增加至 8m、实际入纬率从 1200m/min 提升至2400m/min，因此无法忽略电磁投/制梭驱动理论、多物理场在动态运行中的相互耦合问题、磁悬浮式引纬的结构稳定性与运动稳定性等问题。52 电磁引纬总体方案2.1 电磁引纬装置的基本原理和结构2.1.1 基本原理电磁推进器是利用电磁力座位驱动力来发射抛体的装置，它的基本原理简单点概括起来就是导体在磁场中由于受到洛仑兹力而前进。电流激励定子线圈使其产生磁场，同样的抛体内部也有磁场（可能有外加电源提供、也可以是两线圈之间感应产生） ；感应力既有轴向力又有径向力，其中轴向力是主要的推动力，轴向力推动定子前进，而径向力则维持抛体能够悬浮在管中央以此来减小摩擦。如图 2-1，假如线圈中的电流跟磁体中电流的方向相同，当抛体处于螺线管左侧时由法拉第电磁感应定律可知：电枢受到的洛仑兹力是促进抛体前进的，当抛体经过线圈中间而到达右侧后所受到的洛仑兹力是阻碍其前进的，因此，当抛体达到线圈中间时切断电源是关键所在。图 2-1 电磁推进器原理图为了使抛体有更高的速度，可以采用多级结构，发射时依次为抛体加速，理论上是级数越多抛体最后的速度越大。当抛体是线圈时，加速原理跟铁磁性物质大体相同。2.1.2 推进装置的主要结构推进装置的组成部分：（1） 定子线圈：有合适规格的漆包线组成。（2） 抛体：一般有两种形式的，铁磁性物质的和自带线圈以及供电电路。6对于我们处于研究阶段因此常使用铁磁性物质。（3） 导管：通常有不导磁的材料组成，其作用是避免定子线圈受损，因为，一旦抛体在导管中不是平行的悬浮在导管中间，那么在抛体运动过程中势必会损坏定子线圈。（4） 供电电源：供电电源可以是脉冲电源、交流电源、直流电源。2.2 线圈型电磁推进系统的优缺点电磁推进器作为新型的推进装备，在最近几十年的迅猛发展也体现出了其独特的有点，但同时其自身也有许多不够完善的地方。线圈型电磁推进器主要优点:（1） 加速体悬浮在驱动线圈轴线上，因此两者并无接触，当然也不会有摩擦力，这样就能够给抛体提供更多的能量，抛体的出口速度也会更高。（2） 效率高。由理论知识可知，系统的效率应该是 100%的，与另外几种形式的推进器相比效率明显的高。（3） 力学结构合理。（4） 便于提高电磁力或者减小电流。（5） 高阻抗。其他元器件上损失的能量少，开关容易控制，电流小时，电磁力破坏的可能性也小，高阻抗的负载供电电源容易选择。（6） 维修方便。（7） 加速器出口不会产生电弧、电火花，操作安全。（8） 可以迅速发射并且易于控制。线圈型电磁推进器的主要缺点：（1） 技术复杂，就目前情况来看同步技术还是相对复杂繁琐的。（2） 当抛体处于告诉状态时电枢电流非常大，因此发热不得不面对。（3） 抛体运动过程中会产生高的感应电动势和感应电压。速度越高反电动势越大，反电动势会倒拉抛体。（4） 驱动线圈的机械强度在一定意义上决定着冲击载荷的大小。因此载荷大时，机械强度能否满足要求便是主要的问题。72.3 提出设计方案2.3.1 方案一线圈型抛体线圈型电磁发射器的模型图如图 2-2 所示。如图 2-2（a)所示，一个单匝的驱动线圈和一个带有线圈的弹体同轴排列。当两个线圈上都通上电后，于是就可以建立起一个恒定磁场，从而两个线圈之间就会产生互感，其互感 M 如图 2-2（b）所示。图 2-2 单匝同轴电磁推进器示意图当驱动线圈中通以图示 2-2（c）所示规律的电流时，弹体上始终要受到一个轴向力 F，从而使其加速，沿着 X 轴的正方向前进。当两个线圈电流方向相同的时候，弹体将受到吸力，反之，弹体线圈将受到斥力。一般的为了减少轴向力 F 的波动和延长其加速行程，上述的驱动线圈和弹体线图 2-3 多级线圈型电磁推进器原理图圈都做成多级结构，一个多级线圈原理图如图 2-3 所示。方案一最主要的特点是：抛体是线圈，并且是有独立供电电源的线圈，对于一8般的体积较小的推进器，此种模式不太适用。为了更为方便简洁，我们提出案二。2.3.2 方案二铁磁性抛体当螺线管通电时，螺线管的内外就有了磁感应线分布，其磁势分布为出人口高内部低，管外的弹体(铁磁芯)被拉向中心图 2-4 示为线圈中弹体受力和磁势的分布图线圈中心弹体力最大，但磁势最低以简化模型来分析弹体弹体弹芯为铁磁性物质，因此，在恒定外磁场的作用 下，可将其视为一绕子弹中心轴为对称轴的圆电流体子弹在螺线管所产生的磁场中的受力分析可简化为通电圆线圈之间的受力问题如图 2-5 所示，当弹体处于管中心时，控制电路切断电流，弹体依靠惯性发射出去因此解决电流通断时机是本方案的关键。图 2-4 线圈磁势分布示意图 图 2-5 线圈加速原理图当弹体加速到线圈中心位置时，即磁势最低的位置，触发控制开关使线圈断电，弹体依靠惯性运动，由于此种方案控制比较简单，易于实现多级加速。2.4 方案选择上述两种方案中，方案一理论上弹体获得的速度大，但相对而言结构复杂，并且推进器的结构尺寸庞大，但方案二就显得更加有优势，首先，弹体是片梭不容易做成定子线圈因此也避免了外加电源，同时节省了空间，总的看来还是方案而更加适合。93 电磁推进系统理论说明对于多级电磁炮，第一级我们可以采用两种触发方式，光电传感器触发（抛体放到驱动线圈中时，遮住光电传感器就自动触发）或者手动触发。（1） 手动触发：就是和单机电磁炮的触发方式一样，通过按钮或者开关触发第一级可控硅。其中，这种触发方式又可以分为两种一是高压串联电阻触发，第二种是低压电池组触发。高压串联电池组需要计算阻值，触发所需电容电压范围较窄，阻值较小触发会对效果有所影响，阻值过大触发困难。手动触发的特点就是抛体发表在固定的位置然后手动按下发射按钮。（2） 光电传感器触发：就是在一级驱动线圈上抛体的初始位置处安装光电传感器，当发射条件允许时，将抛体放到初始位置，光电传感器就会检测到并触发一级可控硅。特点是会占用一条传感线路。电磁推进系统的理论相对而言比较简单，但其牵涉的知识相当的复杂，每一个参数都扮演着举足轻重的地位。我们假设螺线管的半径为 R，电流为 I，每单位长度 L 有线圈 n 匝。只要 L 大于 R，那么螺线管内部磁场较均匀。于是抛体的推力计算大致如下：有麦克斯韦吸力公式有 ,式中，F 为磁力；B 为磁通密度，S 为与SB*)(250磁通密度相垂直（正交）的面积。由牛顿第二定律知 其中 F 为物体受到的力，M 为物体的质量。A 为a物体的加速度。同时由冲量定理有 可以看出抛体的初速初vtatP*度与加速度 a 以及时间 t 有关。所以我们在计算的时候要注意，加速度 a 又跟电容电压和螺线管电流 I 有关。104 方案的具体实施4.1 电路图的拟定经过简单的计算并查阅相关资料，以及要达到速度要求。最终决定采用多级驱动线圈。4.1.1 单极线圈时电路图的拟定由前面的理论知识可知驱动线圈必须在抛体到达其中部时断电，因此切断电源是主要任务，鉴于此我们采用的电容器做为蓄能原件，因为相比于直流电源，电容器有很高的功率密度，是相同伏值电池的 1100 倍，更加适用于短时间的充放电，并且电容器的放电时间也可以大致估算出来，因此选择电容器作为储能元件是再合适不过，所以选择直流电源与为其充电。用开关控制充电电路的通断，接法如图 4-1 所示。图 4-1 电容充电回路放电电路的确定时需要注意保护线圈，防止线圈过热。因此我们在螺线管所处回路上并联一条有二极管和限流电阻组成的回收回路，由此来保护螺线管防止其过热。在螺线管支路上需要控制原件控制其通断，有以下三种方式:（1） 使用小型的空气开关控制，因为空气开关可以在极短时间内通过较大的电流。（2） 用可控硅做控制开关。11（3） 用 IGBT 器件做控制开关，但需要复杂的控制电路，控制其通断。芯片一般都是进口的，性价比不高。由于可控硅是一种电流型控制元件，需要触发电路，导通时存在方向问题（单向可控硅） ，因此，可控硅是最合适的控制元件。连接电路图时注意可控硅引脚问题。可控硅的处罚电路由电池组组成触点开关 FS 点控，因此 FS 也是发射按钮。开关控制电容器放电。综合以上的分析电容器放电电路电路图如图 4-2 所示。图 4-2 电容放电回路由于在电容器充电时电容器不允许放电，而且当充电完成后关闭充电控制开关的同时我们就可以打开放电控制开关，所以将两个开关合并为一个钮子开关。因此单极驱动线圈时的电路图如图 4-3 所示。12图 4-3 单极驱动线圈电路图4.1.2 多级线圈时电路图的拟定对于拥有多级驱动线圈的电磁推进装置，最主要的是控制好各级驱动线圈的放电以及其放点时间的长短，因为在第一级线圈加速过后抛体就已经拥有一定的速度，在第二级线圈加速的过程中抛体的速度比第一级时更大。因此，利用率相对而言较低。正因为如此，后面两级驱动线圈的供电电容的大小理论上应该更大，并且放电应该更快，这样才能提高利用率。对于多级驱动线圈时在理论上我们有两种驱动方法：（1） 用延时的方法让螺线管依次通电以此来产生时序磁场，以便加速抛体。（2） 我们可以在炮管上安装传感器，这样在抛体经过螺线管时就会通过传感器来触发下一级螺线管工作，从而是抛体在下一级螺线管获得加速。下面来具体分析这两种方法：（1） 对于延时法，我们需要用到延时电路，延时电路的种类繁多，其中最基本的就是 RC 延时电路。而最精确的就是单片机控制的延时电路，对于但是电路来说精确的控制好延时时间才是最主要的，而控制延时时间又主要取决于抛体速度的确定。假设螺线管的长度为 h，各级螺线管之间的距离依次为 s，抛体的始终处于螺线管的轴线上。假设抛体经过第一级加速后速度由 0 到 30m/s，计算抛体到第13二级加速位置所需的时间，而这个计算时间就是第二级驱动线圈需要延时的时间。抛体从第一级初始位置到打 h 处，速度由 0 到 30m/s，由此便得出出加速度 21（4-1）1/tva）（ 初末 （4-2）21（4-3）tT其中 分别为抛体的初速度、末速度、第 i 级加速时间、第 i 级延时时间 iTtv、末 、初 、第三级延时时间如此类推。这只是理论计算，但实际上我们最需要的是测速仪。只有在精确的计算出一级速度后才能精确的计算第二级的延时时间。同理只有精确计算出第二级的速度后才能准确计算出第三级的延时时间。同时用延时法的前提是保证每一次的发射环境一样，比如，抛体的仰角、重力加速的影响等等。（2） 对于炮管中安装传感器的方法。这种方法就是抛体在经过传感器时，由传感器检测到信号，并将传感信号进行放大，放大的信号经过处理后去触发下一级的通断，传感器的类型就采用非接触式传感器(接近型传感器)。由于速度是逐级递增的，所以每一级的加速时间就逐渐递减。也就是说电容容量要减少，否则会反拉给抛体减速。这些都可以反复调试，左后可以确定一个相对理想的状态。该方法的前提是，保证每次发射田间答题一样。缺点是无法考虑仰角、重力加速度等问题，只能够做到相对最佳状态。图 4-4 多级驱动线圈时的电路图14最终我们选择第二种方法既是在炮管中安装光电触感器，因为我们无法保证每次的发射条件绝对一致，电路图如图 4-4 所示。其中 FS 是发射按钮，电阻根据光电传感器选配，三极管为 NPN 型的。4.2 各元器件规格的确定 由于要满足速度要求因此各级的速度有一个大致的标准。因此，假设经第一级驱动线圈加速后速度需要达到 10m/s，因为假如第一级速度为 10m/s 经过第二级加速后速度不会是 20m/s，故而必须在第一级加速时让速度尽可能的大，同时线圈中通的是直流电所以螺线管是不存在感抗问题的，此处只考虑螺线管的内阻即可。一般织机梭子的参数为 27.8*3.5*2.6（各单位均为厘米） ，我们尽可能的减轻梭子的质量，所以将其做成空心的而且对材质也有所要求。尽可能选择轻金属或者合金。抛体在螺线管中的加速距离一定要小于或者等于螺线管长度的一半，假如大于其一半必然存在反拉问题从而影响其速度。假设抛体的质量为 M（） 、加速时间为 t（s） 、螺线管中的磁场为 B(G)、螺线管长度为 L（m） 、加速距离为 h（m） 、抛体加速度 a（ ） 、抛体的最大横截面2sm积 s( )、抛体在螺线管中的受力 F（N） 、抛体经过第一级螺线管加速后的速度为2cv( )，螺线管中的电流为 I（A） 、电容放点时间为 （s） 、电容容量为 C(F)、1s RC 回路的电阻为 R（ ） 、 为真空磁导率（ ） 、n 为单位长度线圈匝数、01ATP 为抛体的动量、 。0i因此有：（4-4）nIB0（4-5）sF2)5(（4-6）atv（4-7）21h（4-8）MtP（4-9）RC（4-10）Lh21（4-11）4t由以上各式可知各参数之间是相互关联的，因此它们之间要有一个相对合理的15取值。首先，将片梭做成中空以减轻质量从而提高速度并且尽量做成横截面积大有利于提高驱动力 F，取织机梭子质量 M 为 40g。4.2.1 供电电容的选择电容的容量大，放电时间就会越长，为了让抛体一直加速则第一级驱动线圈的长度必然加长，进而装置的尺寸会加大；电容的电压高储存的电量就会多。因此并不是电容的容量越大抛体的最终速度就会越高，再就是如果大电流放电时间超过10ms 可控硅就容易坏掉。所以当电容的电压高了电流就会变大从而加速度也会变大，抛体到达螺线管中央的时间就会缩短，因此为了充分利用电容的储存的能量各级电容储能量应该逐级减小。综合考虑个因素之后我们选定规格为 48V 10000 的电解电容，取放电回路F电阻为 4 。由公式 3-9 知其放电时间 sRCt 16.010444.2.2 可控硅的选择由于电容瞬间放电的电流为 因此可控硅选择 40TPS12 即AIRU5.326通过的最大电流 40A 耐压值为 1200V。4.2.3 螺线管材质的选择查阅相关资料后很多资料显示金属类螺线管优于非金属类螺线管，可是我仍然觉得非金属类螺线管更优。我个人觉得只要螺线管的内径合适，内壁光滑就可以了，而且金属类螺线管还存在电涡流的问题，最终选择非金属类螺线管，从耦合的角度分析，抛体与螺线管的径向距离应该尽可能的小从而有利于磁耦合，但是从物理学的角度分析应该尽可能使其横截面积大。4.2.4 漆包线的规格由大学物理学中的电磁学知识可知，通电螺线管所产生的磁场 ，因此，nIB0漆包线越细则 n 就越大，但 I 会由此变小。 是真空磁导率为固定值。所以我们在0选择漆包线时要注意匝数 n 与电流 I 的协调。最终选择 0.8mm 的纯铜漆包线 10m长，经测量内阻为 ， n 为 1250。8.04.2.5 触发电源的选择取可控硅触发电流为 1A 左右，因此选择 5V 直流电源或者 4.5V 电池组，外加3 电阻，组成可控硅触发电路。164.2.6 光电传感器选择选配对射式光电传感器无型号，接 5V 电源，测试距离根据螺线管调整。电阻R1、R2 根据电源选配。保证电流在 1A 以下。4.3 计算抛体一级加速后的速度放电电流 AI248螺线管内磁场强度 GnB370驱动力 NsF68.0)5(2放电时间 t1.4加速度 27smMa速度 tv.5175 电磁推进系统实验单极驱动线圈时供电电源原则的直流 48V 电源，可控硅用钮子开关代替了，电容还是 63V 10000 的，电阻采用的是 10W 1 的水泥电阻。F各实验数据如表 5-1 所示：表 5-1 单级实验数据记录表电容充电时间（s ）50 匝时抛体发射距离（mm）200 匝时抛体发射距离（mm）10 60 62030 66 60040 54 58660 45 606由此可见，加速距离跟充电时间关系不大，更能够说明电容充电很快。通过实验最明显的是抛体的初始位置不同最终发射距离也不同，甚至会出现反拉问题，从而向相反弹出。抛体的加速距离跟线圈匝数成正比，匝数越多距离越远。由以上数据可知抛体的初始位置至关重要，而其初始位置又与电容放电时间以及每级螺线管的长度还有抛体本身的长度。18结 论电磁推进技术是近些年的研究热门，它充分诠释了理论与实践的完美接合。它的提出以及研究解决了一只困扰着人们的一个问题，如何将大质量物体加速到超高速。它的高性价比更是让各国科学家为趋之若鹜，纷纷对其进行研究。本文是基于电磁片梭投制装置来研究的，利用电磁力对纺织机械的片梭进行加速以及制动。现将本文的主要工作汇报如下：（1）根据课题要求设计了多级驱动线圈时电路图。并根据电路图大致计算了各参数。（2）分析了影响速度的各因素，着重介绍了主要的影响因素。（3）实验