ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ МЕТАЕМОГО ТЕЛА Российский патент 2005 года по МПК F41B6/00 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электромагнитным ускорителям, и может быть использовано для метания и иного перемещения ферромагнитных твердых тел.

Известны ускорители, содержащие направляющие элементы для метаемого тела, например рельсы или трубу, и средства их ускорения при помощи магнитного поля, создаваемого несколькими катушками соленоидов, поочередно подключаемых к источникам электропитания.

Например, средство для транспортирования писем, посылок и других легких объектов из одного места в другое [1] содержит трубу или направляющие, несколько катушек, источник питания, соединенный с первыми выводами катушек, вторые - свободны, и имеется средство для соединения свободных концов с источником питания при движении транспортируемого объекта.

Коммутация свободных концов катушек с источник питания осуществляется при движении транспортируемого объекта расположенными на нем пружинными контактами.

Другие известные запатентованные решения также предусматривают применение нескольких катушек с различными средствами коммутации цепей их питания. К ним относятся принятые во внимание патенты [2...11].

Однако все они имеют общий недостаток - большие потери энергии вследствие бесполезного рассеяния значительной части электромагнитной энергии полей катушек.

Для повышения эффективности ускорителя метаемых тел улучшают форму тока в катушках и оптимизируют синхронизацию коммутации цепей питания катушек с положением движущегося метаемого тела в стволе, увеличивают количество катушек. В [12] приведен вариант исполнения с 36-ю катушками и матрицей коммутации цепей питания.

Наиболее близким аналогом к заявляемому ускорителю является выбранная за прототип электромагнитная пусковая установка [13].

В патенте [13] представлено описание электромагнитного ускорителя масс, содержащего множество катушек и источников энергии для их импульсного питания. Последовательное возбуждение катушек для перемещения метаемого тела выполняется средствами коммутации цепей питания катушек в соответствии с сигналами датчиков о положении метаемого тела.

Недостатком данного устройства является низкая эффективность преобразования электромагнитной энергии в кинетическую энергию метаемого тела.

Основной технической задачей предложенного решения является увеличение эффективности преобразования электромагнитной энергии в кинетическую путем переноса части энергии от каждой выключаемой катушки к последующей включенной катушке синхронно с движением метаемого тела.

Данная техническая задача решается следующим образом.

Электромагнитный ускоритель метаемого тела содержит ферромагнитное метаемое тело, цилиндрический немагнитный ствол с соосно закрепленными на нем и последовательно расположенными катушками тяговых соленоидов и средства коммутации цепей питания каждой катушки по сигналам датчиков положения метаемого тела.

Изобретение имеет следующие новые признаки, отличающие его от известных.

Ускоритель содержит несколько отдельных магнитопроводов, расположенных так, что каждый из них охватывает по две соседние катушки, примыкая обращенными к стволу боковыми элементами к торцам катушек.

Для любых трех расположенных последовательно в ряд катушек (j), где j - номер катушки, первый магнитопровод охватывает две рядом расположенные катушки (j) и (j+1), примыкая двумя боковыми элементами к крайним торцам этой пары катушек, а между катушками (j) и (j+1) элементы первого магнитопровода отсутствуют. Второй магнитопровод двумя боковыми элементами охватывает крайние торцы катушек (j+1) и (j+2) и при этом один боковой элемент второго магнитопровода размещен между рядом расположенными торцами катушек (j) и (j+1), крайние торцы которых охвачены первым магнитопроводом. Между рядом расположенными торцами катушек (j+1) и (j+2), охваченных вторым магнитопроводом, расположен один боковой элемент первого магнитопровода.

Длина метаемого тела выполнена равной сумме удвоенной длины катушки и утроенного расстояния между катушками, что обеспечивает при движении метаемого тела совместно с соответствующим магнитопроводом и охваченной им парой катушек образование замкнутой магнитной системы, которая способна выполнить как функцию электромагнита, так и функцию трансформатора.

Средства управления коммутацией цепей питания катушек по сигналам датчиков положения метаемого тела при образовании замкнутой магнитной системы выполнены с возможностью выключения питания катушки (j) при включенном питании катушки (j+1), с последующим выключением питания катушки (j+1) при включенном питании катушки (j+2).

Ток вторичной магнитной индукции в моменты выключения питания каждой катушки усиливает магнитное поле следующей катушки с включенной цепью питания и увеличивает тяговое усилие сначала в катушке (j+1), а затем - в катушке (j+2) и последующих катушках.

Таким образом, синхронно с перемещением ферромагнитного метаемого тела осуществляется перенос части электромагнитной энергии от одной катушки к последующей.

На фиг.1, 2 изображены схемы пространственного расположения магнитопроводов и катушек.

На фиг.3 изображена электрическая схема электромагнитного ускорителя.

На схемах приняты следующие обозначения:

1 - ствол;

2 - метаемое тело;

3-6 - катушки;

7, 8 - магнитопроводы;

14-17 - конденсаторы питания катушек 3-6;

18-21 - коммутаторы в цепях питания катушек 3-6;

22-25 - датчики положения метаемого тела 2;

26 - средство предварительной обработки сигналов датчиков 22-25;

27 - средство заряда конденсаторов 14-17 и управления коммутаторами 18-21;

28-29 - выводы для подсоединения к источнику питания ускорителя.

Электромагнитный ускоритель метаемого тела (фиг.1, 2) устроен следующим образом.

Он содержит цилиндрический немагнитный ствол 1 с метаемым телом 2.

Ствол размещен внутри катушек 3-6 соленоидов, осевые линии которых совпадают с осевой линией ствола.

Катушки 3-6 попарно охвачены двумя отдельными магнитопроводами 7 и 8. Зазор между магнитопроводами отделяет магнитные потоки обоих магнитопроводов друг от друга.

Магнитопровод 7 на фиг.1 выполнен составным, образован из двух одинаковых U-образных магнитопроводов.

Магнитопровод 7 на фиг.2 выполнен составным, образован из двух одинаковых замкнутых O-образных магнитопроводов.

Магнитопровод 8 на фиг.1 имеет U-образную форму, а на фиг.2 имеет O-образную форму.

Магнитопроводы 7 и 8 имеют соответственно боковые элементы 9, 10, 11 и 12, 13, способные проводить магнитный поток в направлении ствола. Боковой элемент 10 магнитопровода 7 в данном случае является общим элементом обоих составляющих магнитопровода 7 на фиг.1 и на фиг.2.

Магнитопроводы охватывают по две соседние катушки, примыкая обращенными к стволу двумя боковыми элементами к крайним торцам катушек.

Магнитопровод 7 охватывает первой своей составной частью две рядом расположенные катушки 3 и 4, примыкая двумя боковыми элементами 9, 10 к крайним торцам этой пары катушек 3 и 4, при этом между рядом расположенными торцами катушек 3 и 4 элементы данного магнитопровода отсутствуют.

Магнитопровод 8 своими двумя боковыми элементами 12 и 13 охватывает крайние торцы двух расположенных рядом катушек 4 и 5.

Боковой элемент 12 магнитопровода 8 размещен между рядом расположенными торцами катушек 3 и 4.

Между торцами катушек 4 и 5, охваченных магнитопроводом 8, расположен боковой элемент 10 магнитопровода 7.

Катушки 5 и 6 охвачены второй составной частью магнитопровода 7, а между этими катушками размещен боковой элемент 13 магнитопровода 8.

Схема электрическая электромагнитного ускорителя по изобретению изображена на фиг.3.

Метаемое тело 2 помещено в цилиндрическом стволе (не показан) с катушками 3-6, выводы которых соединены с источниками их автономного импульсного питания - конденсаторами 14-17 и коммутаторами 18-21.

Средства определения пространственного положения метаемого тела содержат датчики 22-25 положения метаемого тела 2, например фотодатчики, выходы которых соединены со входом средства 26 предварительной обработки сигналов датчиков 22-25, а выходы последнего соединены со входами средства 27 управления коммутаторами 18-21.

Средство 27 осуществляет также заряд конденсаторов 14-17; его выводы 28-29 предназначены для подключения к источнику питания.

Средство 27 управления коммутацией цепей питания катушек 3-6 по сигналам датчиков положения 22-25 метаемого тела 2 относительно катушек 3-6 выполнены таким образом, что при движении метаемого тела в момент образования временной замкнутой магнитной системы из метаемого тела 2 и одного из магнитопроводов 7 или 8 обладают возможностью выключать питание катушки 3 при включенном питании катушки 4, с последующим выключением питания катушки 4 при включенном питании катушки 5, и при дальнейшем перемещении метаемого тела с возможностью выключения питания катушки 5 при включенном питании катушки 6.

Электромагнитный ускоритель метаемого тела работает следующим образом.

В исходном состоянии метаемое тело 2 вне области действия датчиков положения метаемого тела цепи питания всех катушек выключены. При пуске включается первая пара катушек 3, 4, которая совместно с магнитопроводом 7 выполняет функции электромагнита, втягивающего метаемое тело 2. Метаемое тело 2 перемещается в стволе и замыкает магнитную цепь сердечника трансформатора, образованного из первого сегмента магнитопровода 7 и катушек 3, 4.

При достижении этого положения хвостовая часть метаемого тела 2 входит внутрь магнитопровода 7, прекращая перекрывать излучение к первому датчику 22 у первого бокового элемента этого магнитопровода. Датчик 22 открывается, вследствие чего цепь питания катушки 3 выключается коммутатором 18. Датчик 23, расположенный между катушками 3 и 4, перекрыт метаемым телом 2, цепь питания катушки 4 остается включенной.

В этот момент в катушке 4, дополнительно к току, поступающему по цепи ее питания, возникает ток вторичной магнитной индукции вследствие размыкания цепи питания первой катушки 3. Суммирование токов в катушке 4 приводит к усилению магнитного поля в этой части магнитной системы и увеличению тягового усилия внутри катушки 4.

Метаемое тело 2 перемещается в стволе далее, перекрывает передней частью датчик 24, расположенный между катушками 4 и 5, и с этого момента включается цепь питания катушки 5. При этом магнитопровод 8 с катушками 4 и 5 образуют очередной тяговый электромагнит, к магнитному полю катушки 4 добавляется магнитное поле катушки 5 и метаемому телу 2 придается дополнительное ускорение.

При дальнейшем движении метаемое тело 2 замыкает магнитную цепь сердечника трансформатора, образованного из магнитопровода 8 и катушек 4 и 5.

При достижении этого положения хвостовая часть метаемого тела 2 входит внутрь магнитопровода 8, прекращая перекрывать излучение к датчику 23, расположенному между катушками 3, 4. Датчик 23 открывается, вследствие чего цепь питания катушки 4 выключается. Датчик 24 между катушками 4, 5 перекрыт, цепь питания катушки 5 остается включенной.

В этот момент в катушке 5 дополнительно к току, поступающему по цепи ее питания, возникает ток вторичной магнитной индукции вследствии выключения цепи питания катушки 4. Суммирование токов в катушке 5 приводит к усилению магнитного поля в этой части магнитной системы и увеличению тягового усилия внутри катушки 5.

При дальнейшем движении метаемого тела процессы повторяются аналогично.

Применение данного технического решения позволяет увеличить эффективность преобразования электромагнитной энергии в кинетическую.

Источники информации

1. Патент США № 259817. Electro-magneticdispatch tube. US cl.: 124/3.

2. Патент США № 811913. Electrcic gun. US cl.: 124/3 89/8 310/14.

3. Патент США № 1241333. Gun. US cl.: 124/3 89/8 310/14.

4. Патент США № 1384769. Electrcic gun. US cl.: 124/3 89/1.1 89/8 139/134 310/13 310/14.

5. Патент США № 1959737. Machine gun. US cl.: 124/3 89/8 89/9 102/491 102/517 124/52 310/14 411/452.

6. Патент США № 1324204. Magnetic gun. US cl.: 124/3 310/14 310/23.

7. Патент США № 1985254. Electrcic gun or projectile propelling apparatus. US cl.: 310/13 89/8 124/3 139/134 310/14 310/23.

8. Патент США № 2235201. Electrcic gun. US cl.: 124/3 89/8 310/14.

9. Патент США № 2870675. Acceleration ampliphaer. US cl.: 89/1.1 89/8 124/3 310/14.

10. Патент США № 3273553. Electromagnetically operated gun. US cl.: 124/3 124/32 124/41.1 124/44.6 446/473 473/578.

11. Патент США № 6361393. Magnetic impulse reaction driven toys. МПК: А 63 Н 27/00.

12. Патент США № 5 763812. Compact personal rail gun. МПК: F 41 F 1/00.

13. Патент США № 5125321. Apparatus for and method of operating a cylindrical pulsed induction mass launcher. МПК: F41B 6/00.

Изобретение относится к электротехнике - электромагнитным ускорителям массы, и может быть использовано для метания ферромагнитных тел. Техническим результатом является увеличение эффективности преобразования электромагнитной энергии в кинетическую. Устройство состоит из катушек с расположенным внутри них по осевой линии цилиндрическим немагнитным стволом для метаемого тела, средств раздельного питания каждой из катушек и средств коммутации цепей питания каждой из катушек. Катушки выполнены с магнитопроводами. Каждая пара рядом расположенных катушек охвачена общим для этих двух катушек магнитопроводом. Кроме того, каждые из любых трех последовательно расположенных рядом катушек имеют пространственно разнесенные (повернутые относительно оси ствола) магнитопроводы - первый магнитопровод повернут относительно второго магнитопровода вокруг оси ствола таким образом, чтобы минимизировать влияние магнитных полей рассеяния одного магнитопровода на другой. Причем первый из этих магнитопроводов охватывает первую и вторую катушки, а второй охватывает вторую и третью катушки и т.д. Между магнитопроводами имеется немагнитный участок; они образуют практически независимые и не связанные между собой магнитные цепи. Длина ферромагнитной рабочей области метаемого тела равна 3h+2L, где h - расстояние между двумя катушками, L - толщина катушки. Источником питания каждой из катушек являются конденсаторы. Параметры средств управления ключами, коммутирующими цепи питания каждой из катушек, выбираются таким образом, чтобы после включения питания первой катушки при движении метаемого тела ток в первой катушке отключался при включенном питании второй катушки и чтобы питание второй катушки выключалось после включения питания третьей катушки. Коммутации последующих катушек выполняются аналогично описанному. В результате ток вторичной индукции при отключении питания предыдущей катушки усиливает магнитное поле последующей катушки. 3 ил.

Электромагнитный ускоритель метаемого тела, содержащий ферромагнитное метаемое тело, цилиндрический немагнитный ствол с соосно закрепленными на нем и последовательно расположенными катушками тяговых соленоидов, средства управления коммутацией цепей питания каждой катушки по сигналам датчиков положения метаемого тела, отличающийся тем, что он снабжен несколькими отдельными магнитопроводами, причем магнитопроводы расположены так, что каждый из них охватывает по две соседние катушки, примыкая обращенными к стволу боковыми элементами к торцам катушек, при этом для любых трех расположенных последовательно в ряд катушек (j), где j - номер катушки, первый магнитопровод охватывает две рядом расположенные катушки (j) и (j+1), примыкая двумя боковыми элементами к крайним торцам этой пары катушек, при этом между катушками (j) и (j+1) элементы данного магнитопровода отсутствуют, второй магнитопровод двумя боковыми элементами охватывает крайние торцы катушек (j+1) и (j+2) и при этом один боковой элемент второго магнитопровода размещен между рядом расположенными торцами катушек (j) и (j+1), крайние торцы которых охвачены первым магнитопроводом, а между рядом расположенными торцами катушек (j+1) и (j+2), охваченных вторым магнитопроводом, расположен один боковой элемент первого магнитопровода, длина метаемого тела выполнена равной сумме удвоенной длины катушки и утроенного расстояния между катушками, что обеспечивает при движении метаемого тела совместно с соответствующим магнитопроводом и охваченной им парой катушек образование замкнутой магнитной системы, которая способна выполнить как функцию электромагнита, так и функцию трансформатора, средства управления коммутацией цепей питания катушек по сигналам датчиков положения метаемого тела при образовании замкнутой магнитной системы выполнены с возможностью выключения питания катушки (j) при включенном питании катушки (j+1), с последующим выключением питания катушки (j+1) при включенном питании катушки (j+2), для усиления током вторичной магнитной индукции магнитного поля катушки с включенной цепью питания и увеличения тягового усилия сначала в катушке (j+1), а затем в катушке (j+2) и последующих катушках, и при перемещении ферромагнитного метаемого тела осуществляется перенос части электромагнитной энергии от одной катушки к последующей.