Способ управления многоступенчатым линейным электромагнитным ускорителем Российский патент 2025 года по МПК F41B6/00 

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

Известен способ управления резонансным электромагнитным ускорителем [Патент РФ №2466340 RU, МПК F41B 6/00. Резонансный электромагнитный ускоритель / К.И. Сухачев, Н.Д. Семкин, М.П. Калаев, А.М. Телегин, Д.В. Родин, А.П. Пияков. - №2011116048/11; заявл. 22.04.2011; опубл. 10.11.2012, Бюл. №31 - 4 с., ил.], содержащем ферромагнитный ускоряемый объект, цилиндрическую немагнитную трубу с соосно закрепленными на ней и последовательно расположенными тяговым соленоидами, средства коммутации катушек тяговых соленоидов по сигналам управляющего устройства, силовые шины коммутации, конденсаторный источник энергии, изолированные драйверы, обратные диоды, датчик тока и шины управления, заключающийся в контролируемом системой управления поочередным включением цепей питания катушек тяговых соленоидов по сигналам датчика тока по мере продвижения ускоряемого ферромагнитного объекта силами магнитного поля внутри цилиндрической немагнитной трубы и естественного отключения цепей питания катушек тяговых соленоидов, вызванного разрядом конденсаторного источника при достижении ферромагнитным объектом середины катушки.

К недостаткам известного способа управления следует отнести низкую эффективность использования всей длины катушек тяговых соленоидов, вызванную преждевременным естественным отключением цепей их питания. Использование данного способа управления ограничивает конечную скорость разгона ферромагнитного объекта на выходе из немагнитной трубы.

Известен способ управления многоступенчатым линейным электромагнитным ускорителем для метания ферромагнитных тел в форме снаряда [Патент РФ №2331033 RU, МПК F41B 6/00. Многоступенчатый электромагнитный ускоритель с датчиком ускорения / Е.В. Васильев. - №2006144679/02; заявл. 14.12.2006; опубл. 10.08.2008, Бюл. №22 - 7 с., ил.], содержащем ферромагнитный снаряд, цилиндрический ствол из немагнитного материала с соосно закрепленными на нем катушками тяговых соленоидов со средствами их коммутации по сигналам управляющего устройства, датчик измерения линейного ускорения ствола и конденсаторный источник энергии, заключающийся в поочередном последовательном отключении цепей питания отработавших ступеней тяговых соленоидов и включении цепей питания вступающих в работу ступеней тяговых соленоидов ускорителя по сигналам управляющего устройства, контролирующего с помощью датчиков измерения линейного ускорения отдачи ствола точное положение ферромагнитного снаряда внутри катушки тягового соленоида.

К основным недостаткам известного способа управления многоступенчатым электромагнитным ускорителем следует отнести низкую эффективность разгона ферромагнитного снаряда в установленных границах активной зоны вступающей в работу катушки тягового соленоида за счет невысокой амплитуды протекающего в цепи тока вследствие имеющего место переходного процесса и недостаточной величины электромагнитного тягового усилия, что вызвано увеличением скорости снаряда по мере его продвижения вглубь ствола и вынужденным сокращением времени работы каждой последующей ступени ускорителя.

Также преждевременное отклонение цепей питания работающих ступеней тяговых соленоидов для предотвращения электромагнитного торможения снаряда магнитным полем катушки снижает эффективность использования всей длины цилиндрического немагнитного ствола и предъявляет более высокие требования к точности сигналов, управляющих средствами коммутации и точности измерения линейных ускорений при отдаче ствола.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является способ управления, реализованный в конструкции многоступенчатого линейного электромагнитного ускорителя для метания ферромагнитных тел [Патент РФ №2735510 RU, МПК F41B 6/00. Многоступенчатый линейный электромагнитный ускоритель / В.Ю. Нейман, Л.А. Нейман. - №2019133683; заявл. 22.10.2019; опубл. 03.11.2020, Бюл. №31 - 11 с., ил.], содержащим цилиндрический немагнитный ствол с последовательно расположенными на нем с постоянным шагом и соосно закрепленными катушками тяговых соленоидов со средствами их коммутации по сигналу управляющего устройства, метаемое ферромагнитное тело с отношением его длины к постоянному шагу катушек тягового соленоида, принимаемым больше двух, и конденсаторный источник энергии, заключающийся в поочередном включении цепей питания вступающей в работу катушки тягового соленоида и выключении цепей питания отработавшей катушки тягового соленоида по сигналам управляющего устройства по мере продвижения метаемого ферромагнитного тела вглубь немагнитного ствола.

Данный способ управления многоступенчатым линейным электромагнитным ускорителем принимается в качестве прототипа.

Недостатком способа управления является низкая эффективность разгона метаемого ферромагнитного тела в отведенных границах активной зоны вступающей в работу катушки тягового соленоида, что связано с низкой амплитудой тока, протекающего в цепи питания катушки тягового соленоида, приводящей к ослаблению ее магнитного поля и электромагнитного усилия, действующего на ферромагнитное тело при его ускорении.

Вследствие равенства индуктивностей катушек длительность времени для завершения переходного процесса в цепи с увеличивающимся током практически не меняется. Также с увеличением скорости метаемого ферромагнитного тела, по мере его продвижения вглубь ствола, сокращается время работы каждой последующей ступени тягового соленоида и, следовательно, сокращается время, необходимое для завершения переходного процесса в цепи с индуктивностью, что приводит к вынужденному снижению амплитуды тока и электромагнитного усилия, определяющего скорость движения метаемого ферромагнитного тела на выходе каждой ступени ускорителя, а также оказывает существенное влияние на конечную скорость метаемого ферромагнитного тела на выходе из немагнитного ствола.

Основной технической задачей предложенного решения является повышение эффективности многоступенчатого линейного электромагнитного ускорителя за счет увеличения конечной скорости метаемого ферромагнитного тела на выходе из немагнитного ствола.

Поставленная техническая задача решается тем, что в предлагаемом способе управления многоступенчатым линейным электромагнитным ускорителем для метания ферромагнитных тел, содержащим цилиндрический немагнитный ствол с последовательно расположенными на нем с постоянным шагом и соосно закрепленными катушками тяговых соленоидов со средствами их коммутации по сигналу управляющего устройства, метаемое ферромагнитное тело с отношением его длины к постоянному шагу катушек тяговых соленоидов, принимаемым больше двух, и конденсаторный источник энергии, заключающийся в поочередном включении цепей питания вступающей в работу катушки тягового соленоида и выключении цепей питания отработавшей катушки тягового соленоида, причем средства управления коммутацией цепей питания каждой катушки тягового соленоида выполнены с возможность одновременного включения всех катушек тяговых соленоидов с последующим их поочередным отключением по сигналам управляющего устройства по мере продвижения метаемого ферромагнитного тела вглубь немагнитного ствола.

На фиг. 1 приведена схема расположения основных элементов конструкции многоступенчатого линейного электромагнитного ускорителя и его функциональная электрическая схема управления его средствами коммутации катушек тяговых соленоидов.

На фиг. 2. приведены временные диаграммы токов в цепях питания катушек тяговых соленоидов, отражающие характер переходного процесса.

На фиг. 3 приведены временные диаграммы электромагнитных сил, действующих на ферромагнитное тело в процессе его продвижения вглубь немагнитного ствола.

На фиг. 4 приведена временная диаграмма скорости метаемого ферромагнитного тела при движении внутри немагнитного ствола.

Многоступенчатый линейный электромагнитный ускоритель (фиг. 1) содержит метаемое ферромагнитное тело 1, расположенное внутри цилиндрического немагнитного ствола 2, с последовательно расположенными на нем с постоянным шагом катушками 3 тяговых соленоидов 4, образующих многоступенчатую конструкцию, и датчиками положения 5, управляющее устройство 6 со средствами коммутации цепей питания 7 катушек тяговых соленоидов и конденсаторный источник энергии 8.

Для предотвращения электромагнитного торможения магнитным полем катушек тяговых соленоидов отношение длины метаемого ферромагнитного тела к постоянному шагу катушек принимается больше двух.

В приведенной на фиг. 1 компоновке многоступенчатого линейного электромагнитного ускорителя количество его ступеней определяется числом последовательно установленных катушек тяговых соленоидов по всей длине цилиндрического немагнитного ствола.

Предлагаемый способ управления, реализованный в конструкции многоступенчатого линейного электромагнитного ускорителя, осуществляется следующим образом.

В начальный момент времени по сигналу управляющего устройства средствами коммутации выполняется одновременное включение цепей питания всех катушек тяговых соленоидов, приводящее к протеканию по ним тока, увеличивающегося по зависимости, близкой к экспоненциальному характеру (фиг. 2), и возбуждению в катушках магнитного поля.

По мере увеличения тока в катушке тягового соленоида первой ступени ускорителя в ней возбуждается магнитное поле, которое взаимодействует с ферромагнитным телом. Сила электромагнитного взаимодействия, действующая на ферромагнитное тело, вызывает его ускоренное движение внутрь катушки тягового соленоида. При полном втягивании метаемого ферромагнитного тела в катушку срабатывает датчик положения первой ступени ускорителя и подает сигнал на отключение цепей питания первой катушки тягового соленоида. Ферромагнитное тело продолжает свое ускоренное продвижение внутри ствола, вступая в силовое взаимодействие с магнитным полем включенной ранее катушки второй ступени ускорителя до полного втягивания метаемого ферромагнитного тела внутрь катушки тягового соленоида, при котором срабатывает датчик положения второй ступени ускорителя и подает сигнал на отключении цепей питания второй катушки тягового соленоида. По мере продвижения метаемого ферромагнитного тела вглубь ствола процесс повторяется.

Следует отметить, что вследствие переходного процесса, происходящего в цепях питания катушек тяговых соленоидов, среднее значение тока (фиг. 2) и среднее значение электромагнитного усилия (фиг. 3), каждой последующей вступающей в работу ступени ускорителя, превышают средние значения тока и электромагнитно усилия отработавшей ступени.

Временная диаграмма скорости метаемого ферромагнитного тела по мере его продвижения вглубь ствола приведена на фиг. 4.

Применение способа управления многоступенчатым линейным электромагнитным ускорителем обеспечивает кратное увеличение скорости метаемого ферромагнитного тела на выходе из ствола по отношению к существующим аналогичным устройствам.

Таким образом, заявленный способ управления позволяет повысить эффективность многоступенчатого линейного электромагнитного ускорителя за счет увеличения скорости метаемого ферромагнитного тела на выходе из ствола.

Способ управления многоступенчатым линейным электромагнитным ускорителем, при котором одновременно включают все катушки тяговых соленоидов с последующим их поочередным отключением по сигналам управляющего устройства по мере продвижения метаемого ферромагнитного тела вглубь цилиндрического немагнитного ствола. Технический результат - повышение эффективности многоступенчатого линейного электромагнитного ускорителя за счет увеличения скорости метаемого ферромагнитного тела на выходе из ствола. 4 ил.

Способ управления многоступенчатым линейным электромагнитным ускорителем для метания ферромагнитных тел, содержащим цилиндрический немагнитный ствол с последовательно расположенными на нем с постоянным шагом и соосно закрепленными катушками тяговых соленоидов со средствами их коммутации по сигналу управляющего устройства, метаемое ферромагнитное тело с отношением его длины к постоянному шагу катушек тяговых соленоидов, принимаемым больше двух, и конденсаторный источник энергии, заключающийся в поочередном включении цепей питания вступающей в работу катушки тягового соленоида и выключении цепей питания отработавшей катушки тягового соленоида, отличающийся тем, что средства управления коммутацией цепей питания каждой катушки тягового соленоида выполнены с возможностью одновременного включения всех катушек тяговых соленоидов с последующим их поочередным отключением по сигналам управляющего устройства по мере продвижения метаемого ферромагнитного тела вглубь немагнитного ствола.